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• Josimar Llerena Pinto

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Nombre de la Carrera INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Proyectos 2

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA PARA UN HORNO ELÉCTRICO

INTEGRANTES:

Carlos Rojas Josimar Llerena José Arris Andrés Escobar Manuel Farfán PROFESOR:

Carlos Otiniano

Lima, Perú

2018

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CAPITULO I ANTECEDENTES Razón social de la empresa

PERUANA DE MOLDEADOS S.A. Presentación de la Empresa PERUANA DE MOLDEADOS S.A es una empresa dedicada al diseño, desarrollo, fabricación, comercialización, distribución y servicio postventa de empaques para alimentos, fabricados con materiales plásticos (poliestireno, polipropileno, PET, poliestireno expandible), cartón y aluminio. Forma parte de la división de empaques de la organización Carvajal, cuya sede principal se ubica en Cali, Colombia. Actualmente Carvajal Empaques tiene operaciones productivas en 6 países y sus productos llegan a más de 20 países. Su respaldo contribuye a que pueda ofrecer la garantía que desde hace más de 100 años distingue a la organización: la de HACER LAS COSAS BIEN. Consciente que su éxito se determina por la satisfacción de sus clientes, el bienestar de sus colaboradores y grupos de interés, integra los principios de sus sistemas de gestión, los que están alineados a su estrategia, y define los siguientes compromisos: 

Satisfacer las necesidades y expectativas de sus clientes.



Asegurar que sus productos no generen daño a la salud de los consumidores.



Prevenir los daños y el deterioro de la salud de las personas, así como reducir el nivel de riesgos.



Brindar un ambiente de trabajo seguro y adecuado para sus colaboradores y para la fabricación de sus productos.



Promover la participación y consulta de los trabajadores y sus representantes en temas de Seguridad y Salud en el Trabajo.



Contribuir con el manejo responsable de los recursos naturales.



Desarrollar el talento de sus colaboradores.



Innovar constantemente.



Cumplir con los requisitos legales aplicables y otros requisitos que la organización suscriba.



Mejorar continuamente la eficacia del Sistema Integrado de Gestión y el desempeño de la Seguridad y Salud en el Trabajo.

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Misión de Carvajal Empaques Desarrollamos empaques confiables que hacen la vida más práctica y segura.

Visión de Carvajal Empaques Ser la mejor opción en soluciones de empaques sostenibles.

Estructura de la Organización

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En su búsqueda constante de la excelencia en el servicio, por medio de su gente, se complementa con maquinaria y equipo de última tecnología utilizada en la fabricación de láminas rígidas para envases descartables, nos encontramos con el problema de perdida de producción. El área de Extrusión que pertenece a la empresa mencionada tiene varios problemas con tiempos perdidos en la producción, están máquinas tienen un OUTPUT de 1000 kg/h. Máquina Extrusora Welex 02 de 1000 Kg/h

Además, tenemos materiales que presentan partículas carbonizadas lo cual actúan como agentes contaminantes en la lámina, catalogados por el área de calidad como: (Puntos Negros). Las bobinas que presentan esta contaminación son rechazadas y se procede a su molienda de reproceso generando perdidas de producción.

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Bobina para fabricar la tapa Ayudin Limón (Extrusora Welex 02)

Lámina contaminada con material carbonizado “puntos negros” (Extrusora Welex 02)

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Para evitar dicha contaminación parte del proceso es filtrar la resina con mallas metálicas de acero inoxidable:

Estas mallas van en un bloque llamado plato rompedor o carcasa porta mallas para poder realizar el filtrado de toda partícula ajena al plástico incluido el material carbonizado.

Plato Rompedor y el paquete de mallas:

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La carcasa o Plato Rompedor, almacena gran cantidad de material carbonizado. Este material se desprende generando que la lámina se contamine, por tal motivo se remoja la carcasa en tetracloroetileno (percloretileno o PERC) es un líquido incoloro, no inflamable, pesado y con un olor parecido al éter. Normalmente usado como disolvente en limpieza de textiles y metales. Plato Rompedor y el paquete de mallas máquina Welex 02:

Para la limpieza de la carcasa o plato rompedor se sumerge está en percloretileno aproximadamente 8 horas para que pueda quedar libre de toda contaminación (Limpia). Esto representa una pérdida de producción por el tiempo en que el disolvente actúa.

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Plato Rompedor que se quemara con el proyecto 02 (Horno eléctrico) Welex 02:

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PROBLEMA

Figura: Diagrama Causa – Efecto

EXCESOS DE PARADA DE MÁQUINA 1. Cuando se cambia de una resina a otra, nos encontramos con diferentes flujos, viscosidades e incompatibilidades entre materiales plásticos. Una característica poco considerada es la existencia de polímeros que se adhieren con mayor facilidad a los metales que otros, y de polímeros sensibles a la temperatura. 2. El cambiar de color parece simple, pero esto depende de lo enunciado en el punto anterior, más el tipo de colorante usado (resinas pre coloreadas) ya que un gránulo de la formulación para colorear que resida en el cañón nos puede dañar muchos kilos de material virgen. 3. Puntos negros. Éstos pueden ser generados por múltiples causas; las siguientes son sólo algunas de las más comunes: a) Carbonización. Todas las resinas plásticas tienden a carbonizarse dentro de las máquinas. Este proceso natural se puede ver incrementado si adicionalmente contamos con unos equipos muy grandes. El tiempo de permanencia de la resina en uso dentro del equipo incrementará la carbonización de las resinas por su largo tiempo de residencia. b) El tipo de Tornillo. Existen polímeros con alta viscosidad que necesitan un tratamiento especial tan pronto entran al equipo. Estos polímeros absorberán una gran cantidad de calor y se podrán carbonizar si no cuentan con el tornillo adecuado. Todos los tornillos tienen áreas muertas y flujos negativos, esto generará material carbonizado que se incrustará y residirá dentro de los equipos hasta que un cambio en el flujo normal los remueva. c) Paradas no programadas de la extrusora por fallas mecánicas, eléctricas. En estos casos, el material plástico permanecerá por un tiempo prolongado y la energía calórica en el equipo será absorbida por el material. Como el tornillo tiene una masa sólida bastante importante que concentra mucho calor, es ahí en donde se tendrá más material incrustado que tenderá a carbonizarse. Con el paso del tiempo se desprenderán súbitamente y de manera cíclica partículas negras, las que como característica al observarse en 10

el microscopio se verá una de sus caras más lisa que las otras y su tamaño puede oscilar entre 1 y 2 mm d) Condiciones de proceso. Existen procesos que exigen mayor flujo y en este caso se necesitará un perfil de temperaturas superior al requerido para lograr ese flujo. e) Cambios de resinas con diferentes temperaturas de fundido, viscosidades, flujos altos o con cargas. En estos casos, las resinas absorberán una mayor cantidad de calor que las orientará a formar carbonizaciones. Las resinas con bajo flujo o muy viscosas se mueven con lentitud lo que las obliga a absorber más calor. Las resinas cargadas, por tener una masa inorgánica (talco, carbonatos) absorberán una cantidad adicional de calor. El uso de resinas con diferentes temperaturas de fundido en una misma máquina las expondrá a una cantidad de calor superior a la que requieren para procesarse, lo que generará carbonizaciones. f) Descalibración de los elementos térmicos. Esta es una causa, también común; algunas zonas se calientan más de lo requerido, y ese calor excesivo puede degradar a las resinas y formar carbonizaciones. Normalmente es difícil observar esta falla, por lo que se recomienda verificar que los elementos térmicos operen correctamente.

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CAPITULO II

OBJETIVOS DEL PROYECTO DE INNOVACIÓN Y/O MEJORA Objetivo general



Diseño y fabricación de un horno eléctrico para quemar piezas con tratamiento térmico.

Objetivos específicos



Determinar el alcance del Proyecto recolectando información por parte de los operarios de las extrusoras.



Realizar y planificación del Proyecto.



Realizar el diseño de los circuitos eléctricos| y los programas para el funcionamiento del Control de temperatura.



Implementar las resistencias, la termocupla y control de temperatura en el horno y realizar la puesta en marcha del control.



Análisis de resultados y puesta a punto del control de temperatura.

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CAPITULO III ALCANCE DEL PROYECTO La fabricación de un horno eléctrico para quemar las carcasas porta filtros, se justifica debido a los siguientes puntos: •

La necesidad de un dispositivo automático para realizar las quemas y para reducir las contaminaciones durante el proceso.

•

La necesidad que se tiene de contar con un sistema didáctico de piezas libres de contaminación cumpliendo las exigencias de calidad.

•

Disminución del consumo de aditivos, oxígeno y gas causado por el quemado y limpieza de las piezas, que trae como consecuencia altas facturaciones en la empresa.

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CAPITULO IV FUNDAMENTO TEORICO INTRODUCCIÓN. La empresa de PAMOLSA se encuentra ubicada en la ciudad de Lima, esta empresa está dedicada al diseño, fabricación de empaques de plástico con poliestireno, poliestireno expandido, polipropileno y pet, ver la Figura 1. 1.

Bandeja 120 con poli propileno

Contenedor Térmico 1 Max con Poliestireno

Film 12 con Poliestireno

Figura 1. 1: Empaques de plástico. (Pamolsa 2018) Para poder derretir de los materiales en poliestireno, se realizará el diseño, construcción y automatización de un horno de resistencias eléctricas, que cumpla con los requisitos de calentado.

POLIESTIRENO El poliestireno es un plástico versátil usado para fabricar una amplia variedad de productos de consumo. Dado que es un plástico duro y sólido, se usa frecuentemente en productos que requieren transparencia, tales como envases de alimentos y equipos de laboratorio. El poliestireno se fabrica hilando o polimerizando estireno, una sustancia química fundamental usado en la fabricación de varios productos. El estireno también se encuentra naturalmente en alimentos tales como fresas, canela, café y carne de res.

CLASIFICACIÓN DEL POLIESTIRENO Los tipos de poliestirenos más conocidos son: a) El transparente llamado poliestireno cristal, es quebradizo y rígido (GPPS), se obtiene de la polimerización del estireno puro. 14

b) El opaco más resistente llamado poliestireno de alto impacto o de choque (HIPS), se obtiene de la polimerización del estireno agregándole caucho. c) El llamado poliestireno expandido, muy liviano (EPS), se crea mediante poliestireno y un gas, este gas hace que se formen burbujas que reducen la densidad del material. El poliestireno expandido es muy buen aislante, se usa mucho en la construcción. También es muy usado en embalajes como protector de productos frágiles. Esta propiedad aislante, nos permite un gran ahorro en energía de calefacción en climas fríos y de enfriamiento, aire acondicionado en climas cálidos. El poliestireno expandido es muy liviano, es muy fácil de transportar debido al peso. Se lo suele utilizar en forma de perlas para suplir a los áridos en hormigones alivianados, usados principalmente para rellenos y tabiques. El poliestireno expandido es muy buen aislante acústico. Al poliestireno expandido se lo conoce con distintos nombres dependiendo normalmente de su fabricante: Aislapol, Anime, Corcho Blanco, Corchopán, Durapax, Duropor, Duroport, Espuma-flex, Espuma plast, Estereofón, Fon, Frigolit, Icopor, Isopor. Nieve Seca, Plastoformo, Plumavit, Poliespuma, Poliexpan, Poroplás, Porexpan, Styrofoam, Tecnoport,Telgopor, Unicel. d) El llamado poliestireno extrusionado, muy parecido al expandido, pero más compacto e impermeable (XPS), se obtiene fundiendo poliestireno cristal e inyectándole un gas. FUNDAMENTOS DE HORNOS ELÉCTRICOS DE RESISTENCIAS. CONCEPTO Los hornos eléctricos por resistencias o más conocidos como hornos industriales, son equipos o dispositivos utilizados en la industria, en las que se calientan piezas o elementos colocados en su interior por encima de una temperatura ambiente.

Hay que señalar que esta definición, aparentemente clara, no es tanto en la práctica, ya que es frecuentemente utilizar otros términos tales como:

a. Estufa: Para hornos que operan a baja temperatura normalmente hasta 500 – 600°C, el término estufa se aplica a un determinado tipo de construcción con doble o triple cardería (la exterior, la intermedia para sujetar el aislamiento y la de canalización de aire).

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b. Secaderos (estufas de secado): La temperatura de secado puede ser elevada y adoptar una técnica de construcción similar a la de los hornos. c. Incineradores: Equipos destinados a la combustión y eliminación de residuos. APLICACIONES DE LOS HORNOS DE RESISTENCIAS. Se puede también plantear las aplicaciones de los hornos industriales en relación con el procedimiento o procesos utilizados, desde este punto de vista se puede encontrar diversos tipos de hornos para diferentes aplicaciones.       

Sinterizado y calcinación. Fusión de metales. Calentamiento de los materiales. Tratamientos térmicos de metales. Otros procesos para materiales no metálicos, por ejemplo, vulcanizado de gomas y tratamientos de plásticos. Recubrimiento de piezas metálicas y no metálicas. Secado, en general, reducción del contenido de humedad en ciertos elementos (bobinas, etc.).

CLASIFICACIÓN DE LOS HORNOS DE RESISTENCIAS. La clasificación adoptada es de acuerdo al uso que se le pueda dar, por lo tanto los hornos de resistencias tiene la siguiente clasificación:   

Hornos de fusión. Hornos de recalentamiento. Hornos de tratamientos térmicos.

FACTORES PARA UNA CORRECTA ELECCIÓN DE UN HORNO DE RESISTENCIAS. Para la elección correcta de un horno de resistencias eléctricas, se debe tener en cuenta los tres criterios principales que son detallados a continuación: a. Requerimiento y datos del usuario: Entre las exigencias técnicas, se debe resolver un problema concreto de fabricación dentro de un contexto industrial como se indica a continuación:

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Carga a tratar:  Naturaleza y forma de la carga.  Naturaleza del material.  Temperatura inicial. Tratamiento:    

Ciclo temperatura-tiempo. Temperatura normal de utilización, máxima y mínima. Precisión de temperatura requerida. Presencia o no de atmósfera controlada.

Producción:  Producción horaria o por ciclo/carga.  Utilización del equipo (horas, días, semanas, etc.). b. Posibilidades tecnológicas del constructor: Las posibilidades tecnológicas de construcción del horno, se debe tener en cuenta lo siguiente:  Comprobación: El ciclo de temperatura requerido es realizable en condiciones industriales razonables.  Determinar el horno alrededor de: La carga cuando se trata de cargas unitarias grandes y la producción, que es el caso más frecuente cuando se trata de un gran número de piezas unitarias. c. Posibilidades económicas: Se refiere a la unidad productiva (horno), es la suma de los siguientes factores principales:      

Costo de energía. Costo de mano de obra directa. Costo de la mano de obra de control y supervisión. Costo de materiales consumibles. Amortización de la instalación. Costo de mantenimiento.

MECANISMO DE CONDUCCIÓN DEL CALOR. Existen tres mecanismos diferentes de transferencia de calor, que se detallan a continuación:

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CONDUCCIÓN. La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de interacciones entre esas partículas. La conducción puede tener lugar en los sólidos, líquidos o gases, ver la Figura 1. 3.

Figura 1. 3: Conducción de calor a través de una pared plana. (Cengel, 2011) Este tipo de transmisión es característico de los sólidos, ya que los líquidos conducen muy mal y los gases prácticamente no conducen. Dentro de los sólidos existen muy buenos conductores, como los metales y malos conductores, como la madera o el papel.

CONVECCIÓN. En la transferencia de calor por convección se da cuando el calor es transferido por el movimiento relativo de partes del cuerpo calentado de forma natural o forzada, por lo tanto tenemos la siguiente clasificación de convección:

a. Convección Forzada: El calor es forzado a fluir sobre la superficie de los materiales, mediante medios artificiales (ventiladores, bombas, etc.), ver la Figura 1. 4

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Figura 1. 4: Convección Forzada. (Cengel, 2011)

b. Convección natural: El movimiento del fluido de calor es debido a causas naturales, las fuerzas de empuje son inducidas por la diferencia de densidad debida a la variación de temperatura en ese fluido, como lo indica la Figura 1. 5.

Figura 1. 5: Convección natural. (Cengel, 2011)

La transmisión por convección es típica de los fluidos (líquidos y gases), en ella se produce un transporte de energía asociado al desplazamiento de masas de fluido dentro del propio fluido, debido a las diferencias de densidad originadas por las distintas temperaturas de unas zonas y otras.

RADIACIÓN. La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas o fotones como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los 19

átomos o moléculas. A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de calor por radiación no requiere la presencia de un medio interventor.

De hecho, la transferencia de calor por radiación es la más rápida (a la velocidad de la luz), ver la Figura 1. 6.

Figura 1. 6: Transferencia de calor por radiación entre una superficie y las superficies que la circundan. (Cengel, 2011) LANA DE VIDRIO. La lana de vidrio es una fibra mineral fabricada con millones de filamentos de vidrio unidos con un aglutinante. El espacio libre con aire atrapado entre las fibras aumenta la resistencia a la transmisión de calor, ver la Figura 1. 7.

Figura 1. 7: Lana de vidrio. (Souyet, 2011) 20

Hay una serie de detalles importantes que predefinen el aislamiento acústico de un sistema. El material aislante debe ser seleccionado por su estructura, que es fundamental para el comportamiento del aislamiento acústico. La capacidad del aislamiento para rellenar completamente una cavidad tiene un impacto positivo en el rendimiento del sistema, el ajuste correcto del aislamiento en los lugares donde los puentes acústicos suelen aparecer.

PROPIEDADES DE LA LANA DE VIDRIO. Las propiedades que tiene la lana de vidrio son las siguientes:

a. Resistencia Térmica: Gracias a una unión densa de los materiales con una baja conducción y atrapando una gran cantidad de aire, la lana de vidrio es un excelente aislante térmico. A mayor grosor, mayor será la resistencia térmica de la misma.

b. Absorción Acústica: Gracias a su elasticidad y estructura, la lana de vidrio es absorbente, elástica y tiene un efecto disipante. c. Incombustible: La lana de vidrio es incombustible por naturaleza, por lo cual esta puede estar directamente en contacto con fuego y no tendrá ninguna reacción de combustión. d. Suavidad para una aplicación fácil: La lana de vidrio es suave al tacto, fácil de manejar y de instalar. e. Liviandad: La liviandad ofrece confort y seguridad durante la instalación. f. Libre de putrefacción: El producto no se degradará ni será afectada por microorganismo, que puede ser mejor que productos con origen mineral. g. No nocivo para el medio ambiente: La lana de vidrio ahorra mucha más energía durante su vida útil que la consumida durante su producción. APLICACIONES MÁS COMUNES DE LA LANA DE VIDRIO. La lana de vidrio se le puede dar diferentes aplicaciones las cuales se mencionan a continuación:

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   

Aislamiento acústico y térmico en paredes. Aislamiento acústico y térmico en techos. Aislamiento de conductos de aire acondicionado. Aislamiento térmico en hornos.

HORNOS DE RESISTENCIAS ELÉCTRICAS. El calentamiento de piezas por resistencias eléctricas puede ser de forma directa, cuando la corriente eléctrica pasa por las piezas, o indirecto, cuando las piezas se calientan por radiación, convección o una combinación de ambas, procedente de las resistencias propiamente dichas dispuestas en las proximidades de las piezas.

En la Figura 1. 8, se muestran dos tipos de equipos de calentamiento por resistencia directa, la pieza se somete a una corriente eléctrica de baja tensión.

El calentamiento por resistencia directa es adecuado para piezas metálicas de gran longitud y sección pequeña y uniforme, tales como barras, palanquillas, varillas, alambres y pletinas.

Figura 1. 8: Equipos de calentamiento directo, intermitente y continuo. (Astigarraga Urquiza, 1994)

En las industrias es mucho más frecuente el calentamiento indirecto por resistencias eléctricas. Dichas resistencias pueden ser:

 Barras, varillas, alambres o pletinas, dispuestos en las paredes de la cámara de calentamiento del horno, trasmiten calor a la pieza por radiación.  Paquetes de resistencias de los mismos materiales que transmiten el 22

calor por convección al aire o gases, y también por convección, a las piezas.  Resistencias blindadas, dispuestas en el interior de fundas metálicas de pequeño diámetro con un material cerámico de llenado de las fundas metálicas. Se adquieren de fabricantes especializados y, normalmente, se aplican a temperaturas inferiores. En la Figura 1. 9, muestra una disposición típica de resistencias de alambre o pletina en las paredes laterales de un horno de carro para tratamientos térmicos hasta una temperatura máxima de 1100 °C. (Astigarraga Urquiza, 1994)

Figura 1. 9: Disposición típica de resistencias de calentamiento indirecto. (Astigarraga Urquiza, 1994)

CLASIFICACIÓN DE LAS RESISTENCIAS. Las resistencias de calentamiento indirecto se clasifican del siguiente modo (solo se estudiará las resistencias metálicas por su mayor uso en el mercado):

a.

Resistencias metálicas: Los materiales empleados para la fabricación de resistencias metálicas en hornos industriales se pueden clasificar en dos grandes grupos que son los siguientes:  Aleaciones de base Ni-Cr: Cuyas características principales se recogen en la Tabla 1. 1. Tabla 1. 1: Características principales de aleaciones de base. (Astigarraga Urquiza, 1994)

Aleación Ni-Cr Composición aproximada: Ni %

80-20 70-30 60-15 40-20 30-20 20-25

80

70

60

37

30

20 23

Cr% Fe%

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