DISEÑO DE UN SISTEMA TÉRMICO PARA CALENTAMIENTO DE MOLDES UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE COPAS DE

BRASIER EN LA EMPRESA FORMACOP

ANDRES FELIPE RESTREPO MARIN

DIEGO ESTEBAN VIVEROS BENAVIDES

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI

2013

DISEÑO DE UN SISTEMA TÉRMICO PARA CALENTAMIENTO DE MOLDES UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE COPAS DE

BRASIER EN LA EMPRESA FORMACOP

ANDRÉS FELIPE RESTREPO MARÍN

DIEGO ESTEBAN VIVEROS BENAVIDES

Proyecto de Grado para optar el título de Ingeniero Mecánico

Director

CARLOS CASTANG MONTIEL. Ingeniero Mecánico

Esp. Proyectos de Ingeniería

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERIA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2013

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Nota de aceptación:

MIGUEL ANGEL HIDALGO

______________________________ Jurado

JUAN RICARDO VIDAL

______________________________

Jurado

Santiago de Cali, 16 de Agosto de 2013

Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar por el título de Ingeniero Mecánico

4

CONTENIDO

Pag.

RESUMEN 11

INTRODUCCIÓN 12

1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 14

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 14

1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 14

3. OBJETIVOS 16

3.1OBJETIVO GENERAL 16

3.2OBJETIVOS ESPECÍFICOS 16

4. MARCO REFERENCIAL 17

4.1 MARCO TEORICO 17

5. RECONOCIMIENTO DEL PROCESO 19

5.1 UBICACIÓN DE LA EMPRESA 24

5.2 ESPACIO DE TRABAJO 25

6. DISEÑOS PROPUESTOS 26

6.1 SISTEMA DE CALENTAMIENTO POR MEDIO DE ACEITE TÉRMICO. 26

6.2 SISTEMA DE CALENTAMIENTO CON GAS NATURAL 28 7. ANÁLISIS TÉRMICO 30

7.1DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS PARA SIMULACIÓN . 30

8. SIMULACIÓN DEL PROCESO ACTUAL. 34

9. DESARROLLO DEL DISEÑO SELECCIONADO 37

9.1 GEOMETRÍA Y DIMENSIONAMIENTO 38

9.2 INTERCAMBIADOR DE CALOR 39

9.3 QUEMADORES 43

9.4 AISLAMIENTOS 44

9.5 PROPIEDADES DEL COMBUSTIBLE 46

9.6 SEGURIDAD Y CONEXIONES 48

9.7 SIMULACIÓN DEL DISEÑO PLANTEADO 48

10. FACTIBILIDAD Y EVALUACIÓN 53

5

11. CONCLUSIONES 58 BIBLIOGRAFÍA 59

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LISTA DE FIGURAS

Pag.

Figura 1. Indicador de ventas y participación del sector textil colombiano 19 Figura 2. Diagrama de flujo. 20 Figura 3. Máquina y molde de prehormado 21 Figura 5. Producto sin recortar. 22

Figura 6. Producto terminado 22 Figura 7. Molde de Prehormado 23 Figura 8. Ubicación de la empresa 24 Fuente: Google maps 24 Figura 9. Plano de instalaciones FORMACOP 25 Figura 10. Circuito de calentamiento por aceite térmico 27

Figura 11. Corriente de convección natural en el molde 30 Figura 12. Tiempo de calentamiento eléctrico 34 Figura 13. Geometría diseñada para la simulación. 35 Figura 14. Temperatura vs tiempo a diferentes potencias. 36 Figura 15. Potencia aplicada de 250W. 36

Figura 16. Máquina de prehormado original. 38 Figura 17. Intercambiador de calor inicial. A) Isométrica b) sección 40

Figura 18. Diseño intercambiador de calor. A) isométrica b) Vista sección 40 Figura 19. Perfiles de aluminio cuadrados. 41 Figura 20. Intercambiador de calor real 42

7

Figura 21. Medición temperaturas a) entrada b) salida 42 Figura 22. Quemador superior 43 Figura 23. Base con quemador inferior 44 Figura 24. Calentamiento con gas natural. 49 Figura 25. Temperatura vs tiempo a diferentes potencias con gas natural. 50 Figura 26. Simulación de calentamiento en molde inferior. 51 Figura 27. Comparativa de calentamiento en simulación y proceso real. 51 Figura 28. Diseño final maquina de prehormado con gas natural 52

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LISTA DE CUADROS

Pag.

Cuadro 1. Parámetros de producción 23 Cuadro 2. Propiedades del aluminio 1060 33 Cuadro 3. Composición porcentual del gas natural 47 Cuadro 4. Costo de operación y mantenimiento sistema actual 54

Cuadro 5. Costo de operación y mantenimiento sistema gas natural 54 Cuadro 6. Cotización de componentes del sistema de gas natural 55 Cuadro 7. Flujo de caja neto a proyección de cinco años. 56 Cuadro 8. Criterios económicos de evaluación. 56

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LISTA DE ANEXOS

Pag.

Anexo A Comparación costo energético gas natural vs energía eléctrica. 61 Anexo B Datos de medición calentamiento con energía eléctrica 62 Anexo C Potencia cedida al molde por el intercambiador 63 Anexo D Calentamiento de molde inferior (hembra) con gas natural 64 Anexo E Medición de tiempo y Temperatura en simulación con software 65 Anexo F Consumo de combustible y energía eléctrica 66

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RESUMEN La empresa FORMACOP S.A.S establecida en la ciudad de Itagüí Antioquia, está dedicada a la producción a gran escala de copas para brasier por medio del proceso de prehormado El uso de energía eléctrica en sus procesos productivos se presenta como la problemática que este proyecto toma como objeto de estudio para ofrecer soluciones pertinentes desde el punto de vista ingenieril. Se propusieron alternativas de solución debidamente respaldadas y comparadas entre sí para seleccionar la mejor opción y posteriormente se realizó un desarrollo detallado de evaluación presentado a lo largo de este trabajo con consideraciones de diseño, adaptación al espacio actual de la empresa, al proceso productivo y se sometió a evaluación de factibilidad con el fin de conseguir resultados que definieran a este proyecto como una respuesta implementación en FORMACOP. Palabra Clave: Prehormado.

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INTRODUCCIÓN

El proceso de prehormado es el procedimiento por el cual FORMACOP, empresa del sector textil colombiano, realiza la producción de copas para brasier en el mercado nacional hace 8 años. Este proceso industrial sigue siendo utilizado por la mayoría de productores referentes en el mercado, si bien, existen estudios acerca del sector textil, es común encontrar procesos de mejoramiento dirigidos a costos de materia prima y mano de obra, el proceso de fabricación es punto de partida y el marco donde se vincula el proyecto investigativo, optimizar es uno de los propósitos fundamentales de la ingeniería y la importancia de su aplicación en el sector textil se verá reflejada en las ventajas y justificación que este proyecto ofrece para los implicados en el proceso. La tendencia global es utilizar eficientemente los recursos energéticos, de acuerdo con Cengel: “Usar aparatos eficientes en relación con el uso de la energía y poner en práctica medidas para la conservación de ésta ayudan a ahorrar dinero y a proteger el ambiente al reducir la cantidad de contaminantes emitidos a la atmosfera por el uso de combustibles” (Termodinamica, 2009, pág. 81). Para el siguiente trabajo investigativo, se presentaran tres puntos principales que describen la problemática detectada, la importancia de desarrollar esta investigación, los estudios alrededor del tema y la metodología para alcanzar los objetivos propuestos en el proyecto con el diseño de una alternativa de solución, estos puntos son: la reducción de costos de operación en el proceso utilizado actualmente, el mejoramiento en las condiciones de trabajo para los operarios de la empresa y el desarrollo de técnicas de optimización industrial que buscan minimizar los impactos ambientales como acto de responsabilidad humana. Desde los inicios de la empresa FORMACOP al igual que en otras empresas que son competencia en el sector, no se han realizado cambios en el proceso de prehormado, pues operan con el mismo sistema. Esta Información suministrada por el dueño, quien conoce la industria, revela la falta de estudios o avances acerca del proceso antes mencionado, son razones que han mantenido al método productivo sin cambios representativos que puedan sean contemplados como posibilidad de optimización y ya que las pequeñas empresas buscan competitividad para enfrentar mercados nacionales e internacionales que las posicione de forma comparativa ante la demandante exigencia en calidad, precio y diseño que supone la apertura de mercados extranjeros, el camino para lograr este propósito es la optimización de los procesos. La implementación de técnicas de mejoramiento cobra importancia debido a que FORMACOP obtendrá ventajas comparativas que la posicionen destacadamente en su entorno, al conseguir

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reducción en los costos de operación e impacto ambiental, apertura de nuevos mercados, ampliación de oferta laboral y crecimiento empresarial responsable. (APROVECHAMIENTO DEL TLC CON EEUU [En linea] Bogota D.C [Consultado 01 de Junio de 2013]. Disponible en Internet:, 2012) Con lo expuesto anteriormente se inicia el desarrollo de alternativas en el diseño de nuevos productos, que sean amigables con el medio ambiente, minimicen los efectos en la salud y maximicen la productividad en la empresa FORMACOP.

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1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Mediante la implementación de su plan de mejoramiento continuo, la empresa identificó que los aspectos relevantes para mejorar su competitividad son: reducción de los costos de producción así como los tiempos de entrega. Los costos de producción en FORMACOP están directamente relacionados con el proceso de prehormado, el cual genera altos consumos de energéticos para el calentamiento de moldes que se realiza por medio de resistencia eléctrica y necesita tiempo previo a la jornada laboral para llegar a la temperatura de operación. La potencia eléctrica requerida para el calentamiento es de 2400 W por molde, siendo 15 moldes la capacidad total de la empresa, representando unos costos por consumo energético de hasta 2 millones de pesos mensuales. Adicionalmente el proceso no cuenta con aislamientos que eviten la perdida de calor por radiación y convección, generando condiciones desfavorables para los operarios que se exponen a las altas temperaturas en su puesto de trabajo.

1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Las pérdidas de calor se traducen en ineficiencia y uso irracional de la energía que contribuye al calentamiento global y agotamiento de los recursos energéticos no renovables. ¿Es posible reducir los costos de operación respecto al modelo de producción actual disminuyendo el impacto ambiental y mejorando las condiciones de trabajo de los operarios en la empresa FORMACOP?

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2. JUSTIFICACIÓN Los procesos de optimización industrial permiten reducción de costos de operación y mejoramiento de las condiciones de trabajo, también se relacionan con un desarrollo sostenible, puesto que al mejorar la eficiencia de los procesos se disminuye el consumo energético vinculado al uso de energías no renovables, este es un compromiso de responsabilidad social empresarial, pensando a futuro con una mejor calidad de vida y menor impacto al entorno en el desarrollo de actividades productivas. Lo expuesto anteriormente sirve de base para desarrollar alternativas en el diseño de nuevos productos, que sean amigables con el medio ambiente, minimicen los efectos en la salud y maximicen la productividad en la empresa.

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar un sistema térmico alternativo al existente en la empresa FORMACOP para el calentamiento de moldes de prehormado, reduciendo los costos de operación y mejorando el ambiente laboral de los operarios.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estudiar el proceso utilizado actualmente en la empresa. Proponer diferentes diseños de solución según los requerimientos y el entorno

de trabajo. Seleccionar un diseño y hacer su modelamiento computacional. Evaluar la factibilidad del diseño seleccionado de acuerdo a los requerimientos

técnicos y al costo de implementación.

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4. MARCO REFERENCIAL

4.1 MARCO TEORICO

El proceso de calentamiento de moldes requiere un gran aporte de calor que es suministrado por resistencias eléctricas, esta forma de transferencia de energía entre cuerpos en forma de calor se realiza gracias a una fuerza motriz que es el diferencial de temperaturas entre ellos. Existen tres mecanismos de transferencia de calor: Conducción: en este mecanismo la transferencia de energía se realiza como resultado de la interacción de las partículas más energéticas hacia las menos energéticas con colisiones y vibraciones que transportan energía por parte de los electrones libres, el mecanismo es modelado por la “ecuación de Fourier”(Cengel, 2007, pág. 65):

(1)

Donde: – Velocidad de transferencia de calor por conducción (W). K – Conductividad térmica (W/m.K). A – Área superficial de transferencia de calor (m2). - Diferencia de temperaturas (K). - Diferencia de espesor (m) Mediante este mecanismo se logra la temperatura de operación en los moldes para el proceso de fabricación, que se transmite desde la resistencia eléctrica con el calor que genera, a través de todo el molde hasta el lugar donde se ubica la materia prima. El fenómeno de transferencia de calor también está presente en las desventajas que hacen ineficiente el proceso, mediante mecanismos por los cuales se pierde calor hacia el medio ambiente, estos son: Radiación: la transferencia de energía se realiza sin necesidad de un medio a través ondas electromagnéticas y es la más rápida, a la velocidad de la luz, sin sufrir cambios en el vacío. Cualquier cuerpo que tenga una temperatura superior al cero absoluto, emite radiación.

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Existe intercambio energético entre la resistencia eléctrica, el molde y el medio ambiente, además entre el molde que se va calentando y el medio ambiente. Conductividad térmica: es la capacidad de un material para conducir calor, cada material gracias a sus propiedades lo almacena y conduce de forma distinta. Convección: esta transferencia se realiza entre las superficies de un sólido y un fluido que se encuentran en movimiento, involucrando la velocidad de movimiento del fluido con el aumento de transferencia de calor. Puede ser forzada si el fluido es forzado a moverse por la superficie en contacto. (Cengel, 2007)

(2)

Dónde: – Velocidad de transferencia de calor por convección (W). h – Coeficiente de transferencia de calor (W/m2.K). A – Área superficial de transferencia de calor (m2). - Temperatura superficial. (K) - Temperatura en los alrededores. (K) Se transfiere calor desde el molde a mayor temperatura hacia el medio que lo rodea a temperatura ambiente. Una vez hecho el reconocimiento del proceso, se procedió a simularel sistema como paso fundamental que permitirá la obtención de datos necesarios como la potencia y tiempos de calentamiento durante el proceso de prehormado.

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5. RECONOCIMIENTO DEL PROCESO

La empresa FORMACOP S.A.Ses una empresa de carácter privado establecida en la ciudad de Itagüí Antioquia, está dedicada a la producción a gran escala de copas para brasier por medio del proceso de prehormado, en el cual se utilizan moldes con prehormas establecidas, haciendo uso de energía eléctrica como fuente de calor y presión neumática para su movilidad, de esta manera se logra la forma deseada en las copas. Su producción mensuales de aproximadamente 80 mil pares de copas en diferentes modelos, colores y medidas. La variación en sus ventas se determina por la demanda del sector textil de acuerdo a las temporadas y cambios de colección. La empresa se conforma de 8 empleados fijos, dentro de los cuales 4 son operarios y 4 cumplen funciones administrativas, adicionalmente cuenta con 4 operarios temporales que se incorporan de acuerdo al volumen de ventas. De acuerdo con estudios realizados al sector textil colombiano en los últimos años se identifica que hay un decremento en las ventas nacionales debido a la apertura de mercados internacionales que ofrecen precios competitivos debido muchas condiciones particulares para cada país, tales como mano de obra con menor costo así como procesos de calidad inferior pero aceptables dentro de un mercado económico. Figura 1. Indicadores de ventas y participación del sector textil colombiano

Fuente: Galindo, M. d. (s.f.). Observatorio ecónomico. Recuperado el 1 de Junio de 2013, disponible en internet<http://observatorioeconomico.inexmoda.org.co/Portals/0/Documentos/Bibli

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oteca/SUPERSOCIEDADES%202010%20Sector%20textil%20y%20confecciones%202006-2009.pdf> Como se puede apreciar en la figura 1, la participación del sector textil colombiano en mercados exteriores ha sido fluctuante con tendencia a decrecer, debido a la competitividad que enfrenta en otros países con procesos apoyados tecnológicamente para tener costos más bajos o en otros casos son mercados con apoyo del estado, esto sirve como incentivo para realizar investigación y desarrollo de mejoras en los procesos productivos del país, en este caso en el sector textil colombiano. Dentro del análisis de los sistemas térmicos utilizados en este sector en la industria textil, se analizó el proceso de prehormado para la fabricación de copas de brasier. Se dio comienzo al estudio con la visita a la empresa FORMACOP, solicitando la descripción del proceso de producción (Figura 2) y las especificaciones de los equipos involucrados (Figura 3), así como condiciones de trabajo de los operarios. Todos los moldes empleados en el proceso de prehormado carecen de aislamiento y utilizan resistencias eléctricas para su calentamiento. Figura 2. Diagrama de flujo.

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Figura 3. Máquina y molde de prehormado

Cilindro de doble efecto: accionado por presión neumática para ejercer la

presión en el proceso de prehormado, trabaja a una presión de 60 psi. Resistencia eléctrica superior: potencia de 1200 Watts. Molde superior (macho): construido en aluminio. Molde inferior (hembra): construido en aluminio. Resistencia eléctrica inferior: potencia de 1200 Watts. Panel de control: accionamiento de la máquina y control de parámetros como

temperatura y tiempos de operación. La materia prima utilizada llega a FORMACOP después de un proceso de bondeado, en el cual se unen dos materiales que son tela 100% poliéster con un peso base de 110 gr/m2 y espuma de poliuretano, llegando en grandes rollos que son cortados de acuerdo a las dimensiones finales del producto solicitado por el cliente. El corte se hace en láminas de una dimensión aproximada de 26cm x 34cm (Figura 4), que son introducidas a los moldes para el proceso de prehormado, en el cual se da forma a la copa del brasier de acuerdo al estilo y talla del producto solicitado.

1

2

4

3

5

6

22

Figura 4. Tela espuma

Al finalizar el prehormado, el producto se lleva a la sección de corte, donde se retira el exceso de material (Figura 5) y se hace control de calidad para terminar el proceso de producción con el almacenamiento y distribución del mismo (Figura 6). Figura 5. Producto sin recortar.

Figura 6. Producto terminado

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El proceso de prehormado es posible gracias al calentamiento de un molde en aluminio compuesto por parte superior e inferior, de dimensiones: 32cm x 20cm x 2cm y 32cm x 20cm x 11cm respectivamente (Figura 7). Para lograr la temperatura de operación se utilizan resistencias eléctricas de 1200 Watts en cada parte del molde, este calentamiento se realiza durante 60 minutos previos al horario laboral y se encienden y apagan a lo largo de la jornada de trabajo manteniendo las temperaturas requeridas. Figura 7. Molde de Prehormado

Se introducen las láminas preparadas con un premolde que establece la forma y talla de la copa, este premolde se introduce entre la espuma y el molde de aluminio hembra, siendo unidas las dos partes del molde mediante presión neumática con los parámetros de producción considerados de acuerdo al espesor y densidad seleccionado por el cliente, como se muestra en la tabla 1.

Cuadro 1. Parámetros de producción

Espesor (mm)

Densidad (Kg/m3)

Temperatura (ºC)

Tiempo (Seg)

15 40 210 111 15 30 210 100 10 30 210 90 5 60 200 60 5 40 210 64 5 30 210 60 4 60 210 60 6 40 210 125 3 60 200 45 5 UV 190 50 4 UV 190 55

Fuente: Empresa FORMACOP

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Como parte del estudio contemplado por este proyecto, se analizan índices de producción por maquina diario y mensual, de forma que se reúna todas las características de operación con el fin de determinar los costos de producción actuales. La intervención a lo largo del proyecto fue acordada en cuanto a la optimización energética, lo cual incluye al sistema de calentamiento, decidiendo continuar con el sistema de operación actual, de forma que no exista impacto negativo en la producción y su forma de operación establecida.

La producción de copas diaria puede variar entre 164 y 523 copas, dependiendo del tipo de copa ya que tienen diferentes tiempos para su producción incluyendo los espacios muertos donde el operario introduce y retira la materia prima. Esta producción es posible con una temperatura de operación, siendo éste el parámetro más importante para estudiar, pues los diferentes tipos y tallas de copas varían en el tiempo de producción más no en la temperatura de su proceso. 5.1 UBICACIÓN DE LA EMPRESA

La empresa FORMACOP se encuentra ubicada en la vía de la moda en la dirección Cr 54 # 79-30 (Figura 8), sector industrial de Itagüí, municipio de Antioquia muy cercano a Medellín. Este sector está rodeado por empresas de confección para marcas propias y maquiladas, convirtiendo a la ubicación de la empresa en deseable para todos sus procesos de transporte, operación, planes de expansión y lo más importante que cuenta con los recursos energéticos que el proceso actual requiere. Figura 8. Mapa Ubicación de la empresa

Fuente: Google maps

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5.2 ESPACIO DE TRABAJO

FORMACOP opera en el multicentro alianza, que es un complejo compartido de bodegas, donde también operan empresas del sector textil y bodegas de abarrotes. Dentro de este espacio se encuentran las oficinas de FORMACOP y al fondo de sus instalaciones se puede encontrar el área de operaciones distribuido como muestra la figura 9. Figura 9. Plano de instalaciones FORMACOP

En cuanto a los sitios de interés para este proyecto, las habitaciones donde se encuentran las maquinas tienen un área de 2.4 m de ancho x 3.75m de largo x2.65m de alto. Sistema de ventilación con extractor de humo en operación durante toda la jornada de trabajo y el acceso a recurso eléctrico es de 220V.

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6. DISEÑOS PROPUESTOS

6.1 SISTEMA DE CALENTAMIENTO POR MEDIO DE ACEITE TÉRMICO.

Inicialmente se planteó la posibilidad de utilizar éste método, pero existe una restricción fundamental que está dada por el espacio, debido a que existen espacios ya determinados y ocupados por distintas máquinas de forma que los operarios hacen uso del área que sobrapara tener cierta comodidad en el desarrollo de sus funciones. Utilizar un sistema de calentamiento como éste requiere por lo menos de 5 lo cual implicaría una reestructuración en la distribución de espacios de trabajo, involucrando elevados costos adicionales a la implementación del sistema de calentamiento. Este tipo de calentamiento indirecto se realiza por medio de un fluido, el cual es aceite para aplicaciones térmicas que es calentado y bombeado a través de un circuito cerrado que recorre internamente los moldes de prehormado, los cuales deben ser modificados para que el aceite fluya transfiriendo el calor al proceso requerido sin entrar en contacto con la materia prima. Dichas modificaciones implican procesos de maquinado que alteran los moldes con altos costos. El sistema puede suplir las necesidades de calentamiento del proyecto ya que los aceites térmicos tienen una temperatura de operación de hasta 316ºC para los de origen mineral y de 427ºC para los aceites sintéticos, rango en el cual el proceso de prehormado opera. Los modelos ofrecidos en el mercado, cuentan con sistemas de control computarizados y como energía para el calentamiento del fluido utilizan combustibles alternativos, lo cual es el objetivo de este proyecto que pretende cambiar el uso de energía eléctrica por otro medio. (SISTEMAS DE FLUIDO TERMICO [En linea] Deen Road, Marietta, GA [Consultado 01 de Junio de 2013]. Disponible en Internet:, 2013)

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Figura 10. Circuito de calentamiento por aceite térmico Fuente: FIMACO. (1 de Junio de 2013). Fimaco Argentina. Recuperado el 1 de Junio de 2013, disponible en internet<http://www.fimaco.com.ar/producto.php?id=e04> La figura 10 muestra los componentes necesarios en un sistema de calentamiento por aceite térmico, cuyo flujo de operación se describe de la siguiente manera: El aceite que se encuentra en un depósito es filtrado y succionado hacia el calentador por un sistema de bombeo que consta de una bomba en operación y un sistema de stand by para emergencia en caso de falla. Entre la bomba y el sistema de calentamiento hay válvulas que permiten controlar la parada en caso de emergencia y manómetros para vigilar el correcto funcionamiento en el flujo de operación. El aceite ingresa a la caldera donde el calor del combustible es cedido al fluido y su control es computarizado, posteriormente sale hacia proceso en este caso el calentamiento de moldes, esta salida cuenta con un deposito que separa los gases producidos en el calentamiento de aceite y son dirigidos a un tanque de expansión el cual protege el sistema de elevadas presiones de operación. El fluido caliente retorna al sistema una vez a cedido calor a los moldes. (CALENTADOR DE FLUIDO TERMICO FIMACO[En linea] Esperanza, Provincia de Santa Fe, Argentina [Consultado 01 de Junio de 2013]. Disponible en Internet:, 2013) Es una opción que cumple con la objetivo principal de lograr el calentamiento de los moldes de prehormado, pero se descarta éste sistema debido a que los costos de implementación, operación y mantenimiento resultarían ser más elevados comparados con otros sistemas de calentamiento. Por una parte se dificulta hacer control al proceso de manera individualizada, y sería necesario adaptar un sistema de calentamiento con todos sus componentes a cada máquina prehormadora, ya que las maquinas en cada zona de operación pueden tener diferentes tipos de requerimientos de copas que implicarían diferentes temperaturas y tiempos de operación, situación que con un solo sistema

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de calentamiento por aceite térmico no podría conseguir los resultados esperados, en términos productivos y económicos.

6.2 SISTEMA DE CALENTAMIENTO CON GAS NATURAL Y LLAMA DIRECTA.

“En la industria textil, el uso del gas natural supone un importante ahorro energético al permitir el calentamiento directo por convección en vez del uso del calentamiento mediante fluidos intermedios.” (Gas natural distribución[En linea] Barcelona [Consultado 01 de Junio de 2013]. Disponible en Internet:, 2013) El método que se consideró apropiado, por su fácil instalación en cuanto a costos y acceso al combustible, es el de calentamiento con gas natural, dado que:

El gas natural tiene una combustión más limpia, por lo que los equipos y quemadores a gas natural son más fáciles de limpiar, requieren menos mantenimiento y se conservan mejor durante más tiempo. La combustión de gas natural puede finalizar de forma instantánea, en el momento en el que la demanda de calor de los aparatos que lo utilizan cese. Esto lo hace muy útil para adaptarse a las necesidades variables de trabajo del proceso productivo. Permite regularlo con gran precisión, manteniendo constante la temperatura. El gas natural tiene más poder calorífico que otros combustibles, por lo que con la justa cantidad de combustible los equipos tienen un mayor rendimiento. (Gas natural distribución[En linea] Barcelona [Consultado 01 de Junio de 2013]. Disponible en Internet:, 2013)

Éste sistema no necesita modificar los espacios que actualmente utiliza FORMACOP para el desarrollo de sus procesos, ya que su adaptación al sistema usado en este momento no requiere cambios sustanciales en los equipos y la operación del proceso de calentamiento se realizaría de la misma manera. El calentamiento se realiza de manera directa sobre los moldes, utilizando la llama del gas natural como combustible, proponiendo diseños que calentarían los moldes de manera separada. Dado que el molde hembra se encuentra en la parte inferior sin realizar movimientos durante el proceso, será calentado en su parte inferior por la llama directa y el molde macho que se encuentra en la parte superior y durante el proceso de prehormado realiza movimientos verticales, contará con un dispositivo que le transferirá calor por la parte superior, dejando a un lado la movilidad como un problema en el calentamiento.

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Debido a la movilidad y ubicación del molde superior, el estudio principal del proyecto se centrará en esta parte del sistema, puesto que los efectos fundamentales debidos a la transferencia de calor en el dispositivo que acompañaría al molde macho, involucran problemas de convección forzada interna, que representan complejidad en el cálculo de parámetros y datos necesarios para dimensionar el sistema de calentamiento, dado que:

Aun cuando la teoría del flujo de luido está razonablemente bien comprendida, las soluciones teóricas se obtienen solo para unos cuantos casos simples, como el flujo laminar completamente desarrollado en un tubo circular. Por lo tanto, se debe confiar en los resultados experimentales y las relaciones empíricas obtenidas para la mayor parte de los problemas de flujo de fluidos, en lugar de soluciones analíticas de forma cerrada. (Cengel, Transferencia de calor, segunda edicion, 2007)

Es por esto que deberá construirse un prototipo que nos permita realizar mediciones y establecer puntos de comparación con la toma de datos reales mediante los cuales pueda comprobarse que el sistema de calentamiento es el adecuado y al ser sometido a evaluaciones tanto desde el punto de vista ingenieril como económico en su factibilidad, éste pueda entregar los resultados esperados. El sistema fue elegido como la opción de calentamiento debido a la rapidez en la transferencia de calor a los moldes, la sencillez de su implementación reflejada en la cantidad de componentes que lo unen, lo que representa menores costos de mantenimiento e inversión inicial. Adicionalmente el valor del gas natural combustible es cuatro veces inferior comparado con el valor por KW/h de energía eléctrica ofrecida. (Anexo A)

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7. ANÁLISIS TÉRMICO

7.1DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS PARA SIMULACIÓN

Un tipo de transferencia de calor es el de convección natural, en el cual un fluido se encuentra a mayor temperatura que otro y a la vez están en contacto con una superficie sólida, causando un movimiento o circulación llamada corriente de convección natural. Esta circulación se debe a la diferencia de densidades producto del gradiente de temperaturas en los fluidos en contacto con el sólido. Figura 11. Corriente de convección natural en el molde

Partiendo de esta teoría se realizó el cálculo de un coeficiente de transferencia de calor

, el cual es un factor que acompañado de un diferencial de

temperaturas y un área superficial expuesta a este gradiente de temperaturas, determinan la transferencia de calor, para este caso de forma natural con el medio ambiente, ósea la cantidad de calor que los moldes para el caso práctico de este proyecto pierden hacia el medio ambiente.

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Datos para determinación de h: Temperatura ambiente: Gravedad

⁄

(3)

Dónde: Tf= Temperatura de película promedio (K). - Temperatura superficial. (K) - Temperatura en los alrededores. (K) Número de Grashof: es un término que representa La razón entre La fuerza de empuje y La fuerza viscosa que actúan sobre el fluido y mediante el cual es posible determinar el régimen turbulento o laminar de flujo en convección natural. (Cengel, Transferencia de calor, segunda edicion, 2007)

(4) Dónde: - Coeficiente de expansión volumétrica

Ts - Temperatura de la superficie = 200 Lc - Longitud característica de la configuración geométrica. - viscosidad cinemática del fluido

– Gravedad

Numero de Rayleigh: es un término adimensional que asocial la transferencia de calor al interior de un fluido, para lo cual determina rangos de valor crítico y de esta forma definiendo si la transferencia de calor se realiza por conducción o convección, al ubicarse por debajo y por encima del valor critico respectivamente. Su cálculo se realizó mediante el producto del número de Grashof y el número de Prandtl. (Cengel, Transferencia de calor, segunda edicion, 2007)

32

(5)

Dónde: - Número de Grashof, ecuación (4). - Número de Prandtl.

⁄

Pr= 0.7092 Lc= 0.11m

Número de Nusselt: es un término adimensional que mide el cambio en la transmisión de calor desde la superficie de un sólido relacionando la transferencia por convección comparada con conducción. (Cengel, Transferencia de calor, segunda edicion, 2007)

(6)

Dónde: - Número de Nusselt. h – Coeficiente de transferencia de calor por convección (W/m2.K). L – Longitud característica (m). K – Conductividad térmica (W/m.K).

Este valor se calcula de acuerdo al resultado obtenido en el número de Rayleigh y la configuración geométrica, la siguiente ecuación se seleccionó debido al número de Rayleigh, la configuración de placa vertical y la más compleja y exacta para su determinación.

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(

( (

)

)

)

(7)

Con este resultado se obtuvo los datos necesarios para calcular el coeficiente de transferencia de calor por convección natural en el espacio donde se encuentran las máquinas de prehormado.

(8)

Coeficiente de transferencia de calor:

Este parámetro se utilizará para realizar la simulación en el proceso de calentamiento de moldes para FORMACOP, ya que es posible determinar la perdida de calor hacia el medio ambiente con el diferencial de temperaturas y el área superficial expuesta. De manera similar se utilizará las propiedades del material (Tabla 2) para determinar la transferencia de calor por radiación, la cual es otra forma de pérdida de energía en el proceso estudiado, siendo la emisividad del material la propiedad que determina la capacidad de un objeto para emitir energía infrarroja tomando valores entre 0 y 1, donde 0 es un reflector perfecto y 1 un emisor perfecto. Con esta propiedad se simulará la perdida de calor por radiación.

Cuadro 2. Propiedades del aluminio 1060

Densidad (kg m^-3)

Coeficiente de

expansión térmica (C^-1)

Calor especifico (J kg^-1 C^-1)

Conductividad térmica 0˚C

(W/m˚C)

Conductividad térmica 200˚C

(W/m˚C)

Emisividad

2770 2.3e-005 875 144 234

0.07

Fuente: Matweb. (1 de Junio de 2013). Matweb. Recuperado el 1 de Junio de 2013, disponible en internet <http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=896dfdfb65834ca8aa8b0fcc6a7efcc4>

34

8. SIMULACIÓN DEL PROCESO ACTUAL.

Se determinó el tiempo necesario para calentar los moldes de prehormado hasta temperatura de operación durante una jornada laboral en la visita a la empresa FORMACOP. Esta medición se realizó al inicio del proceso mediante la toma de temperatura en intervalos de tiempo por medio de las herramientas propias de la máquina que son: termocuplas y termostatos, éstas indican el aumento de temperatura en el tiempo y realizan el control del suministro de calor cuando se ha logrado la temperatura de operación. En el Anexo B se encuentran los datos de medición tomados los cuales se resumen en la figura 12 donde se presenta el cambio de temperatura en el tiempo hasta lograr los 200 de operación en los moldes, así pudiendo determinar el tiempo el cual fue de una hora. Figura 12. Tiempo de calentamiento eléctrico

Con las propiedades del material y las variables necesarias se dio inicio a la simulación del proceso actual por medio de la herramienta CAE Ansys con el fin de determinar cuál es la potencia que se necesita suministrar a los moldes para mantener la temperatura de operación durante la jornada de trabajo. Se definió una configuración geométrica para dicho estudio, durante la cual los moldes superior e inferior están unidos para el proceso de calentamiento (Figura 13), ya que el proceso de prehormado comprende movimientos de unión y separación de los moldes en tiempos en los cuales se dificulta realizar cálculos de transferencia de calor puesto que son tiempos que dependen en gran parte del operario y no es posible calcular un idealizado de tiempos y posibilidades de pérdida de calor en el proceso transitorio de operación. En este proceso intervienen variables como la entrada de la materia prima en diferentes espesores

0

50

100

150

200

250

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61

Calentamiento

Tiempo (min)

Temperatura

35

al igual que varían los tiempos de prehormado, ósea el tiempo en que están unidos los moldes para fabricar las copas. Esta idealización se respalda con las herramientas de control que los equipos de prehormado disponen tales como termostatos y señales que operan el funcionamiento del proceso en su encendido y apagado para la entrega de potencia de acuerdo a las necesidades de aporte de calor antes descritas. Figura 13. Geometría diseñada para la simulación.

La determinación de la potencia aplicada durante la jornada laboral fue el resultado de varios estudios de simulación, en los cuales se aplicó distintas potencias considerando los valores de calor que el proceso pierde al medio ambiente. El tiempo para determinar ésta potencia fue de tres mil segundos, equivalentes a cincuenta minutos, durante los cuales se pudo apreciar la estabilización de la temperatura de operación con la potencia de 250W, la variación en el calentamiento con diferentes potencias se puede apreciar en la figura 14.

36

Figura 14. Temperatura vs tiempo a diferentes potencias.

Al determinar un valor de potencia de 250 Watts, ésta será aplicada durante las 8 horas de la jornada laboral de tal forma que la perdida de calor por convección y radiación sea compensada y la temperatura superficial de los moldes o temperatura de operación sea mantenida durante este tiempo, la simulación se presenta en la figura 15. Figura 15. Potencia aplicada de 250W.

185

190

195

200

205

210

215

220

225

0,0

20

,96

3,2

78

,50

16

,17

22

,00

27

,83

33

,42

35

,00

36

,23

37

,40

38

,57

40

,03

42

,80

45

,13

47

,47

Potencia 200 W

Potencia 250 W

Potencias 300 W

Potencia 350 W

TIEMPO (min)

Temperatura ( )

37

9. DESARROLLO DEL DISEÑO SELECCIONADO

Al considerar más opciones de calentamiento para los moldes, la decisión final fue seleccionar el sistema de calentamiento con gas natural y llama directa, enumeramos las razones de esta decisión: - Número de componentes del sistema. - Espacio disponible en la empresa. - Costos de implementación. - Mantenimiento reducido. La vinculación de los procesos de optimización con la satisfacción de los operarios, se lleva a cabo por medio del mejoramiento en las condiciones de trabajo, permitiendo un aumento en la productividad debido al compromiso y pertenecía que los implicados generan como respuesta y dado que:

La exposición a ambientes calurosos, desde el punto de vista conductual, puede provocar la pérdida de la motivación por la actividad, la disminución de la concentración y de la atención, con el consecuente incremento de los accidentes y una disminución de la calidad del trabajo y el rendimiento que puede según algunos autores, decaer hasta en un 40%” (Bartolomé, 2001).

Sobran razones para implementar acciones correctivas que beneficien a los operarios en su puesto de trabajo, al ambiente general de la empresa y consigo a los resultados productivos globales. La posibilidad de mejoramiento en las condiciones de trabajo se realiza desde la implementación de aislamientos en los equipos que manejan altas temperaturas como punto importante de preocupación en el proceso productivo. Se simuló variables dentro de la misma propuesta sobre el uso de gas natural, cuyas diferencias radican en la ubicación de quemadores, circuitos de transferencia de calor, aislamientos térmicos con sus materiales y espesores. A continuación un resumen de los resultados que ayudaron a seleccionar un diseño apropiado.

38

9.1 GEOMETRÍA Y DIMENSIONAMIENTO

Este parámetro es de gran importancia debido a que se trabaja en máquinas a las que no es posible modificar sus dimensiones puesto que cambiaría el proceso productivo e implica no solo estudios térmicos como es el caso de este proyecto, sino también estudios de materiales y movimiento referentes al procedimiento de prehormado, es por esto que se planificará de acuerdo a los espacios que las mismas ofrecen y donde el modelo de operación actual no se vea modificado.

Figura 16. Máquina de prehormado original.

Este proyecto se adecua a las medidas actuales y utiliza el espacio disponible. Debido al movimiento vertical que el proceso realiza, los cambios que el diseño solución implementa no son relevantes, pues modifican muy poco la altura que recorre el cilindro neumático, esta modificación reduce el recorrido del cilindro debido a la adaptación de un intercambiador de calor en el molde superior que será explicado en detalle más adelante. Para la parte inferior la adaptación es sencilla pues se utiliza un quemador de orificios múltiples que va ubicado en una carcasa aislada, por la parte superior de esta, la llama producto de la combustión calienta el molde inferior, mediante el contacto directo entre los dos, fue diseñado con orificios, uno para la entrada de aire para la combustión al igual que un orificio para el escape de aire caliente. De esta forma se logra aplicar la misma potencia de 1200W que se viene aplicando

39

en el proceso actual, pero cambiando el uso de energía eléctrica por el sistema de gas natural. 9.2 INTERCAMBIADOR DE CALOR

Fue necesario diseñar una herramienta para transferir calor al molde superior, puesto que al utilizar la llama del gas natural como calentamiento, esta tiende a ir hacia arriba y la ubicación de un intercambiador de calor en la parte superior del molde resultó ser la mejor solución para lograr la temperatura de operación. Esta herramienta utiliza los gases de combustión del gas natural, los cuales ingresan a un circuito que recorre las dimensiones del molde superior transfiriendo calor a su paso. El aire caliente desplaza al aire frio por diferencia de densidades, con esta velocidad de desplazamiento se inicia un proceso de convección que calienta las paredes delgadas del intercambiador con el fin de llevar al molde superior con el cual está en contacto a los 200 de temperatura de operación. Se diseñaron en el software de CAD Solidworks, dos prototipos de intercambiador modificando el recorrido de los gases calientes hasta llegar al diseño final. El diseño se planteó para fabricar con cinco perfiles de aluminio cuadrados de 3.81 cm x 32 cm de largo, simulando las dimensiones del molde superior sobre el cual va sujeto. Para un adecuado proceso de transferencia de calor se debe tener un material con alta conductividad y una baja emisividad de forma que los efectos de radiación para el caso de pérdidas no sea de importante consideración, así su injerencia o afectación en la salud de los operarios será minimizada, punto importante en el diseño del dispositivo. Es por esto que aluminio es material ideal, por su fácil consecución, peso y maquinado. Inicialmente se diseñó un circuito que recorría el intercambiador de extremo a extremo, ingresando y evacuando los gases de combustión por los perfiles cuadrados más alejados entre sí, pero muy pronto se pensó en las falencias de este sistema pues a medida que los gases recorren el circuito la diferencia de temperaturas entre el primer y último perfil cuadrado seria considerable, razón que

40

llevo a descartar el modelo debido a que el control en el calentamiento del molde no sería uniforme. (Figura 17)

Figura 17. Diseño inicial de intercambiador de calor. A) Vista isométrica b) Vista sección a) b)

El segundo diseño planteo un recorrido diferente, al tener cinco perfiles cuadrados se decidió ingresar los gases calientes por el centro de ellos y dividir el flujo hacia el lado derecho e izquierdo de igual manera, de esta forma la evacuación de los gases de escape se haría por dos salidas ubicadas en los perfiles cuadrados más alejados entre sí. La razón de esta consideración como diseño final fue por practicidad en la distribución de temperaturas a través del circuito de calentamiento, ya que de esta manera se asegura una transferencia de calor más homogénea hacia el molde superior (Figura 18). Figura 18. Diseño intercambiador de calor. A) Vista isométrica b) Vista sección a) b)

41

El recorrido de calentamiento seleccionado transfiere posteriormente el calor conseguido en el interior de sus paredes a través del delgado espesor de aluminio, el método en este caso es por conducción, que a continuación se transfiere al molde superior también por conducción hasta lograr la temperatura deseada. El proceso de fabricación se llevó a cabo con la consecución de los materiales necesarios para hacer un modelo físico con el cual se realizó una experimentación real de temperaturas de entrada y salida de los gases con el fin de determinar el calor que los gases calientes al interior del intercambiador de calor le transfieren a las paredes del mismo y al final hacia el molde superior que finalmente fue objeto de estudio. Con las dimensiones del molde para prehormado superior se seleccionó perfiles de aluminio cuadrados en medida comercial de 1,5 pulgadas o 3,81 cm y el largo de cada uno se cortó para lograr los 32 cm necesarios (Figura 19). Al Interior de los perfiles se cortaron caras para conseguir el recorrido que los que los gases de combustión deben realizar, como se puede apreciar en la Figura 18b. Para terminar se cortaron tapas que cubrieron el recorrido dejando abierto únicamente el centro por donde ingresan los gases de combustión y en los laterales por donde son evacuados como se puede apreciar en la Figura 18a. Figura 19. Perfiles de aluminio cuadrados.

Ya que la soldadura de aluminio en espesores delgados es compleja, se buscó soluciones para este proceso encontrando material de aporte con el cual se necesita calentar los perfiles a soldar hasta una temperatura de 500 con la ayuda de un soplete de gas propano y posteriormente aplicar el material de aporte realizando cordones de soldadura que conformaron el intercambiador en su totalidad.

42

Figura 20. Intercambiador de calor real

Como se explicó anteriormente el molde superior fue el objeto de mayor estudio y diseño debido a la ubicación, al sistema de calentamiento y al movimiento vertical en el proceso de prehormado, así una vez determinado el diseño, la preocupación fue asegurar una potencia de calentamiento ya que suministrar un flujo de combustible que al primer contacto proporcionaría 1200W, no sería la misma potencia que finalmente llega al molde superior debido a los procesos de transferencia de calor que se realizan al interior del circuito de calentamiento. De esta manera se respalda la fabricación de un prototipo real, puesto que con la medición de temperaturas de entrada y de salida en el circuito de calentamiento comprendido al interior del intercambiador de calor, fue posible determinar la potencia que finalmente los gases calientes le transfieren al molde superior. Este proceso de medición se realizó al inicio del calentamiento, donde la temperatura de entrada es de 1000 y la de gases de escape de 45 (Figura 21), este cálculo dio como resultado una potencia de 1061 Watts. (Anexo C) Figura 21. Medición temperaturas a) entrada b) salida a) b)

43

9.3 QUEMADORES

Son necesarios dos quemadores que se encargan de lograr las temperaturas de operación en el molde superior e inferior, deben ser adecuados para el uso de gas natural como combustible, su encendido debe ser realizado por medio de pilotos al iniciar el proceso y para mantener la temperatura de operación durante la jornada de trabajo, para el control de estos quemadores se necesita válvulas reguladoras de flujo, que entreguen la cantidad de combustible necesaria durante el proceso. El quemador superior fue tomado del diseño de un soplete de gas propano comprimido, herramienta usada en la soldadura. La idea de este diseño fue utilizar el flujo de combustible doméstico o industrial y conseguir una llama horizontal que ingresa con velocidad hacia el interior del intercambiador gracias al cambio de geometría en la punta del quemador que envía la llama para calentar el aire al interior del circuito de calentamiento (Figura 22). Este quemador va acoplado a una manguera flexible por donde obtiene el flujo de gas natural para el calentamiento, flujo controlado por válvulas que cierran y abren el paso del mismo cuando es necesario según el requerimiento de potencia para calentamiento. Figura 22. Quemador superior

El quemador inferior tuvo un diseño más sencillo, se planteó un cilindro con múltiples orificios para la llama de gas natural pensando en una distribución del calor por toda la superficie inferior del molde hembra (Figura 23). El ingreso del combustible se hace por una manguera adecuada para dicho uso y ya que esta parte del sistema no implica movimiento, los componentes son estáticos, de igual manera que en la parte superior el flujo se interrumpe o permite de acuerdo al requerimiento gracias a válvulas.

44

Figura 23. Base con quemador inferior

9.4 AISLAMIENTOS

Los moldes del proceso de prehormado ceden calor al medio ambiente debido a su falta de aislamiento. Esta pérdida de energía puede ser evitada, logrando que el proceso sea más eficiente y mejorando las condiciones de trabajo de los operarios en su puesto de trabajo, así como la seguridad operacional evitando riesgos por quemaduras. El tipo de aislamiento en procesos térmicos debe tener características como: baja conductividad térmica, flexibilidad en su instalación e incombustibilidad. En cuanto a condiciones de operación, se requiere que soporte temperaturas de operación de entre 190 ºC y 220 ºC. La importancia de una correcta selección de aislamientos térmicos se justifica principalmente en el mejoramiento de condiciones en el puesto de trabajo para los operarios, quienes al estar expuestos a altas temperaturas no solo se desempeñan en un ambiente poco confortable sino que también corren el riesgo de accidentes por quemaduras debido al contacto con los equipos a altas temperaturas. De acuerdo con Bartolomé (2001):

Afortunadamente, los mecanismos fisiológicos de la termorregulación son muy eficientes, y en los casos en que las condiciones microclimáticas la actividad metabólica no permitan un confortable balance térmico entre el cuerpo y el entorno, se puede desarrollar una tensión más o menos importante según la situación, con el fin de tratar de alcanzar un equilibrio

45

térmico aceptable, aunque creando incomodidades, fatiga, disminución de la capacidad física y de la capacidad mental. De lograrse tampoco este equilibrio térmico aceptable o permisible porque los mecanismos fisiológicos resultaran insuficientes para resolver el conflicto, la salud de la persona se afectaría al incrementarse o disminuirse la temperatura corporal fuera de los límites del intervalo considerado normal. El mantenimiento de la temperatura corporal dentro de los limites es el resultado del equilibrio entre ganancias y pérdidas de calor del cuerpo situado dentro de un microclima determinado: si las ganancias superan las perdidas, el calor se acumulara en el organismo y la temperatura de este tendera a elevarse considerablemente hasta alcanzar valores críticos que, de no variar la situación, puede poner en peligro la vida.

Adicionalmente un equipo de calentamiento aislado, es un equipo más eficiente debido a que presenta menor perdida de energía hacia el medio ambiente y a su vez requerirá menor cantidad de combustible para su calentamiento, traducido en costos, el dinero necesario para lograr las temperaturas de operación será menor gracias a que se conserva energía antes desperdiciada. En catálogos de aislantes térmicos se encontró el aislamiento de colchoneta termoaislante Owens Corning de fibra mineral, cuya fabricación se hace con arena sílice lubricada con aceite mineral, posee protección abrasiva. Colchoneta termoaislante RW4300: Temperatura de operación hasta 530˚C ASTM C-592-04: Colcha Termoaislante de Fibra Mineral, tipo aislamiento para

tubería (Colchoneta Armada) Conductividad térmica K: 0.0416 W/m˚C ASTM C553-02: Aislamiento Térmico para aplicaciones comerciales e

Industriales.

Los catálogos del fabricante presentan medición de temperaturas sobre superficies a altas temperaturas aisladas y sin aislar, así mismo presenta un valor de flujo de calor

, el cual se insertó a las paredes expuestas al medio ambiente como perdida de calor de los moldes en la simulación de calentamiento con gas natural. (AISLAMIENTO TERMICO INDUSTRIAL CORNING, OWENS[En linea] Mexico D.F [Consultado 20 de Abril de 2013]. Disponible en Internet:)

46

9.5 PROPIEDADES DEL COMBUSTIBLE

La combustión nace a partir de una reacción química de oxidación, en la cual se libera una gran cantidad de energía en forma de luz y calor. Para generar una combustión hay dos elementos primordiales, el combustible que es el elemento que arde y el comburente que produce la combustión, ya sea completa o incompleta. Para generar una combustión completa, todos los elementos en la reacción deben de tener su máximo estado de oxidación, lo cual requiere que una proporción adecuada de combustible y oxígeno, generando como residuos dióxido de carbono, agua y energía (Ecuación 1), de lo contrario al no tener una proporción adecuada se formaría monóxido de carbono como elemento adicional (Ecuación 2). (Cengel, Termodinamica, 2009).

(1)

(2)

Para plantear un sistema de calentamiento alternativo al sistema actual, se estudian diferentes métodos al uso de energía eléctrica para el calentamiento de moldes. Mediante este concepto es posible proponer a los combustibles como variante en el proceso de prehormado debido a su forma de transferir calor. El gas natural como combustible fue seleccionado para el proceso de calentamiento, se analizaron las propiedades del mismo y sus ventajas en cuanto a costos de operación respecto a otros medios energéticos. Los principales componentes del gas natural son: Metano (CH4) y Etano (C2H6), otros hidrocarburos más pesados como Propano (C3H8) y Butano (C4H10)

47

Cuadro 3. Composición porcentual del gas natural

Fuente: FENOSA. (s.f.). ¿Qué es el gas natural? Recuperado el 2 de 05 de 2013, disponible en interner<http://portal.gasnatural.com/servlet/ContentServer?gnpage=1-40-2&centralassetname=1-40-4-2-1-0-0> Es necesario calcular el aire necesario para una correcta combustión mediante la relación de aire-combustible apropiada. La cantidad mínima de aire para la combustión es llamada cantidad de aire estequiométrico, con una cantidad menor la combustión será incompleta, en procesos reales es común que exista exceso de aire, con el fin tener mayor oportunidad de una combustión completa, pero un aumento sustancialmente mayor a la cantidad de aire estequiométrico tendrá repercusión en la temperatura de la llama, consiguiendo disminuir su temperatura. Sin exceso de aire Porcentaje de hidrocarburos contenidos en el gas natural:

(9) Cantidad de aire teórico para la mezcla:

48

Ecuación balanceada:

(10)

Esta relación de aire combustible en la que por cada 16,9 partes de aire se mezcla una parte de combustible, fue calculada para determinar el flujo másico total de aire-combustible que se introduce al intercambiador de calor.

9.6 SEGURIDAD Y CONEXIONES

Debido a que la fuente de aprovechamiento energético utiliza un combustible inflamable, es necesario tomar precauciones en el diseño del sistema, ya que involucra movimiento, manipulación de material y altas temperaturas en el puesto de trabajo. Para esto es necesario contar con: - Normativa de seguridad industrial: este tipo de sistemas se rigen a la norma técnica colombiana NTC 2505 con el nombre de instalaciones para suministro de gas combustible destinado al uso residencial y comercial, la cual se tuvo en cuenta para la selección y diseño de todos los componentes necesarios. (ICONTEC[En linea] Bogota D.C [Consultado 01 de Junio de 2013]. Disponible en Internet:, 2013) - Sistemas de prevención de accidentes tales como detectores de humo, extintores contra incendio ubicados cerca los sitios de alta temperatura de forma estratégica. - Aislantes de material incombustible. - Plan de mantenimiento preventivo a las máquinas que manejan combustible.

9.7 SIMULACIÓN DEL DISEÑO PLANTEADO

Se procedió a simular el diseño con gas natural, para el cual se utilizó un suministro de potencia de 1061W para el molde superior, acorde con los cálculos obtenidos en el intercambiador de calor (Anexo C). El molde inferior está en contacto con la llama del gas natural de forma directa, por esta razón se simuló

49

con una potencia aplicada de 1200W correspondiente a la misma potencia antes aplicada por medio de resistencia eléctrica. Para esta situación se utilizó el valor de calor cedido al medio ambiente especificado por el fabricante de aislamientos, de forma que pudiera ser calculado el tiempo de calentamiento y la potencia necesaria para mantener la temperatura en comparación al calentamiento con resistencia eléctrica (AISLAMIENTO TERMICO INDUSTRIAL CORNING, OWENS[En linea] Mexico D.F [Consultado 20 de Abril de 2013]. Disponible en Internet:). Al igual que en la simulación con resistencia eléctrica se utilizó la configuración de los moldes superior e inferior unidos, debido a las razones antes explicadas para idealización de cálculos. En esta oportunidad se suprimió los valores de convección y radiación hacia medio ambiente ya que utilizamos un valor de pérdida de calor por unidad de área específico del tipo de aislamiento usado, de esta forma se cede calor a pero en menor cantidad. Posteriormente se realizó la primera simulación de calentamiento desde temperatura superficial igual a temperatura ambiente (Figura 24), mediante este proceso fue posible determinar el tiempo de calentamiento de los moldes hasta conseguir la temperatura de operación de 200 y como resultado se obtuvo 1820 segundos, equivalente a 30.33 minutos.

Figura 24. Calentamiento con gas natural.

La potencia requerida para mantener la temperatura de operación es de 30 Watts para cada molde. Este resultado se obtuvo de dos maneras distintas, inicialmente se probó con variación de potencias aplicadas durante un tiempo de tres mil segundos equivalentes a cincuenta minutos, hasta ver el equilibrio al mantener la temperatura de 200 , como se observa en la Figura 25.

50

Figura 25. Temperatura vs tiempo a diferentes potencias con gas natural.

La segunda manera fue con los datos de calor cedido que el fabricante de aislamientos proporciona, este valor de

se utilizó junto con el área superficial expuesta al medio ambiente, área calculada con la herramienta de medición de Solidworks. Aplicando

, lo

cual es el equivalente a aplicar 30 Watts a cada molde de prehormado, se entiende que el calor cedido al medio ambiente debe ser el mismo que se debe suministrar a cada molde para mantener la temperatura superficial de operación. La validación de los datos obtenidos mediante simulación se consiguió con la realización de una prueba real de calentamiento sobre el molde inferior (hembra), con el fin de comprobar la veracidad de los datos que el software proporciono con datos de medición real. Para el calentamiento y toma de temperatura en el tiempo se utilizó el molde inferior, una estufa de gas, milímetro digital para la medición de temperatura en las caras del molde y se tomó el tiempo en que el molde alcanzó la temperatura de operación de 200 . El flujo de gas utilizado en la prueba se determinó mediante medición de consumo en el contador domiciliario del sitio de prueba. La prueba real presento como resultado un tiempo de calentamiento de 29 minutos hasta conseguir la temperatura de operación, estos resultados se presentan en el Anexo D.

199,0

199,2

199,4

199,6

199,8

200,0

200,2

200,4

200,6

200,8

201,0

1920 2054 2124 2202 2294 2364 2468 2610 2800 2948

Potencia 20 W

Potencia 30 W

Potencia 40 W

Temperatura ºC

Tiempo( seg)

51

El proceso de simulación se realizó nuevamente con el software CAE Ansys(Figura 26), en condiciones iguales que la medición real, utilizando solo el molde inferior (hembra), las condiciones de transferencia de calor antes calculadas en el capítulo 4 de este mismo trabajo y una potencia suministrada de 1200 W, equivalentes a la potencia generada con un flujo de gas natural domiciliario de una estufa común, este dato se encuentra en el Anexo F. Figura 26. Simulación de calentamiento en molde inferior.

Los resultados obtenidos en la simulación presentaron que el calentamiento a temperatura de operación se realiza en un tiempo de 31.4 minutos y su variación con respecto al tiempo de calentamiento real se presenta en la figura 26, los datos obtenidos del proceso de simulación se encuentran consignados en el Anexo E. Figura 27. Comparativa de tiempos de calentamiento en simulación y proceso real.

02468

10121416182022242628303234

Comparativa tiempos de calentamiento

Tiempo de simulación

Tiempo real

Temperatura

Tiempo

52

Con estos datos fue posible realizar una validación de error entre el sistema simulado y el calentamiento real:

Este parámetro permitió obtener una validación de los datos de simulación, ya que estos se aproximan en un 92.35%, por lo que se asumió un error del 7.64% en la diferencia de resultados real vs simulación. Con la culminación de los parámetros para el diseño del calentamiento con gas natural, se procedió hacer la modificación de la maquina original con la herramienta de simulación CAD Solidworks y así poder ver el diseño terminado como se puede apreciar en la figura 28. Figura 28. Diseño de máquina de prehormado con sistema de calentamiento a gas natural.

53

10. FACTIBILIDAD Y EVALUACIÓN

El diseño planteado es válido si financieramente es viable, tendremos que evaluar financieramente este proyecto a través de la utilización de criterios de evaluación como el VNA, TIR y TIO, para determinar la viabilidad de implementación del proyecto de ingeniería comparado con el modelo de operación actual de FORMACOP. (Currea, 2007) -Tasa interna de retorno (TIR): es la taza que se cobra cuando se conoce el valor de la inversión y el número de periodos con la cuota a pagar. En otras palabras es un indicador de la rentabilidad de un proyecto. - Valor presente neto (VNA): Es el método más conocido para la valoración de proyectos que necesitan de inversión. Este permite determinar si una inversión cumple con el objetivo básico financiero, es decir maximizar el valor de la inversión. - Tasa de interés de oportunidad: esta es la tasa mínima que el inversionista está dispuesto a recibir como ganancia, al invertir en este proyecto comparado con posibles oportunidades bancarias o de negocio que ofrezcan cierto porcentaje de rentabilidad. El estudio de factibilidad económica se realizó inicialmente al calcular los costos de operación anuales que FORMACOP tiene en la actualidad, partiendo del sistema de calentamiento por resistencia eléctrica con el cual cuentan, ya que tenemos los datos necesarios como la potencia eléctrica requerida para el proceso y el tiempo de operación, mediante los cuales es posible determinar un valor base con el cual se comparó el sistema diseñado. Los cálculos contemplan los tiempos de calentamiento iníciales para lograr la temperatura de operación de 200 , durante los cuales hay una potencia máxima de calentamiento, eléctrica para el sistema actual y un flujo de combustible máximo para el sistema diseñado, de igual manera se calculó el consumo energético traducido en valor monetario para mantener la temperatura de operación durante la jornada laboral de ocho horas, para cada caso esta potencia tiene valores diferentes debido a que el caso de diseño contemplo aislamientos térmicos y de esta forma necesitó menos consumo energético para mantener dicha temperatura. Para el sistema de calentamiento actual, se calculó el consumo energético por máquina, con una potencia eléctrica de 2400W referente a las dos resistencias eléctricas presentes, esta potencia se aplica durante una hora antes de iniciar la jornada laboral de 8 horas, durante las cuales solo se aplica una potencia menor

54

de 250W para mantener la temperatura superficial de operación de 200 , asi se obtuvo un costo de operación diario, multiplicado por las quince maquinas que se encuentran operando en FORMACOP, nos da el costo por día de operación. Para el desarrollo de un estudio financiero estos datos debieron calcularse de forma anual ya que el proyecto diseñado plantea su implantación al recuperar la inversión inicial en un tiempo menor a cinco años. Adicionalmente se agregó un valor de mantenimiento referente a las resistencias eléctricas, las cuales deben ser cambiadas en un tiempo aproximado de dos años, con un costo de trescientos mil pesos cada una, valor que fue divido por mes y representar un costo de mantenimiento mensual y anual. (Anexo F). Cuadro 4. Costo de operación y mantenimiento sistema actual En el sistema de calentamiento con gas natural se calculó el flujo de combustible para dos escenarios, el primero durante el calentamiento desde temperatura ambiente hasta lograr la temperatura de operación y un segundo escenario en el que se suministra un flujo menor que se encarga de mantener la temperatura de operación durante la jornada laboral, dichos flujos de combustible permiten conocer el costo de operación para cada una de las quince maquinas y asi obtener el valor global de consumo para toda la empresa, mensual y anual. Se suma este costo, un valor de mantenimiento preventivo a las conexiones y sistemas que conforman el metodo de calentamiento. Cuadro 5. Costo de operación y mantenimiento sistema gas natural Para determinar el costo de implementar el sistema de calentamiento por gas natural, se realizaron cotizaciones de todos los componentes necesarios para la operación del sistema diseñado. Con el fin de lograr una aproximación de valores muy apegados a la realidad, la cotización se realizó con referencia de una

Costos de operación electrico Mensual Anual

Consumo electrico $ 650.046 $ 7.800.552

Resistencias $ 25.000 $ 300.000

Total $ 675.046 $ 8.100.552

Costos de operación gas Mensual Anual

Consumo gas $ 67.207 $ 806.484

Mantenimiento preventivo $ 25.000 $ 300.000

Total $ 92.207 $ 1.106.484

55

empresa local llamada Metalmecánica del Valle S.A.S, en la cual nos facilitaron precios para cada componente al igual que el valor de fabricación. (Tabla 6) Cuadro 6. Cotización de componentes del sistema de gas natural

Usando los criterios económicos se procedió a realizar el cálculo de utilidades anuales comparando el sistema eléctrico con el sistema de calentamiento por medio de gas natural, proyectando las ganancias en cinco años, ubicando el valor total de implementar el nuevo sistema como ítem de referencia y los criterios de TIR, VNA y TIO, para concluir que es un proyecto económicamente viable. En el año cero se evidencia un valor negativo referente al costo de implementación o inversión inicial. En el flujo de caja neto para el primer año, se representa un valor producto de la resta entre los costos de operación del sistema actual operado con resistencias eléctricas, con los costos de operación del sistema diseñado para calentamiento con gas natural, evidenciando una utilidad que representa un gran porcentaje de la inversión inicial. Para el segundo año y de forma consecutiva hasta el quinto año, se aplico un factor de incremento equivalente al cinco por ciento, tomado del promedio de inflación en el país en los últimos 3 años.

Producto Cantidad Referencia Descripcion Valor Total

Manguera (m) 3,5 PVC-NGH1-F 3/8" PVC LPG $ 5.000 $ 17.500

Valvula de flujo 2,0 YC-1-1501 3/8"  ISO228/1 $ 2.400 $ 4.800

Valvula de paso solenoide 2,0 SAV series 3/8" NC 24 v $ 122.000 $ 244.000

Piloto 2,0 B880304 750MV piloto generador  $ 4.000 $ 8.000

Quemador superior 1,0 YOP-03 1200 W $ 10.000 $ 10.000

Quemador inferior 1,0 YOP-03 1200 W $ 10.000 $ 10.000

Perfil de aluminio (m) 2,0 Aluminio 1060 1,5"x1,5" espesor 1,5 mm $ 15.000 $ 30.000

Aislante (m^2) 0,2 Rw4300 Espesor 1" (m^2) $ 50.000 $ 8.900

Mano de obra 1,0 Tecnico Manufactura, soldadura, instalacion $ 200.000 $ 200.000

Lamina de aluminio (m^2) 0,1 Aluminio 1060 Espesor 1,5 mm $ 8.000 $ 762

Accesorios extras Varios Racor, uniones, acoples $ 30.000 $ 30.000

Honorarios 1,5 Factor ganancia Diseño e implementacion $ 281.981 $ 563.962

Total $ 845.942

COTIZACION

56

Cuadro 7. Flujo de caja neto a proyección de cinco años.

El valor presente neto en este caso, respalda la implementación del proyecto debido a que tiene un valor mayor a cero, explicando que a pesos de hoy los ingresos son mayores que los egresos, lo cual indica la factibilidad del proyecto. Se tomó una taza de oportunidad del 25%, porcentaje que el inversionista en este caso el dueño de FORMACOP espera como referencia de aprobación para llevar a cabo el proyecto. Esta tasa de interés de oportunidad significa que el inversionista podría invertir el dinero utilizado como inversión inicial en el proyecto, en otros proyectos con una rentabilidad del 25% sobre dicho valor, así el valor presente neto cubre este valor de ganancia que obtendría y adicional tiene un valor positivo de $7.656.190. Cuadro 8. Criterios económicos de evaluación.

Como criterio económico adicional se utilizó la tasa interna de retorno, índice que mide la rentabilidad de la inversión realizada en su totalidad, es decir que la inversión inicial en este proyecto representa una rentabilidad del 51% sobre dicho valor, convirtiendo el proyecto en factible desde el punto de vista del inversionista

Costos implementación $ 12.689.136

Costos de operación $ 1.106.484

Año FCN

0 -$ 12.689.136

1 $ 6.994.068

2 $ 7.343.771

3 $ 7.710.960

4 $ 8.096.508

5 $ 8.501.333

VNA $ 7.656.190

TIR 51%

TIO 25%

VNA $ 7.656.190

TIR 51%

TIO 25%

57

como oportunidad de negocio, adicional a las ventajas ofrecidas por el mismo y que han sido explicadas a lo largo de este estudio.

58

11. CONCLUSIONES - Para abordar la problemática del proceso real no basta con conocerlo de

manera teórica, es indispensable realizar un estudio de manera presencial que permita la toma de datos, parámetros de operación y limitaciones para diseñar que rodean la actividad productiva.

- Dado que la fabricación de un modelo real para considerar la validez de los resultados del diseño resulta ser un proceso costoso y muy difícil de modificar si existen cambios, la simulación mediante el software CAE Ansys permite variar para tanto los parámetros de diseño como las condiciones de operación a un bajo costo.

- Debido a la complejidad de algunos cálculos numéricos necesarios para la

obtención de parámetros de simulación, la construcción de prototipos es aplicable como herramienta de investigación para facilitar la obtención de dichos datos y resultados de suma importancia para acercar un proyecto de diseño a condiciones reales aplicables sin la necesidad de construir el diseño en su totalidad.

- Es fundamental implementar una validación de error en los resultados

obtenidos, de forma que los datos obtenidos por simulación presenten un error aceptable comparado con un proceso real. Para el caso de este proyecto la variación en resultados no supero el 8%.

- La evaluación del proyecto mediante conceptos económicos es de suma importancia, puesto que permite aterrizar el proyecto con resultados de factibilidad que presentan a esta propuesta como una opción viable de implementación. Se debe tener en cuenta que se reportaron solo los componentes relacionados al funcionamiento básico de calentamiento

59

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ANEXOS ANEXO A. COMPARACIÓN COSTO ENERGÉTICO GAS NATURAL VS ENERGÍA ELÉCTRICA.

Relación costo energético kw/h energía eléctrica vs m3 de gas natural

Datos tomados en base a la facturas de gas natural y energía eléctrica

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ANEXO B. DATOS DE MEDICIÓN REFERENTES A CALENTAMIENTO CON ENERGÍA ELÉCTRICA

Tiempo (min) Temperatura (ºC) Tiempo (min) Temperatura (ºC)

0 25 31 120

1 26 32 123

2 28 33 126

3 30 34 129

4 33 35 132

5 36 36 135

6 39 37 138

7 43 38 141

8 46 39 144

9 49 40 147

10 52 41 150

11 55 42 153

12 60 43 155

13 62 44 158

14 66 45 161

15 69 46 164

16 72 47 167

17 75 48 169

18 79 49 172

19 82 50 175

20 85 51 178

21 89 52 180

22 92 53 183

23 95 54 185

24 98 55 188

25 101 56 190

26 104 57 192

27 108 58 195

28 111 59 197

29 114 60 199

30 117

63

ANEXO C. DETERMINACIÓN DE POTENCIA CEDIDA AL MOLDE POR EL INTERCAMBIADOR

Temperatura de entrada= 1000ºc Temperatura de salida= 45ºc, tiempo inicial Temperatura de salida = 273ºc, temperatura de las paredes 200ºc Flujomásico de gas = 4.87x10-5 m3/s * 0.78kg/m3 =3.8x10-5 kg/s Flujo másico de aire = 4.87x10-5 m3/s * 16.9 r/c * 1.184 kg/m3 =9.748x10-4kg/s Flujo total = 3.8x10-5 kg/s + 9.748x10-4 kg/s = 1.012x10-3kg/s

Calor cedido al molde al inicio

Calor cedido al molde al alcanzar 200ºc las paredes

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ANEXO D. CALENTAMIENTO DE MOLDE INFERIOR (HEMBRA) CON GAS NATURAL.

Tiempo (min) Temperatura (ºC)

0 26

1 39

2 47

3 54

4 62

5 70

6 77

7 84

8 92

9 99

10 105

11 112

12 119

13 124

14 131

15 137

16 142

17 146

18 152

19 159

20 164

21 170

22 174

23 178

24 182

25 186

26 190

27 194

28 198

29 202

65

ANEXO E. MEDICIÓN DE TIEMPO VS TEMPERATURA EN SIMULACIÓN CON SOFTWARE ANSYS.

T Tiempo de simulación

26 0,01

39 1,44

47 2,74

54 3,84

62 5,24

70 6,64

77 7,84

84 9

92 10,44

99 11,74

105 12,74

112 14,01

119 15,34

124 16,24

131 17,54

137 18,74

142 19,64

146 20,44

152 21,64

159 22,94

164 23,94

170 25,14

174 25,94

178 26,84

182 27,64

186 28,44

190 29,24

194 30,14

198 30,94

200,01 31,44

66

ANEXO F CONSUMO DE COMBUSTIBLE Y ENERGÍA ELÉCTRICA

Consumo de combustible en calentamiento con gas natural Flujo de gas = 4,87x10-5 m3/s 4,87x10-5 m3/s x 2(moldes)= 9,74x10-5 m3/s Consumo minuto = 9,74x10-5 m3/s x 60 min = 5,8410-3m3/min Consumo 30,3 horas = 5,8410-3 m3/min x 30,3 min = 0,177 m3

Consumo de gas para mantener la temperatura de operación Flujo de gas = 1,02x10-6m3/s 1,02x10-6 m3/s x 2(moldes)=2,04x10-6 m3/s Consumo hora= 2,04x10-6 m3/s x 3600 seg = 7,34x10-6 m3/h Consumo día= 7,34x10-6 m3/h x 8 h= 0,0587 m3 Consumo día total= 0,0587 m3 + 0,177 m3= 0,235 m3

Consumo mes= 0,235 m3 x 20 días = 4,715 m3/mes Consumo total maquinas = 4,715 m3/mes x 15 máquinas = 70,73 m3/mes 70,73 m3/mes x $950 pesos = $67207 pesos Calentamiento resistencias eléctricas 2.4 kWh x $332 pesos = $799 pesos Consumo eléctrico para mantener la temperatura de operación Consumo hora 0.5 kW x $342= $171pesos Consumos 8 horas = $171 x 8 horas = $1368 pesos Consumo total dia = $1368 + $799 pesos = $2167 pesos Consumo mes= $2167 x 20 dias = $43400 pesos Consumo total maquinas = $43400 x 15 máquinas = $ 650000 pesos