UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA INGENIERÍA MECÁNICA
Proyecto de Investigación previo a la obtención del título de Ingeniero Mecánico
Título del Proyecto de Investigación:
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA DESPULPADORA DE GUANÁBANA DE 300 𝑲𝑮/𝑯 DE CAPACIDAD PARA LA EMPRESA ECUAGUANÁBANA EN LA
CIUDAD DE QUINSALOMA”
Autores:
Estrada Tapia Jhonson Rommel Ramirez Guerrero Jayron Ismael Director de Proyecto de Investigación:
Ing. Rodger Benjamín Salazar Loor Quevedo – Los Ríos – Ecuador
ii
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS
Nosotros, Jhonson Rommel Estrada Tapia y Jayron Ismael Ramirez Guerrero, declaramos que la presente investigación aquí descrita es de nuestra total autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Técnica Estatal de Quevedo, puede hacer uso de los derechos correspondientes a este documento, según lo establecido por la ley de propiedad intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
f. f.
Jhonson Rommel Estrada Tapia Jayron Ismael Ramirez Guerrero
iii
CERTIFICACIÓN DE CULMINACIÓN DEL PROYECTO
DE INVESTIGACIÓN
El suscrito, Ing. Rodger Benjamín Salazar Loor, MSc., Docente de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo, certifica que los señores estudiantes Jhonson Rommel Estrada Tapia y Jayron Ismael Ramirez Guerrero, realizaron el proyecto de investigación “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA DESPULPADORA DE GUANÁBANA DE 300 KG/H DE CAPACIDAD PARA LA EMPRESA ECUAGUANÁBANA EN LA CIUDAD DE QUINSALOMA”, previo a la obtención del título de Ingeniero Mecánico, bajo mi dirección, habiendo cumplido con las disposiciones reglamentarias establecidas para el efecto.
f.
Ing. Rodger Benjamín Salazar Loor, MSc.
iv
CERTIFICADO DEL REPORTE DE LA HERRAMIENTA DE
PREVENCIÓN DE COINCIDENCIA Y/O PLAGIO
ACADÉMICO
Por medio del presente me permito certificar, que los Sres. ESTRADA TAPIA JHONSON ROMMEL Y RAMIREZ GUERRERO JAYRON ISMAEL, estudiantes egresados de la Carrera de Ingeniería Mecánica en la modalidad presencial, una vez que finalizaron el proyecto de investigación titulado “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA DESPULPADORA DE GUANÁBANA DE 300 KG/H DE CAPACIDAD PARA LA EMPRESA ECUAGUANÁBANA EN LA CIUDAD DE QUINSALOMA”, tengo a bien informar que la revisión respectiva se realizó por medio del sistema Urkund, con un porcentaje favorable del 9%.
Se adjunta imagen del sistema Urkund.
f.
Ing. Rodger Benjamín Salazar Loor, MSc.
v UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA INGENIERÍA MECÁNICA
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
TÍTULO:
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA DESPULPADORA DE GUANÁBANA DE 300 KG/H DE CAPACIDAD PARA LA EMPRESA ECUAGUANÁBANA EN LA
CIUDAD DE QUINSALOMA”
Presentado al Consejo Directivo como requisito previo a la obtención del título de Ingeniero Mecánico.
Aprobado por:
QUEVEDO – LOS RIOS – ECUADOR 2021
PRESIDENTE DEL TRIBUNAL Ing. Jorge Acosta Manosalvas, MSc.
MIEMBRO DEL TRIBUNAL MIEMBRO DEL TRIBUNAL
vi
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por su grandeza, por brindarme la vida, la sabiduría para enfrentar los obstáculos que se han presentado en el transcurso de mi preparación y darme la
oportunidad de culminar mis estudios.
A mis padres Arnulfo Estrada e Isabel Tapia, a mis hermanos Crhistian y Gandhi por su respaldo y por ser el pilar fundamental en mi vida.
Al ingeniero Rodger Salazar por su asesoramiento, siendo un excelente tutor y guía para la culminación del proyecto de investigación.
A la Universidad Técnica Estatal de Quevedo por brindarme la oportunidad de realizar mis estudios en esta prestigiosa institución y a todos sus docentes de la carrera de Ingeniería
Mecánica que impartieron sus conocimientos y sabiduría para lograr mi formación profesional.
vii
AGRADECIMIENTO
Expreso mi más sincero agradecimiento con mucho amor y cariño:
A Dios nuestro creador por darme el aliento de vida, la fortaleza y la sabiduría para trazar el camino de formación para mi futuro.
A mis padres por su esfuerzo, por la oportunidad de vida que me dieron y brindarme la mejor herencia que es la profesión, sus enseñanzas y valores inculcados para hacerme una
persona humilde, sencilla y responsable. Son el motor principal que me impulsan a aprender y mejorar cada día.
Mi hermana por su apoyo moral, su carisma que nos ha llenado de alegría todos los días desde su nacimiento y por estar siempre pendiente de mí.
Mis padrinos por su aportación incondicional, sus consejos y el cariño brindado que me acogieron como un hijo más, por creer en mí y en mis sueños.
Nuestra alma mater Universidad Técnica Estatal de Quevedo por abrirnos las puertas y a los docentes por impartirnos el conocimiento y su sabiduría para formar profesionales
competitivos y de excelencia.
Al Ing. Rodger Salazar por guiarnos y asesorarnos en el desarrollo del presente trabajo investigativo en calidad de nuestro tutor, contribuyendo enormemente a culminar con
éxito.
A mis amigos y compañeros que han sido parte del día a día durante los años de formación.
viii
DEDICATORIA
Dedico este proyecto de investigación a Dios, a mis padres Arnulfo e Isabel por su cariño y apoyo incondicional, a mis hermanos, familiares y amigos por depositar toda su confianza en mí para lograr titularme con éxito como un profesional de la Republica.
ix
DEDICATORIA
Este trabajo es dedicado para Dios por su infinita sabiduría, a mi madre por su gran amor y decisión de darme lo que ella no alcanzó una oportunidad de preparación, a mi padre por su trabajo y esfuerzo para sacarnos adelante, a mi hermana para que siga mi ejemplo, mis abuelitos que me vieron crecer, pero lamentablemente una parte no podrán verme realizado con éxito porque ya no están conmigo, a mi familia que me apoyaron en este camino y amigos que han creído en mí.
x
RESUMEN
El presente trabajo de investigación tiene por objeto diseñar y construir una despulpadora de Guanábana para la empresa ECUAGUANÁBANA ubicada en la ciudad de Quinsaloma, iniciando con la caracterización de la guanábana y mediante el uso del método de criterios ponderados se seleccionó un mejor sistema de despulpado mediante el uso de paletas teniendo en consideración el campo de aplicación en la industria alimenticia que recomienda el uso de acero inoxidable. Se determinan los parámetros de cálculo necesario para el diseño y la selección de elementos que serán usados para el despulpado, cuyo procedimiento se inicia con la selección de la fruta, limpieza y retiro de la cáscara de la guanábana, ingresando por la tolva y cae directamente a las cuchillas de corte colocada en el eje principal, además hacen pasar al sistema de despulpado constituido por 3 rascadores de nylon forzando a la pulpa a pasar por el tamiz que cae por gravedad a la bandeja de salida y las semillas que son expulsadas por el ducto de salida. Para el correcto modelado de las distintas piezas, ensamblaje de los componentes y obtención de planos para la construcción del equipo se usó el software CAD SolidWorks, obteniendo resultados favorables que han permitido el alcance total de los objetivos planteados en este proyecto, con resultados de un promedio de 314 kg/h y 25,75 % en desperdicios logrando la capacidad de producción establecida.
xi
ABSTRACT
The purpose of this research work is to design and build a soursop pulping machine for the company ECUAGUANÁBANA located in the city of Quinsaloma, starting with the characterization of the soursop and by using the weighted criteria method, a better pulping system was selected by using paddles, taking into consideration the field of application in the food industry, which recommends the use of stainless steel. The necessary calculation parameters are determined for the design and selection of elements to be used for pulping, whose procedure begins with the selection of the fruit, cleaning and removal of the peel of the soursop, entering through the hopper and falls directly to the cutting blades placed on the main shaft, also make passing the pulping system consisting of 3 nylon scrapers forcing the pulp to pass through the sieve that falls by gravity to the output tray and the seeds that are expelled by the output duct. For the correct modeling of the different parts, assembly of the components and obtaining the drawings for the construction of the equipment, SolidWorks CAD software was used, obtaining favorable results that have allowed the total achievement of the objectives set out in this project, with results of an average of 314 kg/h and 25.75 % in waste, achieving the established production capacity.
xii
TABLA DE CONTENIDO
DECLARACIÓN DE AUDITORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS ... ii
CERTIFICACIÓN DE CULMINACIÓN DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN ... iii
CERTIFICADO DEL REPORTE DE LA HERRAMIENTA DE PREVENCIÓN DE COINCIDENCIA Y/O PLAGIO ACADÉMICO ... iv
AGRADECIMIENTO ... vi
DEDICATORIA ... viii
RESUMEN ... x
ABSTRACT ... xi
TABLA DE CONTENIDO ... xii
ÍNDICE DE TABLAS ... xvii
ÍNDICE DE FIGURA ... xix
ÍNDICE DE ECUACIONES ... xxii
ÍNDICE DE ANEXOS ... xxvi
CÓDIGO DUBLÍN ... xxviii
LISTA DE ABREVIATURAS ... xxx
GLOSARIO DE TÉRMINOS ... xxxi
1. INTRODUCCIÓN ... 1
xiii
CONTEXTUALIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ... 3
1.1. Problema de investigación. ... 4
1.1.1. Planteamiento del problema. ... 4
1.1.2. Formulación del problema. ... 5
1.1.3. Sistematización del problema. ... 5
1.2. Objetivos. ... 5
1.2.1. Objetivo General... 5
1.2.2. Objetivos Específicos. ... 5
1.3. Justificación. ... 6
CAPÍTULO II ... 7
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA DE LA INVESTIGACIÓN ... 7
2.1. Marco conceptual. ... 8 2.1.1. Guanábana. ... 8 2.1.2. Despulpado. ... 8 2.1.3. Pulpa. ... 10 2.1.4. Máquinas despulpadoras. ... 10 2.1.5. Acero inoxidable... 12
2.1.6. Soldadura usada en aceros inoxidables. ... 13
2.2. Marco referencial. ... 13
xiv
2.2.2. Pulpa de guanábana “ECUAGUANÁBANA”. ... 16
2.2.3. Diseño de máquinas. ... 17
2.2.4. Acero resistente a la corrosión... 18
2.2.5. Acero inoxidable AISI 304. ... 20
2.2.6. Soldadura para los aceros inoxidables. ... 21
CAPÍTULO III ... 25 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ... 25 3.1. Localización... 26 3.1.1. Ubicación geográfica. ... 26 3.2. Tipos de investigación. ... 27 3.2.1. Investigación bibliográfica. ... 27 3.2.2. Investigación aplicada. ... 27 3.2.3. Investigación de campo. ... 27 3.3. Métodos de investigación. ... 27 3.3.1. Método Inductivo. ... 27 3.3.2. Método Analítico. ... 28
3.3.3. Método de factores ponderados. ... 28
3.3.4. Método Deductivo. ... 28
3.3.5. Método Experimental. ... 28
xv 3.4.1. Fuentes primarias. ... 28 3.4.2. Fuentes secundarias. ... 28 3.5. Diseño de la investigación. ... 29 3.5.1. Diseño experimental. ... 29 3.6. Instrumento de investigación. ... 29
3.7. Tratamiento de los datos. ... 29
3.8. Recursos Humanos y Materiales. ... 29
3.8.1. Recursos Humanos. ... 29
3.8.2. Recursos Materiales. ... 30
CAPÍTULO IV ... 32
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 32
4.1. Caracterización de la guanábana. ... 33
4.2. Selección de alternativas de diseño. ... 38
4.3. Cálculos de diseño. ... 45
4.4. Análisis de pruebas realizadas. ... 111
4.6. Costos de construcción de la despulpadora. ... 112
4.7. Rentabilidad de la despulpadora para la empresa. ... 114
CAPÍTULO V ... 116
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 116
xvi 5.2 Recomendaciones. ... 118 CAPÍTULO VI ... 119 BIBLIOGRAFÍA ... 119 6.1. Bibliografía. ... 120 CAPÍTULO VII ... 123 ANEXOS ... 123 7.1. Anexos de diseño. ... 124 7.2. Anexos de construcción. ... 135
7.3. Anexos realización de pruebas de la despulpadora... 139
7.4. Manual de operaciones. ... 142
xvii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Características de la Guanábana. ... 15
Tabla 2. Condiciones agroecológicas de la guanábana para el Ecuador. ... 16
Tabla 3. Ficha técnica de la obtención de la pulpa de Guanábana. ... 17
Tabla 4. Conocimientos en diseño de máquinas. ... 18
Tabla 5. Propiedades del acero inoxidable AISI 304. ... 21
Tabla 6. Métodos de corte en aceros inoxidables. ... 23
Tabla 7. Materiales de aporte sugeridos para la soldadura del acero inoxidable. ... 24
Tabla 8. Características principales de la Guanábana. ... 34
Tabla 9. Propiedades químicas de la Guanábana. ... 35
Tabla 10. Propiedades mecánicas de la Guanábana. ... 36
Tabla 11. Características de la semilla de la Guanábana. ... 37
Tabla 12.Evaluación de criterios. ... 41
Tabla 13. Evaluación del criterio (costo). ... 41
Tabla 14. Evaluación del criterio (mantenimiento). ... 42
Tabla 15. Evaluación del criterio (eficiencia)... 42
Tabla 16. Evaluación del criterio (confiabilidad). ... 42
Tabla 17. Evaluación del criterio (manufactura). ... 43
xviii
Tabla 19. Resumen de los criterios evaluados. ... 44
Tabla 20. Características del motor. ... 59
Tabla 21. Diámetro primitivo mínimo de las poleas trapeciales. ... 78
Tabla 22. Polea tipo A. ... 79
Tabla 23. Factor i según el tipo de polea. ... 80
Tabla 24. Longitud primitiva nominal. ... 81
Tabla 25. Factor de corrección en función de longitud de la correa... 81
Tabla 26. Factor de corrección del arco de contacto. ... 82
Tabla 27. Prestación base en (HP). ... 83
Tabla 28. Prestación adicional por relación de transmisión en (HP). ... 84
Tabla 29. Coeficientes de corrección de la potencia. ... 85
Tabla 30. Pruebas del proceso de despulpado. ... 111
Tabla 31. Obtención de la capacidad de producción de la despulpadora. ... 112
Tabla 32. Costos de construcción de la despulpadora de guanábana. ... 113
xix
ÍNDICE DE FIGURA
Figura 1. Guanábana. ... 8
Figura 2. Pulpa de la guanábana. ... 10
Figura 3. Despulpadora de fruta. ... 11
Figura 4. Despulpadora vertical. ... 11
Figura 5. Despulpadora horizontal. ... 12
Figura 6. Fruto de la Guanábana. ... 14
Figura 7. Estructura cristalina de la austenita. ... 19
Figura 8. Estructura cristalina de la ferrita. ... 20
Figura 9. Ubicación de la empresa. ... 26
Figura 10. Medidas tomadas de la fruta. ... 33
Figura 11. Medidas de la pepa. ... 36
Figura 12. Alternativa A del diseño del sistema de despulpado... 39
Figura 13. Alternativa B del diseño del sistema de despulpado. ... 39
Figura 14. Alternativa C del diseño del sistema de despulpado. ... 40
Figura 15. Dimensiones de la tolva. ... 46
Figura 16. Mecanismo de corte. ... 48
Figura 17. Arreglo de cuchillas. ... 48
xx
Figura 19. Diagrama de fuerza cortante de la cuchilla. ... 49
Figura 20. Diagrama de momento flector de la cuchilla. ... 50
Figura 21. Medidas de la cuchilla... 53
Figura 22. Sistema de despulpado. ... 55
Figura 23. Área de contacto de la guanábana. ... 55
Figura 24. Área de contacto... 56
Figura 25. Sistema del rascador... 60
Figura 26. Diagrama de cuerpo libre del sujetador del rascador. ... 61
Figura 27. Diagrama de las reacciones resultantes del sujetador del rascador. ... 62
Figura 28. Diagrama de fuerza cortante del sujetador del rascador. ... 63
Figura 29. Diagrama de momento flector del sujetador del rascador... 63
Figura 30. Medidas del sujetador del rascador. ... 64
Figura 31. Representación del sujetador del rascador. ... 67
Figura 32. Soporte del rascador. ... 70
Figura 33. Diagrama de cuerpo libre del soporte del rascador. ... 70
Figura 34. Diagrama de fuerza cortante del soporte del rascador. ... 71
Figura 35. Diagrama de momento flector del soporte del rascador. ... 71
Figura 36. Representación del soporte del rascador. ... 75
Figura 37. Selección de bandas. ... 77
xxi
Figura 39. Representación del ángulo de polea. ... 87
Figura 40. Representación de las tensiones de la banda. ... 88
Figura 41. Disposición de las fuerzas que actúan en las cuchillas. ... 90
Figura 42. Representación de las fuerzas en el plano x-y que intervienen en el eje. ... 91
Figura 43. Representación de las fuerzas en el plano x-z que intervienen en el eje. ... 92
Figura 44. Reacciones resultantes de las fuerzas en y. ... 93
Figura 45. Resultantes de la fuerza cortante en y. ... 93
Figura 46. Resultantes del momento flector máximo en y. ... 94
Figura 47. Reacciones resultantes del plano en z. ... 95
Figura 48. Resultantes de la fuerza cortante en z. ... 95
Figura 49. Resultantes del momento flector máximo en z. ... 95
Figura 50. Medidas finales del eje. ... 102
Figura 51. Tamiz. ... 106
Figura 52. Contenedor. ... 106
Figura 53. Contenedor de cuchillas. ... 107
Figura 54. Tapa de salida de los desperdicios. ... 107
Figura 55. Vista general de la base. ... 108
Figura 56. Parámetros aplicados para el análisis estático de la base. ... 110
xxii
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1. Volumen ... 45 Ecuación 2. Volumen Total ... 45 Ecuación 3. Volumen de la tolva. ... 46 Ecuación 4. Volumen de paralelepípedo. ... 46 Ecuación 5. Volumen prisma triangular. ... 46 Ecuación 6. Fuerza radial. ... 47 Ecuación 7. Inercia para una placa rectangular. ... 50
Ecuación 8. Centroide. ... 51 Ecuación 9. Esfuerzo de flexión. ... 51 Ecuación 10. Límite de resistencia a la fatiga. ... 51 Ecuación 11. Ecuación de Marín ... 52 Ecuación 12. Factor de acabado superficial. ... 52 Ecuación 13. Factor de modificación de la carga. ... 52 Ecuación 14. Factor de corrección de temperatura ... 53 Ecuación 15. Factor de seguridad. ... 53 Ecuación 16. Área de contacto. ... 56 Ecuación 17. Volumen ocupado por la guanábana. ... 56 Ecuación 18. Fuerza tangencial. ... 57
xxiii Ecuación 19. Aceleración angular. ... 57 Ecuación 20. Potencia de trabajo. ... 58 Ecuación 21. Potencia para corte. ... 58 Ecuación 22. Potencia en el agitador. ... 58 Ecuación 23. Potencia del motor ... 59 Ecuación 24. Potencia del sistema. ... 60 Ecuación 25. Momento torsor. ... 60 Ecuación 26. Carga distribuida. ... 61 Ecuación 27. Factor de confiabilidad. ... 66 Ecuación 28. Factor concentración de esfuerzos. ... 66 Ecuación 29. Relación de transmisión. ... 78
Ecuación 30. Relación de velocidades... 78 Ecuación 31. Relación de diámetros. ... 79 Ecuación 32. Distancia Máxima ... 80 Ecuación 33. Distancia Mínima ... 80 Ecuación 34. Longitud de correa. ... 80 Ecuación 35. Arco de contacto de la correa. ... 82 Ecuación 36. Velocidad de correa. ... 83 Ecuación 37. Prestación base. ... 83 Ecuación 38. Potencia efectiva. ... 84
xxiv Ecuación 39. Potencia corregida... 85 Ecuación 40. Cantidad de Correa. ... 87 Ecuación 41. Ángulo α. ... 88 Ecuación 42. Ángulo β ... 88 Ecuación 43. Tensiones ejercidas en las correas. ... 89 Ecuación 44. Fuerza tangencial. ... 91 Ecuación 45. Esfuerzo por flexión. ... 96 Ecuación 46. Esfuerzo por torsión. ... 97 Ecuación 47. Factor de diseño. ... 97 Ecuación 48. Esfuerzo equivalente. ... 97 Ecuación 49.Esfuerzo por flexión alternante. ... 98
Ecuación 50. Esfuerzo por flexión medio. ... 98 Ecuación 51. Esfuerzo cortante alternante... 98 Ecuación 52. Esfuerzo cortante medio. ... 98 Ecuación 53. Esfuerzo de Von Mises alternante. ... 99 Ecuación 54. Esfuerzo de Von Mises medio. ... 99 Ecuación 55. Factor de seguridad a fatiga. ... 102 Ecuación 56. Capacidad de carga dinámica básica requerida. ... 103 Ecuación 57. Capacidad de carga estática. ... 103 Ecuación 58. Carga viva. ... 109
xxv Ecuación 59. Carga muerta. ... 109 Ecuación 60. Rentabilidad. ... 114
xxvi
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexos 1. Factor de seguridad N. ... 124 Anexos 2. Factor de servicio para motores eléctricos. ... 125 Anexos 3. Ángulo de garganta de la polea. ... 125 Anexos 4. Coeficientes de rozamientos para correas trapezoidales. ... 125 Anexos 5. Factor de acabado superficial (ka). ... 126 Anexos 6. Factor de tamaño (kb). ... 126 Anexos 7. Factor de modificación de la carga (kc). ... 126
Anexos 8. Factor de modificación de la carga (kd). ... 127 Anexos 9. Factor de confiabilidad (ke). ... 127 Anexos 10. Factor teórico de concentración del esfuerzo (kt). ... 128 Anexos 11. Factor teórico de sensibilidad a la muesca (q). ... 128 Anexos 12. Factor de concentración de esfuerzo kt para eje redondo. ... 129 Anexos 13. Factores por duración y por velocidad, para rodamientos de bolas y de rodillos. ... 129 Anexos 14. Coeficientes de seguridad estática So. ... 130 Anexos 15. Catálogo para selección de chumacera de piso. ... 131 Anexos 16. Catálogo para selección de chumaceras de pared. ... 132 Anexos 17. Dimensiones en pulgadas de algunas aplicaciones de cuñas cuadradas y rectangulares estándar... 133
xxvii Anexos 18. Laminas perforadas. ... 133 Anexos 19. Catálogo de tubo estructural cuadrado. ... 134 Anexos 20. Determinación de las medidas mínimas de la semilla. ... 135 Anexos 21. Proceso de construcción del equipo. ... 136 Anexos 22. Despulpadora de guanábana. ... 138 Anexos 23. Proceso de prueba realizada. ... 139 Anexos 24. Limpieza de la máquina luego de la prueba. ... 141 Anexos 25. Presentación final de los autores. ... 141
xxviii
CÓDIGO DUBLÍN
Titulo:
Diseño y construcción de una despulpadora de guanábana de 300 kg/h de capacidad para la empresa ecuaguanábana en la ciudad de Quinsaloma.
Autor: Estrada Tapia Jhonson Rommel; Ramirez Guerrero Jayron Ismael Palabras clave: Despulpadora SolidWorks Diseño de máquinas Guanábana Fecha de
publicación:
Editorial: Quevedo: UTEQ. 2021
Resumen:
Resumen. - El presente trabajo de investigación tiene por objeto diseñar y construir una despulpadora de Guanábana para la empresa ECUAGUANÁBANA ubicada en la ciudad de Quinsaloma, iniciando con la caracterización de la guanábana y mediante el uso del método de criterios ponderados se seleccionó un mejor sistema de despulpado mediante el uso de paletas teniendo en consideración el campo de aplicación en la industria alimenticia que recomienda el uso de acero inoxidable. Se determinan los parámetros de cálculo necesario para el diseño y la selección de elementos que serán usados para el despulpado, cuyo procedimiento se inicia con la selección de la fruta, limpieza y retiro de la cáscara de la guanábana, ingresando por la tolva y cae directamente a las cuchillas de corte colocada en el eje principal, además hacen pasar al sistema de despulpado constituido por 3 rascadores de nylon forzando a la pulpa a pasar por el tamiz que cae por gravedad a la bandeja de salida y las semillas que son expulsadas por el ducto de salida. Para el correcto modelado de las distintas piezas, ensamblaje de los componentes y obtención de planos para la construcción del equipo se usó el software CAD SolidWorks, obteniendo resultados favorables que han permitido el alcance total de los objetivos planteados en este proyecto, con resultados de un promedio de 314 kg/h y 25,75 % en desperdicios logrando la capacidad de producción establecida.
xxix Abstract. - The purpose of this research work is to design and build a soursop pulping machine for the company ECUAGUANÁBANA located in the city of Quinsaloma, starting with the characterization of the soursop and by using the weighted criteria method, a better pulping system was selected by using paddles, taking into consideration the field of application in the food industry, which recommends the use of stainless steel. The necessary calculation parameters are determined for the design and selection of elements to be used for pulping, whose procedure begins with the selection of the fruit, cleaning and removal of the peel of the soursop, entering through the hopper and falls directly to the cutting blades placed on the main shaft, also make passing the pulping system consisting of 3 nylon scrapers forcing the pulp to pass through the sieve that falls by gravity to the output tray and the seeds that are expelled by the output duct. For the correct modeling of the different parts, assembly of the components and obtaining the drawings for the construction of the equipment, SolidWorks CAD software was used, obtaining favorable results that have allowed the total achievement of the objectives set out in this project, with results of an average of 314 kg/h and 25.75 % in waste, achieving the established production capacity.
Descripción: 183 hojas: Dimensiones 29 x 21 cm: CD-ROM URI:
xxx
LISTA DE ABREVIATURAS
AC: Corriente Alterna
AISI: Instituto Americano del Hierro y Acero AWS: Sociedad Americana de Soldadura
Brix: Es un parámetro para medir el dulzor que tiene determinado elemento. CAD: Diseño Asistido por Ordenador
DC: Corriente Directa
GMAW: Soldadura por Arco Metálico con Gas
GTAW: Soldadura de arco Eléctrico con Electrodo de Tungsteno y gas de Protección. HP: Caballos de potencia
Hz: Hertz
KSI: Kilo-libras por pulgada cuadrada kW: Kilovatio
m s. n. m.: Metros sobre el nivel del mar MIG: Gas Inerte Metálico
MPA: Megapascales
pH: Potencial de hidrógeno rpm: Revoluciones por minuto
xxxi
GLOSARIO DE TÉRMINOS
𝐀: Área de contacto
𝐀𝐜: Área del círculo del soporte 𝐀𝟏: Área del círculo de diámetro 10 𝐀𝟐: Área del círculo de diámetro 6 𝐀𝐓: Área total
𝐚: Longitud de arco, Factor de acabado superficial 𝐀𝐫𝐜: Ángulo de contacto ejercido sobre la polea
𝐚𝟏: Altura
𝐚𝐜: Distancia entre centros de las poleas 𝐁𝐞𝐧: Beneficios obtenidos
𝐛: Exponente de acabado superficial 𝐛𝐜: Longitud de la placa de la cuchilla
𝐛𝟏: Base
𝐛𝟐: Base de la vista lateral 𝐛𝟑: Base de la vista frontal
𝐂: Centroide, capacidad de carga dinámica 𝐂𝐜𝐨: Cantidad de correas
𝐂𝐦: Carga muerta 𝐂𝐦𝟏: Carga muerta uno 𝐂𝐦𝟐: Carga muerta dos
𝐂𝐨: Capacidad de carga estática 𝐂𝐯: Carga viva
𝐜: Longitud de cuerda, espesor del sujetador
𝐜𝟏: Ancho
𝐜𝟐: Ancho de la vista lateral 𝐜𝟑: Ancho de la vista frontal
xxxii 𝐝𝟏 Diámetro de la polea menor
𝐝𝟐: Diámetro de la polea mayor 𝐞: Espesor, número de Euler
𝐅: Fuerza
𝐅𝐍: Factor por velocidad
𝐅𝐜𝐥: Factor de corrección de longitud
𝐅𝐜𝐩: Coeficiente de corrección de la potencia 𝐅𝐜: Factor de corrección del arco de contacto 𝐅𝐫: Fuerza radial
𝐅𝐭: Fuerza tangencial
𝐅𝐲: Componente de fuerza vertical
f: Altura en la que se encontraría la masa de guanábana 𝐟𝐫: Coeficiente de fricción
𝐟𝐋: Factor por duración 𝐟𝐬 : Factor de seguridad 𝐆𝐨𝐛: Gastos de obreros 𝐆𝐯: Gastos varios
𝐠: Gravedad
𝐇: Potencia de trabajo suministrada 𝐡𝐜: Espesor de la placa de la cuchilla
𝐈: Distancia medida entre ejes de poleas, inercia 𝐢: Relación de transmisión
𝐤𝐚: Factor de modificación de la condición superficial 𝐤𝐛: Factor de modificación del tamaño
𝐤𝐜: Factor de modificación de la carga 𝐤𝐝: Factor de modificación de la temperatura 𝐤𝐞: Factor de confiabilidad
𝐤𝐟: Factor de concentración de esfuerzos a fatiga 𝐤𝐭: Factor de concentración de esfuerzos
xxxiii 𝐋: Longitud del rascador
𝐥: Longitud del sistema del rascador
𝐌: Momento de inercia
𝐌á𝐱: Distancia máxima entre ejes 𝐌í𝐧: Distancia mínima entre ejes 𝐌𝐦: Momento medio
𝐌𝐫𝐃: Momento resultante en el punto D 𝐌𝐫𝐄: Momento resultante en el punto E 𝐌𝐱𝐲: Momento máximo en la dirección y 𝐌𝐱𝐳: Momento máximo en la dirección z
𝐦: Masa del contenedor, masa del sujetador del rascador, masa del soporte del rascador
𝐦𝐜: Masa de las cuchillas
𝐦𝐟𝐜: Masa de la fruta en el contenedor cilíndrico 𝐦𝐟𝐭: Masa de la fruta en la tolva
𝐦𝐠: Masa de la guanábana
𝐍: Número de revoluciones por minuto 𝐧: Factor de seguridad, velocidad de diseño 𝐧𝐟: Factor de seguridad a fatiga
𝐧𝟏: Velocidad angular de la polea motriz 𝐧𝟐: Velocidad angular de la polea conducida 𝐏: Potencia del sistema
𝐏𝐚 : Potencia del agitador
𝐏𝐚𝐭 : Prestación adicional por relación de transmisión 𝐏𝐛: Factor de prestación base
𝐏𝐛𝐤: Prestación o potencia base de la correa 𝐏𝐜: Potencia de corte, Potencia corregida 𝐏𝐝: Carga de diseño
xxxiv 𝐏𝐦: Potencia de motor
𝐏𝐭 : Potencia de trabajo Q: Carga distribuida
q: Sensibilidad a las ranuras 𝐑: Reacciones de fuerza 𝐑𝐚: Radio del agitador 𝐑𝐭𝐚: Rentabilidad
𝐑𝐁𝐲: Reacción en el punto B en la dirección y 𝐑𝐁𝐳: Reacción en el punto B en la dirección z 𝐑𝐜: Radio de giro de la cuchilla
𝐑𝐃𝐲: Reacción en el punto D en la dirección y 𝐑𝐃𝐳: Reacción en el punto D en la dirección z 𝐑𝐅𝐲: Reacción en el punto F en la dirección y 𝐑𝐅𝐳: Reacción en el punto F en la dirección z
r: Radio
𝐒𝐞: Límite de resistencia a la fatiga 𝐒𝐞′: Límite de resistencia
𝐒𝐨: Coeficiente de seguridad estática
𝐒𝐑𝐓: Resistencia a la tensión a temperatura ambiente 𝐒𝐓: Resistencia a la tensión a la temperatura de operación 𝐒𝐮𝐭: Resistencia a la tensión mínima
𝐒𝐲: Límite de fluencia
𝐓: Momento torsor, fuerza de tensión 𝐓𝐚: Esfuerzo de torsión alternante 𝐓𝐲: Tensión en y
𝐓𝐳: Tensión en z 𝐓𝟏: Tensión de correa 1 𝐓𝟐: Tensión de correa 2
xxxv
V: Volumen
𝐕𝐚: Volumen de los agujeros
𝐕𝐚𝐬: Volumen del agujero del soporte 𝐕𝐜: Volumen de la cuchilla
𝐕𝐬: volumen del soporte del rascador 𝐕𝐬𝐫: Volumen del sujetador del rascador 𝐕𝐓𝐬𝐫: Volumen total del sujetador del rascador
𝐕𝐅𝐬𝐫: Volumen final de los dos sujetadores del rascador
𝐕𝐓: Volumen total de la guanábana, volumen total del soporte 𝐕𝐓𝐜: Volumen total de las cuchillas
𝐕𝐓𝐬: Volumen total de los 3 soportes 𝐕𝐠: Volumen de guanábana
𝐕𝐭: Volumen de la tolva
𝐕𝟏: Volumen de paralelepípedo 𝐕𝟐: Volumen del prisma rectangular 𝐕𝟑: Volumen del prisma triangular frontal 𝐯𝐭: Velocidad tangencial de la correa 𝐰𝐫: Fuerza radial
𝐰𝐫𝐜: Fuerza radial en la cuchilla 𝐰𝐫𝐬: Fuerza radial en el soporte 𝐰𝐫𝐬𝟏: Fuerza radial en el soporte uno 𝐰𝐫𝐬𝟐: Fuerza radial en el soporte dos 𝐰𝐭: Fuerza tangencial en el eje 𝐰𝐭𝐜: Fuerza tangencial en la cuchilla 𝐰𝐭𝐬: Fuerza tangencial en el soporte 𝐰𝐭𝐬𝟏: Fuerza tangencial en el soporte uno 𝐰𝐭𝐬𝟐: Fuerza tangencial en el soporte dos 𝐰𝐱: Fuerza tangencial del sistema de corte 𝛂𝟏: Ángulo de contacto de la polea menor
xxxvi 𝛂𝟐: Ángulo de contacto de la polea mayor
𝛂: Aceleración angular
𝛃: Ángulo
𝛒𝐠: Densidad de la guanábana 𝛔: Esfuerzo por flexión
𝛔𝐚: Esfuerzo de Von Mises alternante 𝛔𝐦: Esfuerzo de Von Mises medio 𝛔𝐱𝐚: Esfuerzo por flexión alternante 𝛔𝐱: Esfuerzo por flexión en el eje 𝛔𝐞𝐪: Esfuerzo equivalente
𝛔𝐞𝐪𝐚: Esfuerzo equivalente alternante 𝛔𝐞𝐪𝐦: Esfuerzo equivalente medio 𝛔𝐱𝐦: Esfuerzo por flexión medio
𝐲: Ángulo de garganta
𝛕: Esfuerzo por torsión
𝛕𝐱𝐲𝐚: Esfuerzo cortante alternante 𝛕𝐱𝐲𝐦: Esfuerzo cortante medio 𝛕𝐱𝐲: Esfuerzo por torsión en el eje
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1. INTRODUCCIÓN
Las frutas tropicales se identifican por ser de origen absolutamente natural y sus singulares sabores concentrados. Por esto en su gran mayoría son consideradas exóticas, consiguiendo generar una alta demanda en los mercados, simbolizando una excelente oportunidad comercial, en la cual aparecen para su consumo en distintas presentaciones como fruta fresca, pulpa de fruta, jugos y demás derivados.
La producción y exportación de jugos y pulpas de frutas es una alternativa de desarrollo económico para el país, aportando beneficios para las empresas. La oferta en diferentes presentaciones de productos obtenidos con frutas permite diversificación a las exportaciones, generando incremento de empresas dedicadas a estos procesamientos de las frutas.
El desarrollo de las nuevas tecnologías permite mejorar la calidad de vida en todos los ámbitos, dando prioridad a la zona agrícola que constituye una de la mayor actividad en el país, que actualmente existe un mundo globalizado que está basado en la competitividad laboral, forzando a las empresas a desarrollar y optimizar procesos para poder alcanzar los estándares de calidad.
La elaboración de un producto de calidad depende del proceso de obtención aplicado sea técnico o manual no solo presenta beneficios para los consumidores, sino también para el área industrial con la reducción de sus costos. Al procesar un producto se está asegurando y prolongando la integridad de la fruta.
El despulpado de frutas consiste en la separación de la pulpa que es la parte de consumo alimenticio de los residuos como las semillas, cáscaras, entre otros. El equipo industrial encargado de este proceso son las despulpadoras de frutas construidas en su totalidad en material de acero inoxidable en cual se trata de ingresar la fruta por una zona de alimentación luego son transportadas hacia el interior y mediante la fuerza ejercida por las paletas del sistema llevan la masa contra el tamiz donde se obtiene la pulpa.
Para el diseño se determinó las partes que constituyen las máquinas despulpadoras de guanábana, las fuerzas que en estas intervienen y el sistema para el despulpado, la
2 selección de los elementos normalizados que la componen, además se tomó en cuenta las propiedades del material que se construyó. Mediante el uso del software CAD SolidWorks se estableció las dimensiones, el proceso de ensamblaje y se obtuvieron los planos de los elementos que componen el equipo.
Con las pruebas realizadas se pudo determinar que la despulpadora alcanzó la capacidad de producción establecida y se verifico que logró un despulpado limpio y no se presentaron
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CAPÍTULO I
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1.1. Problema de investigación.
1.1.1. Planteamiento del problema.
Los equipos industriales que permiten la optimización de los procesos de obtención de derivados de un producto y mejora de la producción son de uso relevante en la actualidad como es la despulpadora de guanábana de tipo horizontal. En la ciudad de Quinsaloma de la provincia de los Ríos se sitúa la empresa “ECUAGUANÁBANA” que actualmente carece de un equipo para el procesamiento de la guanábana mediante una despulpadora que es la encargada de separar la cáscara y la semilla de la pulpa que es la parte carnosa comestible, entre las actividades que realiza esta empresa actualmente se destaca la realización de viveros, venta de plantas y la compra de la producción a nivel nacional. Con el diseño del equipo permite procesar la fruta que presenta una degradación continua al contacto con el medio ambiente, con el fin de optimizar y mejorar los tiempos para la extracción de la pulpa de forma tecnificada y su posterior comercialización.
Diagnóstico.
• Actualmente la empresa no cuenta con una máquina para procesar la fruta y obtener la pulpa.
• Utiliza un método tradicional por lo que existe una mayor demanda de mano de obra.
• Se lleva más tiempo para el proceso de producción de la pulpa de guanábana. • Pérdidas de frutos por el retardo del proceso.
• Se genera mayor costo y una reducción de sus ganancias.
Pronóstico.
Al efectuar el diseño y la construcción de la despulpadora de guanábana se estima reducir significativamente los tiempos de producción, mejorando el proceso de remoción con la tecnificación del despulpado y generando mayor ganancia para la empresa con la reducción de la mano de obra directa.
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1.1.2. Formulación del problema.
¿Cómo aumentar el rendimiento en la empresa ECUAGUANÁBANA para potenciar el proceso de producción del despulpado de la guanábana?
1.1.3. Sistematización del problema.
• ¿Cuál es la demanda de producto que tiene la empresa? • ¿Cómo dotar de un equipo para el procesamiento de la fruta?
• ¿Cuáles serían los procesos para tecnificar la obtención de la pulpa? • ¿Cómo se puede mejorar y garantizar un mayor tiempo de conservación?
• ¿Se mejorarían las ganancias y la calidad de comercialización que actualmente tiene la empresa?
1.2. Objetivos.
1.2.1. Objetivo General.
Diseñar y construir una despulpadora de Guanábana para la empresa ECUAGUANÁBANA en la ciudad de Quinsaloma.
1.2.2. Objetivos Específicos.
• Analizar las principales propiedades de la guanábana para una selección adecuada de los elementos de la despulpadora.
• Calcular la fuerza centrífuga y de arrastre de los rascadores en el cilindro para un correcto despulpado de la guanábana.
• Realizar el diseño y la selección de los elementos del equipo para el despulpado. • Elaborar un manual para el uso apropiado del equipo.
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1.3. Justificación.
El país cuenta con una amplia zona agrícola con condiciones favorables para el cultivo de variedades frutícolas, permitiendo el desarrollo de esta actividad mejorando en el ámbito del avance tecnológico, tecnificando los procesos para la obtención de la materia prima. La utilización de métodos tradicionales para el procesamiento de la fruta tarda más tiempo y genera mayor costo en mano de obra, por ejemplo, al realizar el despulpado de la guanábana de forma manual, motivo por el cual la empresa hoy por hoy vende la materia prima a una empresa privada de la ciudad de Santo Domingo que tiene el equipo industrial necesario para procesar la fruta y su posterior comercialización.
Son suficiente razón para plantear un diseño de una despulpadora de guanábana de manera técnica para mejorar los tiempos de producción dentro del proceso de obtención de la pulpa, mejorando la calidad y conservación del producto para su comercialización dentro y fuera del país, de esta actividad se encarga la empresa ECUAGUANÁBANA.
Incrementando así las ganancias debido a que lograrían vender el producto procesado directamente a los mercados nacionales e internacionales.
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CAPÍTULO II
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2.1. Marco conceptual.
2.1.1. Guanábana.
El nombre científico de la guanábana es "Annona muricata", guanábana entre algunos otros nombres es un árbol de la familia Annonaceae que se cultiva en muchos países tropicales por sus frutos comestibles. La guanábana (Annona muricata L.) es una planta procedente de la parte tropical de América del Sur, pero se ha incrustado en muchos países, crece perfectamente entre 0-1000. Msnm, se considera la más tropical de las Ananás, ya que no resiste el frío, ya que el árbol de esta especie está muy extendido en la región tropical y subtropical de América Latina [1].
Figura 1. Guanábana.
FUENTE: ECUAGUANÁBANA
2.1.2. Despulpado.
Su procesamiento consiste en la separación total del producto pulposo comestible que es la parte carnosa de la fruta de las semillas y otros desechos. Consiste en hacer pasar por un tamiz a la pulpa y por acción de una fuerza centrífuga de giro generada por las paletas conduce a la maza contra el tamiz logrando que el fluido pase por los orificios del tamiz [2].
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2.1.3. Pulpa.
Es un producto pulposo sin fermentar, pero que también es fermentable, está predestinado al consumo directo. Es preparado mediante un proceso de tamizado o triturado de frutas en buen estado y maduro para obtener la parte comestible de esta separándolo de los residuos, este producto se considera puro en su totalidad ya que no cuenta con ningún tipo de aditamentos como azúcar o agua [3].
Depende mucho del tipo de fruta para determinar el rendimiento de la pulpa por ejemplo en fresas está por encima de los 95%, mientras que en otros como la guanábana se encuentra entre un rango de 55-65% y en naranjillas entre el 40-50% [4].
Figura 2. Pulpa de la guanábana.
FUENTE: ECUAGUANÁBANA
2.1.4. Máquinas despulpadoras.
Son máquinas usadas para separar y retirar la semilla y la cáscara de la fruta. El proceso comienza depositando la fruta en la tolva de alimentación previamente desinfectada. Solo unas pocas frutas, como la mora, la guayaba o la fresa, son insertadas directamente. Diferentes frutas, como la guanábana, necesitan de un ajuste previo, cómo pelar y seccionar, mientras que otras frutas requieren ablandamiento de escaldado que consiste en introducir en agua hirviendo, como las manzanas y tomates. [3]
11 Cuando la fruta es insertada a la tolva, se corta con apoyo de la cuchilla que gira con el sistema de transmisión desde el motor, lo cual permite que la fruta seccionada pase al tambor, dónde están los raspadores que fuerzan la fruta con el tamiz para obtener la pulpa, posteriormente, por un lado, salen todas las semillas y por otro el producto ya despulpado. [3]
Figura 3. Despulpadora de fruta.
FUENTE: TALLERES PRADOS • Despulpadora vertical.
Se utilizan principalmente en la industria del café para el procesamiento y la producción. Su principio de funcionamiento es mediante una configuración de un eje vertical que mediante las paletas hacen comprimir la fruta con el tamiz haciendo expulsar la pulpa por su parte inferior y por otro extremo se eliminan los desechos lentamente [5].
Figura 4. Despulpadora vertical.
12 • Despulpadora horizontal.
Las máquinas horizontales consisten en un eje al que se fijan los rascadores de acero inoxidable, algunas despulpadoras en lugar de cuchillas tienen un tornillo sin fin porque solo necesitan transportar hacia el cilindro. Las máquinas despulpadoras horizontales se utilizan principalmente para la producción de pulpa de fruta, su capacidad de producción varía según los requisitos solicitados y la producción deseada [5].
Figura 5. Despulpadora horizontal.
FUENTE: ACERQUIP
2.1.5. Acero inoxidable.
Los aceros inoxidables se caracterizan por su resistencia a la corrosión, elevada resistencia y ductilidad, así como su alto contenido de cromo. Se denominan inoxidables porque, en presencia de oxígeno (aire) desarrollan una película delgada, dura y adherente de óxido de cromo, que protege el metal de la corrosión [6].
Los aceros inoxidables son altamente resistentes a la corrosión en diversos entornos. El principal elemento de la composición es el cromo que tiene que estar al menos en un 11 % en peso y además se encuentran otros elementos como el Níquel y Molibdeno. Su aplicación principal es para su uso en, biotecnología, industria química y la industria alimentaria [7].
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2.1.6. Soldadura usada en aceros inoxidables.
El proceso GTAW utiliza la soldadura TIG (Gas Inerte de Tungsteno), que es un procedimiento muy adecuado para soldar acero inoxidable. En este caso, el arco eléctrico se establece entre un electrodo de tungsteno no consumible y el metal base en una atmósfera protectora generada por un gas inerte. El gas inerte (normalmente argón) se usa para proteger el metal fundido de la soldadura del aire ambiente. Generalmente, el método TIG se usa para soldar piezas de bajo espesor (hasta 6 mm Aproximadamente), ya que esto no es económico para procedimientos en piezas de más de 6 a 7 mm [8].
El proceso GMAW (soldadura por arco de metal gaseoso), también conocida como soldadura MIG (gas inerte de metal), es una técnica que permite soldar materiales tradicionalmente de origen ferroso y no ferrosos. Este método es denominado soldadura por arco de gas metálico debido a la forma en que se emplea: un electrodo de alambre continuo se alimenta a través de la pistola de soldadura al sitio para juntar dos o más elementos, mientras que un tanque separado de gas inerte proporciona un escudo alrededor del sitio de soldadura. El gas evita que las influencias externas debiliten la integridad de la soldadura durante y después del proceso de soldadura, es un proceso común y versátil. Ofrece altas tasas de deposición y es adecuado para una amplia variedad de materiales con espesores delgados y gruesos [9].
2.2. Marco referencial.
2.2.1. Guanábana en el Ecuador.
En los últimos años ha empezado a desarrollarse mayoritariamente su cultivo por el incremento en la aceptación de diferentes compradores, a los cuales se anexan la calidad de sabores, calidad nutricional y características medicinales que benefician la salud de la población. En las naciones en que se ha hecho más obvio el progreso son Brasil, Colombia y Ecuador [10].
14 Figura 6. Fruto de la Guanábana.
FUENTE: INIAP
En Ecuador y en estudios del programa de cultivo de frutas INIAP (Instituto Nacional de Investigaciones Agropecuarias), se ha identificado variedad morfológica entre los árboles silvestres en términos de forma y tamaño de los árboles, en aspectos como el crecimiento, la forma y el color de las hojas y ramas; como en frutas donde la diversidad se ha registrado en formas, incluyendo acorazonado, cilíndrico, aperado, redondo; variaciones en tamaño, porcentaje de pulpa, número de semillas, sabor, etc. [10].
El Ecuador, tiene uno de los cultivos frutales más prometedores, ya que el precio de comercialización es muy atractivo. Las principales áreas de cultivo se encuentran en la península de Santa Elena y Guayas, donde hay parcelas totalmente técnicas y en otras áreas donde esta fruta crece de forma endémica, como en la zona sur de Manabí y las zonas rurales de Santo Domingo de los Colorados, donde los agricultores se dedican a la recolección de frutas totalmente orgánicas. También puede encontrar árboles dispersos a lo largo de la costa ecuatoriana a una altura de 800 metros [10].
A continuación, en la Tabla 1 se establecen las principales características de la guanábana [11].
15 Tabla 1. Características de la Guanábana.
Característica Descripción
Vida de almacenamiento (15-30ºC) Alta (> 5 días) Tasa de reproducción Alta (> 60 kg/árbol/año) Resistencia al clima Bajas temperaturas >18 C Resistencia a pestes y enfermedades Alta
Época de cosecha Todo el año
Tamaño de industria Grande
Tamaño de consumo fresco Pequeña
Peso de industria >2. Kg
Peso de consumo fresco 0.8-2.5kg
Cáscara Pequeña protuberancia
Pulpa Sub-ácida, baja fibra
Sabor Sabor sub-ácido
Semillas (números /100g de pulpa) Bajo (10-30 semillas) FUENTE: [11]
ELABORADO: JUSTINE CORREA GORDILLO
Este fruto presenta una textura muy delicada de un color verde oscuro cuya cobertura tiene espinas blandas. Su tamaño es grande y de cáscara muy delgada, su etapa de cosecha debe ser en un periodo antes de estar madura. La pulpa es muy cremosa, blanca, carnosa, ligeramente ácida y jugosa [12].
A continuación, en la Tabla 2 se detallan las condiciones óptimas para la producción de la guanábana.
16 Tabla 2. Condiciones agroecológicas de la guanábana para el Ecuador.
Requerimientos Detalles climáticos y edáficos
Zonas Las zonas subtropicales son ideales para el cultivo de la guanábana.
Altitud 300 a 700 m.s.n.m.
Temperatura 20° a 32°C durante el día y de 13° a 19°C durante la noche.
Precipitación 1200 mm a 1500 mm / año.
Humedad relativa 60 al 90%
Suelo Esta especie se adapta a una amplia gama de suelos, con diferentes
niveles de profundidad y textura; desde los francos, franco arcilloso, franco limoso y franco arenoso.
pH Desde neutros a ligeramente ácidos pH 5,5 a 7.0
FUENTE: [10]
2.2.2. Pulpa de guanábana “ECUAGUANÁBANA”.
La pulpa de guanábana proviene de un proceso de la fruta fisiológicamente en estado de madurez óptima, madurado de manera controlada cuidando los factores como la humedad y temperatura con el fin de conseguir un producto de calidad y calidez en su color, dulzura, sabor y aroma que es la parte carnosa comestible del fruto [12].
Este producto denominado por la empresa como “Motas de Guanábana” es conservado de manera congelada, se lo realiza bajo los más altos estándares de calidad cumpliendo con las buenas prácticas de manufactura [12].
En la Tabla 3 se describe el proceso de despulpado que realizan en la empresa ecuaguanábana.
17 Tabla 3. Ficha técnica de la obtención de la pulpa de Guanábana.
Proceso Detalles de obtención de la pulpa
Elaboración
Es elaborado a partir del fruto maduro del árbol de guanábana, manipulado higiénicamente desde el campo, recogido en gavetas plásticas, cuidando su integridad a fin de no provocar magulladuras, es madurado en un ambiente sumamente controlado para asegurar la calidad organoléptica. Luego de tres días es retirada de la maduración, lavada, desinfectada y pelada.
Recepción Se acoge en recipientes esterilizados con vapor directo y es pesado.
Desmontación
Es pasado por una máquina desmontadora que está fabricada en acero inoxidable en donde se elimina la semilla y la pulpa se empaqueta en fundas de 1 Kg. Neto. En otra máquina llenadora de forma continua, se sella y codifica para posteriormente ser enviada a la cámara de congelación entre los -18°C a -20°C donde reposa hasta su comercialización. Todas las áreas implicadas en el proceso son atendidas estrictamente a las buenas prácticas de manufactura para alimentos.
Empaque
Fundas especializadas para empacar alimentos al vacío, compuestos con polietileno de baja densidad. Este empaque tiene una multibarrera especial que evita el paso de Dióxido de Carbono (CO2), oxígeno (O2), vapor de agua, olores y sabores extraños y distintos al fruto, garantizando su conservación total del alimento por largos periodos.
FUENTE: [12]
2.2.3. Diseño de máquinas.
Es el proceso de modelado, dimensiones, cálculos, materiales, tecnología de fabricación y operación de una máquina para satisfacer ciertas funciones o necesidades [13]. A continuación, se detalla en la Tabla 4 los conocimientos necesarios para el diseño de máquinas.
18 Tabla 4. Conocimientos en diseño de máquinas.
Temas de conocimiento preliminar Diseño gráfico
Ciencias de los materiales Resistencia de materiales
Tecnología mecánica y fabricación Cinemática y dinámica de máquinas
FUENTE: [13] AUTOR: JUAN MARÍN
Fase para un proyecto de diseño mecánico.
a) Identificar la necesidad: reconocimiento de una necesidad, problemática. b) Investigar los antecedentes: examinar la problemática o necesidad inicial. c) Enunciar el objetivo: acción para llevar a cabo el proyecto.
d) Especificar las tareas: concretar el alcance del proyecto.
e) Síntesis: reunir información para alternativas posibles de diseño.
f) Análisis: experimentar las soluciones más confiables y viables, tanto técnico como económicas.
g) Solución: establecer la solución más fiable.
h) Diseño detallado: realización de bosquejos mediante software de diseño y justificar cada una de las dimensiones de los elementos diseñados.
i) Prototipo y pruebas: mediante impresoras 3D para la realización de prototipos.
j) Producción: proceso de fabricación del proyecto, tiempo y la elaboración de documentos para el plan de fabricación [13].
2.2.4. Acero resistente a la corrosión.
El acero inoxidable caracteriza la alta resistencia a la corrosión que presentan las aleaciones de este grupo y para poder clasificar como aceros inoxidables, debe tener que
19 tener la aleación como mínimo un contenido de cromo de 10 %, estos se clasifican en tres grupos que son: los austeníticos, los ferríticos y los martensíticos [14].
Los aceros inoxidables austeníticos: forman la familia con el mayor número de aleaciones disponibles, compone las series 200 y 300 según la AISI. Su renombre se debe a su excelente formabilidad y superior resistencia a la corrosión, su estructura básicamente se compone de austenita [15]. Las características que presentan son las siguientes:
• Excelente resistencia a la corrosión. • Excelente soldabilidad.
• Buen factor de higiene y limpieza. • Excelente ductilidad.
• Funcionales en temperaturas altas. • No son magnéticos.
Figura 7. Estructura cristalina de la austenita.
FUENTE: SOLDADURA MIG DE ACERO INOXIDABLE Y ALUMINIO AUTOR: FRANCISCO LARA
Aceros inoxidables ferríticos: estos pertenecen a la serie 400 AISI, estos aceros pueden trabajan a temperaturas muy elevadas que van de (700 °C a 1040 °C) y son magnéticos. No se puede aplicar tratamientos térmicos, para poder mejorar sus propiedades se trabajan en frío. Este acero inoxidable usualmente se utiliza para la fabricación de los tubos de
20 intercambiador de calor, moldes automotrices, partes de hornos, refinación de petróleo y equipos químicos [14].
Figura 8. Estructura cristalina de la ferrita.
FUENTE: SOLDADURA MIG DE ACERO INOXIDABLE Y ALUMINIO. AUTOR: FRANCISCO LARA
Aceros inoxidables martensíticos: de igual manera pertenece a la seria 400 AISI, esto incluye los tipos 403, 410, 416, 420, 431 y 440. Este acero inoxidable se puede tratar térmicamente y por lo posterior tiene mayor resistencia que las series 200 y 300. Habitualmente se utiliza en aplicaciones de piezas de motores de turbinas, piezas de válvulas, equipos quirúrgicos, herramientas para aviones y marinos entre otras [14].
2.2.5. Acero inoxidable AISI 304.
Este material tiene excelentes propiedades para el soldado y conformado, buena resistencia a la corrosión y es unos de los más utilizado. Se utiliza para la fabricación como material básico de varias piezas electrodomésticas, implementos agrícolas, industria alimenticia, naval, construcción aeronáutica entre otras [16]. Las principales propiedades del acero inoxidable se describen en la Tabla 5.
21 Tabla 5. Propiedades del acero inoxidable AISI 304.
Propiedades Características
Propiedades Mecánicas
Resistencia a la tracción 515 MPa (75 KSI) Límite de fluencia 205 MPa (30 KSI) Elongación 40 (% en 50 mm)
Dureza Brinell máx. 202 Propiedades Físicas Densidad 7.9 gr/cm3
Propiedades Químicas < 0.08 C 18-20 Cr 8-10.5 Ni 0.03 S < 2 Mn < 1 Si Aplicaciones
Electrodomésticos, industria agrícola, alimenticia (cocinas, cubiertos, equipos de procesamiento), paneles de aislamiento térmico, intercambiadores de calor entre otras.
FUENTE: [16]
AUTOR: CIA. GENERAL DE ACERO S.A.
2.2.6. Soldadura para los aceros inoxidables.
El acero inoxidable que contiene níquel es necesario para la construcción de equipos para industria de procesos, estos aceros se utilizan en su lugar del acero convencional por sus excelentes propiedades tales como: resistencia a la corrosión, excelentes propiedades a alta temperatura [17].
22 Elementos que afectan la resistencia a la corrosión de las soldaduras en aceros inoxidables.
Es esencial la selección de proceso de soldadura para el acero inoxidable para un buen resultado en ambientes corrosivos. Los soldadores tienen que conocer estos factores para poder controlar, para la fabricación de equipos se debe seleccionar correctamente el material y emplear un proceso de soldadura. Estos son elementos esenciales para una buena fabricación [17].
• Contaminación por hierro
El hierro por lo general resulta incluido en algunas superficies de trabajo en el acero inoxidable en el transcurso de las operaciones tanto de formado o soldado. Para evitar la inclusión del hierro en el acero inoxidable recomendaremos lo siguiente:
• No usar máquinas o herramientas, como discos de cortes que han sido usados cortando hierro u otro tipo de aceros que contengan incrustaciones que afecten a la integridad del material.
• No permitir que la superficie del acero inoxidable este en contacto con elementos que contengan hierro.
• No dejar en el piso las planchas de aceros inoxidables, expuesta al tráfico de las personas. Por lo general se debe guardar en forma vertical las planchas [17].
Es recomendado realizar operaciones de trabajo alejadas del lugar donde se hacen operaciones con hierro para no contaminar con elementos ferrosos [17].
• Defectos relacionados con la soldadura.
Los defectos presentes en la soldadura son los siguientes:
o Al contacto con el encendido del arco, daña la capa del acero inoxidable protectora dejando unas marcas o imperfecciones como rendijas. Esto se puede eliminar mediante un pulido suave de grano fino.
o Crean pequeñas marcas las salpicaduras producto de la soldadura donde se adhiere el metal fundido, esta es penetrada y se crea rendijas pequeñas volviendo la capa más
23 débil. Esto se puede prevenir colocando una pasta en los dos lados de la soldadura, posteriormente se lava.
o Los electrodos revestidos de algunas soldaduras crean escorias esto crea pequeñas hendiduras o rendijas, esto se lo puede eliminar mediante un pulido o un cepillado [17]. Preparación para la soldadura en los aceros inoxidables.
Estos aceros inoxidables tienen que ser manejados con mucha precaución que con otros aceros. Esto dará una buena calidad de soldadura incrementando la fiabilidad de la soldadura y del producto terminado, esto genera un buen rendimiento y óptimo servicio [17].
En la Tabla 6 se detallan los métodos a utilizar para cortar el acero inoxidable. Tabla 6. Métodos de corte en aceros inoxidables.
Método Espesor Observación
Guillotina Láminas, cintas, placas
finas Para eliminar bordes
Corte por sierra y abrasivo
Rango de espesores amplio
Se debe eliminar lubricantes o aceite antes de proceder a soldar o tratamiento térmico.
Maquinado Rango de espesores amplio
Se debe eliminar lubricantes o aceite antes de proceder a soldar o tratamiento térmico. Corte por arco de
plasma
Rango de espesores
amplio Limpiar la superficie y quitar las rebabas. Corte con polvo
metálico
Rango de espesores
amplio Eliminar las escorias
FUENTE: [17]
Los materiales de aporte para la soldadura que se utilizan comúnmente se detallan en la siguiente Tabla 7.
24 Tabla 7. Materiales de aporte sugeridos para la soldadura del acero inoxidable.
Metal de base Electrodo recubierto AWS o nombre común
Electrodo desnudo y varilla - AWS o nombre común
AISI AWS A5.4 AWS A 5.9
(UNS) (UNS) (UNS)
304 E 308(1) ER 308(1) (S30400) (W30810) (S30880) 304L E 308L ER 308L (S30403) (W30813) (S30883) 309 E 309(1) ER 309(1) (S30900) (W30910) (S30980) 310 E 310 ER 310 (S31000) (W31010) (S31080) 316 E 316(1) ER 316(1) (S31600) (W31610) (S31680) 316L E 316L ER 316L (S31603) (W31613) (S31683) 317 E 317(1) ER 317(1) (S31700) (S31780) (31780) 317L E 317L ER 317L (31703) (W31713) (S31783) FUENTE: [17]
25
CAPÍTULO III
26
3.1. Localización.
El presente proyecto de investigación será realizado en la ciudad de Quinsaloma perteneciente a la provincia de los Ríos, ubicada vía a los cerritos km 3,7 por la Avenida el Guineo, sector la Y de las Canelas donde se sitúa la empresa ECUAGUANÁBANA.
Figura 9. Ubicación de la empresa.
FUENTE: GOOGLE MAPS
3.1.1. Ubicación geográfica.
Longitud: 79°20'42.4"W Latitud: 1°11'40.6"S
27
3.2. Tipos de investigación.
3.2.1. Investigación bibliográfica.
Nos permite la revisión de temas existentes con respecto al tema de estudio basándonos en libros, tesis, artículos científicos y revistas. Mediante esto se realiza la indagación, interpretación, reflexión y el análisis para obtener bases necesarias para el desarrollo del estudio.
3.2.2. Investigación aplicada.
Establece en poner en prácticas los conocimientos adquiridos en el área de formación en temas de diseño mecánico, selección de materiales para la construcción de la máquina despulpadora de guanábana.
3.2.3. Investigación de campo.
Con la aplicación de este tipo de investigación permite la observación directa del proceso de despulpado de la guanábana y la recepción de datos, para determinar las características principales de la fruta que influyen en la selección de los elementos de la máquina despulpadora para obtener una idea clara de las condiciones reales del presente proyecto de investigación.
3.3. Métodos de investigación.
3.3.1. Método Inductivo.
Este método permite realizar un análisis de criterios desde lo particular, como es la identificación de las propiedades de la guanábana y el funcionamiento de cada uno de los elementos que forman parte de la despulpadora y además facilita la tarea de comprobar un buen funcionamiento general del equipo.
