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• Freddy Ayala

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ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE MECANICA ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA

DISEÑO DE UNA MÀQUINA LAVADORA DE PLÀSTICO RECICLADO

miltonyepez

5626

Riobamba- ecuador

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TABLA DE CONTENIDO LISTA DE FIGURAS

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LISTA DE TABLAS

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INTRODUCCIÓN

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1. ESTADO DEL ARTE

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1.1EVOLUCION DE LA MATERIA PRIMA

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2. METODOLOGÍA DEL PROYECTO

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2.1. FASES SEGÚN MODELO DE PAHL Y BEITZ

12

2.1.1. FASE 1. ESPECIFICACIONES.

12

2.1.2. FASE 2. DISEÑO CONCEPTUAL

12

2.1.3. FASE 3. DISEÑO DE INGENIERIA

12

2.1.4. FASE 4. DISEÑO DE DETALLE.

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3. MARCO TEORICO

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3.1. PLASTICO

15

3.1.1. Clasificación

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3.2. LAVADO

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3.3. MÉTODOS DE LAVADO DE PLÀSTICO RECICLADO

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3.3.1.

LAVADORA DE RECIPIENTE CON SUPERFICIE CONCÉNTRICA

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3.3.2.

LAVADORA DE RECIPIENTE CON SECCIÓN HORIZONTAL

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3.3.3.

LAVADORA DE RECIENTE CON CONDUCTO ANULAR.

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4. PROCESO DE DISEÑO

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4.1. DEFINICION DEL PROBLEMA

20

4.2. DECLARACION DE LA MISION

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5. 5.1.

4.2.1. Descripción del producto

21

4.2.2. Mercado primario

21

4.2.3.Postulados

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4.2.4. Personas interesadas

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NECESIDADES Y ESPECIFICACIONES DE LA MAQUINA OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN

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5.2.

NECESIDADES DEL OPERARIO.

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5.3.

NECESIDADES DEL CLIENTE.

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5.4.

MATRIZ DE NECESIDADES – MEDIDAS.

23

5.5. ESPECIFICACIONES DEL PRODUCTO

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6. DISENO CONCEPTUAL

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6.1. CAJA NEGRA

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6.2. ESTRUCTURA FUNCIONAL

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6.2.1. FUNCIONES DE LA ESTRUCTURA FUNCIONAL

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6.3. GENERACION DE ALTERNATIVAS

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6.4. METODOLOGIA DE EVALUACION Y RESULTADOS

28

6.4.1. PUNTAJE Y CRITERIOS DE LA MATRIZ DE PROYECCIÓN

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6.4.2. PUNTAJE Y CRITERIO DE LA MATRIZ DE PUNTUACIÓN

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6.4.3 DESCRIPCIÓN DE LOS CRITERIOS

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6.4.4. CONCEPTOS SOLUCIÓN

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6.4.4.1. DESCRIPCIÓN RUTA SOLUCIÓN 1

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6.4.4.2. DESCRIPCIÓN RUTA SOLUCIÓN 2

34

6.4.5. EVALUACIÓN DE LAS RUTAS DE SOLUCIÓN

34

6.4.5.1. CRITERIOS DE EVALUACIÓN

34

6.4.5.2. CALIFICAR CONCEPTOS

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6.4.5.3. SELECCIONAR UNA RUTA

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6.4.5.4. REFLEXIONAR SOBRE LOS RESULTADOS

36

6.5. DIAGRAMA DE LA LAVADORA DE PLÁSTICO RECICLADO

36

7. DISENO DE INGENIERIA 7.1. SISTEMA MOTOR.

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7.2.

DISEÑO DEL EJE

39

7.3.

DISEÑO DEL CONDUCTO DE INGRESO DEL AGUA

39

7.4.

DISEÑO DE LA CANASTILLA.

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8. CONCLUSION

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9. RECOMENDACIONES

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10. BIBLIOGRAFIA

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LISTA DE FIGURAS. FIGURA1. SIMBOLIZACIÓN DEL PLÁSTICO PARA RECICLARLO FIGURA2. MODELO DE PAHL Y BELTZ FIGURA3. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES POLIMÉRICOS. FIGURA4. CAJA NEGRA. (LAVADORA DE PLÁSTICO RECICLADO). FIGURA 5. ESTRUCTURA FUNCIONAL (LAVADORA DE PLÁSTICO RECICLADO). FIGURA 6. DIAGRAMA DE LA LAVADORA DE PLÁSTICO RECICLADO FIGURA 7. VISTA FRONTAL DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA. FIGURA 8. VISTA LATERAL DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA.

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LISTA DE TABLAS. TABLA 1. PRODUCTOS A PARTIR DE PLÁSTICOS

TABLA 2. TERMOPLÁSTICOS TABLA 3. CARACTERÍSTICAS DE LAVADO TABLA 4. NECESIDADES DE LOS OPERARIOS TABLA 5: MATRIZ DE NECESIDAD – MEDIDAS TABLA 6. ESPECIFICACIONES DE LA MÁQUINA TABLA 7. MATRIZ MORFOLÓGICA TABLA 8. PUNTUACIÓN EN LA MATRIZ DE PROYECCIÓN TABLA 9. CRITERIOS DE EVALUACIÓN PARA LA MATRIZ DE PROYECCIÓN TABLA 10. DESEMPEÑO RELATIVO PARA LA MATRIZ DE PUNTUACIÓN TABLA 11. CRITERIOS DE EVALUACIÓN PARA LA MATRIZ DE PUNTUACIÓN TABLA 12. CRITERIOS DE EVALUACIÓN TABLA 13. PUNTUACIÓN DE CONCEPTOS TABLA 14. PUNTUACIÓN DE RUTAS SOLUCIÓN

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INTRODUCCION. Se trata de separar los plásticos en función de su composición (polietilenos, PVC, PET, ABS...) y efectuar un lavado de los mismos. Los plásticos limpios pueden ser comprimidos en balas como en el caso del papel para su venta o fundidos y convertidos en granzas para darles un valor añadido. Los rechaces se reciclan como madera plástica o se pasan a la valorización energética. Si se trata de plástico en láminas o bolsas la primera operación será el triturado para favorecer el posterior lavado.

Si se trata de plásticos procedentes de agricultura, que incluyen cubiertas de invernadero y acolchados sobre el suelo acostumbran a venir con grandes cantidades de humedad, tierras y piedras disminuyen la vida de los elementos trituradores. En este caso es necesario o conveniente proceder a una limpieza previa en seco mediante ventiladores, rodillos y rascadores u otro sistema adaptado específicamente al problema que se plantea. Generalmente hay un problema añadido y es que los plásticos de invernadero y acolchado son de calidades y colores diferentes, y conviene realizar su separación antes de iniciar el tratamiento.

Puede sustituirse el sistema de limpieza en seco por un triaje manual o semimanual o una trituración de las balas en bruto mediante tronzadoras de martillos. En cualquier caso sólo el conocimiento exacto de las condiciones de trabajo podrá definir el tratamiento. Si nos facilitan datos acerca de los tipos de plásticos, sus calidades y cantidades respectivas podremos realizar el estudio.

Una vez las láminas plásticas se han reducido a un tamaño que permita su lavado mecánico se introducen a una lavadora con capacidad adecuada.

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Si no se pretende dar más valor al producto simplemente de comprime en balas para su venta, para lo que se necesita una prensa, cuyo coste de adquisición depende de la producción exigida y el tipo (manual, mecánica, hidráulica, neumática...).

Una adición de valor se consigue con su trituración y conversión en granzas. Los plásticos triturados pasan a un almacén para su homogeneización para mantener una calidad uniforme (se aconseja un almacenaje equivalente a 8 - 10 días de trabajo), y posteriormente una extrusionadora los convierte en granzas. Se necesita una extrusionadora para cada clase de plásticos a recuperar, y una ensacadora para envasar el material acabado para su venta.

El agua usada en el lavado de los plásticos se lleva a un sistema de decantador y filtro y se utiliza para el enfriamiento de los plásticos a la salida de la extrusionadora. El resto se recicla en el mismo sistema de lavado.

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1. ESTADO DEL ARTE. 1.1.

MÉTODOS DE LAVADO DE PLÀSTICO RECICLADO.

Los retazos obtenidos por medio de un proceso de recuperación secundaria son sujetos a un proceso de lavado. Los desechos duros son lavados con un equipo lavador. Los agentes de lavado pueden ser polvo de sosa o detergente sintético. La cantidad usada dependerá de sus condiciones, aproximadamente 0.5 gr de agente de lavado por kilogramo de agua. Para los desechos suaves, el método de lavado a gas es el preferido. Cualquier tipo de lavado (con agua o gas) tiene poca influencia en el entorno de la planta. Lavadora de plástico El precio del plástico es mucho más elevado para material limpio. Muchos talleres que procesan el plástico no disponen de equipo para limpiarlo y deben contratar el lavado del material o prefieren comprar plástico limpio. La limpieza del plástico dentro de la planta de reciclaje constituye una importante ventaja económica. Existen varias tecnologías para limpiar los plásticos. La más sencilla es el lavado manual como es descrito en el capítulo. En las plantas de reciclaje con mayor capacidad se puede considerar el lavado mecanizado. Para este existen diferentes tecnologías. Las más usadas son: Lavado de trozos grandes en una lavadora de plástico:

La Fotografía 7 muestra una lavadora de plástico fabricada en un taller local en Loja; las fotografías 9 y 10 muestran la implementación del lavado mecanizado de trozos pequeños en una planta recicladora de plástico en Turquía (5000 t/a).

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Fotografía 7: Lavadora de plástico (Planta de reciclaje del Municipio de Loja) OPERADOR

CARCAZA

POLEA

BANDA POLEA

BASTIDOR CONTENEDOR DE PLASTICO LIMPIO

MOTOR ELECTRICO

El Dibujo 27 muestra una lavadora de plástico como se está utilizando en la planta de reciclaje del Municipio de Loja. Para poder lavar los plásticos hay que abrir las fundas en los lados y cortar botellas longitudinalmente en dos partes. Si se realiza este trabajo manualmente con una guillotina, se baja considerablemente el rendimiento del proceso.

Dibujo 27: Lavadora de plástico

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PALETAS E EJE

Fotografía 8: Trituración de los plásticos en trozos finos (Planta recicladora de plástico, Turquía).

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Fotografía 9: Lavado de los plásticos, separación del material lavado (Planta recicladora de plástico, Turquía).

La trituración de los plásticos en trozos finos se realiza en un molino con cuchillos giratorios. Este equipo tiene una muy buena eficiencia para el tratamiento de plásticos pero no es muy apto para trozar otras fracciones de los desechos sólidos, especialmente se puede dañar fácilmente cuando se mezclan materiales duros como vidrio, metales o piedras. el Dibujo 26 muestra el lavado mecanizado de los plásticos. Dibujo 26: Trituradora con cuchillos.

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1.2.

EVOLUCIÓN EN MATERIA PRIMA.

Los resultados alcanzados por los primeros plásticos incentivaron a los químicos y a la industria a buscar otras moléculas sencillas que pudieran enlazarse para crear polímeros. En la década del 30, químicos ingleses descubrieron que el gas etileno polimerizaba bajo la acción del calor y la presión, formando un termoplástico al que llamaron polietileno (PE). Hacia los años 50 aparece el polipropileno (PP).

Al reemplazar en el etileno un átomo de hidrógeno por uno de cloruro se produjo el cloruro de polivinilo (PVC), un plástico duro y resistente al fuego, especialmente adecuado para cañerías de todo tipo. Al agregarles diversos aditivos se logra un material más blando, sustitutivo del caucho, comúnmente usado para ropa impermeable, manteles, cortinas y juguetes. Un plástico parecido al PVC es el politetrafluoretileno (PTFE), conocido popularmente como teflón y usado para rodillos y sartenes antiadherentes.

Otro de los plásticos desarrollados en los años 30 en Alemania fue el poliestireno (PS), un material muy transparente comúnmente utilizado para vasos, potes y hueveras. El poliestireno expandido (EPS), una espuma blanca y rígida, es usado básicamente para embalaje y aislante térmico.

También en los años 30 se crea la primera fibra artificial, el nylon. Su descubridor fue el químico WalaceCarothers, que trabajaba para la empresa Dupont. Descubrió que dos sustancias químicas como el hexametilendiamina y ácido adípico, formaban polímeros que bombeados a través de agujeros y estirados formaban hilos que podían tejerse. Su primer uso fue la fabricación de paracaídas para las fuerzas armadas estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial, extendiéndose rápidamente a la industria textil en la fabricación de medias y otros tejidos combinados con algodón o lana. Al nylon le siguieron otras fibras sintéticas como por ejemplo el orlón y el acrilán.

En la presente década, principalmente en lo que tiene que ver con el envasado en botellas y frascos, se ha desarrollado vertiginosamente el uso del tereftalato de polietileno (PET), material que viene desplazando al vidrio y al PVC en el mercado de envases.

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Durante la Segunda Guerra Mundial, tanto los aliados como las fuerzas del Eje sufrieron reducciones en sus suministros de materias primas. La industria de los plásticos demostró ser una fuente inagotable de sustitutos aceptables. Alemania, por ejemplo, que perdió sus fuentes naturales de látex, inició un gran programa que llevó al desarrollo de un caucho sintético utilizable. La entrada de Japón en el conflicto mundial cortó los suministros de caucho natural, seda y muchos metales asiáticos a Estados Unidos. La respuesta estadounidense fue la intensificación del desarrollo y la producción de plásticos. El nylon se convirtió en una de las fuentes principales de fibras textiles, los poliésteres se utilizaron en la fabricación de blindajes y otros materiales bélicos, y se produjeron en grandes cantidades varios tipos de caucho sintético. Durante los años de la postguerra se mantuvo el elevado ritmo de los descubrimientos y desarrollos de la industria de los plásticos. Tuvieron especial interés los avances en plásticos técnicos, como los policarbonatos, los acetatos y las poliamidas. Se utilizaron otros materiales sintéticos en lugar de los metales en componentes para maquinaria, cascos de seguridad, aparatos sometidos a altas temperaturas y muchos otros productos empleados en lugares con condiciones ambientales extremas. En 1953, el químico alemán Karl Ziegler desarrolló el polietileno, y en 1954 el italiano Giulio Natta desarrolló el polipropileno, que son los dos plásticos más utilizados en la actualidad. En 1963, estos dos científicos compartieron el Premio Nobel de Química por sus estudios acerca de los polímeros.

TABLA 1. PRODUCTOS A PARTIR DE PLÁSTICOS.

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2. METODOLOGÍA DEL PROYECTO Para el desarrollo de este proyecto se empleará la metodología basada en el modelo de Pahl y Beitz, la cual podrá ser modificada durante el proceso de diseño para adaptarla a una situación particular.

2.1. FASES SEGÚN MODELO DE PAHL Y BEITZ

Las fases principales definidas por esta metodología son:

2.1.1. Fase 1. Especificaciones En esta fase se recopila la información acerca de los requerimientos y restricciones que deben incorporarse en el producto

2.1.2. Fase 2. Diseño conceptual. Se define como la fase del proceso de diseño que toma el planteamiento del problema (especificación de diseño) y genera soluciones amplias en forma de esquemas (conceptos).

2.1.3. Fase 3. Diseño de ingeniería. Se parte del concepto, se desarrolla con mayor detalle y se hacen los cálculos básicos necesarios para asegurar la funcionalidad del sistema para así desarrollar un producto de acuerdo con las consideraciones técnicas, económicas y de producto. En esta etapa se genera un plano de conjunto que explique en su totalidad el funcionamiento del producto, sin hacer descripción de los detalles.

2.1.4. Fase 4. Diseño de detalle. En esta etapa del proceso de diseño se parte de una definición proporcionada por los planos de conjunto y la memoria anexa. El diseño de detalle se expresa a través de un plano, el cual ESPOCH

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tiene como objetivo precisar y plasmar toda la información necesaria sobre detalles de fabricación del producto.

En la figura 2, se aprecian los pasos principales de diseño que se implementaran para obtener el producto deseado.

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FIGURA 2. MODELO DE PAHL Y BELTZ Fuente: Cross (1999 p.37) ESPOCH

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3. MARCO TEORICO. 3.1.

PLÀSTICO.

Los plásticos son materiales sintéticos fabricados en su totalidad por el hombre, estos materiales se pueden encontrar en una gran variedad, tanto así como el número de necesidades que tenga el hombre para satisfacer, es decir, cada material que compone los diferentes tipos de plásticos están fabricados de acuerdo a ciertas necesidades.

Los plásticos son materiales muy versátiles y se pueden distinguir por su estructura, propiedades, composición o modos de procesamiento. Estos están compuestos por monómeros los cuales son compuestos químicos de bajo peso molecular y se obtienen a partir del petróleo, gas natural, carbón, entre otros como CO2 o material vegetal.

El reciclado y la valorización se definen como todo procedimiento que permita el aprovechamiento de los recursos contenidos en los residuos, incluida la incineración con recuperación de energía, sin poner en peligro la salud humana y sin utilizar métodos que puedan causar perjuicios en el medio ambiente.

FIGURA1. SIMBOLIZACIÓN DEL PLÁSTICO PARA RECICLARLO

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Los residuos más homogéneos son los que usualmente se aprovechan para la fabricación de los mismos productos u otros de menor valor añadido. Mientras que los residuos más mezclados o heterogéneos, son principalmente valorizados usándolos como combustible alternativo en procesos industriales o como fuente de energía en procesos de combustión.

El precio del plástico es mucho más elevado para material limpio. Muchos talleres que procesan el plástico no disponen de equipo para limpiarlo y deben contratar el lavado del material o prefieren comprar plástico limpio. La limpieza del plástico dentro de la planta de reciclaje constituye una importante ventaja económica. Existen varias tecnologías para limpiar los plásticos. La más sencilla es el lavado manual como es descrito en el capítulo. En las plantas de reciclaje con mayor capacidad se puede considerar el lavado mecanizado. Para este existen diferentes tecnologías. Las más usadas son:  Lavado de trozos grandes en una lavadora de plástico.  Trituración mecánica de los plásticos con lavado sucesivo.

3.1.1. Clasificación.

Los diferentes polímeros pueden ser clasificados según el ordenamiento de sus macromoléculas después de haber sido procesados totalmente. De acuerdo a la naturaleza de los enlaces intermoleculares los materiales plásticos se distinguen entre reticulados y no reticulados. En los no reticulados las macromoléculas están unidas entre sí por las fuerzas de enlace secundarias y como puede ser fundido de nuevo se le denomina termoplástico. De acuerdo al grado de organización que las moléculas hayan logrado adoptar en el estado sólido, esta categoría se divide en materiales Amorfos y Semicristalinos. En los reticulados las macromoléculas están unidas por medio de enlaces químicos y de acuerdo a estos puntos de reticulación, estos se dividen a su vez en Elastómeros y Duroplásticos.

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FIGURA 3. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES POLIMÉRICOS.

TABLA 2. TERMOPLÁSTICOS.

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3.2.

LAVADO

El lavado es uno de los pasos más importantes dentro del proceso, ya que este material después de ser utilizado por varios años, puede tener muchos residuos que impedirían un procesamiento adecuado en la inyección o extrusión. El proceso de lavado generalmente se hace en lavadoras industriales especializadas, en este caso se va a llevar a cabo en baldes con 1 kg de producto triturado y con los diferentes aditivos para su lavado. El procedimiento de lavado, consiste en adicionar en un balde 1 kg de ABS molido, cantidad de agua que sea aproximadamente una vez y media la cantidad de plástico y los aditivos correspondientes al 5% de la cantidad de material.

TABLA 3. CARACTERÍSTICAS DE LAVADO.

3.3 DISEÑO DE LA MÁQUINA. El proceso de limpieza se hace necesario pues el plástico generalmente está contaminado de polvo, comida, papel, piedrecillas (basura sólida), pegamento, grasa, químicos, etc. En un proceso de alta tecnología los plásticos deben ser granulados, este granulado es limpiado y luego es colocado sobre pantallas movibles. También se usan hidrociclones cuando el deshecho plástico está muy contaminado. Cabe señalar que el plástico reciclado con estos pasos se lo usa para elaborar fundas de basura, mangueras para electricidad o cualquier otro producto que no sea para el uso humano. ESPOCH

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El plástico previamente debe ser clasificado por el tamaño y luego ir a dos etapas de lavado: la limpieza de basura “sólida” y limpieza de químicos que se lo hará con detergentes, no con solventes pues la clasificación previa no está basada en densidades y características propias del plástico (Fouhy y Kim, 1993).

Selección de alternativas La máquina que ha diseñarse debe cumplir con los siguientes requisitos: a) Parámetros funcionales • Capacidad de lavado de 1500 Kg/día. • Garantizar la limpieza del plástico de la basura sólida • Trabajo continuo durante 8 horas • Costo no superior a los $3000, pues su similar en los países europeos está en $7600 (CIF)

b) Requerimientos funcionales: • Facilidad de montaje y desmontaje. • Área de trabajo de 36m2 • Dos operadores como máximo

Tomando en cuenta lo anterior se plantearon tres alternativas: Sistema de agua a presión, sistema de tanques de agua y sistema de aletas rotatorias. Se analizaron los sistemas en cuanto a ventajas y desventajas, tomando en cuenta criterios como, costo de construcción, operabilidad, calidad de lavado, continuidad de trabajo, mantenimiento además de área de funcionamiento requerida. Todos estos puntos fueron evaluados objetivamente, y los resultados se muestran en la Tabla 1.

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Después de comparar los resultados de la Tabla 1 observa que la alternativa más viable es la número 3.

Diseño de la alternativa seleccionada El lavado del plástico, según este sistema, se basa en un sistema de aletas rotatorias, similar a una lavadora de ropa pero con eje horizontal, en el cual el lavado se basa en el movimiento del plástico provocado por aletas sujetadas en eje soportado en un semitambor horizontal (Crisanto y Miranda, 2000; Guamán y Cedillo, 1994) El agua ingresa a la máquina (Figs. 1 y 2) por su parte superior a través de una flauta. La máquina posee tres sistemas principales: • Sistema motor, que incluye el motor, bandas cadenas, poleas, piñones, y rodamientos • Sistema de lavado, que incluye un eje (elemento crítico), flauta de ingreso del agua, paletas de lavado, canastilla y rodamientos • Carcasa y estructura. Se presenta un esquema de la concepción de la máquina. Para realizar el diseño del eje se consideran las siguientes cargas: plástico, agua y peso de las paletas. Para cumplir con la capacidad de lavado impuesta en los parámetros funcionales la carga que se considera en el diseño es 6.5 kg. De plástico sucio Se estima la carga de agua mediante una prueba donde se arma cubos de plástico sucio, se mide sus ESPOCH

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aristas, se sumerge en agua y también se estima este volumen de agua. Por último se multiplica por un factor, pues el agua no permanece como una constante, sino que circula. De lo anterior se tiene un volumen de agua de 125000 cm3, es decir, un peso por carga de agua PH2O = 31 kg.

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Las paletas de lavado son otro elemento que influye en la carga de diseño del eje. Este peso, es una fuerza que solamente actúa a flexión. Las paletas están montadas con un ángulo de hélice de 7º. El material necesario para esta aplicación, es un acero resistente la abrasión ya que este elemento va a estar en movimiento y en contacto directo con el plástico sucio, es decir, en contacto directo con desechos orgánicos y partículas de tierra. El acero más recomendado para esta aplicación es uno con alto contenido de manganeso (sobre el 8%). El peso de las paletas está dado por las dimensiones básicas de la misma. También se añade un peso adicional debido al sistema de sujeción de las paletas con el eje, por lo que el peso de las dos paletas que se concibe en el diseño es: P2 paleta = 34 kg

Sistema motor (Fig. 3) Basándose en recomendaciones la velocidad adecuada para este tipo de aplicaciones está en el rango de 200 a 250 rpm. Se escogió el valor de 225 rpm. (Pareto, 1976). Previo a la selección del motor se calcula la potencia necesaria de la máquina propiamente dicha, P3, de lo que se obtiene un valor de 5.72 HP, por lo que la potencia necesaria en el motor es: P1 = 7 HP.

Diseño del eje El diseño del eje se lo hace mediante tres métodos: Cálculo del eje mediante análisis por fatiga (Juvinal, 1993; Shigley y Meschke, 1995), mediante una fórmula experimental y análisis por medio del paquete SAP 2000 a manera de comprobación. La fórmula experimental hallada propuesta, que facilita un punto de partida en el diseño, se basa en el Momento ESPOCH

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torsor que actúa en el eje, las revoluciones a la que gira y la potencia requerida por el eje en ese punto, de lo que resulta un eje de 50.63 mm. Para iniciar el cálculo de eje mediante un análisis por fatiga, se realiza las siguientes consideraciones: • Toda la carga del plástico, en el momento crítico, se encuentra solamente en una aleta. • La carga del plástico está situada en el centro geométrico de la aleta. • La carga se dirige en forma perpendicular a la aleta. • El ángulo de inclinación de la aleta es de 7º respecto a la horizontal. • Existe una fuerza generada por la cadena, al momento de transmitir la potencia. Ahora bien, las fuerzas que actúan sobre el eje, son: • Fuerza generada por la cadena al transmitir la potencia. • Fuerza de la carga del plástico • Reacciones en los apoyos del eje • Peso de la segunda aleta Se toma los valores de esfuerzos, y momentos para realizar los cálculos, y basándose en el costo se selecciona el acero de transmisión 1020, cuyas propiedades son: Su = 530 MPa Sy = 450 MPa BHN = 111 Brinell. Las razones de D/d y r/d y la constante Kt (Shigley y Meschke, 1995), se consideran respectivamente 1.25, 0.034 y 2.2 para cargas de flexión y 1.8 para cargas torsionales. Se considera un factor de seguridad de 2.5 y se obtiene diámetro para el eje, cuyo valor para el punto crítico es: d = 55.68mm. A manera de comprobación se utiliza el paquete SAP 2000, el cual arroja un valor de d= 54mm, lo que corrobora el valor obtenido mediante los otros dos métodos.

Diseño del conducto de ingreso del agua En la selección del diámetro de la tubería se toma en cuenta las pérdidas de carga en las tuberías y accesorios.

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Además se han realizado mediciones del volumen y tiempo en la red de distribución, para poder determinar el caudal, tal como se muestra en la Tabla 2 (Guamán-Cedillo, 1994). Pensando en la facilidad de construcción, este elemento se concibe de la siguiente manera: 1) El flujo de agua ingresa por la mitad de elemento, es decir, a 625 mm, por lo que el análisis se realiza solamente en la una parte del elemento, ya que es simétrico. 2) Es de tubería galvanizada de 19.05 mm (3/4 ") más los accesorios necesarios. Se construyeron varios prototipos de flauta de ingreso de agua, en los que se practicaron agujeros de determinados diámetros y se probó la eficiencia del lavado. Considerando las pruebas realizadas, se pudo observar que en diámetros de 1, 1.5 y 2 mm el lavado es de mala calidad; 2.5, 3 mm el lavado tiene una calidad buena y entre 3.5 y 4 mm el lavado es regular. Los diámetros de 2.5 a 3 son los más recomendados pues: • El chorro de agua golpea en el plástico y este se reparte en el área del mismo permitiendo un buen lavado. • La velocidad y la fuerza con que llega el chorro produce movimiento en el plástico, que añadido al movimiento dado por las paletas dan como resultado un buen lavado. Diseño de la canastilla. La canastilla es un elemento que permite la salida del agua de lavado, de desechos orgánicos y partículas de tierra. Por esta razón la canastilla es de un material resistente a la abrasión, es decir, con un alto contenido de manganeso. La canastilla (Fig. 4) cubre la parte inferior de la máquina, la lámina con la que es fabricada se perfora para facilitar la descarga de los residuos de lavado. Además se la concibe con un arco de r =0.785 m.

Después de realizado el diseño se ha obtenido una máquina de las características como se muestra en la Tabla 3. ESPOCH

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Para constatar que los requerimientos funcionales y parámetros funcionales sean cumplidos a satisfacción, se diseña un protocolo de pruebas. a) Pruebas iniciales: • La máquina trabajará a un 75% de la carga de diseño, durante un lapso de 1 hora. De esta operación se realizarán tres pruebas

• Durante este lapso se verificará el trabajo de los elementos que constituyen el conjunto de carga y descarga, el consumo de potencia del motor, las r.p.m., etc. Mediante la utilización de un potenciómetro y tacómetro. a) Comprobar el tiempo de lavado. El intervalo de lavado se medirá desde el momento mismo del ingreso del plástico hasta su descarga. El instrumento utilizado en la medición será un cronómetro calibrado normalizado b) Comprobar de la calidad del lavado del plástico. Debido al grado de limpieza exigido para su venta, no se pretende entregar plástico libre de grasas, químicos u otras impurezas, se verificará que el plástico salga libre de tierra, papel, caucho, desecho metálico u orgánico. La verificación será visual. c) Comprobar la descarga. Se verificará que las compuertas de descarga ubicadas en la parte inferior de la máquina roten y garanticen la evacuación de todo el material. La inspección será visual.

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4. PROCESO DE DISEÑO. 4.1.

DEFINICIÓN DEL PROBLEMA.

En las microempresas verdes, el reciclaje se basa en tres pasos principales: separación, limpieza y peletización. Estos pasos, actualmente, se desarrollan de manera manual, atentando directamente a la salud de quienes laboran en ella actividad en el presente trabajo se propone el diseño de una máquina lavadora de plástico reciclado para el proceso de limpieza que permita a las microempresas de reciclaje optimizar su productividad. Esta máquina además de ser de diseño sencillo es de fácil construcción, mantenimiento, operación y bajo costo, que permite introducir una herramienta altamente lucrativa al proceso de producción, y fortalecer las acciones de conservación del planeta.

4.2.

DECLARACIÓNDE LA MISIÓN.

4.2.1. Descripción del producto.

La máquina nos permite extraer los agentes externos que contaminan al plástico, tales como el polvo, comida, basura sólida, pegamento, grasa, químicos, etc. Esta además es una máquina confiable, efectiva, eficiente, no destructiva, y también es de fácil uso.

4.2.2. Mercado primario.

Sector industrial, correspondiente a fábricas que se dediquen a la producción de plástico y que usen en el proceso la inclusión de plástico reciclado.

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4.2.3. Postulados.

Efectivo, eficiente, fácil manejo y no destructivo. 4.2.4. Personas interesadas.

Personal de una fábrica productora de plástico y de una recicladora de plásticos.

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5. NECESIDADES Y ESPECIFICACIONES DEL PRODUCTO 5.1.

OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN.

Obtener parámetros que guíen la producción de la máquina y aseguren que el producto final cuente con todos los requerimientos que lo hagan competitivo, además de ser un producto con excelentes características de forma, diseño, etc.

5.2.

NECESIDADES DEL OPERARIO.

La encuesta realizada para obtener la siguiente información tiene como objetivo identificar las necesidades latentes y explicitas de los operarios y conseguir información que justifique los requerimientos del producto. TABLA 4. NECESIDADES DE LOS OPERARIOS. MANIFESTACIONES DE LOS OPERARIOS. Opinión del Operario

Desempeño

Seguridad

Mantenimiento

Que sea de fácil manejo Que elimine la mayor cantidad de agentes contaminantes Que el equipo lo operen dos personas como máximo.

Que el sistema funcione de forma autónoma Que tenga un diseño en el cual se elimine de la mejor manera los agentes contaminantes. El montaje sea sencillo y lo operan sin mayor dificultad.

Que tenga la máxima eficiencia

Que con los materiales empleados se dé la mayor captación de energía posible

Que no represente riesgo al operario

Solo puede operarse cuando se encuentra totalmente cerrado el recipiente

Que sea de fácil mantenimiento Que se limpie fácil

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Interpretación

Que no requiera de personal calificado para realizar un mantenimiento Es fácil de limpiar Página 30

Costos

5.3.

Que exista los repuestos en el mercado.

Son de fácil construcción o adquisición.

Que sea económico.

La mayoría de piezas pueden construirse en un taller mecánico, y otros no representan gastos elevados.

NECESIDADES DEL CLIENTE.

El cliente requiere que el plástico reciclado al ser lavado en la máquina tenga el mínimo porcentaje de impurezas permisible para la producción normal del plástico en condiciones de calidad bajo las normas establecidas.

5.4.

MATRIZ DE NECESIDADES – MEDIDAS.

La matriz de necesidades-medidas se establece después de definir las necesidades del operario, estas corresponden a las aspiraciones iníciales que se esperan obtener del producto. En la tabla 5 se definen las unidades de medida que representan de mejor manera las necesidades planteadas

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TABLA 5: MATRIZ DE NECESIDAD – MEDIDAS. MEDIDA

Si/No

Si/No

Si/No

Si/No

Opera-

NECESIDAD

Guías

ción

Sistema

máximo

de instala-

dos

ción

Fácil Limpieza

personas El montaje es sencillo Se opera sin mayor dificultad La instalación y puesta en funcionamiento es fácil Es fácil de limpiar. Solo puede operarse cuando se encuentra totalmente cerrado el recipiente Todas las piezas están a la orden. Se encuentran fácilmente Repuestos de fácil consecución y de fácil fabricación Casi todas las piezas se pueden fabricar en un taller mecánico

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Si/No Operación solo con recipiente cerrado

Si/No Repuestos

Si/No Fácil Consecución de repuestos

$

Económico

0

0 0

0

0

0

0

0

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5.5.

ESPECIFICACIONES DEL PRODUCTO.

5.5.1. Parámetros funcionales.

Dentro de los principales parámetros que influyen en el diseño de la máquina, se consideran los siguientes:

TABLA 6. ESPECIFICACIONES DE LA MÁQUINA.

VARIABLE Velocidad Largo Ancho Altura Peso Capacidad de lavado Tiempo de lavado Tiempo de descarga Volumen de agua Potencia motor Energía Frecuencia

CAPACIDAD NOMINAL. 200-250 r.p.m. 2.050 m 1.56 m 2.3 m 185 Kg 6.5 kg/h 1 min. 1 min. 0,03125m3/carga plástico 7 HP 220 V trifásica 60 Hz

5.5.2. Ambiente de trabajo.

El equipo debe funcionar dentro de la planta donde no obstaculice los procesos anteriores o consecuentes ha este, para así obtener la mayor eficiencia posible, así podemos considerar:  El lugar debe estar ventilado.  Debe guardar las normas de seguridad que se exigen en la planta.

5.5.3. Vida útil.

El equipo en sí debe ser diseñado para que todos sus elementos en especial el crítico, tenga una vida útil de 2.48 x 106 ciclos. Este valor dependerá también de las condiciones de trabajo, por ejemplo las condiciones de carga, así también del tipo de mantenimiento que se emplee en la ESPOCH

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misma, principalmente en los elementos que están sometidos a desgaste pues este es un punto fundamental en la vida útil de esta máquina, principalmente en los elementos que están sometidos a desgaste. La vida útil de la máquina depende de la selección de materiales que empleamos en el diseño y la construcción, así como instrucción del operador al momento de conformación y armado de cada una de las partes que constituyen la lavadora de plástico. 5.5.4. Tamaño y peso. Una apreciación en las dimensiones extremas acerca del tamaño de la máquina son: ancho 1.56m; longitud 2.05 m; altura 2.3 m. El peso neto aproximado se considera de 185 Kg. 5.5.5. Apariencia. Si bien es una máquina industrial, la apariencia en la actualidad de gran importancia, debido a que esto influye mucho en el comprador, razón por la cual se realiza un estudio de arquitectura de la máquina. 5.5.6. Materiales. La selección de los materiales que se requiere para su construcción, específicamente son materiales resistentes a la abrasión debido a las condiciones de trabajo a las que va a estar sometida la máquina. Se realiza un estudio previo de los materiales existentes en el mercado, los diferentes proveedores y distribuidores o empresas afines a este proyecto y con la finalidad de realizar el diseño para obtener la mayor eficiencia en el equipo. 5.5.7. Procesos. Se describen varios procesos constructivos en los cuales se indican detalles importantes de los elementos constitutivos de la máquina. La fabricación del colector solar procesos como: trazado, corte, mecánico, doblado, soldado, limado, esmerilado, taladrado, remachado, bridado, armado, pintado, etc. Todos estos procesos se los puede realizar en cualquier taller mecánico o en fábricas de la construcción que cuenten con la infraestructura adecuada, de manera no representa ninguna dificultad su construcción.

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6. DISEÑO CONCEPTUAL.

6.1.

CAJA NEGRA.

FIGURA 4. CAJA NEGRA. (LAVADORA DE PLÁSTICO RECICLADO).

1.1

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6.2.

ESTRUCTURA FUNCIONAL.

FIGURA 5. ESTRUCTURA FUNCIONAL (LAVADORA DE PLÁSTICO RECICLADO).

PLASTICO SUCIO

Desprender mugre (agregar aditivos como jabón)

Agua y jabón

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Agua sucia

Agua sucia

Filtro de agua

Quitar mugre

Enjuagar mugre

Sacar el agua

(agitar con las paletas)

(Agitar paletas)

(filtrar)

PLASTICO LIMPIO

Agua limpia

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6.2.1. Funciones de la estructura funcional. 6.2.1.1.

Cargar Agua.

Está función le corresponde al operario quien se encarga de cargar de agua a la máquina a los niveles que corresponden para cada carga de plástico que se haga, se lo puede realizar por medio manual o usando algún sistema de bombeo, esto dependerá de los equipos con que cuente la planta.

6.2.1.2.

Cargar Plástico Sucio.

Está función le corresponde al operario quien a través de la tolva ingresa la materia prima a la máquina después de haber esta sido controlada su peso, para evitar el exceso de carga permisible para la máquina que es de 6.5 kg/h

6.2.1.3.

Fuente motriz:

Esta función le corresponde a los elementos de la máquina encargados de generar movimiento dentro del sistema que están a su vez considerados por recomendaciones de velocidad adecuadas para este tipo de aplicaciones, que están en el rango de 200 a 250 RPM. 6.2.1.4.

Sistema mecánico:

Esta función le corresponde a los elementos de la máquina encargados de la transmisión de movimiento y de potencia a las paletas que giran y el sistema revuelve el material, produciendo el lavado del plástico reciclado.

6.2.1.5.

Lavar.

Esta función lo cumplen todos los elementos que componen la máquina lavadora, después que el plástico debe previamente ser clasificado por el tamaño y luego de ir a la etapa de lavado donde la basura sólida es retirada o extraída del plástico.

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6.2.1.6.

Descargar.

El operario realiza esta función, a través de medios que existan en la planta, y para pasar la materia prima al siguiente evento del proceso que sería el secado del plástico reciclado.

6.3.

GENERACIÓN DE ALTERNATIVAS.

A partir de la estructura funcional explicada anteriormente, se asigna a cada función diferentes alternativas de solución, a esto se le denomina matriz morfológica (ver tabla 7).

6.4.

METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN Y RESULTADOS.

Después de haber generado la matriz morfológica, se procede a evaluar las alternativas de solución planteadas con el fin de reducir las opciones de solución a uno o dos conceptos más completos del producto, los cuales posteriormente se evaluaran para llegar al concepto solución. Para evaluar las alternativas de solución el método que se implementará es la selección de dos etapas que consta de una primera etapa denominada proyección del concepto y de una segunda etapa conocida como puntuación del concepto. La primera etapa es una evaluación rápida y aproximada, la cual pretende generar algunas alternativas viables, la segunda etapa es más precisa y tiene como objetivo definir cuáles son las opciones que darán como resultado un producto deseable.

6.4.1. Puntaje y criterios de evaluación para la matriz de proyección. La puntuación otorgada en la matriz de proyección es: TABLA 8. PUNTUACIÓN EN LA MATRIZ DE PROYECCIÓN.

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Mejor que

+

Igual que

0

Peor que

-

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Entre las alternativas de solución se elige un concepto de referencia para cada función, el cual es el punto de partida para decidir que puntuación otorgarle a una alternativa. Según las necesidades de operarios y clientes, se generan diversos criterios de evaluación, los cuales en el caso de la matriz de proyección tienen el mismo peso sobre la puntuación final de una alternativa. Para obtener la puntuación neta de una alternativa, se suman todos los criterios que arrojaron positivo y se resta la suma de todos los criterios que dieron negativo; luego se procede a ordenar los conceptos por rango y se decide según los resultados que alternativas deben continuar y cuáles no en el proceso de evaluación. Los criterios de evaluación que se implementaran son los siguientes:

TABLA 9. CRITERIOS DE EVALUACIÓN PARA LA MATRIZ DE PROYECCIÓN.

CRITERIOS DE EVALUACION

Desempeño

Tamaño Mantenibilidad

Seguridad Costos

Fácil de operar Ventaja mecánica Eficacia Eficiencia Tamaño Durabilidad Fácil limpieza Fácil consecución de repuestos Riesgo al operario Económico

En el Anexo 1 se encuentra el desarrollo de matrices de proyección para cada función.

6.4.2. Puntaje y criterio de evaluación para la matriz de puntuación.

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La puntuación de concepto está definida por la suma ponderada de las calificaciones, por lo tanto cada criterio de evaluación tiene un porcentaje de incidencia sobre el resultado final. La puntuación otorgada en la matriz de puntuación es:

TABLA 10. DESEMPEÑO RELATIVO PARA LA MATRIZ DE PUNTUACIÓN.

DESEMPEÑO CALIFICACIÓN Mucho peor que la referencia Peor que la referencia Igual que la referencia Mejor que la referencia Mucho mejor que la referencia

1 2 3 4 5

Se implementan los mismos criterios de evaluación de la matriz de proyección; la diferencia radica en el porcentaje de incidencia que cada criterio va a tener.

TABLA 11. CRITERIOS DE EVALUACIÓN PARA LA MATRIZ DE PUNTUACIÓN.

CRITERIO DE EVALUACIÓN Fácil de operar Ventaja mecánica Eficacia Eficiencia Tamaño Durabilidad Fácil limpieza Fácil consecución de repuestos Riesgo al operario Económico

% DE INCIDENCIA 10% 10% 15% 15% 5% 10% 5% 5% 10% 15%

En el Anexo 2 se encuentra el desarrollo de matrices de puntuación para cada función. ESPOCH

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6.4.3. Descripción de los criterios.  Fácil de operar:Se refiere a que sea sencilla la manipulación del equipo, teniendo en cuenta la fuerza humana y de propulsión inherentes al proceso.  Ventaja mecánica:Se refiere a minimizar el esfuerzo humano y el gasto de energía de la fuente motriz del proceso.  Eficacia:Se refiere a la capacidad con la que cuenta un dispositivo para realizar un determinado trabajo.  Eficiencia:Se refiere a la relación entre lo producido y lo invertido, es decir, hace referencia a las pérdidas de energía generadas por la máquina.  Tamaño:Se plantea que entre mayor tamaño posea una alternativa, la calificación obtenida será menor.  Durabilidad:Indica el tiempo en operación que requiere una alternativa de solución para ser reemplazada por no cumplir adecuadamente su función.  Fácil limpieza:La limpieza debe ser sencilla; se califica este criterio dependiendo de la facilidad con que se pueda acceder al elemento de interés y teniendo en cuenta si se requiere desmontaje.  Fácil consecución de repuestos:Es importante conseguir un elemento que ha fallado, de manera fácil, ya que de esto depende la continuidad en el funcionamiento del equipo.  Riesgo al operario:La seguridad en el equipo es muy importante para garantizar el bienestar del operario. 

Económico:El valor económico de la alternativa de solución se asume como criterio de evaluación, debido a que se busca un equipo que cumpla todas las funciones al menor costo posible.

6.4.4. Conceptos solución.

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Después de evaluar las alternativas de solución (Anexo 1 y 2), se generan las siguientes rutas de solución: Ruta solución 1 Ruta solución 2 Las rutas representan la combinación de alternativas que generan un concepto solución coherente, por lo tanto la ruta 1 no tiene la mejor alternativa parcial de cada función sino las alternativas que hacen funcional el proceso, igual sucede en la ruta solución 2. Por ejemplo en la ruta solución 1 se tienen las alternativas con mayor calificación de la función subir/bajar; para que la combinación de alternativas sean funcionales se requiere utilizar la alternativa equipo para análisis de gases de la función probar, la cual no obtuvo la mejor calificación. En la ruta solución 2 ocurre algo similar al seleccionar para la función subir/bajar las alternativas ubicadas en la segunda posición, y la alternativa mejor calificada de la función probar.

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En la tabla 7 se muestran las dos rutas de solución seleccionadas: TABLA 7. MATRIZ MORFOLÓGICA.

3. ENCENDER

4.1. TRANSMITIR

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6.4.4.1.

Descripción ruta solución 1.

El operario carga el agua y el plástico reciclado en la máquina, acciona la máquina y produce el arranque de el motor eléctrico, transmitiendo movimiento y potencia a través de un sistema de bandas que dan el movimiento a una paletas alternantes, que giran dentro de un recipiente rectangular hasta que se produzca el lavado se termina el proceso y se procede a descargar.

6.4.4.2.

Descripción ruta solución 2.

El operario carga el agua y el plástico reciclado en la máquina, acciona la máquina y produce el arranque de el motor eléctrico, transmitiendo movimiento y potencia a través de un sistema de bandas y cadenas (mixto) que dan movimiento a un sistema de una canastilla y de paletas que giran dentro de un recipiente rectangular hasta que se produzca el lavado se termina el proceso y se procede a descargar.

6.4.5. Evaluación de las rutas de solución. Para seleccionar un conjunto de alternativas para el producto se ejecutaran los siguientes pasos: 

Definir criterios de evaluación  Calificar alternativas  Seleccionar ruta  Reflexionar acerca de los resultados.

6.4.5.1.

Criterios de evaluación.

La selección de los criterios de evaluación se hace a partir de las necesidades expresadas por los operarios y el beneficio de la empresa interesada en adquirir la máquina.

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TABLA 12. CRITERIOS DE EVALUACIÓN.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN Tamaño Manteneabilidad Eficacia Eficiencia Costo fabricación

6.4.5.2.

Calificar conceptos.

Se utiliza la misma puntuación de las matrices de proyección:

TABLA 13. PUNTUACIÓN DE CONCEPTOS.

Mejor que

+

Igual que

0

Peor que

-

TABLA 14. PUNTUACIÓN DE RUTAS SOLUCIÓN.

CRITERIOS TAMAÑO MANTENEABILIDAD EFICACIA EFICIENCIA COSTO FABRICACIÓN PUNTUACIÓN OBTENIDA RUTA SELECCIONADA

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CONCEPTOS RUTA 1 RUTA 2

0 0 + 0 + ++ -

+ + 0 0 + +++ +

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6.4.5.3.

Reflexionar sobre los resultados.

Los criterios de evaluación utilizados muestran que la ruta solución 2 es más apropiada que la ruta solución 1, la principal diferencia entre las dos opciones de solución es el tamaño y manteneabilidad.

6.5.

DIAGRAMA DE LA LAVADORA DE PLÁSTICO RECICLADO.

FIGURA 6. VISTA FRONTAL DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA.

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FIGURA 7. VISTA LATERAL DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA

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7.

DISEÑO DE INGENIERÍA.

El lavado del plástico, según este sistema, se basa en un sistema de aletas rotatorias, similar a una lavadora de ropa pero con eje horizontal, en el cual el lavado se basa en el movimiento del plástico provocado por aletas sujetadas en eje soportado en un semitambor horizontal

El agua ingresa a la máquina por su parte superior a través de una flauta. La máquina posee tres sistemas principales: Sistema motor, que incluye el motor, bandas cadenas, poleas, piñones, y rodamientos  Sistema de lavado, que incluye un eje (elemento crítico), flauta de ingreso del agua, paletas de lavado, canastilla y rodamientos   Carcasa y estructura.    

Se presenta un esquema de la concepción de la máquina. Para realizar el diseño del eje se consideran las siguientes cargas: plástico, agua y peso de las paletas. Para cumplir con la capacidad de lavado impuesta en los parámetros funcionales la carga que se considera en el diseño es 6.5 kg. De plástico sucio Se estima la carga de agua mediante una prueba donde se arma cubos de plástico sucio, se mide sus aristas, se sumerge en agua y también se estima este volumen de agua. Por último se multiplica por un factor, pues el agua no permanece como una constante, sino que circula. De lo contrario se tiene un volumen de agua de 125000 cm3, es decir, un peso de 31 kg. Las paletas de lavado son otro elemento que influye en la carga de diseño del eje. Este peso, es una fuerza que so-lamente actúa a flexión. Las paletas están montadas con un ángulo de hélice de 7º. El material necesario para esta aplicación, es un acero resistente la abrasión ya que este elemento va a estar en movimiento y en contacto directo con el plástico sucio, es decir, en contacto directo con desechos orgánicos y partí-culas de tierra. El acero más recomendado para esta aplicación es uno con alto contenido de manganeso (sobre el 8%).

El peso de las paletas está dado por las dimensiones básicas de la misma. También se añade un peso adicional debido al sistema de sujeción de las paletas con el eje, por lo que el peso de las dos paletas que se concibe en el diseño es: P2 paleta = 34 kg

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7.1. Sistema motor.

Basándose en recomendaciones la velocidad adecuada para este tipo de aplicaciones está en el rango de 200 a 250 rpm. Se escogió el valor de 225 rpm. (Pareto, 1976) Previo a la selección del motor se calcula la potencia necesaria de la máquina propiamente dicha, P3, de lo que se obtiene un valor de 5.72 HP, por lo que la potencia necesaria en el motor es: P1 = 7 HP.

FIGURA 6. DIAGRAMA DE LA LAVADORA DE PLÁSTICO RECICLADO.

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7.2.

Diseño del eje.

El diseño del eje se lo hace mediante tres métodos: Cálculo del eje mediante análisis por fatiga (Juvinal, 1993; Shigley y Meschke, 1995), mediante una fórmula experimental y análisis por medio del paquete SAP 2000 a manera de comprobación.

La fórmula experimental hallada propuesta, que facilita un punto de partida en el diseño, se basa en el Momento torsor que actúa en el eje, las revoluciones a la que gira y la potencia requerida por el eje en ese punto, de lo que resulta un eje de 50.63 mm.

Para iniciar el cálculo de eje mediante un análisis por fatiga, se realiza las siguientes consideraciones: -

Material del eje Fuerza que tiene que vencer La potencia de trabajo El numero de revoluciones Concentración de tensiones que provocan las paletas.

Toda la carga del plástico, en el momento crítico, se encuentra solamente en una aleta.  

La carga del plástico está situada en el centro geométrico de la aleta. 



La carga se dirige en forma perpendicular a la aleta. 



El ángulo de inclinación de la aleta es de 7º respecto a la horizontal. 



Existe una fuerza generada por la cadena, al momento de transmitir la potencia. 

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

Ahora bien, las fuerzas que actúan sobre el eje, son:



Fuerza generada por la cadena al transmitir la potencia. 



Fuerza de la carga del plástico.



Reacciones en los apoyos del eje.



Peso de la segunda aleta. 

Se toma los valores de esfuerzos, y momentos para realizar los cálculos, y basándose en el costo se selecciona el acero de transmisión 1020, cuyas propiedades son: Aplicando la Teoría de la Energía de Distorsión (Criterio de Von Mises-Hencky)

Su = 530 MPa Sy = 450 MPa BHN = 111 Brinell. Se tiene los siguientes valores. Las razones de D/d y r/d y la constante Kt (Shigley y Meschke, 1995), se consideran respectivamente 1.25, 0.034 y 2.2 para cargas de flexión y 1.8 para cargas torsionales. Se considera un factor de seguridad de 2.5 y se obtiene diámetro para el eje, cuyo valor para el punto crítico es: d = 55.68mm.

A manera de comprobación se utiliza el paquete SAP 2000, el cual arroja un valor de d= 54mm, lo que corrobora el valor obtenido mediante los otros dos métodos

7.3.

Diseño del conducto de ingreso del agua.

En la selección del diámetro de la tubería se toma en cuenta las pérdidas de carga en las tuberías y accesorios. Además se han realizado mediciones del volumen y tiempo en la red de distribución, para poder determinar el caudal, tal como se muestra en la Tabla 2 (Guamán-Cedillo, 1994)

Pensando en la facilidad de construcción, este elemento se concibe de la siguiente manera: ESPOCH

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

El flujo de agua ingresa por la mitad de elemento, es decir, a 625 mm, por lo que el análisis se realiza sola-mente en la una parte del elemento, ya que es simétrico.  Es de tubería galvanizada de 19.05 mm (3/4 ") más los accesorios necesarios.

Se construyeron varios prototipos de flauta de ingreso de agua, en los que se practicaron agujeros de determinados diámetros y se probó la eficiencia del lavado. Considerando las pruebas realizadas, se pudo observar que en diámetros de 1, 1.5 y 2 mm el lavado es de mala calidad; 2.5, 3 mm el lavado tiene una calidad buena y entre 3.5 y 4 mm el lavado es regular. Los diámetros de 2.5 a 3 son los más recomendados pues: El chorro de agua golpea en el plástico y este se reparte en el área del mismo permitiendo un buen lavado. La velocidad y la fuerza con que llega el chorro produce movimiento en el plástico, que añadido al movimiento dado por las paletas dan como resultado un buen lavado. 

7.4.

Diseño de la canastilla.

La canastilla es un elemento que permite la salida del agua de lavado, de desechos orgánicos y partículas de tierra. Por esta razón la canastilla es de un material resistente a la abrasión, es decir, con un alto contenido de manganeso.

Med. Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

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Vol. (m3) t (s) 0,0016 3 0,0015 3 0,0014 3 0,0016 3 0,0017 3 0,0015 3 0,0017 3 0,0016 3 0,0015 3 0,0015 3

Q (m3/s) 0,00053 0,0005 0,00047 0,00053 0,00057 0,0005 0,00057 0,00053 0,0005 0,0005

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La canastilla cubre la parte inferior de la máquina, la lámina con la que es fabricada se perfora para facilitar la descarga de los residuos de lavado. Además se concibe con un arco de r =0.785 m

Variable Velocidad Largo Ancho Altura Peso Capacidad de lavado Tiempo de lavado Tiempo de descarga Volumen de agua Potencia motor Energía ESPOCH

Capacidad nominal 200-250 r.p.m. 2.050 m 1.56 m 2.3 m 185 Kg 6.5 kg/h 1 min. 1 min. 0,03125m3/carga plástico 7 HP 220 V trifásica Página 53

Frecuencia

60 Hz

Después de realizado el diseño se ha obtenido una máquina de las características como se muestra en la Tabla constatar que los requerimientos funcionales y parámetros funcionales sean cumplidos a satisfacción.

8.

CONCLUSIÓN.

 Teniendo en cuenta los criterios de selección planteados, se diseñó una máquina lavadora de plástico reciclado efectiva, eficiente, fácil de usar y no destructivo.  Un sistema de trabajo continuo, ya que, no se necesita parar la máquina ni para el ingreso ni para la descarga del material. 

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 El lavado de la máquina es eficiente porque el chorro de agua golpea directamente el objeto a lavar.   Bajos costos, inclusive en la construcción del prototipo, que corresponde a los 2/5 del valor de unidades similares en los mercados europeos, pues sus mecanismos son bastante sencillos y es totalmente des-montable.   Una vida útil de 2.48 x 106 Ciclos.   Mejorar el ambiente de trabajo de las personas que laboran en esta actividad.   Es una alternativa para los microempresarios de nuestros países Latinos, dedicados a la línea del reciclaje, debido a que incrementa la productividad.   Cumple con los requerimientos y parámetros funcionales de diseño.   Una posibilidad para conservar nuestro hogar, el planeta tierra, para las próximas generaciones.             

9.

RECOMENDACIONES.

 Apoyar a la construcción de esta máquina, pues constituye parte de una solución técnica, social y ecológica.

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 Realizar un tratamiento para el agua, de modo que, permita reciclarla para posteriores lavados para un ahorro en el consumo de agua.                

10.

BIBLIOGRAFÍA.

 Crisanto P, (2000), Diseño de una lavadora de plástico reci-clado, Tesis de grado, Escuela Politécnica Nacional, Facul-tad de Ingeniería Mecánica, Quito. ESPOCH

Página 56

 Fouhy K and Kim I, (1993), Plastics recycling diminishing returns, Chemical Engineering.  Guamán-Cedillo, (1994), Diseño y construcción de una máquina lavadora de tubos de ensayo, Tesis de grado, Es-cuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Mecáni-ca, Quito.

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