UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Extensión Santo Domingo
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Y AUTOMATIZACIÓN
Tesis de grado previa a la obtención del título de:
INGENIEROS ELECTROMECÁNICOS, MENCIÓN EN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE AUTOCLAVE UTILIZADO EN PROCESOS DE CONSERVAS Y CONTROLADO MEDIANTE UN HMI PARA EL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUÍDOS EN EL AÑO 2012”
Estudiantes:
EDUARDO DAVID PONTÓN BRAVO EDGAR XAVIER REINO REYNA
Director de Tesis:
Ing. JAVIER DÍAZ. MsC.
Santo Domingo – Ecuador
ii
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE AUTOCLAVE UTILIZADO EN PROCESOS DE CONSERVAS Y CONTROLADO MEDIANTE UN HMI PARA EL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUÍDOS EN EL AÑO 2012.
Ing. Javier Díaz. MsC.
DIRECTOR DE TESIS ________________________________
APROBADO
Ing. Nilo Ortega
PRESIDENTE DEL TRIBUNAL ________________________________
Ing. Carlos Centeno
MIEMBRO DEL TRIBUNAL ________________________________
Ing. Víctor Armijos
MIEMBRO DEL TRIBUNAL ________________________________
iii
El contenido del presente trabajo, está bajo la responsabilidad de los autores:
_________________________________ Edgar Xavier Reino Reyna C.I 172323852-1
_________________________________ Eduardo David Pontón Bravo C.I 172298958-7
Autores: EDGAR XAVIER REINO REYNA
EDUARDO DAVID PONTÓN BRAVO
Institución: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
Título de Tesis: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE AUTOCLAVE UTILIZADO EN PROCESOS DE CONSERVAS Y CONTROLADO MEDIANTE UN HMI PARA EL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUÍDOS EN EL AÑO 2012.
iv
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Extensión Santo Domingo
INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS
Santo Domingo…...de………..del 2013.
Ing. Nilo Ortega
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Y AUTOMATIZACIÓN
Estimado Ingeniero
Mediante la presente tengo a bien informar que el trabajo investigativo
realizado por los señores: EDGAR XAVIER REINO REYNA Y EDUARDO
DAVID PONTÓN BRAVO, cuyo tema es: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE AUTOCLAVE UTILIZADO EN PROCESOS DE CONSERVAS Y CONTROLADO MEDIANTE UN HMI PARA EL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUÍDOS EN EL AÑO 2012.”, ha sido
elaborado bajo mi supervisión y revisado en todas sus partes, por lo cual
autorizo su respectiva presentación.
Particular que informo para fines pertinentes.
Atentamente,
____________________________
Ing. Javier Díaz. MsC.
v
DEDICATORIA
El presente trabajo está dedicado a las personas soñadoras, perseverantes y luchadoras, aquellos que trabajan día a día por alcanzar sus ideales, que nunca se rinden y siempre hacen frente a las adversidades.
Aquellos que tienen fe en un ser supremo y que mantienen la esperanza viva de un mundo mejor.
A quienes confían en sus capacidades, habilidades y destrezas, que creen en sí mismos pero a la vez que son humildes y con sencillez aceptan sus errores y solicitan ayuda cuando lo necesitan.
vi
AGRADECIMIENTOS
A Dios la luz que guía mi camino y me concede el privilegio de disfrutar la vida.
A mis padres por brindarme su apoyo incondicional, compresión y afecto desde
niño.
Gracias mami por estar junto a mí en los momentos difíciles, por siempre
darme ánimos para continuar luchando, por ser paciente y soportar mis malos
ratos.
Gracias papi por tu confianza y cariño, por haberme educado para ser un
hombre de bien.
A mi hermana Patricia por todos tus consejos, por ayudarme
desinteresadamente y creer en mis aptitudes.
A mi tía Luz por estar pendiente de mi formación académica, gracias por tu
generosidad y estima.
A Edgar por permitirme ser mi amigo y compañero colaborando junto a mí en la
realización de este trabajo.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial en la cual he forjado mis
conocimientos profesionales tanto prácticos como teóricos.
Al Ing. Javier Díaz por su ayuda y guía en el desarrollo de este proyecto de
tesis, por brindarme su tiempo para responder mis inquietudes y compartir
sugerencias y opiniones.
vii
AGRADECIMIENTOS
A Dios por darme la vida y haberme escogido los mejores papas que un hijo
puede pedir; además de guiarme por el camino del bien.
A mi mami por educarme desde un inicio, ayudarme en mis primeros pasos por
la vida siempre cuidándome, apoyándome con el fin de que sea un hombre de
bien y cumpla mis metas.
A mi papi que siempre estuvo pendiente de mí haciendo que nunca me faltara
nada, ni que algo me lastime, el que siempre estuvo conmigo en las buenas y
en las malas dándome fuerzas apoyándome fisca y moralmente.
A David por ser mi amigo y acompañarme en este trabajo que significa mucho
para mí y mi familia.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial por haberme formado como un
profesional de bien y ser parte de este grupo de personas tan especiales que
aportan con el desarrollo de mi país.
Al Ing. Javier Díaz por su ayuda y paciencia en el momento que se presentó
algún inconveniente, siempre respondiendo alguna duda y buscando alguna
solución al problema que se presente.
A mis hermanas Lilibeth y Anahí que siempre han cuidado de mí en forma
incondicional.
viii
ÍNDICE DE CONTENIDO
TEMA PÁG.
Portada ………..i
Sustentación y aprobación de los integrantes del tribunal…...……….. ...ii
Responsabilidad del autor……...……..………..…………...……...iii
Aprobación del director de tesis…………..……….………..….………..iv
Dedicatoria….……….……….……….………...…………v
Agradecimientos…………..………..….…………vi
Índice……….……….………...viii
Resumen ejecutivo…...xix
Executive summary………..xxi
CAPÍTULO I TEMA
1.1 Planteamiento del problema 1
1.1.1 Diagnóstico 1
1.1.2 Pronóstico 1
1.1.3 Control del proceso 2
1.1.4 Formulación 2
1.1.5 Sistematización 3
1.2 Objetivos 3
1.2.1 Objetivo general 3
1.2.2 Objetivos específicos 3
1.3 Justificación 4
1.3.1 Justificación teórica 4
1.3.2 Justificación metodológica 5
ix CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.1 Conservas 7
2.1.1 Historia 7
2.1.2 Definición 8
2.1.3 Envases de conservas 9
2.1.3.1 Tipos de envase 9
2.1.3.1.1 Envases de vidrio 9
2.1.3.1.2 Envases de metal 10
2.1.3.1.3 Retort pouch 10
2.1.4 Técnicas de conservación por calor 11
2.1.4.1 La pasteurización 12
2.1.4.2 La esterilización 12
2.1.4.3 La uperización 13
2.2 Autoclave 14
2.2.1 Definición 14
2.2.2 Funcionamiento del autoclave 15
2.2.3 Partes de un autoclave 15
2.2.4 Tipos de autoclave 16
2.2.5 Autoclave industrial para procesos de conservas 17
2.3 Dispositivos de control automático 19
2.3.1 PLC 19
2.3.2 HMI 20
2.3.2.2 Funciones de un HMI 21
2.3.3 Electroválvula 21
2.3.4 Dispositivo térmico resistivo (RTD) 23
2.3.5 Transductor de presión 24
x
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL AUTOCLAVE
3.1 Diseño mecánico 26
3.1.1 Dimensiones 26
3.1.1.1 Volumen 26
3.1.1.2 Diámetro interno y longitud 26
3.1.2 Selección del material de construcción del cilindro 28
3.1.4 Diseño del cilindro 31
3.1.4.1 Espesor requerido y espesor de diseño 31
3.1.4.2 Peso de acero del cilindro 32
3.1.5 Selección de tapas y material de construcción 33
3.1.6 Diseño de tapas 36
3.1.6.1 Espesor requerido y espesor de diseño 36
3.1.6.2 Diámetro plano de las tapas 39
3.1.6.3 Peso de acero en tapas 40
3.1.7 Peso del recipiente 40
3.1.8 Diseño de silletas 42
3.1.8.1 Ubicación de silletas para el autoclave 42
3.1.8.2 Espesor del alma de la placa 43
3.1.8.3 Esfuerzos en recipientes con dos silletas 46
3.1.9 Diseño de la compuerta del autoclave 53
3.1.9.1 Diámetro de pie del diente de la tapa 54
3.1.9.3 Diámetro de cabeza del diente de la tapa 55
3.1.9.4 Ancho del diente de la tapa 55
3.1.9.5 Distancia entre dientes 56
3.1.9.6 Presión en la tapa 57
3.1.9.7 Área de la tapa 57
3.1.9.8 Fuerza ejercida en la tapa 58
3.1.9.9 Fuerza cortante sobre cada diente 59
3.1.9.10 Momento flector sobre cada diente 60
xi
3.1.9.12 Espesor del diente 63
3.1.10 Diseño del eje de apertura y cierre de la compuerta 63
3.1.10.1 Selección del material de construcción del eje 63
3.1.10.2 Momento flector en el eje 64
3.1.10.3 Esfuerzo máximo por flexión en el eje 67
3.1.10.4 Diámetro del eje 68
3.1.10.5 Longitud del eje 69
3.1.10.6 Selección del rodamiento 69
3.1.10.6.1 Fuerza axial y Fuerza radial 69
3.1.10.6.2 Selección del rodamiento 71
3.1.10.5.3 Vida útil del rodamiento 74
3.1.11 Diseño del mecanismo piñón cremallera 75
3.1.11.1 Diámetro primitivo 76
3.1.11.2 Número de dientes 77
3.1.11.3 Paso circular 77
3.1.11.4 Paso diametral 78
3.1.11.5 Altura de cabeza del diente 78
3.1.11.6 Altura de pie del diente 79
3.1.11.7 La altura total del diente 80
3.1.11.8 Diámetro de raíz 80
3.1.11.9 Espesor del diente 80
3.1.11.10 Profundidad de trabajo 81
3.1.11.11 Juego entre dientes 81
3.1.11.12 Ancho de cara del diente 82
3.1.11.13 Desplazamiento de la cremallera 83
3.1.11.14 Desplazamiento del piñón 83
3.1.11.15 Material de construcción del piñón y la cremallera 85
3.1.12 Cálculo del número de perforaciones en el distribuidor 86
3.2 Diseño térmico 89
3.2.1 Espesor del aislamiento térmico 89
3.2.2 Calor disipado en el cilindro 92
xii
3.2.3.1 Calor disipado en la tapa trasera 93
3.2.3.2 Calor disipado en la tapa delantera 94
3.2.4 Calor total disperso al medio ambiente 95
3.3.2 Diseño de la automatización 98
3.3.2.1 Selección de equipos del tablero 98
3.3.2.2 Diseño del tablero 100
3.3.2.2 Programación del HMI 100
3.3.2.3 Programación del PLC 114
3.3.2.4 Integración entre PLC y HMI. 116
3.3.2.5 Diagrama de flujo de la automatización 117
3.3.2.6 Arquitectura de la automatización 118
CAPÍTULO IV CONSTRUCCIÓN
4.1 Procesos en la construcción del autoclave 119
4.1.1 Construcción del cilindro 119
4.1.2 Construcción de las tapas torisféricas 120
4.1.2.1 Construcción de la tapa trasera 120
4.1.2.2 Construcción de la tapa delantera 121
4.1.4 Construcción de la ranura del empaque 125
4.1.5 Construcción de las silletas 127
4.1.6 Construcción del brazo 128
4.1.7 Construcción de la base para el eje de las chumaceras 130
4.1.8 Construcción de distribuidores de vapor y agua 131
4.1.9 Construcción de neplos 132
4.1.10 Construcción de la bandeja de productos 133
4.2 Ensamblaje de las partes del autoclave 135
4.2.1 Ensamblaje de la tapa trasera 135
4.2.2 Ensamblaje de neplos 136
4.2.3 Ensamblaje de las silletas 137
xiii
4.2.5 Ensamblaje del empaque 139
4.2.6 Ensamblaje de las canaletas 140
4.2.7 Ensamblaje del aislante térmico 140
4.2.8 Ensamblaje de instrumentos de medida y actuadores 142
4.2.9 Ensamblaje eléctrico 144
4.2.9.1 Cableado e instalación de equipos 144
4.2.9.2 Cable de comunicación entre el HMI y el PLC 148
4.3 Costos 148
4.3.1 Costos hora hombre máquina 149
4.3.2 Costos de materiales y equipos 150
4.3.3 Costos de ingeniería 153
4.3.4 Costos varios 153
4.3.5 Costoltotal 153
CAPÍTULO V
OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO
5.1 Principio de funcionamiento 154
5.3 Dispositivos y elementos del autoclave 155
5.3.1 Dispositivos de medición 156
5.3.1.1 Manómetro 156
5.3.1.2 Termómetro 156
5.3.2 Dispositivos de seguridad y purgas 157
5.3.2.1 Válvula de seguridad 157
5.3.2.2 Purgas 158
5.3.2.3 Trampa de vapor 159
5.3.3 Tablero de control eléctrico 159
5.4 Cierre de la tapa delantera 161
5.5 Instrucciones para el encendido y operación 163
5.5.1 Procedimiento general para el encendido 163
5.5.2 Operación del autoclave 164
xiv
5.5.2.2 Proceso automático 165
5.6 Diseño de formato de prácticas 169
5.7 Mantenimiento del autoclave 169
5.6.1 Mantenimiento diario 170
5.6.2 Mantenimiento semanal 170
5.6.3 Mantenimiento mensual 171
CAPÍTULO VI
PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
6.1 Comunicación entre PLC y HMI 172
6.2 Funcionamiento con PLC 172
6.3 Funcionamiento con HMI 173
6.4 Prueba neumática 173
6.5 Prueba de esterilización 175
CAPÍTULO VII
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 Conclusiones 177
7.2 Recomendaciones 180
BIBLIOGRAFÍA 181
ANEXOS
xv
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2. 1 Bolsa retortable 11
Figura 2. 2 Partes de un autoclave 16
Figura 2. 3 Representacíon gráfica de los tipos de autoclave 17
Figura 2. 4 Electroválvula de vapor 22
Figura 2. 5 Modelos de RTD 23
Figura 2. 6 Válvula de seguridad Sv Watson 25
Figura 3. 1 Tapa torisférica 35
Figura 3. 2 Magnitudes del autoclave (a) 46
Figura 3. 3 Magnitudes del autoclave (b) 47
Figura 3. 4 Tapa delantera y cuba 53
Figura 3. 5 Tapa delantera 54
Figura 3. 6 Carga distribuida en un diente 59
Figura 3. 7 Diagrama de fuerza cortante en un diente 60
Figura 3. 8 Diagrama de momento flector en un diente de la tapa 61
Figura 3. 9 Diagrama de cargas sobre el eje 65
Figura 3.10 Diagrama de cuerpo libre de las fuerzas en el eje 70
Figura 3.11 Características de un piñon de dientes rectos 82
Figura 3.12 Mecanismo piñón -cremallera 84
Figura 3.13 Recorrido del piñón en la cremallera 84
Figura 3.14 Pantalla inicial de Ecowin 89
Figura 3.15 Datos de entrada 91
Figura 3.16 Resultados recomendados por el software Ecowin 91
Figura 3.17 Lista de resultados recomendados por Ecowin 92
Figura 3.18 Dimenciones de la tapa trasera del autoclave 94
Figura 3. 19 Tapa delantera del autoclave 95
Figura 3. 20 Ventana de inicio del HMI 101
Figura 3. 21 Ventana de autores del trabajo 102
Figura 3. 22 Ventana de menú 103
Figura 3. 23 Ventana de proceso manual 104
xvi
Figura 3. 25 Ventana de configuraciones de recetas 107
Figura 3. 26 Disposición del registro de recetas 108
Figura 3. 27 Disposición del registro de la segunda receta 108
Figura 3. 28 Programación en clock macro 109
Figura 3. 29 Ventana de valores de la receta seleccionada 110
Figura 3. 30 Ventana de supervisión e inicio del proceso automático 111
Figura 3. 31 Ventana de la gráfica de temperatura vs tiempo 112
Figura 3. 32 Ventana de la gráfica de presión vs tiempo 112
Figura 3. 33 Ventana de alarmas 113
Figura 3. 34 Ventana de configuración de alarmas en el HMI 114
Figura 3. 35 Parámetros de comunicación en el programa 116
Figura 3. 36 Diagrama de flujo del HMI 117
Figura 3. 37 Arquitectura de la automatización 118
Figura 4. 1 Plancha de acero inoxidable y cilindro 120
Figura 4. 2 Corte de la plancha para la construcción de la tapa trasera 120
Figura 4. 3 Tapa trasera del autoclave 121
Figura 4. 4 Corte de la platina de acero inoxidable 121
Figura 4. 5 Dientes de la tapa delantera 122
Figura 4. 6 Pulido de los dientes de la tapa delantera 122
Figura 4. 7 Anillo interior y exterior de la tapa delantera 123
Figura 4. 8 Soldadura de anillos de la tapa delantera 123
Figura 4. 9 Pulido de la tapa delantera 123
Figura 4. 10 Anillo giratorio de la tapa delantera 125
Figura 4. 11 Anillo de la ranura del empaque 125
Figura 4. 12 Soldadura de anillos 126
Figura 4. 13 Playos de presión utilizados para la soldadura 126
Figura 4.14 Trazos para la construcción de silletas 123
Figura 4. 15 Silletas del autoclave 127
Figura 4. 16 Pulido de las silletas 128
Figura 4. 17 Brazo de la tapa delantera 128
Figura 4. 18 Soporte de la tapa delantera 129
xvii
Figura 4. 20 Perforaciones para colocar las chumaceras 130
Figura 4. 21 Soldadura de la base del cilindro 131
Figura 4. 22 Base del eje terminada 131
Figura 4. 23 Distribuidor de vapor 132
Figura 4. 24 Distribuidor de agua 132
Figura 4. 25 Corte del tubo de acero inoxidable ¾” 133
Figura 4. 26 Tarraja electrica de la construccion de neplos 133
Figura 4. 27 Perforaciones de 3/8” en la plancha 134
Figura 4. 28 Bandeja de productos 134
Figura 4. 29 Soldadura de la tapa trasera 135
Figura 4. 30 Tapa trasera ensamblada 135
Figura 4. 31 Perforaciones en el cilindro 136
Figura 4. 32 Soldadura TIG de los neplos en el cilindro 136
Figura 4. 33 Neplos ensamblados en el cilindro 137
Figura 4. 34 Soldadura TIG de las silletas 137
Figura 4. 35 Comprobación de rectitud de las silletas 138
Figura 4. 36 Silletas ensambladas 138
Figura 4. 37 Ubicación del mecanismo piñón cremallera 139
Figura 4. 38 Colocación del bocín para el eje del piñón 139
Figura 4. 39 Empaque colocado en la ranura 140
Figura 4. 40 Canaletas del autuclave 140
Figura 4. 41 Anillos soldados alrededor del cilindro 141
Figura 4. 42 Colocación de la lana de vidrio 141
Figura 4. 43 Colocación de la plancha de aluminio 142
Figura 4. 44 Autoclave aislado térmicamente 142
Figura 4. 45 Colocación de teflón y permatex en los elementos 143
Figura 4. 46 Ajuste de los instrumentos de medida y actuadores 143
Figura 4. 47 Instrumentos de medida y actuadores ensamblados 144
Figura 4. 48 Base para el tablero de control 144
Figura 4. 49 Perforaciones en el tablero de control 145
Figura 4. 50 Agujeros hechos con el sacabocados 145
xviii
Figura 4. 52 Colocación de elementos en el tablero de control 146
Figura 4. 53 Pantalla, luces piloto y selectores colocados en el tablero 147
Figura 4. 54 Ajuste de cables en las canaletas 147
Figura 4. 55 Conexionado del cable de comunicación entre HMI- PLC 148
Figura 5. 1 Diagrama de flujo del proceso 155 Figura 5. 2 Manómetro instalado en el autoclave 156 Figura 5. 3 Termómetro instalado en el autoclave 157 Figura 5. 4 Válvula de seguridad instalada en el autoclave 157 Figura 5. 5 Purgas de 1/8” de pulgada 158 Figura 5. 6 Trampa de vapor del autoclave 159 Figura 5. 7 Distribución interna de elementos del tablero de control 160 Figura 5. 8 Parte frontal del tablero de control 161 Figura 5. 9 Sentido de giro para cerrar la tapa delantera 162 Figura 5. 10 Desplazamiento del anillo giratorio 163 Figura 5. 11 Válvulas de venteo, entrada de aire y agua 165 Figura 5. 12 Válvula de ingreso de vapor 166 Figura 5. 13 Válvula de descarga de agua 166 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1 Esfuerzos permitidos en el acero inoxidable SA-240 304 29 Tabla 3.2 Tipo de tapas, usos y descripciones 34 Tabla 3.3 Propiedades mecánicas del acero AISI 304 64 Tabla 3.4 Propiedades mecánicas del acero AISI 1045 86
Tabla 3.5 Tabla de recetas 107
Tabla 3.6 Entradas del PLC 115
Tabla 3.7 Salidas del PLC. 115
xix
RESUMEN EJECUTIVO
En el presente proyecto de titulación se realizó el diseño y la construcción de
un prototipo de autoclave controlado mediante un HMI para el equipamiento del
laboratorio de mecánica de fluidos.
Este proyecto de tesis es un complemento para las máquinas del área de
mecánica ya que al existir un caldero en la universidad una opción para
aprovechar el vapor de esta máquina es por medio de un autoclave.
Este trabajo tiene como finalidad permitir que los estudiantes de ingeniería
electromecánica puedan realizar prácticas de laboratorio para reforzar los
conocimientos teóricos que han aprendido en la carrera.
El autoclave está diseñado para soportar 120 psi de presión interna durante su
funcionamiento. Se seleccionó el acero inoxidable SA-240 304 como el
material de construcción para el cilindro, tapas y silletas, determinándose el
espesor requerido para estas partes del autoclave.
El tamaño óptimo del recipiente se calculó en base a una capacidad de
almacenamiento de 0,23 m3.
Para verificar que las silletas soporten el peso del autoclave se calcularon los
esfuerzos a los que están sometidas.
Además se estableció que las tapas ideales para los requerimientos de esta
máquina son las de tipo torisféricas. También se escogió el anillo giratorio
dentado como el tipo de cierre para la tapa delantera del autoclave, haciendo
xx
Posteriormente se eligió como aislante térmico la lana de vidrio con un espesor
de 2 pulg para recubrir el cilindro y la tapa trasera del autoclave, consiguiendo
la mínima perdida de calor en el ambiente.
Para la supervisión y control del autoclave se utilizó un HMI Delta y un PLC
Twido. La comunicación de estos dos dispositivos se realizó a través del
protocolo Modbus serial RTU y la interfaz RS-485.
En el HMI se programó el proceso del autoclave con las opciones de poderlo
operar en modo manual y en modo automático durante las fases de venteo,
cocción y enfriamiento. En el PLC se transfirió el circuito eléctrico en lenguaje
Ladder para controlar el autoclave.
Después de haber culminado el diseño mecánico, térmico y eléctrico se elaboró
un manual de operación para garantizar el manejo correcto en el
funcionamiento del autoclave y se detallaron los tipos de mantenimiento que
deben aplicarse al equipo.
Finalmente se realizaron pruebas de comunicación entre el HMI y el PLC, la
prueba neumática y la prueba de pasteurización a las conservas, en las cuales
xxi
EXECUTIVE SUMMARY
In this titling project was performed the design and the construction of a steam
sterilizer prototype controlled by HMI for the equipment of fluid mechanics
laboratory.
This thesis project is a complement to the machines of mechanical area
because there is a cauldron in the college and an option to take advantage the
steam of this machine is through a steam sterilizer.
This written work aims to allow electromechanical engineering students can do
laboratory practices to strengthen the knowledge that they have learned in the
career.
The steam sterilizer is designed to withstand 120 PSI of internal pressure during
its operation. Stainless steel SA-240 304 was selected as the building material
for the cylindrical hull, caps and saddles, determining the required thickness for
these parts of steam sterilizer.
The optimum size of the container was calculated based on a storage capacity
of 0, 23 m3.
To verify that saddles withstand the steam sterilizer weight were calculated the
stresses to which they are submitted.
Furthermore it was established that the ideal caps for the requirements of this
machine are the type torisphericals. Also the teethed rotating ring was chosen
as the type of closure for the front cap of the steam sterilizer, using the gear-
xxii
Subsequently glass wool was chosen as the thermal insulation with a thickness
of 2 cm to cover the cylinder and the back cap of the steam sterilizer, getting the
minimum heat loss to the environment.
For the monitoring and control of the steam sterilizer was used a Delta HMI and
a PLC Twido. The communication of these two devices was performed using
serial Modbus RTU protocol and RS-485 interface.
The steam sterilizer process was programmed in the HMI with the options of
being able to operate it in manual mode and automatic mode during the phases
vent, cooking and cooling. In the PLC was transferred Ladder electrical circuit
for controlling the steam sterilizer.
After having completed the mechanical design, thermal design and electrical
design, it was made an operating manual to ensure the correct handling in the
steam sterilizer operation and was detailed the types of maintenance to be
applied to the equipment.
Finally, they were performed tests for the communication between the HMI and
the PLC, the pneumatic test and the pasteurization test of canned, in which
CAPÍTULO I
TEMA
1.1 Planteamiento del problema
1.1.1 Diagnóstico
Día a día la tecnología avanza, las empresas tienen la necesidad de adquirir
tecnología para el mejoramiento de sus sistemas y garantizar un eficaz
funcionamiento de sus procesos. De igual manera las universidades se ven en
la obligación de adquirir tecnología para mejorar sus sistemas de enseñanza.
En ocasiones las clases teóricas disminuyen el interés de aprendizaje en el
estudiante al no poner en práctica sus conocimientos en los equipos de
laboratorio necesarios.
Actualmente la falta de equipos en los laboratorios de la UTE para que los
estudiantes realicen prácticas, refleja la necesidad de adquirirlos con la
finalidad de mejorar las aptitudes y destrezas de los estudiantes; y en general
elevar el nivel de enseñanza de la universidad, ya que el conocimiento teórico y
práctico debe ir a la par en la formación académica de un ingeniero.
1.1.2 Pronóstico
Los equipos de laboratorio además de ser herramientas para realizar prácticas,
se han convertido en un auxiliar del estudiante para su aprendizaje. Si la UTE
no incrementa los equipos de laboratorio en la carrera de ingeniería
electromecánica los estudiantes no pondrán en práctica los conocimientos
aprendidos durante las clases ni a su vez tomar decisiones acertadas para
La falta de equipos de laboratorio en la UTE determina su baja competitividad
frente a otras universidades que ofrecen al alumnado una mejor preparación
técnica.
Además los estudiantes tendrían la necesidad de aprender por sus propios
medios fundamentos que deben ser comprobados en un laboratorio con la
ayuda de un tutor.
1.1.3 Control del proceso
En estos tiempos se ha observado un gran desarrollo de tecnologías en el
sector académico que han permitido un mejoramiento en la formación
profesional de los estudiantes.
Una alternativa factible para equipar los laboratorios sería que la universidad
adquiera equipos con tecnología de punta que son ofertados por empresas
dedicadas a la venta de maquinarias y dispositivos.
Por otra parte los alumnos egresados de la carrera de ingeniería
electromecánica podrían realizar tesis de grado basados en el diseño y
construcción de prototipos de máquinas para que los estudiantes puedan
realizar prácticas de laboratorio.
1.1.4 Formulación
¿Cómo mejorar el equipamiento del laboratorio de mecánica de fluidos de la
1.1.5 Sistematización
• ¿El equipamiento del laboratorio de mecánica de fluidos ayudaría en el aprendizaje de los estudiantes?
• ¿Qué sistema de control se implementará en el autoclave?
• ¿Qué dimensiones tendría el autoclave?
• ¿Qué materiales se utilizarán para la construcción del prototipo de autoclave?
• ¿Qué equipos intervendrán en la circulación de vapor en el autoclave?
• ¿Cuál será la presión nominal de trabajo del autoclave?
• ¿Qué instrumentos se necesitarán para medir las magnitudes de presión, temperatura y nivel en el autoclave?
• ¿Qué tipo de cierre se empleará en la tapa delantera del autoclave?
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Diseñar y construir un prototipo de autoclave para el procesamiento de
conservas en el laboratorio de mecánica de fluidos de la UTE extensión Santo
Domingo en el año 2012.
1.2.2 Objetivos específicos
• Incrementar los equipos en el laboratorio de mecánica de fluidos de la UTE extensión Santo Domingo.
• Realizar los cálculos necesarios para la construcción del autoclave con las características apropiadas para el laboratorio.
• Determinar los materiales adecuados para el autoclave.
• Seleccionar el PLC adecuado para controlar el funcionamiento del proceso de conservas en el autoclave.
• Crear recetas para diferentes productos, tiempos y temperaturas en el proceso de conservas.
• Controlar con lazos PID la temperatura constante a través de la activación de la válvula de entrada de vapor del autoclave.
• Realizar en el autoclave la prueba neumática y la prueba de esterilización a conservas.
• Elegir los dispositivos y accesorios adecuados para la circulación de vapor en el autoclave.
• Seleccionar los instrumentos de medición para el autoclave.
1.3 Justificación
1.3.1 Justificación teórica
Este trabajo se realizó con el fin de incrementar los equipos en el laboratorio de
mecánica de fluidos de la UTE extensión Santo Domingo, en beneficio de los
estudiantes.
El campo de la automatización desarrolla actividades de investigación en el
área de sistemas dinámicos y sus aplicaciones al control automático e
instrumentación. Según la importancia de la automatización, se distinguen los
siguientes aspectos:
• Mayor seguridad para operar una máquina.
• Posibilidad de que un hombre trabaje con más de una máquina.
• Coordinar y controlar una serie de magnitudes simultáneamente.
Al existir en el país un gran número de industrias de alimentos, surge la
necesidad de analizar el funcionamiento de un autoclave en el proceso
esterilización. Por lo tanto el equipamiento de los laboratorios con máquinas y
dispositivos es una prioridad para mejorar la enseñanza hacia los alumnos de
Ingeniería Electromecánica de la universidad.
1.3.2 Justificación metodológica
Para llevar a cabo los objetivos de este proyecto de diseño y construcción de
un prototipo de autoclave se debe contar con conocimientos de termodinámica,
mecánica de fluidos, elementos de máquinas y automatización.
Es necesario determinar las características y requerimientos del sistema
automático para la operación del autoclave, definir las variables de supervisión
y control, además de investigar y elegir los dispositivos que permitan el óptimo
desempeño del autoclave.
El pretender equipar el laboratorio de mecánica de fluidos de la UTE con nueva
tecnología es una tarea ardua considerando la inversión que ello representa.
Sin embargo lo anterior no debe ser un impedimento para incrementar y
mejorar los equipos en este laboratorio.
1.3.3 Justificación práctica
El objetivo principal de la automatización de una máquina consiste en gobernar
la actividad y el desarrollo de los procesos sin la intervención continua del
hombre, por ello una solución viable para el control es la implementación de un
A través de este sistema se conseguirá que el autoclave opere de manera
eficiente y eficaz, que brinde facilidades de control al usuario y garantice un alto
grado de seguridad industrial.
Por otra parte la construcción y automatización de un prototipo de autoclave
trae consigo adquirir el conocimiento y la experiencia necesaria para operar
este tipo de máquinas que la mayoría de industrias poseen.
La construcción del autoclave, además de equipar al laboratorio de mecánica
de fluidos de la UTE servirá como ejemplo para que otras universidades que
no cuenten con este equipo traten de adquirirlo como un objeto de estudio en
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Conservas
2.1.1 Historia
A partir que el hombre ocupó su lugar sobre la faz de la tierra, su preocupación
por los alimentos ha estado presente, por ello, los primeros hombres fueron
nómadas, que iban de un lado a otro, buscando un mejor clima y una tierra
más promisoria que pudiera darles los alimentos necesarios para su
subsistencia, su preocupación por conservar aquellos alimentos que eran
perecederos y que le pudieran servir de sustento en los momentos de escasez,
lo llevó primero que nada a conservarlos en sal.
Desde la Antigüedad, la preparación de mermeladas, confituras y jaleas le han
permitido al hombre, aprovechar la fruta perecedera, asociada a una estación
del año.
También sirve para conservar, el vinagre, el líquido agrio que se obtiene de la
fermentación de líquidos alcohólicos diluidos, y cuyo origen probablemente fue
la fermentación del vino (en francés vinagre significa "vino agrio"). El vinagre
es usado dentro de la cocina para hacer conservas de carne, pescado, frutas y
verduras, y para confeccionar adobos, aliños y otras salsas.
Nicolás Appert descubrió y comprobó que las conservas hervidas en sus
propios envases de vidrio cerrados, se mantenían inalterables por mucho
tiempo; y ha pasado a la historia por ser el inventor del primer sistema de
Su procedimiento se basaba en la esterilización de los alimentos tras ser
calentados al baño María en botellas parcialmente taponadas. Una vez
terminado el proceso de calentamiento, se cerraban herméticamente las
botellas forzando los tapones y sujetándolos con alambres.1
Poco después, en 1810, el inglés Peter Durand ideó un método de
esterilización en recipientes metálicos, o el envasado al vacío, sin presencia de
aire, en lugar de utilizar recipientes de vidrio.2
Con este método se alcanzaban temperaturas superiores a los 100 ºC,
utilizando para ello un aparato denominado autoclave (el origen de las ollas de
presión), que definitivamente es el inicio de la moderna industria de la
conservación de alimentos.
Los primeros científicos que estudiaron la conservación de alimentos fueron
Pasteur en 1.850 cuando explicó lo inalterable de los alimentos por
microbiología al esterilizarlos, luego vinieron Underwood, Prescot y otros que
llegaron a la conclusión de que había que llegar a subir la temperatura de
esterilización a más de 100oC, superior al llamado baño María que preconizaba
Pasteur.3
2.1.2 Definición
La conservación de alimentos es un conjunto de procedimientos y recursos
para preparar y envasar los productos alimenticios con el fin de guardarlos y
consumirlos mucho tiempo después.4 Las sustancias que constituyen los
alimentos se alteran con cierta rapidez. Dicha alteración es causada por los
microorganismos que usan para su desarrollo los elementos nutritivos de éstos,
lo que ocasiona su descomposición. La alteración de los alimentos también se
debe a la acción de las enzimas, compuestos químicos que aceleran la
velocidad de las reacciones.
El objetivo principal de la conservación de alimentos es prevenir o retardar el
daño causado por los microorganismos, y por ende, su efecto nocivo sobre el
alimento. Para ello, es necesario aplicar un adecuado tratamiento; los
alimentos sometidos a este tratamiento son llamados conservas alimenticias.5
2.1.3 Envases de conservas
El envasado es una técnica fundamental para conservar la calidad de los
alimentos, reducir al mínimo su deterioro y limitar el uso de aditivos. El envase
ayuda a preservar la forma y la textura del alimento que contiene, evita que
pierda sabor o aroma, prolonga el tiempo de almacenamiento y regula el
contenido de agua o humedad del alimento.
2.1.3.1Tipos de envase
Los envases para alimentos, de acuerdo a las materias primas utilizadas para
su construcción, pueden clasificarse en envases de vidrio, envases metálicos y
bolsas retortables.
2.1.3.1.1 Envases de vidrio
El vidrio es una sustancia hecha de sílice (arena), carbonato sódico y piedra
caliza. No es un material cristalino en el sentido estricto de la palabra; es más
realista considerarlo un líquido sub-enfriado o rígido por su alta viscosidad para
fines prácticos.6 Su estructura depende de su tratamiento térmico.
5
http://conceptodefinicion.de/conservacion-alimentos/
6
Puede reciclarse múltiples veces sin perjuicio de sus propiedades mecánicas,
sin embargo el procesado de vidrio involucra un alto costo energético.
Características
• Reutilizable y reciclable.
• Inerte e impermeable.
• Completamente hermético.
• Resistente a cambios de temperatura.
2.1.3.1.2 Envases de metal
Recipiente rígido para contener productos líquidos y/o sólidos, son
generalmente de hojalata electrolítica, o de lámina cromada, libre de estaño.
Otro material utilizado es el aluminio.7
Características
• Resistencia: Son resistentes al impacto y al fuego.
• Versatilidad: Infinidad de formas y tamaños.
• Hermetismo: Barrera perfecta entre los alimentos y el medio ambiente, para evitar la descomposición por la acción de microorganismos.
• Integridad química: Mínima interacción química entre estos envases y los alimentos ayudando a conservar color, aroma y sabor.
2.1.3.1.3 Retort pouch
Los retort pouches o bolsas retortables son empaques flexibles y
termo-resistentes que permiten conservar los productos alimenticios por un tiempo
similar a los enlatados. La bolsa retortable es un laminado compuesto
principalmente de tres o cuatro películas; poliéster, aluminio, nylon y
7
polipropileno.8 En la figura 2.1 se presenta una bolsa retortable con pulpa de
mango.
Figura 2. 1 Bolsa retortable
Fuente: http://www.elnuevoagro.com.ar/noticia/tendencia-en- packaging/28 Elaborado por: David Pontón – Edgar Reino / 2012
Los pouches brindan mayor período de vida útil, ocupan menos volumen y
pesan menos que los enlatados, lo que se traduce en ahorro de dinero al
almacenarlas y transportarlas.
También son resistentes al calor y tienen gran fuerza de tensión e
impermeabilidad a los gases y vapor de agua. Así mismo, soportan procesos
de esterilización superiores a 121 ºC por tiempos que varían entre los 30 y 60
minutos en un autoclave con presión compensada. 9
2.1.4 Técnicas de conservación por calor
El proceso de conservación de alimentos por calor es el método más utilizado y
la técnica que consigue una larga duración de conservación. Su objetivo es
destruir, total o parcial las enzimas, los microorganismos y las toxinas, cuya
presencia o su proliferación podrían alterar el alimento en cuestión.10
8
http://www.elnuevoagro.com.ar/noticia/tendencia-en-packaging/289
9
www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/3587/1/6114.pdf
10
Las técnicas utilizadas para ello son:
• La pasteurización.
• La esterilización.
• La uperización.
2.1.4.1 La pasteurización
Es una operación consistente en la destrucción térmica de los microorganismos
presentes en determinados alimentos, con el fin de permitir su conservación
durante un tiempo limitado.
La pasteurización se realiza por lo general a temperaturas inferiores a los
100ºC. Cabe distinguir la pasteurización en frío, a una temperatura entre 63ºC y
65ºC durante 30 minutos, y la pasteurización en caliente, a una temperatura de
72ºC y 75ºC durante 15 minutos.11 Cuanto más corto es el proceso, más
garantías existen de que se mantengan las propiedades organolépticas de los
alimentos así tratados.
Después del tratamiento térmico, el producto se enfría con rapidez hasta
alcanzar de 4ºC a -6ºC y, a continuación, se procede a su envasado.
Los productos que habitualmente se someten a pasteurización son la leche, la
nata, la cerveza y los zumos de frutas. Estos productos se envasan en cartón
parafinado o plastificado y en botellas de vidrio.
2.1.4.2 La esterilización
Es el proceso que destruye en los alimentos todas las formas de vida de
microorganismos patógenos o no patógenos, a temperaturas elevadas,
aplicadas de una sola vez o por tindalización (115ºC - 130ºC durante 15 - 30
11
minutos). Cuanta más alta sea la temperatura de esterilización menor será el
tiempo.12
Si se mantiene envasado el producto la conservación es duradera. El calor
destruye las bacterias y crea un vacío parcial que facilita un cierre hermético,
impidiendo la recontaminación.
En un principio consistía en el calentamiento a baño maría o en autoclave de
alimentos después de haberlos puesto en recipientes de cristal, como frascos o
botellas.13
En el ámbito industrial alimentario se considera también como esterilización el
proceso por el que se destruye o inactiva casi en su totalidad a los agentes
patógenos, sometiendo a los alimentos a temperaturas variables, en función del
tiempo de tratamiento, de forma que no sufran modificaciones esenciales en su
composición y se asegure su conservación a temperatura adecuada durante un
período de tiempo no inferior a 48 horas.
2.1.4.3 La uperización
La uperización o también llamada ultrapasteurización es conocido por sus
siglas en inglés UHT (Ultra High Temperature). En este proceso térmico
temperatura sube hasta 150ºC por inyección de vapor saturado o seco durante
2 ó 4 segundos produciendo la destrucción parcial de bacterias y sus esporas
en los alimentos. Después pasa por un proceso de fuerte enfriamiento a 4ºC, el
líquido esterilizado se puede conservar, teóricamente durante un largo periodo
de tiempo. 14
12
http://es.scribd.com/doc/109036016/Control-de-Calidad-Leche-M-P-Terminado
13
http://www.alimentacion-sana.com.ar/informaciones/novedades/conservacion.htm
14
Este proceso se utiliza para esterilizar productos líquidos (leche, zumos de
frutas) y productos de consistencia espesa (postres, nata, el zumo de tomate,
sopa).
Con el método UHT no se consigue una completa esterilización (que es la
ausencia total de microorganismos y de sus formas de resistencia), se
consigue la denominada esterilización comercial, en la que se somete al
alimento al calor suficiente para destruir las formas de resistencia de
Clostridium botulinum, pero sí existirán algunos microorganismos como los
termófilos, que no crecen a temperatura ambiente.15
2.2 Autoclave
2.2.1 Definición
Un autoclave es un recipiente metálico de paredes gruesas con un cierre
hermético que permite trabajar a alta presión para realizar una cocción o una
esterilización con vapor de agua.16
La construcción del autoclave debe ser tal que resista la presión y temperatura
desarrollada en su interior. La presión elevada permite que el agua alcance
temperaturas superiores a su punto de ebullición. La temperatura y el vapor
actuando conjuntamente producen la destrucción de los microorganismos.
La verdadera industria del envasado se inició con el empleo de los autoclaves
que sustituyeron al antiguo método del baño de agua. Actualmente los
autoclaves son cámaras en las que se puede procesar el alimento enlatado
bajo la acción del vapor saturado.17
15
http://taniapalacios.wordpress.com/page/2/?iframe=true&width=95%25&height=95%25
16
es.scribd.com/doc/52497689/Operar-equipo-de-laboratorio
17
2.2.2 Funcionamiento del autoclave
El funcionamiento de un autoclave, depende de la aplicación para la que se
esté utilizando; por esta razón se describirán de forma general las fases o
ciclos que se realizan en un autoclave en la mayoría de procesos.
La primera etapa consiste en cargar la cámara del autoclave con el producto
que se desee procesar, una vez que la cámara está cargada se procede a
crear el pre-vacío o a desplazar el aire por gravedad con la inyección de vapor.
Cuando el vapor ingresa al autoclave empieza la etapa del proceso en la que el
producto se somete al calentamiento. En esta etapa se controlan y monitorean
las variables de presión y temperatura durante un tiempo establecido.
Seguido de esto se lleva a cabo la etapa de purga que consiste en extraer todo
el vapor que ha ingresado a la cámara. Luego se procede a descargar el
producto después que haya transcurrido un tiempo de enfriamiento.
Si el autoclave es fabricado con el principio de la olla de presión su
funcionamiento es distinto que el mencionado anteriormente ya que para iniciar
el proceso debe existir agua dentro de la cámara.
2.2.3 Partes de un autoclave
Los componentes de un autoclave varían dependiendo de su forma, uso y
tamaño. A continuación en la figura 2.2 se indican las partes de un modelo de
Figura 2. 2 Partes de un autoclave
Fuente:http://es.scribd.com/doc/68238560/10/FUNCIONAMIENTO-DEL-AUTOCLAVE Elaborado por: David Pontón – Edgar Reino / 2012
1. Cámara.
2. Depósito de líquido.
3. Filtro.
4. Bomba de circulación.
5. Válvula de ingreso de líquido.
6. Colector.
7. Inyectores.
14. Electroválvula para ingreso de agua refrigerada a la bomba de vacío.
15. Válvula de regulación de entrada de agua de la bomba de vacío
16. Electroválvula de seguridad de retorno
17. Tablero de control eléctrico
18. Armadura de carga de piezas
2.2.4 Tipos de autoclave
En la figura 2.3 se citan los tipos de autoclaves dependiendo de algunos
aspectos importantes en su diseño.
8. Válvula de evacuación de líquido.
9. Bomba de vacío.
10. Válvula de no retorno.
11. Electroválvula de entrada de aire.
12. Válvula reguladora de de aire.
13. Válvula de entrada de aire de
Figura 2. 3
Representación gráfica de los tipos de autoclave
Fuente: es.scribd.com/doc/68238560/12/TIPOS-DE-AUTOCLAVES Elaborado por: David Pontón – Edgar Reino / 2012
2.2.5 Autoclave industrial para procesos de conservas
Este tipo de autoclave también conocido como autoclave estacionario es un
recipiente vertical u horizontal que soporta presión y opera en forma
discontinua (por carga), sin agitación y se usa para procesar alimentos
empacados en envases sellados herméticamente.18
18
AUSTIN GAVIN. LISA M. WEDDING, Alimentos enlatados principios de control del proceso térmico, acidificación y evaluación del cierre de los envases.
Autoclave
Clasificación
Por su uso
Por su forma
Por su funcionamiento
Autoclave de materiales compuestos Autoclave médico
Autoclave industrial Autoclave de laboratorio
Autoclave de desplazamiento por gravedad
Autoclave de pre-vacío
Autoclave tipo olla de presión
Generalmente, los envases se estiban o amontonan en canastillos, carros,
cestos o bandejas que se usan para cargar y descargar el autoclave. Sin
embargo, los autoclaves de tipo sin canastillos operan sin el uso de sistemas
que soporten los envases.
Debido a que los autoclaves son recipientes a presión se construyen de
láminas de caldera de 6,35 mm (1/4”) o más de espesor, formadas y
remachadas o soldadas entre sí.
Las puertas o tapas están hechas de hierro fundido o de lámina gruesa. Se
usan agarraderas y cerraduras para asegurar las puertas. Estos dispositivos
son importantes para la seguridad del trabajador y deben estar siempre en
condiciones de trabajo satisfactorias para evitar que la puerta o tapa se
desplace durante la operación. La presión dentro del autoclave es elevada.
A una temperatura de 121 ºC y a una presión de 15 psi se ejerce una fuerza de
aproximadamente 10 toneladas contra la tapa del autoclave.
La instalación y operación apropiada del autoclave es esencial para lograr
resultados de procesamientos satisfactorios.
El suministro de vapor tiene que ser adecuado para llevar el autoclave a la
2.3 Dispositivos de control automático
2.3.1 PLC
2.3.1.1 Definición
Un controlador lógico programable (PLC), es un equipo electrónico,
programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real
y en ambiente de tipo industrial, procesos secuenciales.19 Un PLC trabaja en
base a la información recibida por los captadores y el programa lógico interno,
actuando sobre los accionadores de la instalación.
Los PLCs resultan muy convenientes ya que, a diferencia de los antiguos
circuitos permiten reprogramación, ocupan comparativamente muy poco
espacio, consumen poca potencia, poseen auto-diagnóstico y tienen un costo
competitivo.
Sin embargo, fueron las innovaciones tecnológicas en microprocesadores y
memorias lo que ha hecho tan versátiles y populares a los PLCs. Así, los PLCs
pueden realizar operaciones aritméticas, manipulaciones complejas de datos,
tienen mayores capacidades de almacenamiento y pueden comunicarse más
eficientemente con el programador y con otros controladores y computadoras
en redes de área local.20
2.3.1.2 Funciones básicas de un PLC
Detección: Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de
fabricación.
19
www.jeuazarru.com/docs/PLC3.pdf
20
Mando: Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y
preaccionadores.
Diálogo hombre máquina: Mantener un diálogo con los operarios de
producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso.
Programación: Introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del
autómata. El diálogo de programación debe permitir modificar el programa
incluso con el autómata controlando la máquina.
2.3.2 HMI
2.3.2.1 Definición
La interfaz de usuario es el medio con que el usuario puede comunicarse con
una máquina, un equipo o una computadora, y comprende todos los puntos de
contacto entre el usuario y el equipo, suelen ser fáciles de entender y de
accionar. La mejor interacción humano-máquina se lleva a cabo a través de
una adecuada interfaz (Interfaz de Usuario), que brinde tanto comodidad, como
eficiencia.21
En el ámbito industrial junto a la implantación de automatismos que gestionaran
los procesos productivos se fueron creando interfaces que permitieran
interactuar al hombre con los componentes de control instalados.
Las primeras interfaces eran grandes mesas de control con indicadores
lumínicos acompañados con una leyenda que permitían a los usuarios conocer
el estado del sistema.
21
Actualmente las interfaces de usuario son modernas pantallas táctiles con
software que permiten tanto conocer el estado del sistema como modificar sus
variables.
2.3.2.2 Funciones de un HMI
Monitoreo.- Es la habilidad de obtener y mostrar datos de la planta en tiempo
real. Estos datos se pueden mostrar como números, texto o gráficos que
permitan una lectura más fácil de interpretar.22
Supervisión.- Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad de
ajustar las condiciones de trabajo del proceso directamente desde la
computadora.
Alarmas.- Es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del
proceso y reportar estos eventos.
Control.- Es la capacidad de aplicar algoritmos que ajustan los valores del
proceso y así mantener estos valores dentro de ciertos límites.
Históricos.- Es la capacidad de mostrar y almacenar en archivos, datos del
proceso a una determinada frecuencia. Este almacenamiento de datos es una
poderosa herramienta para la optimización y corrección de procesos.
2.3.3 Electroválvula
Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para controlar el
flujo de un fluido a través de un conducto como puede ser una tubería.
22
La válvula está controlada por una corriente eléctrica a través de una bobina
solenoide.23
Estas válvulas se utilizan cuando la señal proviene de un temporizador
eléctrico, un final de carrera eléctrico, presostatos o mandos electrónicos. En
general, se elige el accionamiento eléctrico para mandos con distancias
extremamente largas y cortos tiempos de conexión.
Las electroválvulas o válvulas electromagnéticas se dividen en válvulas de
mando directo e indirecto. Las de mando directo solamente se utilizan para un
diámetro luz pequeño, puesto que para diámetros mayores los electroimanes
necesarios resultaran demasiado grandes. Para reducir al mínimo el tamaño de
los electroimanes, se utilizan válvulas de mando indirecto, que se componen de
dos válvulas: una válvula electromagnética de servopilotaje y una válvula
principal, de mando neumático.24
En la figura 2.4 se muestra un modelo de electroválvula.
Figura 2. 4
Electroválvula para vapor
Fuente:http://todoproductividad.blogspot.com/2009/1principios-basicos-de-las-valvulas de.html Elaborado por: David Pontón – Edgar Reino / 2012
23
http://www.prodyser.cl/index.php?option=com_content&view=article&id=135&Itemid=201
24
2.3.4 Dispositivo térmico resistivo (RTD)
Los RTD ó dispositivos térmicos resistivos, son sensores de temperatura a los
cuales también se les denomina "bulbos de resistencia", su principio de
funcionamiento se basa en el hecho de que un metal al calentarse, cambia su
valor de resistencia; midiendo el valor de corriente que circula a través del
RTD, se mide la temperatura con precisión.25
La construcción típica de un RTD consiste en una bobina de hilo de cobre, de
níquel ó de platino, la bobina se fija a un soporte con forma de una varilla, su
diámetro es semejante al de un lápiz y con una longitud aproximada de 40
centímetros. En presencia de variaciones de temperatura el RTD modifica su
componente resistivo en forma lineal, si la temperatura varía en un rango
amplio, la no-linealidad se hace presente y aparecen errores de linealidad.
El platino es el metal más óptimo ya que tiene un rango de temperatura mayor;
pero, puesto que es muy caro, se utilizan otros como el níquel o el cobre. 26 En
la figura 2.5 se muestran algunos modelos de RTDs.
Figura 2. 5 Modelos de RTD
Fuente: www.thermx.com/cal_3200_9900/cal_3200_9900.htm Elaborado por: David Pontón – Edgar Reino / 2012
25
http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/teoria/temperatura/Temperatura.html
26
Los dos tipos de RTD son:
• RTD bobinado: Permite la contracción y dilatación del material sensible.
• RTD laminado: Tiene menor masa térmica, es más barato, aunque con menor estabilidad.
Las ventajas de utilizar RTD’s es que tienen un margen de temperatura muy
amplio con un alcance de medición hasta 800ºC.
2.3.5 Transductor de presión
Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por
ejemplo, fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otra.
Existen dos clases comunes de dispositivos de detección de presión, los tubos
de Bourdon y los fuelles.27
Estos dispositivos son elementos que transforman la magnitud física de presión
o fuerza por unidad de superficie en otra magnitud eléctrica que será empleada
en equipos de automatización o adquisición estándar. Los rangos de medida
son muy amplios, desde unas milésimas de bares hasta los miles de bares.28
2.3.6 Válvula de seguridad
Una válvula de seguridad es una válvula de relevo de presión que es accionada
por la presión estática que entra en la válvula y cuyo accionamiento se
caracteriza por una rápida apertura o disparo súbito.29
27
http://www.oocities.org/televisioncity/9387/Transductores.htm
28
http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/5011/1/CD-4522.pdf
29
Se puede definir como un dispositivo que automáticamente sin otra asistencia
de energía que la del propio fluido implicado, descarga fluido para evitar que se
exceda una presión predeterminada y que está diseñada para que vuelva a
cerrarse y se evite el flujo adicional de fluido después de haberse restablecido
las condiciones normales de presión. En la figura 2.6 se muestra el modelo de
una válvula de seguridad para vapor.
Figura 2. 6
Válvula de seguridad SV Watson McDaniel
Fuente:http://www.calderasdelnorte.com.mx/detalle_producto.asp?id_Product=93 Elaborado por: David Pontón – Edgar Reino / 2012
Se pueden distinguir tres tipos de válvulas de seguridad según sea su
accionamiento:30
• Válvulas de seguridad de acción directa o convencional.
• Válvulas de seguridad accionadas por válvula piloto o de acción indirecta
• Válvulas de seguridad equilibradas.
30
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL AUTOCLAVE
El equipo que se propone para la operación de esterilización consiste en un
autoclave a presión usando como medio de calentamiento la inyección directa
de vapor saturado. Su forma es cilíndrica horizontal y será construido de acero
inoxidable, el cilindro descansará sobre dos silletas y la forma de cierre será
con tapas torisféricas.
3.1 Diseño mecánico
3.1.1 Dimensiones
3.1.1.1 Volumen
El diseño se hizo partiendo de que la capacidad de almacenamiento del
autoclave sea de 0,23 m3, para introducir cantidades moderadas de conservas.
= 0,23
Este volumen es aceptable al ser el autoclave un prototipo destinado para
prácticas de laboratorio.
3.1.1.2 Diámetro interno y longitud
Para la construcción de un recipiente a presión, se determina la relación
Considerando en el cilindro el criterio que
á= 2 y haciendo uso de la
ecuación 3.1
= ∙ 4∙ (3.1)
Donde:
: Volumen del cilindro (0,23 m3) : Diámetro interno del cilindro : Longitud requerida del cilindro
Al remplazar en la ecuación 3.1 que = 2 y despejando el diámetro se tiene:
= ∙ 4∙ (2)
= ∙ 2
= ! 2 (3.2)
Sustituyendo valores en la ecuación 3.2
= ! 2 ∙ 0,23
= 0,53
Despejando en la ecuación 3.1 la longitud requerida y sustituyendo valores
resulta
= (0,53 )4(0,23 ) = 1,04
Debido a que en el mercado existen planchas de acero de (2440 × 1220) mm
se escoge que la longitud de diseño () para el cilindro sea de 1,22 m.
= 1,22
Al despejar el diámetro en la ecuación 3.1 y reemplazando el valor de la
longitud por 1,22 m, resulta
= 4 ∙ ∙
= 4 ∙ 0,23 ∙ 1,22
= 0,49
El diámetro interno de diseño para el cilindro es de 0,49 m.
= 0,49
3.1.2 Selección del material de construcción del cilindro
El material de construcción será de acero inoxidable austenítico que es ideal
para recipientes contenedores en los que se lleva a cabo procesos de
esterilización. Lo recomendable para estas aplicaciones es el empleo de los
aceros inoxidables tipo 304, 316, y 347.
A continuación en la tabla 3.1 se muestran los esfuerzos de este acero, para
más información del mismo véase anexo A.
Tabla 3.1
Esfuerzos permitidos en el acero inoxidable SA-240 304
Acero inoxidable SA-240 304
Esfuerzo mínimo a la cedencia 30000 psi
Esfuerzo mínimo a la tensión 75000 psi
Esfuerzo máximo permisible 200ºF (93,33ºC) 17800 psi
300º F (148,89ºC) 16600 psi
Fuente: Manual de recipientes a presión de Eugene F. Megyesy Elaborado por: David Pontón – Edgar Reino / 2012
3.1.3 Esfuerzo de diseño del material
Primeramente se halla la presión interna de diseño del autoclave, para ello se
aplica la ecuación 3.3.
$ = 1,2 $ (3.3)
Donde:
$ ∶ Presión de diseño
$ : Presión de operación
La presión de operación ($) del autoclave es de 689475,7 Pa (100 psi). Al
reemplazar valores en la ecuación 3.3 se tiene que la presión de diseño es de
827370,84 Pa.
$ = 1,2 $
$ = 1,2 (689475,7 $))
Para encontrar el esfuerzo máximo permisible (-), los datos de la Tabla 3.1 se
interpolan para una temperatura de diseño que se obtiene con la siguiente
ecuación:
. = ./+ 251 (3.4)
Donde:
. : Temperatura de diseño
./ : Temperatura máxima de operación
La temperatura máxima de operación del autoclave para una presión de
827370,84 Pa es de 177ºC (350,6 ºF) según tablas de vapor saturado.
Reemplazando valores en la ecuación 3.4 se obtiene que la temperatura de
diseño es de 190,89 ºC.
. = 350,61 + 251
. = 375,61
. = 190,892
Utilizando los valores de la tabla 3.1 se interpola para un esfuerzo máximo de
diseño (-) a una temperatura de diseño de 190,89ºC; obteniéndose como
resultado un valor de 108,2 MPa.
- = 108,2 3$)
3.1.4 Diseño del cilindro
3.1.4.1 Espesor requerido y espesor de diseño
La ecuación para determinar el espesor del cilindro está expresada en función
de las dimensiones interiores del mismo, véase anexo B:
4 = - $ ∙ 5
∙ 6 − 0,6 ∙ $
31 (3.5)
Donde:
4 : Espesor requerido del cilindro
$ : Presión de diseño
5 : Radio interno del cilindro -: Esfuerzo máximo de diseño
6 : Eficiencia de la junta
La eficiencia de la junta es de 0,85 que corresponde a una junta examinada por
zonas, ver anexo D. El diámetro interno del cilindro es de 0,49 m; por lo tanto el
radio (5) es 0,245 m.
Reemplazando valores en la ecuación 3.5 se obtiene que el espesor requerido
es de 0,00222 mm.
4 = 8(108,2 ∙ 10827370,84 $) ∙ 0,245 9$)) 0,85: − (0,6 ∙ 827370,84 $))
4 = 0,00222
4 = 2,22
31