REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD DEL ZULIA UNIVERSIDAD DEL ZULIA
NÚCLEO COSTA ORIENTAL DEL LAGO NÚCLEO COSTA ORIENTAL DEL LAGO PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA
COMITÉ TÉCNICO COMITÉ TÉCNICO
DISEÑO DE UN LAZO DE
DISEÑO DE UN LAZO DE CONTROL PARA LA OPERACIÓN DEL HORNO DECONTROL PARA LA OPERACIÓN DEL HORNO DE COCCIÓN DE BLOQUES Y LADRILLOS DE
COCCIÓN DE BLOQUES Y LADRILLOS DE ARCILLAARCILLA
Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Mecánico Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Mecánico
Autores: Autores:
Br. Alejandro Daniel Leal Bermúdez Br. Alejandro Daniel Leal Bermúdez Br. Jesús Alberto Corona Villasmil Br. Jesús Alberto Corona Villasmil
Tutor Académico: Tutor Académico: Prof. Franklin López Prof. Franklin López
Tutor Industrial: Tutor Industrial: Ing. Carlos Guerra Ing. Carlos Guerra
Cabimas, Mayo de 2010 Cabimas, Mayo de 2010
DISEÑO DE UN LAZO DE
DISEÑO DE UN LAZO DE CONTROL PARA LA OPERACIÓN DEL HORNO DECONTROL PARA LA OPERACIÓN DEL HORNO DE COCCIÓN DE BLOQUES Y LADRILLOS DE
COCCIÓN DE BLOQUES Y LADRILLOS DE ARCILLAARCILLA
_____________________________ _____________________________ Br. Alejandro Daniel Leal Bermúdez Br. Alejandro Daniel Leal Bermúdez
Autor Autor
C.I. V-17.634.137 C.I. V-17.634.137
Dirección: Sector El Bajo, Av. 29 entre calles 53 y 55, casa Nº 53-175, Dirección: Sector El Bajo, Av. 29 entre calles 53 y 55, casa Nº 53-175, Municipio San Francisco, Estado Zulia, Venezuela. Teléfono: (0412)6499142 Municipio San Francisco, Estado Zulia, Venezuela. Teléfono: (0412)6499142
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Br. Jesús Alberto Corona Villasmil Br. Jesús Alberto Corona Villasmil
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Prof. Franklin López Prof. Franklin López
Tutor Académico Tutor Académico
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Ing. Carlos Guerra Ing. Carlos Guerra
Tutor Industrial Tutor Industrial
VEREDICTO VEREDICTO
Nosotros Profesores, LUÍS LÓPEZ, HECBER NAVA, FRANKLIN LÓPEZ designados Nosotros Profesores, LUÍS LÓPEZ, HECBER NAVA, FRANKLIN LÓPEZ designados como jurado Examinador del Trabajo Especial de Grado Titulado “
como jurado Examinador del Trabajo Especial de Grado Titulado “DISEÑO DE UNDISEÑO DE UN LAZO DE CONTROL PARA LA OPERACIÓN DEL HORNO DE COCCIÓN DE LAZO DE CONTROL PARA LA OPERACIÓN DEL HORNO DE COCCIÓN DE BLOQUES Y LADRILLOS DE ARCILLA
BLOQUES Y LADRILLOS DE ARCILLA” que presentan el Br: LEAL BERMÚDEZ,” que presentan el Br: LEAL BERMÚDEZ, ALEJANDRO DANIEL, C.I.: V-17.634.137, y el Br. CORONA VILLASMIL, JESÚS ALEJANDRO DANIEL, C.I.: V-17.634.137, y el Br. CORONA VILLASMIL, JESÚS ALBERTO, C.I.: V-18.319.278, nos hemos reunido para revisar dicho trabajo y después ALBERTO, C.I.: V-18.319.278, nos hemos reunido para revisar dicho trabajo y después del interrogatorio correspondiente, lo hemos aprobado calificándolo como del interrogatorio correspondiente, lo hemos aprobado calificándolo como ________________________
________________________ de de acuerdo acuerdo con con las las normas normas vigentes vigentes aprobadas aprobadas por por elel Consejo Académico del Núcleo Costa Oriental del Lago Universidad del Zulia para la Consejo Académico del Núcleo Costa Oriental del Lago Universidad del Zulia para la evaluación del Trabajo Especial de Grado. En fe de lo cual firmamos, en Cabimas a los evaluación del Trabajo Especial de Grado. En fe de lo cual firmamos, en Cabimas a los cinco días del mes de mayo de dos mil diez.
cinco días del mes de mayo de dos mil diez.
________________________ ________________________
Prof. Luis Lopez Prof. Luis Lopez Jurado Principal Jurado Principal
________________________ ________________________
Prof. Hecber Nava Prof. Hecber Nava Jurado Principal Jurado Principal
________________________ ________________________
Prof. Franklin Lopez Prof. Franklin Lopez
Tutor Académico Tutor Académico
AGRADECIMIENTOS AGRADECIMIENTOS
A Dios todo poderoso por ser el principal guía, por escucharme y ayudarme, tanto en A Dios todo poderoso por ser el principal guía, por escucharme y ayudarme, tanto en los buenos como en los difíciles momentos de mi camino.
los buenos como en los difíciles momentos de mi camino.
A mis padres Ángel y Miglena por siempre llevarme por el camino correcto y por hacer A mis padres Ángel y Miglena por siempre llevarme por el camino correcto y por hacer de mí lo que soy hoy, mostrándome el verdadero valor de las cosas y ante todo a luchar de mí lo que soy hoy, mostrándome el verdadero valor de las cosas y ante todo a luchar por alcanzar una meta.
por alcanzar una meta.
A mi novia, Zoreidis por su apoyo incondicional, por estar siempre conmigo desde el A mi novia, Zoreidis por su apoyo incondicional, por estar siempre conmigo desde el comienzo de este sueño, brindándome amor, confianza, y mucha paciencia.
comienzo de este sueño, brindándome amor, confianza, y mucha paciencia.
A mi hermano Ángel que ha sido un apoyo fundamental en todos estos años de estudio. A mi hermano Ángel que ha sido un apoyo fundamental en todos estos años de estudio.
A mi primo Juan Gil, por ser gran compañero a lo largo de toda la carrera. A mi primo Juan Gil, por ser gran compañero a lo largo de toda la carrera.
A la ilustre Universidad del Zulia y a todos los profesores por haberme formado como A la ilustre Universidad del Zulia y a todos los profesores por haberme formado como profesional, en especial al profesor Franklin López por brindarme su apoyo en la profesional, en especial al profesor Franklin López por brindarme su apoyo en la culminación de mi carrera.
culminación de mi carrera.
A Alfarería y Cerámicas del Caribe C.A. por darme la oportunidad de llevar a cabo este A Alfarería y Cerámicas del Caribe C.A. por darme la oportunidad de llevar a cabo este trabajo, al Licenciado Luís Fuenmayor y los Ingenieros Carlos Guerra, Jorge Peña y trabajo, al Licenciado Luís Fuenmayor y los Ingenieros Carlos Guerra, Jorge Peña y Yennier González por ser mis guías en la realización de este trabajo.
Yennier González por ser mis guías en la realización de este trabajo.
A todas aquellas personas que de una u otra forma, colaboraron o participaron en la A todas aquellas personas que de una u otra forma, colaboraron o participaron en la realización de esta investigación, hago extensivo mi más sincero agradecimiento.
realización de esta investigación, hago extensivo mi más sincero agradecimiento.
….A Todos Muchas Gracias. ….A Todos Muchas Gracias.
Br. Alejandro Leal Br. Alejandro Leal
AGRADECIMIENTOS AGRADECIMIENTOS
A Dios todo poderoso, por haberme llenado de dicha, sabiduría y bendiciones, quien A Dios todo poderoso, por haberme llenado de dicha, sabiduría y bendiciones, quien nos proporciona la fuerza necesaria para continuar adelante y dejar atrás los que nos nos proporciona la fuerza necesaria para continuar adelante y dejar atrás los que nos pasas en situaciones difíciles.
pasas en situaciones difíciles.
A la Virgen Maria Mi (Chinita), Madre Celestial por interceder por mi antes Dios nuestro A la Virgen Maria Mi (Chinita), Madre Celestial por interceder por mi antes Dios nuestro señor, y darme su bendición para cumplir con mis objetivos y metas.
señor, y darme su bendición para cumplir con mis objetivos y metas.
Con gran amor y orgullo a mis padres por ser mis guías y apoyo, además de ser Con gran amor y orgullo a mis padres por ser mis guías y apoyo, además de ser quienes durante toda su vida se han esforzado por darme lo mejor de si.
quienes durante toda su vida se han esforzado por darme lo mejor de si.
Al Ing. Franklin López, profesor y tutor académico por tener siempre una disponibilidad Al Ing. Franklin López, profesor y tutor académico por tener siempre una disponibilidad y colaboración, y por su parte la culminación de este trabajo.
y colaboración, y por su parte la culminación de este trabajo.
A esos seres especiales, de una u otra forma contribuyeron a la realización de esta A esos seres especiales, de una u otra forma contribuyeron a la realización de esta investigación.
investigación.
Br. Jesús Corona Br. Jesús Corona
INDICE GENERAL INDICE GENERAL Portada Portada Frontispicio Frontispicio Veredicto Veredicto Agradecimientos iv Agradecimientos iv Indice
Indice general general vivi
Indice
Indice de de figuras figuras xx
Indice
Indice de de Tablas Tablas xiixii
Indice
Indice de de anexos anexos xiiixiii
Resumen 14 Resumen 14 Abstract 15 Abstract 15 Introducc Introduccıónıón 1616 Capítulo I. Capítulo I. 1818 1.1
1.1 Antecedentes Antecedentes de de la la investigación investigación 1919 1.2
1.2 Proceso Proceso de de elaboración elaboración de de bloques bloques y y ladrillos ladrillos 2222 1.3
1.3 Principios Principios generales generales de de la la cocción cocción 2828 Capítulo II. Marco teórico
Capítulo II. Marco teórico 3030
2.1
2.1 Transferencia Transferencia de de Calor Calor 3131 2.2
2.2 Equipos Equipos de de transferencia transferencia de de calor calor 3434 2.2.1 2.2.1 Intercambiadores Intercambiadores 3434 2.2.2 2.2.2 Calentadores Calentadores 3535 2.2.3 2.2.3 Enfriadores Enfriadores 3535 2.2.4 Condensadores 2.2.4 Condensadores 3535 2.2.5 2.2.5 Evaporadores Evaporadores 3535 2.2.6 2.2.6 Hornos Hornos 3535 2.2.6.1
2.2.6.1 Tipos Tipos de de hornos hornos industriales industriales 3636 2.3
2.3 Automatización Automatización de de proceso proceso 4040 2.3.1
2.3.1 Definiciones Definiciones de de elementos elementos que que conforman conforman un un sistema sistema de de control control 4141 2.3.1.1 2.3.1.1 Proceso Proceso 4141 2.3.1.2 2.3.1.2 Sistema Sistema 4141 2.3.1.3 2.3.1.3 Planta Planta 4242
2.3.1.4
2.3.1.4 Perturbación Perturbación 4242
2.3.1.5
2.3.1.5 Variable Variable controlada controlada 4242 2.3.1.6
2.3.1.6 Variable Variable manipulada manipulada 4242 2.3.1.7
2.3.1.7 Punto Punto de de ajuste ajuste 4242
2.3.1.8
2.3.1.8 Control Control 4343
2.3.1.9
2.3.1.9 Control Control automático automático 4343
2.3.2
2.3.2 Sistema Sistema de de control control retroalimentado retroalimentado 4343 2.3.4
2.3.4 Sistema Sistema de de control control de de lazo lazo o o Bucle Bucle cerrado cerrado 4444 2.3.5
2.3.5 Sistema Sistema de de control control de de lazo lazo o o Bucle Bucle abierto abierto 4444 2.3.6
2.3.6 Sistema Sistema de de control control de de lazo lazo cerrado cerrado vs. vs. Sistema Sistema de de control control de de lazo lazo abierto abierto 4444 2.4
2.4 Modelo Modelo matemático matemático de de un un sistema sistema físico físico - - dinámico dinámico 4444 2.4.1
2.4.1 Modelo Modelo matemático matemático para para sistemas sistemas térmicos térmicos 4545 2.5
2.5 Función Función Transferencia Transferencia 5050
2.6
2.6 Diagramas Diagramas de de bloques bloques 5252
2.6.1
2.6.1 Diagrama Diagrama de de bloques bloques de de un un sistema sistema de de lazo lazo cerrado cerrado 5353 2.7
2.7 Acciones Acciones básicas básicas de de control control en en lazo lazo cerrado cerrado 5353 2.7.1
2.7.1 Clasificación Clasificación de de controladores controladores industriales industriales analógicos. analógicos. 5454 2.7.2 Efectos del sensor (elemento de medición) en el comportamiento del
2.7.2 Efectos del sensor (elemento de medición) en el comportamiento del sistema
sistema 6060
2.8
2.8 Estrategias Estrategias de de control control 6060 2.8.1
2.8.1 Control Control en en cascada cascada 6060
2.8.2
2.8.2 Control Control de de relación relación 6262
2.8.3
2.8.3 Control Control anticipativo anticipativo (Feed (Feed Forward) Forward) 6363 2.8.4
2.8.4 Control Control de de gama gama partida partida 6464 2.8.5
2.8.5 Control Control Selectivo Selectivo 6666
2.9
2.9 Instrumentación Instrumentación Industrial Industrial 6767 2.9.1
2.9.1 Instrumentos Instrumentos ciegos ciegos 6767
2.9.2
2.9.2 Instrumentos Instrumentos indicadores indicadores 6767 2.9.3
2.9.3 Instrumentos Instrumentos registradores registradores 6767 2.9.4
2.9.4 Elementos Elementos primarios primarios 6767
2.9.4.1
2.9.4.1 Instrumento Instrumento para para medición medición de de presión presión 6868 2.9.4.2
2.9.4.3
2.9.4.3 Instrumentos Instrumentos para para medición medición de de temperatura temperatura 7171 2.9.5 2.9.5 Transmisores Transmisores 7676 2.9.6 2.9.6 Transductores Transductores 7777 2.9.7 2.9.7 Convertidores Convertidores 7777 2.9.8 2.9.8 Receptores Receptores 7777 2.9.9 2.9.9 Controladores Controladores 7878 2.9.10
2.9.10 Elemento Elemento final final de de control control 7878 Capítulo III Marco metodológico
Capítulo III Marco metodológico 8585
3.1
3.1 Tipo Tipo de de Investigación Investigación 8686 3.2
3.2 Diseño Diseño de de la la Investigación Investigación 8787 3.3
3.3 Poblacion Poblacion y y muestra muestra de de la la investigación investigación 8888 3.4
3.4 Tecnica Tecnica de de recoleccion recoleccion de de datos datos 8989 3.5
3.5 Fases Fases para para el el desarrollo desarrollo de de los los objetivos objetivos de de la la investigación investigación 9090 Capítulo IV
Capítulo IV Discusión de los ResultadosDiscusión de los Resultados 9292 4.1
4.1 Identificar Identificar condiciones condiciones de de operación operación y y funcionamiento funcionamiento del del horno horno 9393 4.2 Mejoras en la construcción del horno a fin de garantizar el control óptimo de
4.2 Mejoras en la construcción del horno a fin de garantizar el control óptimo de la temperatura
la temperatura 9494
4.3
4.3 Modelo Modelo Matemático Matemático del del proceso proceso 9595 4.4 Instrumentos y/o equipos propuestos a utilizar para el lazo de control de
4.4 Instrumentos y/o equipos propuestos a utilizar para el lazo de control de operación del horno.
operación del horno. 9797
4.4.1
4.4.1 Sensor Sensor de de temperatura temperatura 9797 4.4.2
4.4.2 Controlador Controlador de de Temperatura Temperatura 9898 4.4.3
4.4.3 Válvula Válvula de de control control 102102
4.4.4
4.4.4 Quemador Quemador de de gas gas 103103
4.4.5
4.4.5 Transformador Transformador de de ignición ignición 105105 4.4.6
4.4.6 Electrodo Electrodo de de ignición ignición 106106 4.4.7
4.4.7 Detector Detector de de llama llama 106106
4.4.8
4.4.8 Válvula Válvula solenoide solenoide 107107
4.4.9
4.4.9 Regulador Regulador de de presión presión de de gas gas 107107 4.4.10
4.4.10 Válvula Válvula de de seguridad seguridad de de cierre cierre automático automático 108108 4.4.11
4.4.11 Indicador Indicador de de presión presión 109109 4.5
4.6 Determinar los costos asociados a la propuesta de automatización del 4.6 Determinar los costos asociados a la propuesta de automatización del control operativo del horno
control operativo del horno 115115
Conclusiones 118
Conclusiones 118
Recomendaciones 121
Recomendaciones 121
Referencias
Referencias bibliograficas bibliograficas 124124
Anexos 126
INDICE DE FIGURAS INDICE DE FIGURAS
Capitulo I Capitulo I
Figura 1. Diagrama del proceso de elaboración de bloques y ladrillos de Alcaribe Figura 1. Diagrama del proceso de elaboración de bloques y ladrillos de Alcaribe
C.A. 28
C.A. 28
Figura
Figura 2. 2. Curva Curva de de cocción cocción temperatura-tiempo temperatura-tiempo 2929 Capitulo II
Capitulo II
Figura 3. Proceso térmico
Figura 3. Proceso térmico 4646
Figura
Figura 4. 4. Elemento Elemento de de un un diagrama diagrama de de bloques bloques 5252 Figura
Figura 5. 5. Diagrama Diagrama de de bloque bloque de de un un sistema sistema de de lazo lazo cerrado cerrado 5353 Figura
Figura 6. 6. Diagrama Diagrama de de bloques bloques de de un un controlador controlador proporcional proporcional 5656 Figura
Figura 7. 7. Diagrama Diagrama de de bloques bloques de de un un controlador controlador integral integral 5757 Figura
Figura 8. 8. Diagrama Diagrama de de bloques bloques de de un un controlador controlador proporcional-integral proporcional-integral 5858 Figura
Figura 9. 9. Diagrama Diagrama de de bloques bloques de de un un controlador controlador proporcional-derivativo proporcional-derivativo 5959 Figura
Figura 10. 10. Diagrama Diagrama de de bloques bloques de de un un controlador controlador proporcional-integral-derivativo proporcional-integral-derivativo 6060 Figura
Figura 11. 11. Control Control en en cascada cascada 6262 Figura
Figura 12. 12. Control Control de de relación relación 6363 Figura
Figura 13. 13. Control Control anticipativo anticipativo 6464 Figura
Figura 14. Control 14. Control de de gama gama partida partida en en dos dos intercambiadores intercambiadores de de calor calor en en serie serie 6565 Figura
Figura 15. 15. Control Control selectivo selectivo 6666 Figura
Figura 16. 16. Válvulas Válvulas de de globo globo 8080 Figura
Figura 17. 17. Válvula Válvula de de ángulo ángulo 8181 Figura
Figura 18. 18. Válvula Válvula de de jaula jaula 8282 Figura
Figura 19. 19. Válvula Válvula de de compuerta compuerta 8282 Figura
Figura 20. 20. Válvula Válvula de de obturador obturador excéntrico excéntrico rotativo rotativo 8383 Figura
Figura 21. 21. Válvula Válvula de de mariposa mariposa 8484 Figura
Figura 22. 22. Válvula Válvula de de bola bola 8484
Capitulo IV Capitulo IV Figura
Figura 23. 23. Termopar Termopar tipo tipo k k con con cabezal cabezal 9898 Figura
Figura 24. 24. CPU CPU Siemens Siemens Simatic Simatic S7-200 S7-200 modelo modelo 6ES7214-1BD23-0XB0 6ES7214-1BD23-0XB0 9999 Figura
Figura 25. 25. Módulo Módulo de de entradas entradas analógicas analógicas modelo modelo 6ES7231-7PD22-0XA0 6ES7231-7PD22-0XA0 100100 Figura
Figura
Figura 27. 27. Módulo Módulo de de entradas entradas y y salidas salidas digitales digitales modelo modelo 6ES7223-1BL22-0XA0 6ES7223-1BL22-0XA0 100100 Figura
Figura 28. 28. Display Display TD TD 200 200 modelo modelo 6ES7223-1BL22-0XA0 6ES7223-1BL22-0XA0 101101 Figura
Figura 29. 29. Fuente Fuente de de poder poder 6EP1333-2AA01 6EP1333-2AA01 101101 Figura
Figura 30. 30. Válvula Válvula tipo tipo globo globo fisher fisher EZ EZ 4” 4” 102102 Figura
Figura 31. 31. Sección Sección de de valvula valvula tipo tipo globo globo 103103 Figura
Figura 32. 32. Quemador Quemador de de gas gas EQA EQA 93 93 104104 Figura
Figura 33. 33. Grafico Grafico de de capacidades capacidades de de quemadores quemadores 104104 Figura
Figura 34. 34. Dimensiones Dimensiones de de quemadores quemadores 105105 Figura
Figura 35. 35. Transformador Transformador de de ignición ignición modelo modelo TSC TSC 105105 Figura
Figura 36. 36. Electrodo Electrodo de de ignición ignición modelo modelo 120/1000 120/1000 106106 Figura
Figura 37. 37. Detector Detector de de llama llama tipo tipo UV1 UV1 106106 Figura
Figura 38. 38. Válvula Válvula solenoide solenoide ASCO ASCO 8030 8030 107107 Figura
Figura 39. 39. Regulador Regulador de de presión presión 174 174 Masoneilan Masoneilan 108108 Figura
Figura 40. 40. Válvula Válvula de de seguridad seguridad de de cierre cierre automático automático 108108 Figura
Figura 41. 41. Manometro Manometro Aschroft Aschroft 109109 Figura
Figura 42. 42. Diagrama Diagrama de de bloques bloques del del lazo lazo de de control control propuesto propuesto 110110 Figura
Figura 43. 43. Simulación Simulación del del sistema sistema en en Simulink Simulink 111111 Figura
Figura 44. 44. Curva Curva de de cocción cocción (temperatura (temperatura – – tiempo) tiempo) deseada deseada 112112 Figura
Figura 45. 45. Curva Curva de de reacción reacción (temperatura (temperatura - - tiempo) tiempo) 112112 Figura
INDICE DE TABLAS INDICE DE TABLAS
Tabla
Tabla 1. 1. Condiciones Condiciones de de los los componentes componentes del del horno horno 9393 Tabla
Tabla 2. 2. Análisis Análisis de de pérdidas pérdidas de de calor calor 9595 Tabla
Tabla 3. 3. Equipos Equipos e e instrumentos instrumentos seleccionados seleccionados 9797 Tabla
Tabla 4. 4. Descripción Descripción del del PLC PLC Siemens Siemens Simatic Simatic S7-200 S7-200 9999 Tabla
Tabla 5. 5. Acciones Acciones del del controlador controlador 101101 Tabla 6. Parámetros de acciones PID
Tabla 6. Parámetros de acciones PID 113113
Tabla 5. Relación de costos de equipos e instrumentos propuestos
INDICE DE ANEXOS INDICE DE ANEXOS
Anexo 1. Diagrama de tuberias e instrumentacion del horno Anexo 1. Diagrama de tuberias e instrumentacion del horno Anexo 2. Diagrama del sistema de llama del horno
Anexo 2. Diagrama del sistema de llama del horno
Anexo 3. Vista superior actual del horno tipo Americano Anexo 3. Vista superior actual del horno tipo Americano Anexo 4. Cálculo del modelo matematico del horno Anexo 4. Cálculo del modelo matematico del horno Anexo 5. Cálculo de Kv de la válvula
Alejandro Leal y Jesus Corona. “
Alejandro Leal y Jesus Corona. “DISEÑO DE UN LAZO DE CONTROL PARA LADISEÑO DE UN LAZO DE CONTROL PARA LA OPERACIÓN DEL HORNO DE COCCIÓN DE BLOQUES Y LADRILLOS DE OPERACIÓN DEL HORNO DE COCCIÓN DE BLOQUES Y LADRILLOS DE ARCILLA
ARCILLA”. Trabajo Especial de Grado para optar al Título de Ingeniero Mecánico.”. Trabajo Especial de Grado para optar al Título de Ingeniero Mecánico. Universidad del Zulia. Núcleo Costa Oriental del Lago. Programa de Ingeniería Universidad del Zulia. Núcleo Costa Oriental del Lago. Programa de Ingeniería Mecánica. Cabimas-Zulia. Venezuela. Mayo 2010.
Mecánica. Cabimas-Zulia. Venezuela. Mayo 2010.
RESUMEN RESUMEN
El propósito de este estudio fué diseñar el lazo de control para la operación de un horno El propósito de este estudio fué diseñar el lazo de control para la operación de un horno de cocción de bloques y ladrillos de arcilla, con el objetivo de minimizar pérdidas de cocción de bloques y ladrillos de arcilla, con el objetivo de minimizar pérdidas considerables de costos y tiempo debido a que la falta de control ha originado un considerables de costos y tiempo debido a que la falta de control ha originado un producto con condiciones que no cumplen con las normas de calidad de la empresa. producto con condiciones que no cumplen con las normas de calidad de la empresa. Las bases teóricas se fundamentaron principalmente los autores Ogata (1998), Creus Las bases teóricas se fundamentaron principalmente los autores Ogata (1998), Creus (1997), y Smith (1991). El tipo de investigación fue descriptiva, proyecto factible, y el (1997), y Smith (1991). El tipo de investigación fue descriptiva, proyecto factible, y el diseño es de campo. Se aplicaron como técnicas la observación directa, la revisión diseño es de campo. Se aplicaron como técnicas la observación directa, la revisión documental y entrevista no estructurada. Las unidades de analisis fueron los hornos tipo documental y entrevista no estructurada. Las unidades de analisis fueron los hornos tipo Americano. Fué necesario utilizar la herramienta Simulink del programa MatLab, para Americano. Fué necesario utilizar la herramienta Simulink del programa MatLab, para realizar simulaciones del proceso de cocción y obtener los parámetros de las acciones realizar simulaciones del proceso de cocción y obtener los parámetros de las acciones PID para luego determinar la función de transferencia global del lazo del control PID para luego determinar la función de transferencia global del lazo del control propuesto. Los resultados obtenidos indican que el lazo de control está compuesto por propuesto. Los resultados obtenidos indican que el lazo de control está compuesto por sistema de medición y transmisión de temperatura, sistema de control, sistema de sistema de medición y transmisión de temperatura, sistema de control, sistema de actuado y sistema de combustión, los cuales cumplen con su función especifica actuado y sistema de combustión, los cuales cumplen con su función especifica manteniendo la variable temperatura en los valores deseados.
manteniendo la variable temperatura en los valores deseados.
Palabras clave: Control, horno Palabras clave: Control, horno
Correo electrónico: [email protected], [email protected] Correo electrónico: [email protected], [email protected]
Alejandro
Alejandro Leal Leal and and Jesus Jesus Corona. Corona. ""DESIGN OF A CONTROL LOOP FOR THEDESIGN OF A CONTROL LOOP FOR THE OPERATION OF FURNACES COOKING OF BLOCKS AND BRICKS OF OPERATION OF FURNACES COOKING OF BLOCKS AND BRICKS OF CLAY
CLAY." ." Undergraduate thesis Undergraduate thesis work to work to qualify for the qualify for the title of Mechatitle of Mechanical Engineer.nical Engineer. Universidad del Zulia. Núcleo COL. Mechanical Engineering Program. Cabimas Universidad del Zulia. Núcleo COL. Mechanical Engineering Program. Cabimas -Venezuela. May 2010.
Venezuela. May 2010.
ABSTRACT ABSTRACT
The purpose of this study was to design the control loop for the operation of a brick kilns The purpose of this study was to design the control loop for the operation of a brick kilns and clay bricks, in order to minimize costs and losses of time due to the lack of control and clay bricks, in order to minimize costs and losses of time due to the lack of control has created a product with conditions that do not meet the quality standards of the has created a product with conditions that do not meet the quality standards of the company. The theoretical basis the authors were based primarily Ogata (1998), Creus company. The theoretical basis the authors were based primarily Ogata (1998), Creus (1997) and Smith (1991). The research was descriptive, feasible project, and the design (1997) and Smith (1991). The research was descriptive, feasible project, and the design field.
field. Techniques Techniques were applied were applied as direct as direct observation, review observation, review of docof documents anduments and unstructured interviews. The units for analysis were the American type furnaces. It was unstructured interviews. The units for analysis were the American type furnaces. It was necessary to use the Simulink tool of Matlab program to perform simulations of the necessary to use the Simulink tool of Matlab program to perform simulations of the cooking process and obtain the parameters of the PID actions and then determine the cooking process and obtain the parameters of the PID actions and then determine the overall transfer function of the proposed control loop. The results indicate that the control overall transfer function of the proposed control loop. The results indicate that the control loop is composed of transmission system and temperature measurement, control loop is composed of transmission system and temperature measurement, control system, served system and combustion system, which meet their specific function while system, served system and combustion system, which meet their specific function while maintaining the temperature variable in the desired values.
maintaining the temperature variable in the desired values.
Keywords: Control, oven Keywords: Control, oven
E-mail: [email protected], [email protected] E-mail: [email protected], [email protected]
INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN
Unas de las industrias presentes en la actualidad es la alfarera, estas utilizan la arcilla Unas de las industrias presentes en la actualidad es la alfarera, estas utilizan la arcilla como materia prima, y se fabrican distintos tipos de productos usados para la como materia prima, y se fabrican distintos tipos de productos usados para la construcción de viviendas, proyectos habitacionales, edificios, entre otros, dando así construcción de viviendas, proyectos habitacionales, edificios, entre otros, dando así paso al urbanismo en las grandes ciudades a nivel mundial y nacional.
paso al urbanismo en las grandes ciudades a nivel mundial y nacional.
En el Zulia existen diversas organizaciones entre las cuales se encuentra Alfarería y En el Zulia existen diversas organizaciones entre las cuales se encuentra Alfarería y Cerámicas del Caribe C.A. (ALCARIBE) que es una empresa dedicada a la producción y Cerámicas del Caribe C.A. (ALCARIBE) que es una empresa dedicada a la producción y comercialización de ladrillos en sus distintas presentaciones fabricados con arcilla, comercialización de ladrillos en sus distintas presentaciones fabricados con arcilla, tiene 40 años de experiencia, cuenta con tecnología Italiana y capacidad de producción tiene 40 años de experiencia, cuenta con tecnología Italiana y capacidad de producción de 10.000 toneladas mensuales de ladrillos.
de 10.000 toneladas mensuales de ladrillos.
En el proceso de fabricación de ladrillos de arcilla intervienen diferentes variables para En el proceso de fabricación de ladrillos de arcilla intervienen diferentes variables para lograr mantener los niveles óptimos de calidad. Dentro del procedimiento de elaboración lograr mantener los niveles óptimos de calidad. Dentro del procedimiento de elaboración la fase que requiere mayor atención es la de cocción, ya que en dicha etapa se le da la la fase que requiere mayor atención es la de cocción, ya que en dicha etapa se le da la resistencia mecánica necesaria para poder ser utilizado por la industria de la resistencia mecánica necesaria para poder ser utilizado por la industria de la construcción.
construcción. Esta fase Esta fase se efectúa se efectúa en un en un Horno Industrial Horno Industrial construido de construido de ladrillosladrillos refractarios, utilizando como combustible gas metano y opera a una temperatura refractarios, utilizando como combustible gas metano y opera a una temperatura máxima de 900 ºC, posee una capacidad de carga de hasta 250 toneladas de productos máxima de 900 ºC, posee una capacidad de carga de hasta 250 toneladas de productos de arcilla.
de arcilla.
A fin de garantizar la alta demanda en la producción, surge la necesidad de la A fin de garantizar la alta demanda en la producción, surge la necesidad de la automatización del control operativo de esta unidad, con el fin de minimizar pérdidas automatización del control operativo de esta unidad, con el fin de minimizar pérdidas considerables de costos y tiempo debido a que la falta de control ha originado fallas en considerables de costos y tiempo debido a que la falta de control ha originado fallas en el cumplimiento de las normas de calidad de la empresa; conjuntamente el sistema de el cumplimiento de las normas de calidad de la empresa; conjuntamente el sistema de apertura/cierre de este horno, no son los más adecuados si se quiere alcanzar un nivel apertura/cierre de este horno, no son los más adecuados si se quiere alcanzar un nivel eficiente en la producción.
eficiente en la producción.
En esta investigación se propone el lazo de control automático para la operación del En esta investigación se propone el lazo de control automático para la operación del horno tipo Americano utilizado para la cocción de bloques y ladrillos de la empresa horno tipo Americano utilizado para la cocción de bloques y ladrillos de la empresa
Alcaribe C.A., considerando toda la selección de instrumentos y materiales permitiendo Alcaribe C.A., considerando toda la selección de instrumentos y materiales permitiendo el uso de tecnología de punta referente a estos equipos existentes en el mercado el uso de tecnología de punta referente a estos equipos existentes en el mercado nacional e internacional generando un impacto significativamente positivo en la nacional e internacional generando un impacto significativamente positivo en la producción a corto plazo.
producción a corto plazo.
La investigación se estructura de la siguiente manera: el primer capítulo hace referencia La investigación se estructura de la siguiente manera: el primer capítulo hace referencia a los antecedentes de investigaciones anteriores que sirvieron como apoyo a ésta, así a los antecedentes de investigaciones anteriores que sirvieron como apoyo a ésta, así como también la descripción del proceso de elaboración de bloques y ladrillos de arcilla; como también la descripción del proceso de elaboración de bloques y ladrillos de arcilla; en el segundo capítulo se definen las bases teóricas necesarias para el entendimiento en el segundo capítulo se definen las bases teóricas necesarias para el entendimiento de la investigación, el tercer capitulo describe el tipo y diseño de investigación que de la investigación, el tercer capitulo describe el tipo y diseño de investigación que permitió abordar el objeto de estudio y el procedimiento que se llevará a cabo para permitió abordar el objeto de estudio y el procedimiento que se llevará a cabo para cumplir los objetivos. En el capítulo cuarto se analizan los resultados obtenidos con la cumplir los objetivos. En el capítulo cuarto se analizan los resultados obtenidos con la finalidad de realizar el diseño del lazo de control.
CAPITULO I
CAPÍTULO I CAPÍTULO I
1.1. Antecedentes de la investigación 1.1. Antecedentes de la investigación
Para la elaboración de esta investigación fué necesario verificar y analizar otros trabajos Para la elaboración de esta investigación fué necesario verificar y analizar otros trabajos especiales de grado que sirvieron de apoyo o antecedentes para soportar directa o especiales de grado que sirvieron de apoyo o antecedentes para soportar directa o indirectamente la información acá mencionada:
indirectamente la información acá mencionada:
Cheliotis
Cheliotis (2001), r(2001), realizó ealizó un estudio un estudio titulado titulado ““ Desarrollo del prototipo de un sistemaDesarrollo del prototipo de un sistema de control para soldadura industrial con control digital en la empresa Metal Arte de control para soldadura industrial con control digital en la empresa Metal Arte C.A”
C.A”, Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín, El propósito de ésta investigación fue el, Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín, El propósito de ésta investigación fue el desarrollo de un prototipo de un sistema de control para soldadura con control Digital; desarrollo de un prototipo de un sistema de control para soldadura con control Digital; de la cual se recopiló la información necesaria bibliográfica, y las entrevistas con de la cual se recopiló la información necesaria bibliográfica, y las entrevistas con personas especializadas en el área, con la finalidad de instalar los requerimientos personas especializadas en el área, con la finalidad de instalar los requerimientos imprescindibles para implantar el propósito.
imprescindibles para implantar el propósito.
La metodología utilizada se define como investigación proyectiva ya que propone La metodología utilizada se define como investigación proyectiva ya que propone soluciones a una situación determinada, explorando, describiendo, explicando y soluciones a una situación determinada, explorando, describiendo, explicando y proponiendo alternativas de cambio mas no necesariamente para ejecutar la propuesta. proponiendo alternativas de cambio mas no necesariamente para ejecutar la propuesta. Es aplicada cuya misión es resolver un problema en un periodo corto, de igual manera Es aplicada cuya misión es resolver un problema en un periodo corto, de igual manera se considera descriptiva porque se orienta en recolectar información relacionada al se considera descriptiva porque se orienta en recolectar información relacionada al estado real de la situación o fenómenos tal como se presentaron en el momento de su estado real de la situación o fenómenos tal como se presentaron en el momento de su recolección.
recolección.
Los resultados obtenidos demostraron la necesidad de automatizar el proceso de Los resultados obtenidos demostraron la necesidad de automatizar el proceso de soldadura debido a las ventajas logradas, así como el incremento de la producción, soldadura debido a las ventajas logradas, así como el incremento de la producción, disminución del costo de la mano de obra y tiempo de producción, de igual manera el disminución del costo de la mano de obra y tiempo de producción, de igual manera el proceso automatizado se puede desarrollar progresivamente y puede ser modificado. proceso automatizado se puede desarrollar progresivamente y puede ser modificado.
Galué
Galué (2002), (2002), realizó realizó el el estudioestudio “Sistema de control para la automatización del“Sistema de control para la automatización del horno de pruebas - simulador de temperaturas de perforación utilizado en las horno de pruebas - simulador de temperaturas de perforación utilizado en las herramientas LWD y MWD Caso: Schlumberger, División Anadrill”
herramientas LWD y MWD Caso: Schlumberger, División Anadrill”, Universidad Dr., Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. El propósito de la investigación fue implantar un sistema de Rafael Belloso Chacín. El propósito de la investigación fue implantar un sistema de control con características PID para la automatización del horno de pruebas - simulador control con características PID para la automatización del horno de pruebas - simulador de temperaturas de perforación modelo PTCI-26.
de temperaturas de perforación modelo PTCI-26.
La investigación fue enmarcada dentro del tipo aplicada según el propósito, explicativa La investigación fue enmarcada dentro del tipo aplicada según el propósito, explicativa según la intención y de campo según la fuente de datos seleccionada. Así mismo para según la intención y de campo según la fuente de datos seleccionada. Así mismo para desarrollar este estudio se estructuró una metodología que explica el proceso de diseño desarrollar este estudio se estructuró una metodología que explica el proceso de diseño e implantación. Se realizó la descripción de la situación actual del sistema de control y e implantación. Se realizó la descripción de la situación actual del sistema de control y del funcionamiento
del funcionamiento del horno, del horno, para luego, para luego, identificar identificar las señales las señales que conforman que conforman laslas conexiones eléctricas, el cual se analizaron las diversas alternativas para la conexiones eléctricas, el cual se analizaron las diversas alternativas para la automatización y el estudio de factibilidad técnica, operativo y económica de los automatización y el estudio de factibilidad técnica, operativo y económica de los requerimientos para
requerimientos para la implela implementación del mentación del sistema de sistema de control automático, control automático, como como lala evaluación del sistema, realizando pruebas de calibración a las herramientas LWD y evaluación del sistema, realizando pruebas de calibración a las herramientas LWD y MWD.
MWD.
Con la implantación de este controlador se logró obtener mayor estabilidad, aumento en Con la implantación de este controlador se logró obtener mayor estabilidad, aumento en la velocidad de respuesta, precisión en el control de la temperatura y una calibración la velocidad de respuesta, precisión en el control de la temperatura y una calibración más precisa de las herramientas determinada por las pruebas aplicadas a las mismas. más precisa de las herramientas determinada por las pruebas aplicadas a las mismas.
Martínez
Martínez (2003), r(2003), realizó el ealizó el estudio tituladoestudio titulado “Diseño de un sistema de control para la“Diseño de un sistema de control para la automatización de una planta procesadora de productos metálicos”
automatización de una planta procesadora de productos metálicos”, Universidad, Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. El propósito del estudio fue el diseño de un sistema de Dr. Rafael Belloso Chacín. El propósito del estudio fue el diseño de un sistema de control para automatizar una planta procesadora de productos metálicos. Caso control para automatizar una planta procesadora de productos metálicos. Caso METALÚRGICA ZULIANA C.A. para lo cual se estudió el proceso de fabricación en el METALÚRGICA ZULIANA C.A. para lo cual se estudió el proceso de fabricación en el taller central. El diseño de la metodología fue establecida mediante un cronograma de taller central. El diseño de la metodología fue establecida mediante un cronograma de actividades predefinida para tal investigación.
La investigación fue no experimental y de carácter descriptivo. Los resultados de éste La investigación fue no experimental y de carácter descriptivo. Los resultados de éste estudio evidenciaron que el sistema de control distribuido era un dispositivo capaz de estudio evidenciaron que el sistema de control distribuido era un dispositivo capaz de cubrir las necesidades de producción en la industria, sustituyendo la lógica de control cubrir las necesidades de producción en la industria, sustituyendo la lógica de control basado en relés electromecánicos, disminuyendo las fallas, especialmente en las basado en relés electromecánicos, disminuyendo las fallas, especialmente en las operaciones de conmutación de estos dispositivos, como consecuencia de ésta, operaciones de conmutación de estos dispositivos, como consecuencia de ésta, minimizando las continuas paradas innecesarias y los costos de operación. Alguna minimizando las continuas paradas innecesarias y los costos de operación. Alguna ventaja de este sistema es su versatilidad, su mínimo mantenimiento, menos consumo ventaja de este sistema es su versatilidad, su mínimo mantenimiento, menos consumo de energía, mejor eficacia y confiabilidad, mayor velocidad de funcionamiento. Es de energía, mejor eficacia y confiabilidad, mayor velocidad de funcionamiento. Es importante mencionar, que el sistema propuesto es aplicable al resto de las industrias importante mencionar, que el sistema propuesto es aplicable al resto de las industrias que se dediquen al proceso de fabricación.
que se dediquen al proceso de fabricación.
Arrieta y Marrufo (2006), ”
Arrieta y Marrufo (2006), ”Diseño de un horno a gas para tratamientos térmicos”Diseño de un horno a gas para tratamientos térmicos” Universidad del Zulia, Programa de Ingeniería, Cabimas. Ante la necesidad por siempre Universidad del Zulia, Programa de Ingeniería, Cabimas. Ante la necesidad por siempre de crear un estudianta
de crear un estudiantado mas competitivo debido do mas competitivo debido al desarrollo proal desarrollo profesional de fesional de muchos ymuchos y ante la carencias de
ante la carencias de ciertas herramientas ciertas herramientas se decidió con el se decidió con el apoyo de la Universiapoyo de la Universidad deldad del Zulia iniciar un proyecto de construir un horno a gas para tratamientos térmicos, divido Zulia iniciar un proyecto de construir un horno a gas para tratamientos térmicos, divido en varias fases, empezando por la fase de diseño para posterior construcción en las en varias fases, empezando por la fase de diseño para posterior construcción en las instalaciones del núcleo Costa Oriental del Lago; y que se utilizaran como complemento instalaciones del núcleo Costa Oriental del Lago; y que se utilizaran como complemento practico de la cátedra Materiales para Ingeniería,
practico de la cátedra Materiales para Ingeniería,
El horno diseñado cuenta con un quemador de llama corta modelo vortiflare y una El horno diseñado cuenta con un quemador de llama corta modelo vortiflare y una solera para una capacidad de 150 Kg., además, de una puerta refractaria convencional solera para una capacidad de 150 Kg., además, de una puerta refractaria convencional fijada con bisagras y pernos lo mas sencillo posible para reparaciones posteriores de fijada con bisagras y pernos lo mas sencillo posible para reparaciones posteriores de mayor facilidad.
mayor facilidad.
Mogollon (2008), “
Mogollon (2008), “Diseño del sistema de control de velocidad de un balancínDiseño del sistema de control de velocidad de un balancín”” Universidad del Zulia, Facultad de Ingeniería, Maracaibo. El propósito fundamental de Universidad del Zulia, Facultad de Ingeniería, Maracaibo. El propósito fundamental de esta investigación es el diseñar un sistema de control basado en una carta dinagráfica esta investigación es el diseñar un sistema de control basado en una carta dinagráfica automatizada para la regulación del variador de velocidad de un balancín de extracción automatizada para la regulación del variador de velocidad de un balancín de extracción de petróleo tipo convencional. La investigación consta de siete etapas como son: de petróleo tipo convencional. La investigación consta de siete etapas como son:
Análisis del funcionamiento del sistema de bombeo mecánico, análisis de los métodos Análisis del funcionamiento del sistema de bombeo mecánico, análisis de los métodos utilizados para la obtención de la carta dinagráfica, descripción de herramientas para la utilizados para la obtención de la carta dinagráfica, descripción de herramientas para la medición de las cartas dinagráficas, desarrollo de un algoritmo para construcción del medición de las cartas dinagráficas, desarrollo de un algoritmo para construcción del dinagrama de fondo, desarrollo de una rutina que permita la construcción del dinagrama dinagrama de fondo, desarrollo de una rutina que permita la construcción del dinagrama de cargas permisibles y torque de la caja de engranaje, diagnostico del funcionamiento de cargas permisibles y torque de la caja de engranaje, diagnostico del funcionamiento del sistema de bombeo mecánico por medio de la carta y la implementación de los del sistema de bombeo mecánico por medio de la carta y la implementación de los algoritmos en un controlador compact logix para la manipulación del variador de algoritmos en un controlador compact logix para la manipulación del variador de velocidad con despliegue de la información en un dispositivo graficador (panel view). velocidad con despliegue de la información en un dispositivo graficador (panel view).
Con este sistema se obtuvo un mayor control de los sistemas de bombeo mecánico, ya Con este sistema se obtuvo un mayor control de los sistemas de bombeo mecánico, ya que se basó en el análisis de la carta para diagnosticar el funcionamiento dando que se basó en el análisis de la carta para diagnosticar el funcionamiento dando repuesta inmediata de variación de velocidad de bombeo mejorando el funcionamiento repuesta inmediata de variación de velocidad de bombeo mejorando el funcionamiento de todo el sistema.
de todo el sistema.
1.2 Proceso de elaboración de bloques y ladrillos 1.2 Proceso de elaboración de bloques y ladrillos
1.2.1 Selección de la materia prima 1.2.1 Selección de la materia prima
La materia prima para la fabricación de bloques es la arcilla monoporosa seleccionada La materia prima para la fabricación de bloques es la arcilla monoporosa seleccionada de los diferentes frentes de trabajo o locaciones de la mina de arcillas. En general se de los diferentes frentes de trabajo o locaciones de la mina de arcillas. En general se puede afirmar que el 20% está constituido por capa vegetal y el 80% restante lo forman puede afirmar que el 20% está constituido por capa vegetal y el 80% restante lo forman los diferentes barros de la mina.
los diferentes barros de la mina.
La arcilla contiene oxido de silicio (SiO
La arcilla contiene oxido de silicio (SiO22), oxido de aluminio (Al), oxido de aluminio (Al22O), oxido de hierroO), oxido de hierro
(Fe
(Fe22OO22), agua y otros componentes en bajas proporciones como oxido de manganeso,), agua y otros componentes en bajas proporciones como oxido de manganeso,
álcalis y ácidos, sustancias solubles como sales y material orgánico, entre otros. Estos álcalis y ácidos, sustancias solubles como sales y material orgánico, entre otros. Estos diferentes componentes la dan a la arcilla propiedades importantes como son la diferentes componentes la dan a la arcilla propiedades importantes como son la plasticidad,
plasticidad, la capilaridad y lla capilaridad y la vitrificación, características a vitrificación, características estas que hacen que la arcillaestas que hacen que la arcilla tenga las especificaciones requeridas para obtener un bloque de buena calidad. tenga las especificaciones requeridas para obtener un bloque de buena calidad. (Alcaribe, 2008)
1.2.2 Adecuación de la materia prima 1.2.2 Adecuación de la materia prima
Al seleccionar
Al seleccionar el frente el frente de trabajo de trabajo en la en la mina, la mina, la materia materia prima se prima se mezclamezcla mecánicamente mediante (Cargadores frontal y tractores de orugas) para obtener mecánicamente mediante (Cargadores frontal y tractores de orugas) para obtener características homogéneas, luego se le va agregando agua, dejando madurar dicha características homogéneas, luego se le va agregando agua, dejando madurar dicha mezcla aproximadamente 15
mezcla aproximadamente 15 días. días. Luego es transportada Luego es transportada en camiones volteo en camiones volteo hasta lahasta la tolva de alimentación para continuar el proceso de producción. (Alcaribe, 2008)
tolva de alimentación para continuar el proceso de producción. (Alcaribe, 2008)
1.2.3 Tolva de alimentación primaria 1.2.3 Tolva de alimentación primaria
En la tolva de alimentación se encuentra el desintegrador que se encarga de triturar los En la tolva de alimentación se encuentra el desintegrador que se encarga de triturar los terrones de mayor tamaño, más duros y compactos, por la acción de ejes dentados. terrones de mayor tamaño, más duros y compactos, por la acción de ejes dentados. (Alcaribe, 2008)
(Alcaribe, 2008)
1.2.4 Molazza 1.2.4 Molazza
Seguidamente el material es transportado mediante una cinta transportadora hacia la Seguidamente el material es transportado mediante una cinta transportadora hacia la molazza, donde a través de un sistema triturador de ruedas se reducen las dimensiones molazza, donde a través de un sistema triturador de ruedas se reducen las dimensiones de los terrones hasta un diámetro de entre 15 y 20 mm. (Alcaribe, 2008)
de los terrones hasta un diámetro de entre 15 y 20 mm. (Alcaribe, 2008)
1.2.5 Laminador 1.2.5 Laminador
Está constituido por dos cilindros rotatorios lisos montados en ejes paralelos que tienen Está constituido por dos cilindros rotatorios lisos montados en ejes paralelos que tienen una separación de 5 mm y giran a diferentes velocidades, capaces de triturar la arcilla y una separación de 5 mm y giran a diferentes velocidades, capaces de triturar la arcilla y las piedras, originando el primer refinado de la materia prima. (Alcaribe, 2008)
1.2.6 Tolva de alimentación secundaria 1.2.6 Tolva de alimentación secundaria
Es el lugar utilizado para almacenar materia prima y poder abastecer a la maquina Es el lugar utilizado para almacenar materia prima y poder abastecer a la maquina extrusora. (Alcaribe, 2008)
extrusora. (Alcaribe, 2008)
1.2.7 Laminador refinador 1.2.7 Laminador refinador
Está formado por dos cilindros rotatorios lisos montados en ejes paralelos, con Está formado por dos cilindros rotatorios lisos montados en ejes paralelos, con separación, entre sí, de 1 a 2 mm, espacio por el cual se hace pasar la arcilla separación, entre sí, de 1 a 2 mm, espacio por el cual se hace pasar la arcilla sometiéndola a una compresión y planchado que hacen aún más pequeñas las sometiéndola a una compresión y planchado que hacen aún más pequeñas las partículas. En esta última fase se consigue la eventual trituración de los últimos nódulos partículas. En esta última fase se consigue la eventual trituración de los últimos nódulos que pudieran estar, todavía, en el interior del material. (Alcaribe, 2008)
que pudieran estar, todavía, en el interior del material. (Alcaribe, 2008)
1.2.8 Moldeado 1.2.8 Moldeado
En esta sección se le adiciona agua al material, dándole el grado de humedad En esta sección se le adiciona agua al material, dándole el grado de humedad necesario para que la máquina mezcladora opere adecuadamente. El material necesario para que la máquina mezcladora opere adecuadamente. El material previamente mezclado es empujado por medio de hélices a través de una parrilla hacia previamente mezclado es empujado por medio de hélices a través de una parrilla hacia la cámara de vacío para ser compactado, luego se hace pasar la mezcla de arcilla a la cámara de vacío para ser compactado, luego se hace pasar la mezcla de arcilla a través de una boquilla al final de la extrusora. La boquilla se configura según la pieza través de una boquilla al final de la extrusora. La boquilla se configura según la pieza que se quiere producir.
que se quiere producir.
Posteriormente el producto moldeado es llevado mediante la banda transportadora, Posteriormente el producto moldeado es llevado mediante la banda transportadora, hasta la cortadora de alambre, donde se le dan las dimensiones estipuladas de acuerdo hasta la cortadora de alambre, donde se le dan las dimensiones estipuladas de acuerdo a las características del mismo. Seguidamente pasa por un sistema de rodillos donde se a las características del mismo. Seguidamente pasa por un sistema de rodillos donde se agrupan e introduce el material cortado en cada nivel de los estantes hasta completar la agrupan e introduce el material cortado en cada nivel de los estantes hasta completar la carga del mismo y luego ser trasladados por montacargas a los secaderos. (Alcaribe, carga del mismo y luego ser trasladados por montacargas a los secaderos. (Alcaribe, 2008)
1.2.9 Secado 1.2.9 Secado
El secado es una de las fases más delicadas del proceso de producción. De esta etapa El secado es una de las fases más delicadas del proceso de producción. De esta etapa depende, en gran parte, el buen resultado y calidad del material, más que nada en lo depende, en gran parte, el buen resultado y calidad del material, más que nada en lo que respecta a la ausencia de fisuras. El secado tiene la finalidad de eliminar el agua que respecta a la ausencia de fisuras. El secado tiene la finalidad de eliminar el agua agregada en la fase de moldeado, antes de pasar a la etapa de cocción.
agregada en la fase de moldeado, antes de pasar a la etapa de cocción.
La eliminación del agua del material crudo, se lleve a cabo aplicando superficialmente, La eliminación del agua del material crudo, se lleve a cabo aplicando superficialmente, aire caliente con una cantidad de humedad variable. Eso permite evitar golpes aire caliente con una cantidad de humedad variable. Eso permite evitar golpes termo-higrométricos que puedan producir una disminución de la masa de agua a ritmos higrométricos que puedan producir una disminución de la masa de agua a ritmos diferentes en distintas zonas del material y, por lo tanto, a producir fisuras localizadas. diferentes en distintas zonas del material y, por lo tanto, a producir fisuras localizadas. (Alcaribe, 2008)
(Alcaribe, 2008)
1.2.10 Cocción 1.2.10 Cocción
Se realiza tanto en hornos tipo Hoffmann como en Americanos donde la temperatura de Se realiza tanto en hornos tipo Hoffmann como en Americanos donde la temperatura de la zona
la zona de coccde cocción oscila entre ión oscila entre 850°850°C y 900C y 900°°C. Es dC. Es durante la courante la cocción donde cción donde se producese produce la sinterización, de manera que esta, resulta una de las fases cruciales del proceso en la sinterización, de manera que esta, resulta una de las fases cruciales del proceso en lo que a la resistencia
lo que a la resistencia de bloques y de bloques y ladrillos respecta. (Alcaribladrillos respecta. (Alcaribe, 2008)e, 2008)
1.2.10.1 Horno Hoffmann 1.2.10.1 Horno Hoffmann
El horno Hoffmann esta construido de ladrillos refractario en forma de bóveda, con una El horno Hoffmann esta construido de ladrillos refractario en forma de bóveda, con una capacidad de carga de 180 toneladas las cuales se configuran en pacas de 524 bloques capacidad de carga de 180 toneladas las cuales se configuran en pacas de 524 bloques de 10x20x30 cm o 346 bloques de 15x20x30 cm y cualquier otro producto alfarero, de 10x20x30 cm o 346 bloques de 15x20x30 cm y cualquier otro producto alfarero, posteriormente estas son ubicadas dentro del horno por un montacargas una al lado de posteriormente estas son ubicadas dentro del horno por un montacargas una al lado de la otra formando un tramo, hasta cargarlo completamente. Luego de cargado se la otra formando un tramo, hasta cargarlo completamente. Luego de cargado se procede a cerrar los extremos del horno construyendo una pared con platabandas y procede a cerrar los extremos del horno construyendo una pared con platabandas y
barro, después se inicia el proceso de encendido colocando dos quemadores con una barro, después se inicia el proceso de encendido colocando dos quemadores con una mezcla de
mezcla de aire y aire y gas, gas, hasta alcanzar 5hasta alcanzar 550 ºC.50 ºC.
Seguidamente se inyecta fuel-oil, este se suministra por la parte superior por medio de Seguidamente se inyecta fuel-oil, este se suministra por la parte superior por medio de una bomba y un sistema distribuidor de 10 quemadores portátil instalado sobre un una bomba y un sistema distribuidor de 10 quemadores portátil instalado sobre un chasis con ruedas para transportarlo manualmente de tramo en tramo, se eleva la chasis con ruedas para transportarlo manualmente de tramo en tramo, se eleva la temperatura hasta 900 ºC que es la temperatura ideal de cocción y se mantiene durante temperatura hasta 900 ºC que es la temperatura ideal de cocción y se mantiene durante 1.5 horas aproximadamente en cada tramo.
1.5 horas aproximadamente en cada tramo.
Posee un total de 40 secciones en donde se realiza la cocción del material Posee un total de 40 secciones en donde se realiza la cocción del material individualmente, tiene un canal a lo largo del horno para el flujo del aire caliente el cual individualmente, tiene un canal a lo largo del horno para el flujo del aire caliente el cual es forzado por un ventilador a circular por todo el hogar y ser aprovechado por las otras es forzado por un ventilador a circular por todo el hogar y ser aprovechado por las otras pacas hasta ser expulsado a la chimenea. (Alcaribe, 2008)
pacas hasta ser expulsado a la chimenea. (Alcaribe, 2008)
1.2.10.2 Horno Americano 1.2.10.2 Horno Americano
El horno americano esta construido de ladrillos refractarios con tres (3) paredes en El horno americano esta construido de ladrillos refractarios con tres (3) paredes en forma de “U” con las siguientes dimensiones: Largo: 17 metros, ancho: 8.8 metros, forma de “U” con las siguientes dimensiones: Largo: 17 metros, ancho: 8.8 metros, altura: 3.6 metros, espesor de pared: 0.9 metros. Tiene una capacidad de carga de altura: 3.6 metros, espesor de pared: 0.9 metros. Tiene una capacidad de carga de hasta 250 toneladas de productos de arcilla las cuales son transportadas desde los hasta 250 toneladas de productos de arcilla las cuales son transportadas desde los secaderos en estantes por montacargas y luego son cargadas en este horno secaderos en estantes por montacargas y luego son cargadas en este horno manualmente por el personal encargado, hasta completar todo el volumen interno de manualmente por el personal encargado, hasta completar todo el volumen interno de esta unidad.
esta unidad.
Una vez cargado en su totalidad, se cierra el extremo abierto construyendo una pared Una vez cargado en su totalidad, se cierra el extremo abierto construyendo una pared con platabandas y barro, la parte superior es tapada colocando manualmente dos (2) con platabandas y barro, la parte superior es tapada colocando manualmente dos (2) capas de bloques de 10X20X30 cm., cocidos en toda la superficie, ya que no posee capas de bloques de 10X20X30 cm., cocidos en toda la superficie, ya que no posee techo. Posee quemadores de gas que emiten los productos de combustión techo. Posee quemadores de gas que emiten los productos de combustión directamente al material a cocer y están ubicados en la parte inferior de las paredes directamente al material a cocer y están ubicados en la parte inferior de las paredes laterales, once (11) de cada lado para un total de veintidós (22) quemadores, laterales, once (11) de cada lado para un total de veintidós (22) quemadores,
alimentados de una tubería principal de gas metano y cada uno posee una válvula de alimentados de una tubería principal de gas metano y cada uno posee una válvula de bola de ½” para ser regulado de forma manual.
bola de ½” para ser regulado de forma manual.
La cocción se realiza encendiendo los quemadores a fuego mínimo durante doce (12) La cocción se realiza encendiendo los quemadores a fuego mínimo durante doce (12) horas para el precalentado del material, luego se va abriendo la válvula según la horas para el precalentado del material, luego se va abriendo la válvula según la apreciación del fogonero para ir incrementando la temperatura lentamente hasta apreciación del fogonero para ir incrementando la temperatura lentamente hasta alcanzar los 850ºC – 900ºC, en este rango permanece un tiempo aproximado de (12) alcanzar los 850ºC – 900ºC, en este rango permanece un tiempo aproximado de (12) horas, posteriormente se apagan los quemadores y se deja enfriar durante treinta (30) horas, posteriormente se apagan los quemadores y se deja enfriar durante treinta (30) horas. (Alcaribe, 2008)
horas. (Alcaribe, 2008)
1.2.11 Almacenamiento 1.2.11 Almacenamiento
Al salir de los hornos y después de la inspección, donde se verifican algunas Al salir de los hornos y después de la inspección, donde se verifican algunas características como aspecto, forma, color, presencia de grietas, sonido, entre otros, el características como aspecto, forma, color, presencia de grietas, sonido, entre otros, el producto es almacenado en el patio o despachado al cliente. (Alcaribe, 2008)
producto es almacenado en el patio o despachado al cliente. (Alcaribe, 2008)
En la figura 1 se muestra un diagrama del proceso de producción de la empresa En la figura 1 se muestra un diagrama del proceso de producción de la empresa
Figura 1. Diagrama del proceso de elaboración de bloques y ladrillos de Alcaribe C.A. Figura 1. Diagrama del proceso de elaboración de bloques y ladrillos de Alcaribe C.A.
Fuente: Alcaribe 2008 Fuente: Alcaribe 2008
1.3 Principios generales de la cocción 1.3 Principios generales de la cocción
La cocción es la fase central del proceso alfarero, caracterizada por un conjunto, La cocción es la fase central del proceso alfarero, caracterizada por un conjunto, bastante complejo, de transformaciones físicas y reacciones químicas que son bastante complejo, de transformaciones físicas y reacciones químicas que son necesario conocer para poder gestionar y controlar este proceso. Para adquirir el necesario conocer para poder gestionar y controlar este proceso. Para adquirir el conocimiento del conjunto de transformaciones físico-químicas que se producen en el conocimiento del conjunto de transformaciones físico-químicas que se producen en el cuerpo del producto alfarero expuesto a cocción, se sirve de instrumentos de laboratorio cuerpo del producto alfarero expuesto a cocción, se sirve de instrumentos de laboratorio que permiten seguir una serie de análisis que son la base de partida para definir los que permiten seguir una serie de análisis que son la base de partida para definir los parámetros de la cocción de cada material. (Alcaribe, 2008)
parámetros de la cocción de cada material. (Alcaribe, 2008)
Es oportuno dar una indicación de aquellos fenómenos más importantes, que se Es oportuno dar una indicación de aquellos fenómenos más importantes, que se producen en una
producen en una pieza alfarera durante pieza alfarera durante la cocción. En general la cocción. En general se puede decir que se puede decir que enen las diferentes fases de la cocción se producen los siguientes:
las diferentes fases de la cocción se producen los siguientes:
TRANSPORTE TRANSPORTE DESDE MINA DESDE MINA HASTA TOLVA HASTA TOLVA TOLVA DE TOLVA DE ALIMENTACIÓN ALIMENTACIÓN PRIMARIA PRIMARIA MOLAZZA MOLAZZA LAMINADOR LAMINADOR TOLVA DE TOLVA DE ALIMENTACIÓN ALIMENTACIÓN SECUNDARIA SECUNDARIA LAMINADOR LAMINADOR REFINADOR REFINADOR MOLDEADO Y MOLDEADO Y CORTADO CORTADO EXTRACCIÓN Y EXTRACCIÓN Y SELECCIÓN DE SELECCIÓN DE MATERIA PRIMA MATERIA PRIMA ADECUACIÓN DE ADECUACIÓN DE LA MATERIA LA MATERIA PRIMA PRIMA COCCIÓN COCCIÓN ALMACENAMIENTO
Próximo a los 100 ºC se produce la eliminación del agua higroscópica de laPróximo a los 100 ºC se produce la eliminación del agua higroscópica de la
humedad residual, después de un mal secado o absorbida por el ambiente. humedad residual, después de un mal secado o absorbida por el ambiente.
Próximo a los 200 ºC se produce la eliminación del agua ceolítica, cuyas moléculasPróximo a los 200 ºC se produce la eliminación del agua ceolítica, cuyas moléculas
están ligadas por absorción en la estructura cristalina. están ligadas por absorción en la estructura cristalina.
Entre 350 y 650 ºC se produce la combustión de la materia orgánica, que enEntre 350 y 650 ºC se produce la combustión de la materia orgánica, que en
diversa cantidad puede estar contenida en la arcilla, y, disociación de sulfatos y diversa cantidad puede estar contenida en la arcilla, y, disociación de sulfatos y sulfuros con liberación de anhídridos sulfurosos.
sulfuros con liberación de anhídridos sulfurosos.
Entre 450 y 650 ºC, eliminación del agua de constitución y consiguiente destrucciónEntre 450 y 650 ºC, eliminación del agua de constitución y consiguiente destrucción
del retículo cristalino. del retículo cristalino.
A 573 ºC, transformación alotrópica del cuarzo determinando un brusco aumentoA 573 ºC, transformación alotrópica del cuarzo determinando un brusco aumento
del volumen. del volumen.
Entre 800 ºC y 900 ºC descarbonatación de la calEntre 800 ºC y 900 ºC descarbonatación de la cal
Para el material a
Para el material a cocer, cocer, se determina una curva se determina una curva (temperatura/tiempo) que, teniendo (temperatura/tiempo) que, teniendo enen cuenta los puntos críticos típicos del material, fija el ciclo y el gradiente térmico en cada cuenta los puntos críticos típicos del material, fija el ciclo y el gradiente térmico en cada fase de la cocción para asegurar un buen resultado. La curva de cocción real, se traza fase de la cocción para asegurar un buen resultado. La curva de cocción real, se traza tomando la temperatura de las distintas zonas del horno. (Alcaribe, 2008) En la figura 2 tomando la temperatura de las distintas zonas del horno. (Alcaribe, 2008) En la figura 2 se muestra la curva de cocción ideal.
se muestra la curva de cocción ideal.
Figura 2. Curva de cocción temperatura - tiempo Figura 2. Curva de cocción temperatura - tiempo
Fuente: Alcaribe, 2008 Fuente: Alcaribe, 2008 Curva de cocción Curva de cocción 0 0 100 100 200 200 300 300 400 400 500 500 600 600 700 700 800 800 900 900 1000 1000 0 0 5 5 110 0 115 5 220 0 225 5 330 0 335 5 440 0 445 5 550 0 555 5 660 0 6655 Tiempo (horas) Tiempo (horas) T T e e m m p p e e r r a a t t u u r r a a ( ( º º C C ) )
