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Dise�o, simulaci�n y validaci�n de una deshidratadora para frutas c�tricas con funcionamiento semiautom�tico y alimentada con gas licuado de petr�leo

 

Design, simulation and validation of a dehydrator for citrus fruits with semi-automatic operation and powered with liquefied petroleum gas

 

Projeto, simula��o e valida��o de um desidratador para frutas c�tricas com opera��o semiautom�tica e movido a g�s liquefeito de petr�leo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jorge.bunay@espoch.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 30 de diciembre de 2023 *Aceptado: 21 de enero de 2024 * Publicado: �17 de febrero de 2024

 

        I.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Riobamba, Ecuador.

      II.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Riobamba, Ecuador.

   III.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Riobamba, Ecuador.

   IV.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica, Riobamba, Ecuador.

 

Resumen

El presente proyecto t�cnico tuvo como objetivo dise�ar y construir una deshidratadora para frutas c�tricas con funcionamiento semiautom�tico y alimentado con gas licuado de petr�leo. Para ello se utiliz� la metodolog�a QFD y la matriz morfol�gica para el predise�o, entre ellos el tipo de controlador y la magnitud de la c�mara de deshidratado, el sistema consta de un dise�o t�rmico y mec�nico en donde se consigue la capacidad y temperaturas de funcionamiento �ptimos, adem�s se realiz� la construcci�n con materiales de acero de caracter�stica inoxidable AISI 304 y AISI 430, finalmente se realiz� las pruebas del muestreo de aceptaci�n MIL STD 105E, el mismo que se basa en la obtenci�n de datos para comprobar si el resultado corresponde a la aceptaci�n del dise�o o no. Siguiendo las normativas tanto nacionales como la NTE INEN 2996 e internacionales como SENASA, CORPOICA, estableciendo un porcentaje de humedad m�nima a conseguir mediante las pruebas de funcionamiento. Obteniendo como resultado un porcentaje de humedad del 10%, para todas las frutas ensayadas y comparadas con el tiempo estimado dentro de la c�mara de secado, gracias al controlador tiempo-temperatura y la ayuda de una electrov�lvula se pudo manipular estas variables que son las m�s importantes dentro de la investigaci�n.

Palabras claves: Deshidratadora para frutas c�tricas; Funcionamiento semiautom�tico; Dise�o t�rmico; Gas licuado de petr�leo (glp); Electrov�lvula.

 

Abstract

The objective of this technical project was to design and build a dehydrator for citrus fruits with semi-automatic operation and powered by liquefied petroleum gas. For this, the QFD methodology and the morphological matrix were used for the predesign, including the type of controller and the magnitude of the dehydration chamber, the system consists of a thermal and mechanical design where the optimal capacity and operating temperatures are achieved. In addition, the construction was carried out with stainless steel materials AISI 304 and AISI 430, finally the MIL STD 105E acceptance sampling tests were carried out, which is based on obtaining data to check if the result corresponds to the acceptance of the design or not. Following both national regulations such as NTE INEN 2996 and international regulations such as SENASA, CORPOICA, establishing a minimum humidity percentage to be achieved through performance tests. Obtaining as a result a humidity percentage of 10%, for all the fruits tested and compared with the estimated time inside the drying chamber, thanks to the time-temperature controller and the help of a solenoid valve, it was possible to manipulate these variables, which are the most important in the investigation.

Keywords: Dehydrator for citrus fruits; Semi-automatic operation; Thermal design; Liquefied petroleum gas (LPG); Solenoid valve.

 

Resumo

O objetivo deste projeto t�cnico foi projetar e construir um desidratador para frutas c�tricas com funcionamento semiautom�tico e movido a g�s liquefeito de petr�leo. Para isso foi utilizada a metodologia QFD e a matriz morfol�gica para o pr�-projeto, incluindo o tipo de controlador e a magnitude da c�mara de desidrata��o, o sistema consiste em um projeto t�rmico e mec�nico onde s�o alcan�adas a capacidade e temperaturas de opera��o ideais. , a constru��o foi realizada com materiais de a�o inoxid�vel AISI 304 e AISI 430, finalmente foram realizados os testes de amostragem de aceita��o MIL STD 105E, que se baseia na obten��o de dados para verificar se o resultado corresponde � aceita��o do projeto ou n�o. Seguindo tanto regulamenta��es nacionais como NTE INEN 2996 quanto regulamenta��es internacionais como SENASA, CORPOICA, estabelecendo um percentual m�nimo de umidade a ser alcan�ado atrav�s de testes de desempenho. Obtendo como resultado um percentual de umidade de 10%, para todos os frutos testados e comparado com o tempo estimado dentro da c�mara de secagem, gra�as ao controlador tempo-temperatura e ao aux�lio de uma v�lvula solenoide, foi poss�vel manipular essas vari�veis, quais s�o os mais importantes na investiga��o.

Palavras-chave: Desidratador para frutas c�tricas; Opera��o semiautom�tica; Projeto t�rmico; G�s liquefeito de petr�leo (GLP); V�lvula solenoide.

 

Introducci�n

Frutas c�tricas

Las frutas son productos vegetales comestibles que son el resultado del fructificaci�n de las plantas, existe una gran variedad de frutas, pero entre ellas nos centraremos en los c�tricos pertenecientes al g�nero Citrus, los m�s com�nmente cultivados son: naranjas, limas, limones, pomelos, mandarinas, pi�as, entre otras. La demanda de estos c�tricos est� aumentando a nivel mundial, ya sea para su consumo en fresco o como productos procesados. La costa ecuatoriana posee un enorme potencial para producir c�tricos, tanto para el consumo local como para la exportaci�n gracias a las condiciones del clima y suelo, favoreciendo de esta manera al desarrollo fruct�fero del pa�s. (Molina, Montesdeoca, 2014).

 

Proceso de Deshidrataci�n en Frutas

El proceso de deshidrataci�n aplicado al fruto consiste en retirar el agua contenida en �l, para obtener un producto de f�cil de preservaci�n, bajo contenido microbiano y de peso ligero, por lo tanto, f�cil de transportar. Varios factores afectan este proceso, incluida la humedad inicial del producto, la temperatura, el tiempo, la presi�n, a la que se produce la deshidrataci�n, entre otros factores. Todos estos factores son importantes para el an�lisis e interfieren con el dise�o de alguna manera, por lo que se define estos factores y se analizan sus causas. (Orrego, 2003).

 

Resistencia t�rmica

La resistencia t�rmica, como su nombre indica es la resistencia que presentan los materiales para transmitir el calor, esta resistencia depende del mecanismo de transferencia de calor presente. Analizaremos las resistencias por conducci�n y convecci�n com�nmente aplicadas y se las encuentra en el medio. (Cengel, 2011).

 

Ilustraci�n 1: Resistencias t�rmicas de pared.

Fuente: (Cengel, 2011).

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

 

Ensamblaje mediante software Solid Works

Es un entorno de SolidWorks con varias herramientas que facilitan el desempe�o del dise�ador y ayudan establecer condiciones restricci�n como: perpendicularidad, concentricidad, relaciones entre entidades, coincidencia, entre otras. Si el dise�o de alg�n equipo contiene muchos elementos se puede realizar sub-ensamblajes con el fin de ayudar al ensamblaje final. Una ventaja de utilizar estas herramientas es que cuando se insertan componentes al ensamble crean autom�ticamente un v�nculo entre ellos, y los cambios en el componente se mostraran en el ensamble final. (Dassault Systemes, 2018).

 

An�lisis y c�lculos mediante elementos finitos

El elemento finito como m�todo se emplea para resolver ecuaciones diferenciales e integrales utilizando m�todos cl�sicos de variaci�n. Esto perite predecir con razonable precisi�n y con menor los esfuerzos y deformaciones que internamente sufre un elemento al ser sometido a cargas. ANSYS es un programa que aplica de manera general al c�lculo con elementos finitos se puede resolver problemas de estructuras y elementos, t�rmicos, el�ctricos, magn�ticos, de fluidos, entre otros. (Moreno y P�rez, 2015).

 

Sistema de control y mando

Lograr un rendimiento superior de los equipos o m�quinas requiere implementaci�n de un sistema de control que integre y controle los elementos que componen el equipo, facilitando el uso y operaci�n del equipo durante el proceso. Para ello la implementaci�n de este sistema se debe ajustarse al presupuesto y sin descuidar los par�metros b�sicos de funcionamiento. (Llumiquinga, Suquillo, 2015).

 

Sensores

Un dispositivo que mide la energ�a de un medio en el que se coloca se considera un sensor, obtiene se�ales de salida transductible que es funci�n de la variable que se est� midiendo. El sensor contiene un circuito que convierte y amplifican las se�ales recibidas, para seleccionar el sensor correcto se debe tomar la decisi�n de cu�l es el m�s adecuado para su objeto. (Pallas, 2001).

 

Tablero de control

Contiene dentro los contactores, rel�s, fusibles y todo lo que sea necesario para la protecci�n de los equipos incluido cableado, generalmente consiste en circuitos encargados de acondicionar se�ales y encender los elementos electromec�nicos, su funci�n tambi�n consiste en alimentar o quitar la energ�a. Cuentan con un sistema de botones, pulsadores, luces piloto, bocinas, entre otros elementos, los pulsadores son de marcha, parada y de emergencia. (Mari�o, Chico, 2012).

 

Ilustraci�n 2: Tablero de control.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Sistemas automatizados

Son las herramientas que utilizamos para abrir las puertas hacia el futuro, este sistema puede implementar tecnolog�a que suple las tareas realizadas por los operadores humanos. Actualmente se presenta como una necesidad para la producci�n en las grandes y peque�as industrias. La parte de control y mando suele ser un aut�mata programable con tecnolog�a interna programada que permite disponer de esta programaci�n de forma controlada en un proceso determinado. (Herrera, Zapata, 2015).

 

Descripci�n general de un acero inoxidable

Se considera acero inoxidable si su caracter�stica principal es el contenido de cromo y su valor esta entre 10.5% hasta 30% y tambi�n contener otros elementos de aleaci�n. Debido a que el material presenta alta resistencia a la oxidaci�n y corrosi�n tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas, las aplicaciones de este acero en ingenier�a son diversas. El acero inoxidable se utiliza en innumerables aplicaciones en la industria y en la construcci�n como: industria alimenticia, cocinas industriales, hospitales, laboratorios, industria de la aviaci�n, entre otras. Es un material que frente a los alimentos se presenta neutro es decir no se descascara, no se oscurece al transcurrir el tiempo y tiene gran aspecto est�tico. (Almeida, Villena, 2009).

 

Propiedades y clasificaci�n de aceros inoxidables

Se seleccionan aceros inoxidables para la construcci�n y aplicaci�n, los cuales en general presentan alta resistencia a la corrosi�n, y principalmente pueden soportar altas temperaturas, se consideraron dos tipos de la serie 400 y serie 300.

Ferr�ticos serie 300: Aceros austen�ticos inoxidables de aleaciones de hierro, cromo y n�quel. Se pueden agregar otros elementos de aleaci�n como cromo, cobre, entre otros. Para mejorar la resistencia a la corrosi�n, el estado del acero depender� siempre del medio en donde se trabaje, ya sea como acabado superficial o como un tipo de acero de estructura. Sus propiedades b�sicas y sobresalientes son: la alta resistencia a la tensi�n, buen factor de higiene y limpieza, excelente soldabilidad, habilidad de trabajar a altas temperaturas hasta 925 grados cent�grados.

Ferr�ticos serie 400: Las principales caracter�sticas de esta serie se consideran resistentes a la corrosi�n, moderada a buena, la aleaci�n de cromo o molibdeno aumenta la resistencia y durabilidad, endurecidos para trabajo en frio o en caliente ya que estos no se deforman ni se endurecen cuando trabajan, tienen una caracter�stica magn�tica y soportan mejor la soldadura.

 

Soldadura por proceso TIG

El proceso de soldadura TIG (Tungsten Inert Gas), es una soldadura el�ctrica con electrodo no consumible, el proceso es protegido por un gas regulable, este tipo de soldadura tambi�n se puede utilizar sin la presencia de material de aporte, ideal para soldaduras de alto y bajo impacto, este proceso puede ser similar al proceso MIG, pero presenta sus mejoras. La protecci�n provista por medio del gas genera una atmosfera que cubre el material fundido y lo protege de impurezas durante el proceso. Un gas de uso com�n es el arg�n, y tambi�n una mezcla de arg�n con helio tambi�n existen una gran variedad de gases, cada uno de los cuales aporta una mejora a la calidad de la soldadura. (Cornejo, 2021).

 

 

Ilustraci�n 3: Elementos que intervienen en el proceso TIG.

Fuente: (Cornejo, 2021).

 

El amplio campo de aplicaci�n de la soldadura TIG presenta facilidad y versatilidad en su aporte de material, esto brinda calidad en la soldadura y es aplicable en materiales como: acero inoxidable, cobre y sus aleaciones, aleaciones ligeras de aluminio, titanio y varios metales.

 

Material de aporte

Para el proceso de soldadura TIG requiere el uso de varillas de soldadura de acero inoxidable, esto puede considerarse como material de aporte que se emplea en la soldadura, la mayor�a de los prefijos que acompa�an a estos materiales de aporte son R o ER, el material tambi�n puede utilizarse como electrodo o varilla de soldadura. Esto asegurara que la composici�n del metal de soldadura sea similar a la del material base. (Camacho, y otros, 2011).

 

Ilustraci�n 4: Proceso de soldadura TIG.

Fuente: (Cornejo, 2021).

 

Fibra de vidrio

Este material tiene propiedades qu�micas estables, no absorbentes y no es inflamable. Como elementos activos adicionales: son resistentes a los ataques de insectos, roedores y hongos. Una de las propiedades m�s relevantes que presentan las fibras de vidrio es su aislamiento t�rmico. Es un material fibroso que se obtiene a partir del vidrio, obtenido a trav�s de procesos como: centrifugaci�n y estirado mec�nico. La fibra de vidrio constituye una gran ayuda al aislamiento t�rmico, es de poco peso y f�cil de instalar. (Morales, 2008).

 

Ilustraci�n 5: Fibras de vidrio.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Vidrio templado

El vidrio es un tipo de material duro, trasparente y fr�gil o quebradizo, estas son las caracter�sticas principales que lo definen, aunque es s�lido se encuentra como un l�quido sobre enfriado sin forma. El vidrio templado, tambi�n conocido como vidrio tensionado, se denomina as� porque se somete a un proceso de templado que consiste en calentarlo hasta llegar a temperaturas que superen los 650 �C y luego soplando aire frio de manera brusca, esto hace que aumente su resistencia t�rmica y mec�nica. El vidrio templado se considera un vidrio de seguridad y se recomienda su uso en distintas �reas y sus aplicaciones son: fachadas de locales comerciales, mamparas, en la industria automotriz y visores de puertas para hornos. (Guerrero, 2012).

 

Ilustraci�n 6: Vidrio templado.

Fuente: (Carbajal, y otros, 2009).

 

Protocolo de pruebas

Muestreo de aceptaci�n utilizando las tablas MIL STD 105

El muestreo de aceptaci�n consiste en extraer de forma aleatoria una muestra del lote dependiendo de qu� cantidad me defina las tablas MIL ST 105, esta inspecci�n se la realiza por atributos es decir se clasifica simplemente las unidades de muestra como conforme o no conforme, con el objetivo de ahorrar tiempo y dinero al no analizar todo el lote. (INEN, 2023).

Se utilizar�n varios factores como:

�         El AQL o NCA, que es el nivel de calidad aceptable que representa el nivel m�ximo que puedo aceptar de calidad.

�         El tipo de inspecci�n, que puede ser reducida, normal o severa la cual depender� del tipo de an�lisis que se va a ejecutar y en donde se lo ejecutar�.

Niveles, estos se clasifican en tres niveles donde el nivel 1 se lo utiliza cuando pocos productos son rechazados, el nivel 2 es el m�s usual y aplicable y el nivel 3 cuando se conoce de antemano la mala calidad y que habr� muchas muestras rechazadas. (INEN, 2023).

 

Ilustraci�n 7: C�digo para el tama�o de muestra.

Fuente: (INEN, 2023).

 

Ilustraci�n 8: Muestreo simple.

Fuente: (INEN, 2023).

 

Metodolog�a

Despliegue de la funci�n de calidad

El QFD son las siglas que provienen del ingl�s Quality Fuction Deploymet que traducidas al espa�ol significan Despliegue de la Funci�n de la Calidad, esta traducci�n tambi�n proviene de tres ideogramas japones (HIN SHITSU= Calidad, caracter�sticas, atributos, cualidades), (KI NOU= Funci�n, mecanizaci�n, sistem�tica), (TEN KAI= Despliegue, difusi�n, desarrollo, evoluci�n), estos ideogramas dan la idea principal, adem�s es una herramienta de planificaci�n que se desarrolla un sistema para transmitir la caracter�sticas que debe tener los productos durante el proceso. (Gonzales, 2014).

(Riva, 2002), en su investigaci�n afirma que el QFD es una metodolog�a simple que involucra a varias matrices, las mismas que nos permiten determinar las necesidades de un cliente, analizar a las posibles competencias y descubrir caminos dentro del mercado que a�n no han sido explotados. Dicha metodolog�a se divide etapas las cuales se detallan a continuaci�n: en la ilustraci�n 1.

 

Ilustraci�n 9: Esquema general QFD.

Fuente: (Riva, 2002).

 

En la primera etapa de dise�o se presenta un diagrama con la metodolog�a empleada se observa en la ilustraci�n 2, la misma que deber� respetar la m�quina, ser� tambi�n la base para fomentar los respectivos c�lculos. En la siguiente instancia se realizar� la matriz morfol�gica la cual nos permitir� justificar una soluci�n correcta al problema, para finalizar se desarrollar� el proyecto.

 

 

�Ilustraci�n 10: Diagrama de la metodolog�a.

Fuente: (Nivicela, y otros, 2021).

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Evaluaci�n de la estructura funcional

Esta evaluaci�n proporciona una idea general y b�sica de la secuencia que tiene el sistema de deshidrataci�n de frutas c�tricas, entre el flujo de entrada y salida del proceso en el nivel 0 y nivel 1 que se presentan en las ilustraciones siguientes.

 

Ilustraci�n 11: An�lisis funcional Nivel 0.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

A continuaci�n, se presenta el nivel 1 de la estructura funcional.

 

Ilustraci�n 12: An�lisis funcional Nivel 1.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Caracter�sticas t�cnicas

Todas las caracter�sticas t�cnicas se consideran en funci�n de las necesidades del cliente. Esta es la base que se necesita para considerar cada opci�n y realizar su propia evaluaci�n. A esto se suma la voz del ingeniero como se muestra en la Tabla 3-1. Adem�s, se debe realizar el estudio de la casa de la calidad, y de esta manera seleccionar la mejor opci�n en funci�n de esa ponderaci�n.

 

Tabla 1: Voz del usuario vs voz del ingeniero.

Realizado por: L�pez, D.; Toscano, C. 2023.

 

 

 

Casa de la calidad

La comparaci�n de los tipos de secadoras que existen se define con los equipos que existen en el mercado y aquellos que poseen similares requisitos t�cnicos que describimos anteriormente, con ayuda de la tasa de ocurrencia se eval�an las caracter�sticas del equipo competente, se involucran de manera directa tanto la voz del usuario como la voz del ingeniero. Se aprecia en la ilustraci�n 3-4. Dicha relaci�n de los factores mencionados gracias a la casa de la calidad.

 

Ilustraci�n 13: Casa de la calidad.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Matriz morfolog�a de alternativas

La matriz morfol�gica ayuda a comprender la variaci�n de los conceptos establecidos con anterioridad, adem�s la morfolog�a se define como el estudio de la forma y sus posibles trasformaciones, la matriz morfol�gica permite la b�squeda de nuevos conceptos de dise�o, tambi�n se puede establecer una conexione entre la creatividad, esto es un plus potencial porque con pocos elementos se puede llegar a lograr un gran n�mero de alternativas diferentes. Tambi�n se debe tomar en cuenta que con frecuencia los consumidores prefieren productos mejorados en lugar de los productos desconocidos. (B�ez, Garc�a, 2009).

La tabla 2 que representa la matriz morfol�gica de alternativas da paso a que se puedan generar opciones para cada caracter�stica empleada en el dise�o, habilitando la generaci�n de alternativas de materiales y dise�o de detalle. Por lo general los trabajos de integraci�n curricular involucran generar satisfacci�n y soluci�n a las necesidades por medio del producto final. Por lo tanto, el porvenir de este proyecto est� en dependencia de la acogida que tenga la m�quina en el mercado.

 

Tabla 2: Matriz morfol�gica.

Realizado por: L�pez, D.; Toscano, C. 2023.

 

Una vez que se crea la matriz de alternativas, las mismas que est�n unidas y relacionadas mediante flechas del mismo color, donde se establecen las combinaciones en donde la ruta de color rojo representa la primera alternativa, la ruta de color azul es la segunda alternativa y la ruta de color naranja representa la tercera alternativa.

Evaluaci�n del peso espec�fico para cada alternativa

Luego de obtener los criterios de evaluaci�n para cada una de las alternativas, se debe catalogar conforme al orden de importancia, de la siguiente manera:

 

 

Tabla 3: Evaluaci�n del peso espec�fico para todos los criterios.

Realizado por: L�pez, D.; Toscano, C. 2023.

 

Alternativa 1

En esta alternativa, el tipo de deshidratador es un horno rectangular tipo bandejas, con un accionamiento de control tiempo-temperatura, para la medici�n de temperatura se realiza mediante una termocupla tipo J y para la carga y descarga del producto es de forma manual en las bandejas.

Alternativa 2

Para esta alternativa, el tipo de deshidratador es de bandas trasportadoras, con un accionamiento y control digital con una pantalla HDMI, para la medici�n de temperatura se utilizan sensores Pt-100 y para la carga y descarga del producto es directamente en la banda donde va a ser transportado el producto.

Alternativa 3

Esta �ltima alternativa, este tipo son utilizado de manera artesanal en el campo, para el tipo de deshidratador es rectangular tipo horno de bandejas, el control se realiza mediante un controlador tiempo-temperatura el cual tambi�n se puede adaptarlo ya que generalmente no tienen controladores de temperatura, para la medici�n de temperaturas utiliza un sensor tipo EA 1240 que tambi�n se los adapta y para la carga y descarga de producto ser� de tipo bandejas, pero es un conjunto de bandejas.

 

Criterios para la evaluaci�n de las alternativas

Planteamos los siguientes criterios de evaluaci�n que se detallan a continuaci�n para cada una de las alternativas antes determinadas:

�                     Costo: Consiste en evaluar los rubros que se necesitan invertir para fabricar el equipo de deshidrataci�n, debe incluir los costos de compra de materiales, pago de trabajador, transporte y otros valores que se deben considerar.

 

Tabla 4: Evaluaci�n del criterio Costo.

Realizado por: L�pez, D.; Toscano, C. 2023.

 

El orden de importancia para el cuarto criterio �Costo� es el siguiente:

Alternativa 1 =Alternativa 3 > Alternativa 2

�                     Dimensiones: Responde a las dimensiones que tiene el equipo, en esencia es las longitudes de la c�mara de secado.

 

Tabla 5: Evaluaci�n del criterio Dimensiones.

Realizado por: L�pez, D.; Toscano, C. 2023.

 

El orden de importancia para el segundo criterio �Dimensiones� es el siguiente:

Alternativa 1 = Alternativa 2 = Alternativa 3

�                     Capacidad: Determina el total de producto, en este caso la cantidad de fruta que abarca el equipo para poder logar el objetivo de deshidratar.

 

 

 

 

 

 

Tabla 6: Evaluaci�n del criterio capacidad.

Realizado por: L�pez, D.; Toscano, C. 2023.

 

El orden de importancia para el primer criterio �Capacidad� es el siguiente:

Alternativa 1 > Alternativa 2 > Alternativa 3

�                     Mantenimiento: Se refiere a todos los procesos y mantenimientos que se le puedan dar al equipo, y que complicado y a que tiempo se le debe suministrar.

 

Tabla 7: Evaluaci�n del criterio Mantenimiento.

Realizado por: L�pez, D.; Toscano, C. 2023.

 

El orden de importancia para el quinto criterio �Mantenimiento� es el siguiente:

Alternativa 1 > Alternativa 2 > Alternativa 3

�                     Operaci�n: Este criterio est� basado en el manejo del equipo, adem�s de satisfacer la necesidad del usuario, la cantidad de fruta que es capaz de deshidratar en una jornada.

 

 

Tabla 8: Evaluaci�n del criterio Operaci�n.

Realizado por: L�pez, D.; Toscano, C. 2023.

 

El orden de importancia para el tercer criterio �Operaci�n� es el siguiente:

Alternativa 1 = Alternativa 3 > Alternativa 3

 

Conclusi�n de alternativas

Se analiza el resultado final de conclusiones en las alternativas, esto nos permite visualizar la mejor alternativa entre los resultados y seleccionar la mejor alternativa como un modelo de predise�o para continuar con el proceso de dise�o del equipo de deshidrataci�n.

 

Tabla 9: Resultado de prioridad de alternativas.

Realizado por: L�pez, D.; Toscano, C. 2023.

 

Como se puede evidenciar en la tabla 9 la alternativa 1 es considerada como un modelo de inicio al dise�o, por medio de los criterios y las alternativas se obtienen los presentes resultados.

 

Resultados

Validaci�n del An�lisis t�rmico en el software ANSYS

Se realiza el an�lisis mediante software ANSYS para realizar la validaci�n de los c�lculos t�rmicos obtenidos para la c�mara de deshidratado, para ello seguimos una serie de pasos y presentamos los resultados.

 

Definici�n de la geometr�a

Con la finalidad de simplificar el an�lisis de vol�menes finitos, se presenta las dimensiones del modelo utilizado en la simulaci�n t�rmica transitoria. La Geometr�a Spacecleam, modelada se trabaja en el modelador de ANSYS. Para establecer contactos tipo Bonded y la uni�n de los cuerpos de an�lisis.

Ilustraci�n 14: Geometr�a para el an�lisis ANSYS.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Definici�n de los materiales

La lana de vidrio se define como aislante t�rmico de espesor 50 mm y Conductividad t�rmica 0,038 W/m�C.

 

Ilustraci�n 15: Definici�n del material lana de vidrio.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Definimos el acero inoxidable calidad 430 de espesor 1 mm y conductividad t�rmica 26.1 W/m�C.

 

Ilustraci�n 16: Definici�n del material acero inoxidable.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Definici�n de la calidad de mallado

Se verifica la calidad de malla, para el an�lisis se utiliza la m�trica Element Quality recomendado para elementos tetra�dricos con peque�as curvaturas. De acuerdo con las recomendaciones de ANSYS Client. El valor promedio de esta m�trica debe estar en el rango de (0.55 � 0.96).

 

Ilustraci�n 17: Definici�n de la calidad de mallado.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

De acuerdo con la gr�fica en promedio la calidad de nuestra malla es 0.60. Lo cual corrobora la siguiente ilustraci�n.

 

Ilustraci�n 18: Definici�n de la calidad de mallado.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Una vez obtenidos las ingresadas todas las variables y verificaci�n de estas se proceden con el mallado y se presenta de la siguiente manera.

 

 

 

 

Ilustraci�n 19: Mallado de la c�mara de secado.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Pre procesamiento

Se define las condiciones de simulaci�n. �l elemento que genera el calor y temperatura necesaria, para el caso se define como elemento principal de calor a las rejillas de ingreso del aire caliente producto de la combusti�n, con un valor de temperatura de ingreso de 60�C.

 

Ilustraci�n 20: Definici�n del elemento principal de calor.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

El calor se transfiere desde el interior hacia el exterior mediante los coeficientes de transferencia de los materiales involucrados.

 

Post procesamiento

Se verifica las temperaturas a las que est�n sometidas las paredes de nuestro modelo.� La temperatura m�xima generada en el ingreso del aire caliente y la temperatura m�nima generada en las paredes exteriores del modelo.

 

Ilustraci�n 21: Verificaci�n de temperaturas en las paredes.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Se verifica las temperaturas a lo largo de las paredes exteriores, las mismas se encuentran a una temperatura promedio de 20�C.

 

Ilustraci�n 22: Temperaturas en las paredes exteriores.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Las temperaturas en las paredes interiores se corroboran en 58 grados cent�grados, en la misma se observa que las temperaturas mayores se encuentran en el nivel m�s alto. Caso contrario las temperaturas m�nimas.

Ilustraci�n 23: Temperaturas en las paredes interiores.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Pruebas de campo

Porque el tama�o del lote es muy grande optamos por analizar tres muestras, una localizada en la parte superior, otra en el intermedia y otra en la parte inferior de la c�mara de deshidratado, para lo cual la masa de la fruta aproximadamente ser� de 20 kg de carga total, mediremos en intervalos de 1 hora para as� poder recabar datos que servir�n para analizar el proceso de deshidrataci�n.

 

Resultados de la deshidrataci�n de la Pi�a

Las pruebas se realizaron con carga m�xima de 20 bandejas cargadas con pi�as, para el an�lisis de estos resultados se seleccion� solamente las bandejas superiores, intermedia e inferior, para posteriormente realizar una comparaci�n entre las tres posiciones y verificar el correcto funcionamiento.

 

Resultados de la bandeja de Pi�a en la parte superior

 

Tabla 10: Resultados de deshidrataci�n de la Pi�a en la parte superior de la c�mara.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Analizamos el porcentaje de error que obtenemos en las pruebas.

 

Tabla 11: Porcentajes de error prueba de deshidrataci�n de la Pi�a de la bandeja superior.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Los errores que se obtuvieron son relativamente peque�os por lo que se acepta el dise�o y las pruebas de funcionamiento, podemos deducir que se acepta el funcionamiento del equipo.

Resultados de la bandeja de Pi�a en la parte intermedia.

 

Tabla 12: Resultados de deshidrataci�n de la Pi�a en la parte intermedia de la c�mara.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Analizamos el porcentaje de error que obtenemos en las pruebas.

 

Tabla 13: Porcentajes de error prueba de deshidrataci�n de la Pi�a de la bandeja intermedia.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Los errores que se obtuvieron son relativamente peque�os por lo que se acepta el dise�o y las pruebas de funcionamiento, podemos deducir que se acepta el funcionamiento del equipo.

Resultados de la bandeja de Pi�a en la parte inferior

 

Tabla 14: Resultados de deshidrataci�n de la Pi�a en la parte inferior de la c�mara.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

Analizamos el porcentaje de error que obtenemos en las pruebas.

 

Tabla 15: Porcentajes de error prueba de deshidrataci�n de la Pi�a de la bandeja inferior.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Los errores que se obtuvieron son relativamente peque�os por lo que se acepta el dise�o y las pruebas de funcionamiento, podemos deducir que se acepta el funcionamiento del equipo.

 

An�lisis de datos de la Pi�a

Con esto podemos trazar la gr�fica relacionando las variables de humedad y tiempo para conocer la tendencia del secado dentro de la c�mara y sacar conclusiones.

 

 

 

 

 

Ilustraci�n 24: Grafica de comparaci�n Humedad vs Tiempo de las tres bandejas de muestra de

Pi�a.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Tambi�n podemos trazar la gr�fica que relaciona el tiempo con la masa final obtenida para conocer la tendencia que dibuja esta variable.

 

Ilustraci�n 25: Gr�fica comparaci�n Masa vs Tiempo de las tres

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Resultados de la deshidrataci�n de la Naranja

Las pruebas se realizaron con carga m�xima de 20 bandejas, para el an�lisis de estos resultados se seleccion� solamente las bandejas superiores, intermedia e inferior, para posteriormente realizar una comparaci�n entre las tres posiciones y verificar el correcto funcionamiento.

 

Resultados de la bandeja de Naranja en la parte superior

 

Tabla 16: Resultado de deshidrataci�n de la Naranja en la parte superior.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Analizamos el porcentaje de error que obtenemos en las pruebas.

 

Tabla 17: Porcentajes de error prueba de deshidrataci�n de laNaranja en la bandeja superior.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Los errores que se obtuvieron son relativamente peque�os por lo que se acepta el dise�o y las pruebas de funcionamiento, podemos deducir que se acepta el funcionamiento del equipo.

Resultados de la bandeja de Naranja en la parte intermedia.

 

Tabla 18: Resultado de deshidrataci�n de la naranja en la parte intermedia

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Analizamos el porcentaje de error que obtenemos en las pruebas.

 

Tabla 19: Porcentajes de error prueba de deshidrataci�n de la Naranja en la bandeja�� intermedia

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Los errores que se obtuvieron son relativamente peque�os por lo que se acepta el dise�o y las pruebas de funcionamiento, podemos deducir que se acepta el funcionamiento del equipo.

 

Resultados de la bandeja de Naranja en la parte inferior

 

Tabla 20: Resultado de deshidrataci�n de la Naranja en la parte inferior

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

Analizamos el porcentaje de error que obtenemos en las pruebas.

 

Tabla 21: Porcentajes de error prueba de deshidrataci�n de la Naranja en la bandeja inferior

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Los errores que se obtuvieron son relativamente peque�os por lo que se acepta el dise�o y las pruebas de funcionamiento, podemos deducir que se acepta el funcionamiento del equipo.

 

 

An�lisis de datos de la Naranja

Con esto podemos trazar la gr�fica relacionando las variables de humedad y tiempo para conocer la tendencia del secado dentro de la c�mara y sacar conclusiones.

 

Ilustraci�n 26: Gr�fica de comparaci�n Humedad vs Tiempo de las tres bandejas de muestra de Naranja.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Tambi�n podemos trazar la gr�fica que relaciona el tiempo con la masa final obtenida para conocer la tendencia que dibuja esta variable.

 

Ilustraci�n 27: Gr�fica de comparaci�n Masa vs Tiempo de las tres bandejas de muestra de Naranja.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

An�lisis de datos del Lim�n

Las pruebas se realizaron con carga m�xima de 20 bandejas, para el an�lisis de estos resultados se seleccion� solamente las bandejas superiores, intermedia e inferior, para posteriormente realizar una comparaci�n entre las tres posiciones y verificar el correcto funcionamiento.

 

Resultados de la bandeja de Lim�n en la parte superior

 

Tabla 22: Resultado de deshidrataci�n del Lim�n en la parte superior.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Analizamos el porcentaje de error que obtenemos en las pruebas.

Tabla 23: Porcentajes de error prueba de deshidrataci�n del Lim�n en la bandeja superior.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Los errores que se obtuvieron son relativamente peque�os por lo que se acepta el dise�o y las pruebas de funcionamiento, podemos deducir que se acepta el funcionamiento del equipo.

Resultados de la bandeja de Lim�n en la parte intermedia.

 

 

Tabla 24: Resultado de deshidrataci�n del Lim�n en la parte intermedia.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Analizamos el porcentaje de error que obtenemos en las pruebas.

 

Tabla 25: Porcentajes de error prueba de deshidrataci�n del Lim�n en la bandeja intermedia

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Los errores que se obtuvieron son relativamente peque�os por lo que se acepta el dise�o y las pruebas de funcionamiento, podemos deducir que se acepta el funcionamiento del equipo.

 

Resultados de la bandeja de Lim�n en la parte inferior

 

Tabla 26: Resultado de deshidrataci�n del Lim�n en la parte inferior.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Analizamos el porcentaje de error que obtenemos en las pruebas.

 

Tabla 27: Porcentajes de error prueba de deshidrataci�n del Lim�n en la bandeja inferior

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Los errores que se obtuvieron son relativamente peque�os por lo que se acepta el dise�o y las pruebas de funcionamiento, podemos deducir que se acepta el funcionamiento del equipo.

 

An�lisis de datos del Lim�n

Con esto podemos trazar la gr�fica relacionando las variables de humedad y tiempo para conocer la tendencia del secado dentro de la c�mara y sacar conclusiones.

 

������������������������� Ilustraci�n 28: Gr�fica de comparaci�n Humedad vs Tiempo de las tres muestras Lim�n.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Tambi�n podemos trazar la gr�fica que relaciona el tiempo con la masa final obtenida para conocer la tendencia que dibuja esta variable.

 

 

 

 

 

 

Ilustraci�n 29: Gr�fica de comparaci�n Masa vs Tiempo de las tres muestras de Lim�n.

Realizado por: L�pez D.; Toscano C. 2023.

 

Conclusiones

�         Se desarroll� el dise�o conceptual para realizar el an�lisis QFD, el cual me defini� el predise�o de una deshidratadora con las siguientes caracter�sticas, semi industrial, semiautom�tica, y con una alimentaci�n de producto hecha sobre bandejas.

�         Se realiz� el dise�o t�rmico aplicando los conceptos de transferencia de calor, resultando principalmente datos de calores y temperaturas, los cuales los corroboramos utilizando el software ANSYS, principalmente para analizar temperaturas, donde al comparar los datos iterativos con los experimentales, para la temperatura interior de la c�mara me da un error de alrededor del 5, 17% y para la comparaci�n de los diferentes an�lisis de la temperatura exterior me da un error del 5%.

�         Se dise�� los elementos mec�nicos enfoc�ndose principalmente en el dise�o de la bandeja, calculando as� su deformaci�n con el software SAP, la cual es muy peque�o debido a que las bandejas soportan un peso m�ximo de 1 kilogramo.

�         Se seleccion� los elementos que forman parte del sistema de control y mando, es as� que con la ayuda de un controlador de marca INOVA, que fue elegido bas�ndonos en par�metros de funcionalidad, precio y disponibilidad en el mercado, me permitir� controlar el tiempo y la temperatura de funcionamiento de la deshidratadora, para esto el controlador utilizar� un sensor de llama, una termocupla tipo J y una electrov�lvula, estos elementos me enviar�n las se�ales requeridas por el controlador.

�         Se realiz� la construcci�n de la m�quina deshidratadora siguiendo los par�metros calculados en las etapas previas, luego se ejecut� las pruebas de funcionamiento aplicando el muestreo de aceptaci�n MIL ST 105 para los lotes de fruta, la cual me establece el tama�o de la muestra, con lo cual puedo comprobar la calidad de mi producto, para posteriormente al analizar los datos experimentales corroborar que mi producto llega al 10% de humedad en el tiempo calculado para cada fruta.

 

Referencias

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      3.            BUENO Fernando, PAREDES Joan. Desarrollo de un sistema de deshidratado de fruta de bajo costo mediante el control de temperatura para PYMES. Tesis de grado. Repositorio acad�mico UPC. 2017.

      4.            CENGEL Y. Transferencia De Calor Y Masa. (4ta edici�n). M�xico D.F. McGraw Hill.

      5.            CENGEL Y. Termodin�mica. (7ma edici�n). M�xico D.F. McGraw Hill.

      6.            ESPIN D. Dise�o de un quemador industrial de gas licuado de petroleo (glp) para secado de grano de maiz a razon de 8,5 toneladas por dia instalado en el canton ventanas. Obtenido de: https://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/6648/1/CD-5029.pdf

      7.            G�MEZ Daniel. Soldabilidad de aceros inoxidables austen�ticos serie 300 mediante el proceso de soldadura mmaw (electrodo revestido) en ambiente h�medo. Tesis de grado. Repositorio institucional. Saltillo 2015.

      8.            GONZALES Arturo. Quality Fuction Deployment: Una herramienta para establecer los requerimientos t�cnicos de un edificio en m�xico. Tesis de postgrado. Repositorio universitario Universidad Polit�cnica De Valencia. Valencia, Espa�a 2014.

      9.            GUAM�N Cristian. Dise�o y construcci�n de un deshidratador h�brido automatizado para frutas. Tesis de grado repositorio institucional. Sangolqu�, 2021.

  10.            HERRERA Jos�, ROJAS Cristian. Dise�o y construcci�n de un deshidratador el�ctrico automatizado para el secado de la semilla de cereales para el proceso de producci�n de harinas en agroindustrias. Tesis de pregrado. Repositorio institucional. Latacunga 2015.

  11.            LLUMIQUINGA Pa�l, SUQUILLO Byron. Dise�o y construcci�n de un prototipo de deshidratador de frutas de capacidad de 12 kg con circulaci�n de aire forzado utilizando resistencias el�ctricas. Tesis de grado. Repositorio institucional. Quito 2015.

  12.            MARI�O Jessica, CHICO Luis. (Dise�o, construcci�n e instalaci�n de una c�mara experimental para deshidrataci�n de productos agr�colas. Tesis de grado. Repositorio institucional ESPOCH. Riobamba, 2012.

  13.            MATAMOROS Ingrid, CHICHANDE Daniel. Dise�o de un prototipo de sistema de control para temperatura y humedad en el almacenamiento de arroz, utilizando sistemas embebidos. Tesis de grado. Repositorio institucional Universidad Polit�cnica Salesiana. Guayaquil, 2021.

  14.            MU�OZ John, ZAPATA C�sar, MEDINA Pedro. Lean Manufacturing Modelos y herramientas. Colecci�n de textos acad�micos Facultad de Ciencias empresariales. Universidad Tecnol�gica de Pereira. Pereira 2022.

  15.            NAREA Diego, TAPIA Jorge, Mejora de la eficiencia de un ventilador axial que opera en un refrigerador dom�stico. Trabajo de titulaci�n de pregrado. Repositorio institucional universidad polit�cnica salesiana. Cuenca, 2021.

  16.            ORREGO C. Procesamiento De Alimentos. (1era edici�n). Manizales. Centro de Publicaciones Universidad Nacional de Colombia.

  17.            SINGH P. Introducci�n a la Ingenier�a de los alimentos. (2da edici�n). Zaragoza. ACRIBIA.

 

 

 

 

� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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