INTRODUCCIÓN
Un sistema de control interno es fundamental
para las El proyecto corresponde a las investigaciones planteadas por la
Universidad Técnica de Cotopaxi, dentro de la sublínea denominada “Eficiencia
Energética en Sistemas Electromecánicos y Uso de Fuentes Renovables de
Energía”; dentro de la investigación planteada se destaca el desarrollo del
proceso de fundición del plástico en máquinas extrusoras mediante la
utilización de fuentes de energías caloríficas como la electricidad y el gas
licuado de petróleo, de tal manera que al realizar un análisis comparativo se
seleccione la fuente de energía que permita tener un mejor rendimiento en la
producción de manguera de polietileno, la cual puede ser utilizada en el sector
de la construcción y/o en el sector agropecuario para regadío.
En
la industria del plástico para procesos de fabricación de manguera de
polietileno se requiere obtener mayores rendimientos en máquinas extrusoras,
pero al encontrarse con limitantes, pueden empeorar el desempeño en la
fabricación de productos plásticos generando principalmente altos costos en
producción. (Cruz, 2014)
La
fábrica INGYTEP dispone de una máquina extrusora para desarrollar la
investigación, anteriormente esta maquinaria trabajó con resistencias eléctricas
calefactoras de tipo abrazadera para cumplir con el proceso de fundición del
plástico con el objetivo de producir manguera de polietileno; hoy en día esta
máquina específicamente en la zona de fundición del plástico, se ha reemplazado
las resistencias eléctricas calefactoras por el uso del gas licuado de
petróleo, cumpliendo de igual manera con el proceso de fundición para
posteriormente obtener manguera de polietileno, por lo que se requiere la
selección de carácter técnico – científico de una fuente calorífica que
optimice este proceso.
Dentro
de la elaboración de manguera negra de polietileno de baja densidad, uno de los
procesos principales para la elaboración de este producto es la parte de
fundición del plástico específicamente en la zona de calefacción de la máquina
extrusora con temperaturas de aproximadamente 200 °C, para alcanzar esta
temperatura se utilizan diferentes procesos como, por ejemplo: el uso de la
energía eléctrica por medio de resistencias calefactoras y el uso del gas licuado
de petróleo. Al realizar un análisis de comparación entre el uso de la energía
eléctrica con el uso del gas licuado de petróleo en máquinas extrusoras,
principalmente se enfoca en la caracterización técnica de las dos fuentes de
energía calorífica para la evaluación de ventajas y desventajas técnicas,
económicas y ambientales (Cruz, 2014).
El
proyecto de investigación tiene relevancia dentro de la eficiencia energética,
desarrollando actividades que se enfocan a la parte técnica, financiera y medio
ambiental, con una capacidad de generar resultados inmediatos que son
reflejados económicamente, por lo tanto, se declina por un impacto a corto
plazo. El proyecto de investigación promueve el desarrollo de tecnologías que
impulsan a la producción nacional, así como sujetarse a principios y normativas
de calidad, sostenibilidad y producción sistémica, como se manifiesta en los
artículos 320 y 385 de la Constitución Nacional de la República del Ecuador. La
propuesta investigativa se alinea con el objetivo #5 del Plan Nacional de
Desarrollo 2017 – 2021 “Todo una Vida”, en el que se manifiesta impulsar la
productividad y competitividad para el crecimiento económico sostenible de
manera redistributiva y solidaria (Senplades, 2017).
Como
objetivo general se plantea, analizar el consumo de energía eléctrica y gas
licuado de petróleo en la zona de calefacción en máquinas extrusoras mediante
un estudio comparativo para la selección del proceso óptimo en la fundición del
plástico en la fábrica INGYTEP ubicada en la ciudad de Latacunga. Para llegar a
cumplir este objetivo se determinan los siguientes objetivos específicos:
-
Realizar una investigación bibliográfica en fuentes de relevancia para
determinar el comportamiento del proceso de fundición del plástico en una
máquina extrusora; así como sus principales variables y categorías.
-
Diagnosticar el proceso actual de las dos máquinas extrusoras de la fábrica
INGYTEP identificando los diferentes parámetros de operación.
-
Caracterizar el proceso de fundición del plástico por medio de energía
eléctrica y gas licuado de petróleo máquinas extrusoras.
-
Establecer la fuente de energía óptima para el proceso de fundición del
plástico en las máquinas extrusoras.
-
Validar la selección del proceso óptimo en la fundición del plástico en las
máquinas extrusoras de la fábrica INGYTEP.
En
la Universidad Piloto de Colombia, en Bogotá - Colombia, se desarrolló un
proyecto de titulación denominado “Conversión equipo extrusor en la zona de
calefacción de energía eléctrica a gas natural” (Amaya, 2014).
El
proyecto menciona la aportación de una solución viable para la reducción de
gastos en el consumo de energía eléctrica en la empresa CIPLAS S.A., por lo que
se decidió en cambiar la alimentación de los equipos que usan electricidad, por
una fuente de energía a gas natural industrial, que permite reducir los costos
en producción, involucrando la responsabilidad social con el cuidado del medio
ambiente.
Se
programó el cambio de las resistencias eléctricas que generan calor sobre el
barril de una máquina extrusora de plástico con la finalidad de moldear la
materia prima, fundiéndola a través de ductos que expulsan el gas natural
industrial, el mismo que por chispa controlada genera ignición para el
calentamiento del barril en menor tiempo comparado con la energía eléctrica y
acelerando el proceso de producción, con lo que se obtuvo mediante un bajo
recurso de inversión, la disminución hasta un 60% en el consumo de energía
eléctrica de la extrusora.
En
la Universidad César Vallejo, en Trujillo - Perú, se desarrolló un proyecto de
titulación denominado “Diseño de un sistema de calentamiento usando gas natural
en una máquina extrusora que procesa 550 kg/h de tubería plástica ubicada en la
línea 5 de la planta Nº 1 de la empresa Eurotubo S.A.C para reducir costos de
producción” (Céspedes, 2017). El proyecto manifiesta que,
la empresa Eurotubo S.A.C se dedica a la fabricación de tubería plástica
utilizando máquinas extrusoras, para lo cual, en el proceso de fundición del
plástico, se lo realiza utilizando energía eléctrica a través de resistencias
calefactoras y la empresa no cuenta con un sistema alternativo de calentamiento
para sustituir a la energía eléctrica debido a los ocurrentes cortes del
suministro eléctrico.
Por
tal razón, surge la necesidad de diseñar un sistema de calentamiento que no
utilice energía eléctrica, en el que se optó usar el gas natural como fuente de
energía calorífica, para el diseño se necesitó conocer los parámetros de
operación del sistema de calentamiento con resistencias eléctricas que
entregaba una potencia de 51,48 kW alcanzando una temperatura de 180 °C.
Como
resultado se determinó que el gas natural necesita producir un calor requerido
de 68,7 kg/h con una relación aire combustible de 19,7 kg de aire por cada kg
de gas natural para obtener la temperatura requerida.
En
Colombia se presentó un artículo científico denominado “Una revisión de
sistemas de calentamiento y control de temperatura para extrusión de polímeros”
(Cruz, 2014). En el artículo científico, se presenta una
revisión sobre las iniciativas relacionadas con; el calentamiento a gas del
barril de extrusión, otros sistemas de calentamiento, modelación y simulación
de los perfiles de temperatura, procesamiento de polímeros por el proceso de
extrusión, y control de temperatura.
Como
resultado se obtuvo que al generar calor mediante una conversión a gas se puede
determinar una reducción de un 60 % del consumo de la energía eléctrica, por lo
tanto, se concluyó que, el calentamiento a gas es más eficiente que el
calentamiento por resistencias eléctricas en el procesamiento de polímeros.
En
la Universidad Politécnica Salesiana de la ciudad de Quito, en Ecuador, se
desarrolló un proyecto de titulación denominado “Automatización de un sistema
extrusor de PVC para fabricación de vinil sellador (empaquetadura) entre el
metal y su acristalamiento” (Zumba, 2017).
El
presente proyecto se enfocó en la automatización de la máquina extrusora de PVC
para la fabricación de vinil sellador utilizado en el área de la construcción
de ventanearía y estructura, así como también en el diseño del calentador para
la fundición de la materia prima.
Se
realizó la caracterización de la toda la máquina extrusora; para el diseño del
calentador se ha considerado que para realizar el vinil 26 – 12 se necesitan 4
resistencias calefactoras de tipo abrazadera con un diámetro de 75 mm, una
longitud de 100 mm, potencia de 900 W, tensión de 220 Vac con una conexión en
serie y una protección (breaker) de 16 A.
El
control de la temperatura se realizó por medio de un controlador lógico
programable mediante histéresis con un rango de temperatura de 125 °C a 145 °C
siendo 130 °C la temperatura ideal para la fundición del PVC.
MATERIAL Y
MÉTODOS
En la figura 1 se presenta la máquina extrusora de plástico que
funciona en su totalidad con energía eléctrica, este método para la fundición
del plástico se lo denominada “método de fundición N. 1”, sus características
se muestran en la tabla 1.
Figura 1. Máquina
extrusora N.1
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Cantidad
y tipo de resistencia
|
10
resistencias de tipo abrazadera
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|
Número
de zonas distribuidas
|
4
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|
Potencia
en cada resistencia
|
600
W
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|
Tensión
de alimentación
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220
Vac
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Tipo
de control
|
On/Off
|
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Sensor
de temperatura a utilizarse
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PT100
|
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Controlador
lógico
|
Logo
8 y módulo AM2 RTD
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Tabla 1. Características de la máquina extrusora N. 1
El segundo método de fundición del plástico en máquinas extrusoras
es por medio del uso del gas licuado de petróleo, en la figura 2 se observa la
máquina extrusora N. 2 que utiliza un sistema de control y una fuente de
energía calorífica diferente para la fundición del plástico. Sus características
se muestran en la tabla 2.
Figura 2. Máquina extrusora N.2
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Cantidad
y tipo de quemador
|
4
quemadores de tipo industrial
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|
Número
de zonas distribuidas
|
4
|
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Potencia
en cada quemador
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1500 W
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Capacidad
del sistema
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Centralina
con capacidad para 3 tanques industriales
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Tipo
de control
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On/Off
(Electroválvula)
|
|
Sensor
de temperatura a utilizarse
|
Termocupla
tipo J
|
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Controlador
lógico
|
Logo
8, módulo AM2 y amplificador de señal
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Tabla 2. Características
de la máquina extrusora N. 2
En la zona de fundición del plástico de la máquina extrusora se
tiene que considerar una cantidad de calor mínima para cumplir con el proceso
de extrusión, para lo cual se emplea la ecuación 1, tomando en cuenta que la
máquina extrusora tiene una capacidad de 50 kg/h y el calor específico del
polietileno es de 1,9 kJ/kg.K.
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(1)
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Donde:
m: masa de la carga [kg]
Cp: Calor específico [J/kg °K]
Tf: Temperatura final (°K)
To: Temperatura inicial (°K)
t: Tiempo [s]
Para obtener el valor del consumo de la energía eléctrica en la zona
de calefacción para la fundición del polietileno, se utiliza la ecuación 2 que
tiene los siguientes parámetros; intensidad de corriente, voltaje y tiempo de
funcionamiento (Khripko, 2016).
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|
(2)
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Para desarrollar el cálculo de la transferencia de calor en las
resistencias eléctricas se debe conocer que se lo realiza por medio de la
conducción, por lo tanto, se utiliza la ecuación 3, con los siguientes
parámetros; temperatura máxima, temperatura mínima, espesor de la pared,
conductividad térmica y radio del cilindro (Jimenez, 2015).
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(3)
|
El rendimiento para los dos métodos de fundición se determina por
medio de la ecuación 4 (General_Electric, 2019), con los
siguientes parámetros; potencia absorbida y potencia suministrada.
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(4)
|
Para determinar el tiempo que se demora la zona de calefacción en
mantener la temperatura de 200 °C utilizando los dos métodos de fundición es
necesario determinar muestras mediante un cronómetro y los datos obtenidos
promediarlos.
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(5)
|
El valor económico de la energía eléctrica se determina con la
ecuación 6, conociendo que el costo por kWh en Ecuador según el ARCONEL para
Cotopaxi es de $ 0,065.
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(6)
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Para determinar la cantidad de calor que se pierde utilizando GLP
a través de la convección, se calcula el número de Reynolds (ecuación 7), el
número de Nusselt (ecuación 8), el coeficiente de transferencia de calor por
convección (ecuación 9) y finalmente sus pérdidas (ecuación 10).
El costo del consumo de GLP que se utiliza para el sistema de
fundición del plástico se determina por la ecuación 11, considerando que cada
quemador industrial tiene un consumo de 0,35 kg/h y el tanque de gas licuado de
petróleo es de 15 kg ($12,25).
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(11)
|
Conociendo que la máquina extrusora tiene una capacidad de 50 kg/h
y el rollo de manguera de polietileno para construcción de 1 pulgada tiene 20
kg, se determina por la ecuación 12 la producción en kg/mes.
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(12)
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El
método de fundición N. 1 realiza una transferencia de 5495,97 W al cilindro
extrusor con 504 W de pérdidas, mientras que el método de fundición N. 2
transfiere 5311,03 W en forma de calor y 688,97 W son pérdidas, como se expone
en los gráficos 1 y 2.
Gráfico
1. Análisis
de la transferencia de calor
Gráfico
2.
Análisis de las pérdidas de calor
El
rendimiento del método de fundición N. 1 es del 91,59 %, mientras que el
rendimiento del método de fundición N. 2 es del 88,51 %, esto menciona que
utilizando el método N. 1 obtengo un mejor rendimiento, los datos analizados se
pueden visualizar en el gráfico 3.
Figura
3. Análisis
del rendimiento
El
tiempo que se demora en alcanzar y mantener una temperatura constante
utilizando el método de fundición N. 1 es de 30 minutos con 34 segundos,
mientras que utilizando el método de fundición N. 2 se demora un tiempo de 20
minutos y 35 segundos, lo que indica que existe una diferencia de 10 minutos
aproximadamente, lo cual puede ser considerado como una pérdida de producción,
los datos analizados se pueden visualizar en la gráfica 4.
Gráfico
4.
Análisis de los tiempos de calentamiento
Utilizando
el método de fundición N. 1 el costo del consumo energético mensual es $ 68,64,
considerando un trabajo de lunes a viernes de 8 horas laborables, mientras que
utilizando el método de fundición N. 2 tiene un valor mensual de $ 153,8. En la
gráfica 5 se expone los valores económicos, existe una gran diferencia de $
85,16 mensuales, lo que sugiere que el método N. 1 es favorable en cuestiones
de costos.
Gráfico
5. Análisis
del costo del consumo energético
Utilizando
el método de fundición N. 1 la máquina extrusora produce 8030 kg/mes de
material plástico terminado con 220 kg/mes de desperdicio, mientras que el
método N. 2 produce 8327 kg/mes con 110 kg/mes de desperdicio, obteniendo una
diferencia de 297 kg mensuales.
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Cantidad de producción de manguera de 1 pulgada
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Método de fundición N. 1
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8030 kg mensual
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401 rollos de manguera mensual
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220 kg/mensual de desperdicio
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Método de fundición N 2
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8327 kg mensual
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416 rollos de manguera mensual
|
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110 kg/mensual de desperdicio
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Tabla
3. Cantidad
de producción de manguera
CONCLUSIONES
El
método de fundición N. 1 exhibe la ventaja en transferencia de calor con 184,94
W de diferencia, presenta menores pérdidas de calor, un mejor rendimiento del
91,59 % y menor costo mensual de $85,16 de diferencia, mientras que el método
de fundición N. 2 presenta ventajas en alcanzar y mantener una temperatura de
200 °C en menor tiempo (10 min. de diferencia), tiene menor cantidad de
desperdicio de material con 110 kg/mes de diferencia y tiene una mayor cantidad
de producción con 15 rollos de manguera/mes de diferencia, obteniendo mayor
cantidad de rentabilidad.
Se
propone una implementación de material refractario en el método de fundición N.
2 para reducir estas pérdidas de calor y una posible investigación utilizando
el método de inducción como una posible fuente calorífica para determinar una
comparación con el uso del gas licuado de petróleo.
REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
Amaya, D. (12 de 05 de 2014). Conversión equipo
extrusión en la zona de calefacción de energía eléctrica a gas natural.
Obtenido de http://repository.unipiloto.edu.co/handle/20.500.12277/4219
Céspedes, J. L. (12 de 12 de 2017). Diseño de un sistema
de calentamiento usando gas natural en una máquina extrusora que procesa 550
kg/h de tubería plástica ubicada en la línea 5 de la planta Nº 1 de la empresa
Eurotubo S.A.C para reducir costos de producción. Obtenido de
http://repositorio.ucv.edu.pe/handle/20.500.12692/23059
Cruz, g. (2014). Una Revisión de Sistemas de Calentamiento
y Control de Temperatura para Extrusión de Polímeros. Cintex, 127.
General_Electric. (5 de 2 de 2019). El futuro energético
del sistema eléctrico en América Latina. Obtenido de https://gereportslatinoamerica.com/el-futuro-energ%C3%A9tico-del-sistema-el%C3%A9ctrico-en-am%C3%A9rica-latina-a54105757c7
Jimenez, A. (2015). Mejoramiento de la eficiencia
energética en los procesos de extrusión de tuberías plásticas. Revista
Cientìfica Ingeniería Energética.
Khripko, D. (2016). Energy demand and efficiency measures in polymer
processing: comparison between temperate and Mediterranean operating plants. Springer, 225–233.
Senplades. (2017). Código de Ética del Gobierno Nacional.
Obtenido de [1] S. T. P. Ecuador, «Plan Nacional de Desarrollo 2017 – 2021 Toda
una Vida,» 2017. [En línea]. Available:
https://www.planificacion.gob.ec/plan-nacional-de-desarrollo-2017-2021-toda-una-vida/.
Zumba, F. I. (10 de 3 de 2017). Automatización de un
sistema extrusor de PVC para fabricación de vinil sellador (empaquetadura)
entre el metal y su acristalamiento. Obtenido de
https://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/14062