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DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA Y VACIADO SEMIAUTOMATICO DE CHOCOLATE

Santiago Pulgarin Agudelo Andrés Felipe Gómez Martínez

Omar Felipe Rojas Marín

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGÍAS TECNOLOGÍA MECATRONICA

PEREIRA 2015

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA Y VACIADO SEMIAUTOMATICO DE CHOCOLATE

Santiago Pulgarin Agudelo Andrés Felipe Gómez Martínez

Omar Felipe Rojas Marín

INGENIERO WILLIAM PRADO MARTINEZ Profesor Diseño de proyecto

Trabajo de grado para optar al título de Tecnólogo en Mecatrónica

Director del proyecto MSc. Henry William Peñuela Meneses

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE TECNOLOGÍAS TECNOLOGIA MECATRONICA

PEREIRA 2015

Nota de aceptación:

Pereira, junio 24 de 2015

Firma del presidente del jurado

Firma del jurado

Firma del jurado

AGRADECIMIENTOS Agradecemos a todas las personas que nos brindaron un apoyo incondicional y nos motivaron siempre a sacar el proyecto adelante a pesar de los tropiezos que se presentaron durante el desarrollo, a nuestros padres y docentes que contribuyeron con sus conocimientos y experiencia, para guiarnos hacia un camino de crecimiento espiritual e intelectual. De manera muy especial a nuestro docente Henry William Peñuela, ingeniero electricista, que acepto amablemente acompañarnos en este proceso como director de proyecto, siendo un gran apoyo durante todo el trayecto de la investigación, por su paciencia, dedicación, su valiosa sabiduría y experiencia logramos culminar un trabajo impecable en la medida que establecimos nuestras metas. Y nuestros más sinceros agradecimientos a todas las personas que de una u otra forma nos apoyaron y aportaron su conocimiento para poder llevar a cabo este proyecto.

CONTENIDO pág.

CONTENIDO ........................................................................................................................................5

LISTA DE TABLAS .............................................................................................................................7

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................................8

INTRODUCCIÓN ...............................................................................................................................10

1. ANÁLISIS DEL CAMPO DE INVESTIGACION .......................................................................11

1.1 Historia del chocolate ............................................................................................................11

1.1 Origen del chocolate .............................................................................................................12

1.2 Propiedades del chocolate ....................................................................................................12

1.3 Identificación de métodos y sistemas para fundir chocolate. ...............................................13 1.3.1 Método de fundición de chocolate de forma artesanal. ...............................................13 1.3.2 Método de fundición de chocolates en microempresas. ..............................................14 1.3.3 Método de fundición de chocolate en empresas. .........................................................15

2. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO MECÁNICO DEL SISTEMA .................................16

2.1 Propiedades de flujo del chocolate .......................................................................................16 2.1.1 ¿Qué es viscosidad? ....................................................................................................17 2.1.2 Flujo laminar y turbulento .............................................................................................20

2.2 Dimensionado de bombas para chocolate ...........................................................................21 2.2.1 Potencia ........................................................................................................................21 2.2.2 Velocidad ......................................................................................................................21 2.2.3 Criterios generales para escoger una bomba. .............................................................21 2.2.4 Tipos de bombas. .........................................................................................................22

2.3 Manejo del chocolate líquido ................................................................................................26 2.3.1 Almacenamiento en tanque ..........................................................................................26 2.3.2 Tubería encamisada .....................................................................................................27

3. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECÁNICA ..........................................................................28

3.1 Olla para chocolate ...............................................................................................................28 3.1.1 Capas del encamisado de la olla .................................................................................28 3.1.2 Camisa contenedora de agua ......................................................................................29 3.1.3 Tapa inferior de la olla ..................................................................................................31

3.2 Contenedor de agua .............................................................................................................32

3.3 Mezcladora ............................................................................................................................34 3.3.1 Agitador ........................................................................................................................34 3.3.2 Dimensionado del motor para el agitador. ...................................................................38

3.4 Bombeo del chocolate ...........................................................................................................49 3.4.1 Dimensionado del motor para la bomba. .....................................................................52

3.5 Bombeo del agua ..................................................................................................................57

3.6 Calentador .............................................................................................................................58

3.6.1 Dimensionado del calentador de paso. ........................................................................59

4. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL CONTROL DE TEMPERATURA .................63

4.1 Características fisicoquímicas del chocolate ........................................................................63

4.2 Puntos relevantes a tener en cuenta para tratar el chocolate ..............................................63 4.2.1 Tipos de Coberturas y temperatura de fusión. .............................................................64 4.2.2 Coeficiente de conductividad térmica ..........................................................................66 4.2.3 Transferencia de calor por convección ........................................................................67 4.2.4 Transferencia de calor por Conducción. ......................................................................68 4.2.5 Transferencia de calor por Radiación. .........................................................................68

5. DISEÑO DEL CONTROL DE TEMPERATURA .......................................................................69

5.1 Descripción del proceso. .......................................................................................................70

5.2 Sensor de temperatura .........................................................................................................72

5.3 Controlador ...........................................................................................................................73

5.4 Integracion del sistema de control ........................................................................................74

6. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA ........................................................................................75

6.1 Fundicion del chocolate ........................................................................................................75

6.2 Vaciado del chocolate ...........................................................................................................76

7. RESULTADOS OBTENIDOS Y MODIFICACIONES ...............................................................77

7.1 Modificaciones ......................................................................................................................77

7.2 Resultados obtenidos ............................................................................................................77

8. PRESUPUESTO .......................................................................................................................78

CONCLUSIONES ..............................................................................................................................79

RECOMENDACIONES ......................................................................................................................80

BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................................81

ANEXO A ...........................................................................................................................................82

ANEXO B ...........................................................................................................................................83

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LISTA DE TABLAS pág.

Tabla 1 Términos viscosidad: ................................................................................ 18 Tabla 2 Viscosidades de alimentos newtonianos: .................................................. 19 Tabla 3 Tazas de cizallamiento en la producción: ................................................. 20 Tabla 4 Valores típicos de viscosidad en los procesos de chocolate: .................... 35 Tabla 5 Valores de densidad del chocolate dependiendo de varios factores: ....... 36 Tabla 6 Datos del sistema de agitación tipo ancla: ................................................ 41 Tabla 7 Datos del sistema de agitación tipo turbina: .............................................. 45 Tabla 8 Datos del sistema de agitación tipo turbina: .............................................. 48 Tabla 9 Datos de la bomba de tornillo sin fin: ........................................................ 52 Tabla 10 Tabla de propiedades y espesor de lámina del acero 304 ...................... 54 Tabla 11 Caudal (GPM) - Aumento de temp. (°F) .................................................. 61 Tabla 12 Temperatura adecuada para fundir el chocolate. .................................... 64 Tabla 13 Aspectos y factores de mala manipulación de chocolate. ....................... 64 Tabla 14 Poder calorífico de los materiales para la construcción del prototipo. .... 65 Tabla 15 Conductividad térmica. ............................................................................ 66 Tabla 16 Presupuesto. ........................................................................................... 78

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LISTA DE FIGURAS pág.

Figura 1 Árbol de cacao con sus frutos. ................................................................. 11 Figura 2 Método artesanal. .................................................................................... 13 Figura 3 Máquinas mezcladoras y de cubierta de chocolate. ................................ 14 Figura 4 Maquinas automatizadas (1). ................................................................... 15 Figura 5 Maquinas automatizadas (2). ................................................................... 16 Figura 6 Chocolate con ´pie´ debido a una viscosidad incorrecta .......................... 17 Figura 7 Diagrama ilustrando la viscosidad ........................................................... 18 Figura 8 Representación de flujo turbulento y laminar en una tubería. .................. 20 Figura 9 Bomba de engranaje interno. ................................................................... 22 Figura 10 Modo de operación de una bomba de paletas. ...................................... 23 Figura 11 Modo de operación de una bomba de lobulos. ...................................... 23 Figura 12 Ilustracion de una boma de doble tornillo. ............................................. 24 Figura 13 Bomba de piston de desplazamiento positivo. ....................................... 25 Figura 14 Bomba de piston de desplazamiento positivo. ....................................... 25 Figura 15 Ilustracion de las secciones de un tanque para alamacenamiento de chocolate. .............................................................................................................. 26 Figura 16 Imagen de una tuberia encamisada con corte transversal. .................... 27 Figura 17 Medidas internas de la olla. ................................................................... 28 Figura 18 Capas de la olla. .................................................................................... 29 Figura 19 Camisa contenedora de agua. ............................................................... 30 Figura 20 Orificios de la olla por donde fluira el chocolate liquido. ........................ 31 Figura 21 Tapa de circulacion del chocolate. ......................................................... 31 Figura 22 Comportamiento de la tapa. ................................................................... 32 Figura 23 Tanque de almacenamiento del agua .................................................... 33 Figura 24 Dimensiones del tanque de almacenamiento del agua.......................... 34 Figura 25 Rango de viscosidades para agitadores. ............................................... 35 Figura 26 Agitador tipo ancla. ................................................................................ 37 Figura 27 Agitador tipo ancla. ................................................................................ 37 Figura 28 Agitador doble (ancla-turbina). ............................................................... 38 Figura 29 Diseño de la olla con agitador y su respectivo motor. ............................ 39 Figura 30 Ilustracion curva NP (número de potencia) vs Nre (Numero de Reynolds). .............................................................................................................. 41 Figura 31 Corte transversal y medidas del sistema de agitacion tipo ancla. .......... 42 Figura 32 Factor de correccion – Regimen viscoso. .............................................. 43 Figura 33 Corte transversal y medidas del sistema de agitacion tipo turbina. ....... 46 Figura 34 Ilustracion del tornillo de arquimedez. .................................................... 50 Figura 35 Tornillo sin fin realizado en solidworks. .................................................. 50 Figura 36 Aspas del tornillo sin fin. ........................................................................ 51 Figura 37 Diseño de la bomba de tornillo sin fin. ................................................... 51 Figura 38 Diagrama de cuerpo libre de fuerzas sobre la hélice del tornillo. ........... 54 Figura 39 Altura maxima de bombeo. .................................................................... 58 Figura 40 Diagrama de un calentador de paso gas. .............................................. 59

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Figura 41 grafica tiempo-temperatura de un proceso de temperado. .................... 60 Figura 42 Dimensiones fisicas del calentador NR66 series. .................................. 62 Figura 43 Representacion del calentador en solidworks. ....................................... 62 Figura 44 Conductividad térmica. .......................................................................... 67 Figura 45 Transferencia de calor por convección, conducción, radiación. ............. 68 Figura 46 Sistema completo en solidworks. ........................................................... 69 Figura 47 Grafica Tiempo-Temperatura del proceso de transferencia de calor agua-chocolate. ..................................................................................................... 70 Figura 48 Diagrama del control de temperatura para el sistema. .......................... 71 Figura 49 Diagrama esquematico del sistema. ...................................................... 72 Figura 50 Sensor de temperatura PT-100. ............................................................ 72 Figura 51 Esquema del control de temperatura ON/OFF. ..................................... 73 Figura 52 Controlador de temperatura CN1A. ....................................................... 74 Figura 53 Diagrama de Integracion del control de temperatura. ............................ 74 Figura 54 Reduccion del tamaño del bloque de chocolate. ................................... 75 Figura 55 Circulacion y agitado del chocolate........................................................ 76

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INTRODUCCIÓN El proceso de manipulación del chocolate supone actividades en las cuales se hace el vertimiento en moldes, de manera manual, generando un desperdicio de materia prima, retardando el proceso de producción y comprometiendo cada tramo en la calidad del proceso. Con el diseño de una máquina de fundición de chocolates se pretende tecnificar un proceso artesanal en busca de mejorar la calidad. Teniendo en cuenta que el tratamiento del chocolate es delicado ya que deben manejarse rangos específicos de temperatura para producir un chocolate de buena consistencia y calidad, gran parte de los empresarios que hacen parte de las MIPYMES (Micro, Pequeñas y Medianas Empresas) dedicados a esta línea de mercado no están elaborando un producto con altos estándares de calidad dentro de su producción netamente manual. El diseño de la máquina que se plantea en la presente investigación se proyecta como un dispositivo capaz de mantener la temperatura adecuada para la perfecta fundición y manipulación del chocolate; contará con un diseño multifuncional el cual no va a estar limitado solo a la manufactura del chocolates sino también para el sector de panaderías donde el uso de coberturas de chocolate es relativamente alto. Estandarizando la fabricación de chocolates se aumentaría su nivel de aprovechamiento, optimizando la eficiencia de la producción y asimismo dando cabida a la normatividad en la tecnificación del proceso que permite lograr competitividad en el mercado. El desarrollo del proyecto se basó en el proceso artesanal para poder así realizar un diseño correspondiente a las necesidades que requiere la máquina que funde chocolate. Se realizó una investigación acerca de los puntos óptimos para la correcta fundición del chocolate. Se investigó sobre los sistemas actuales para la fundición del chocolate para mejorar el diseño de este sistema. Se evaluó las fórmulas matemáticas para construir el control del sistema y se determina que tipos de sensores y actuadores son necesarios para implementarlos en la máquina de acuerdo a las necesidades planteadas.

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1. ANÁLISIS DEL CAMPO DE INVESTIGACION 1.1 HISTORIA DEL CHOCOLATE El uso frecuente del cacao tiene su origen alrededor del año 500 A.C Cuando fue sembrado por los mayas, la vaina de este fruto la utilizaron para la creación de una bebida, los granos eran utilizados como medio de pago en la época y también usado en los rituales. En 1519 con la llegada de los conquistadores españoles a América Central se conocen los granos del cacao para posteriormente en 1528 ser llevados a Europa encabezado por Hernán Cortés(1485-1547), en 1544 se consume por primera vez como una bebida por parte de la corte española y no siendo del gusto Europeo, se pasó a agregarle leche en vez de agua y añadiéndole miel o azúcar haciéndose popular en el siglo XVII donde esta bebida se convirtió en un símbolo de estatus de clase domínate en las cortes reales de Paris y Londres, así como en la corte imperial de Viena. Con los años fue hasta 1828 cuando el holandés Conrad Van Houten crea una prensa capaz de sacar la manteca de cacao dejando a un lado la pasta de cacao que se conoce actualmente, esto ayudo al descubrimiento de nuevas propiedades y transformaciones que se podían realizar con los granos de cacao ya que no solo se iba a beber el chocolate sino también se podía comer. En 1849 Nacen la primeras barras de chocolate por supuesto, solo se podían dar el gusto de obtenerlas la alta sociedad ya que el precio era alto. En 1875 en la ciudad de Vevey (Suiza) el empresario chocolatero Daniel Peter (1836-1919) crea una pequeña chocolatería que con la ayuda de Sr. Henri Nestlé (1814-1890) logra incorporar leche al chocolate, logrando fabricar el primer chocolate con leche en el mundo, algunos años más tarde aparecen los primeros bombones convirtiendo el chocolate en uno de los elemento más utilizados en la repostería. Figura 1 Árbol de cacao con sus frutos.

Fuente: http://www.curriculumenlineamineduc.cl/605/w3-article-31081.html A principios del siglo XIX, en Colombia se comienza a cultivar el cacao donde más del 85 % del cacao provenía de la provincia del Cauca. Tulio Ospina en el

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año de 1886 publico el manual del cultivo del cacao con el ánimo de promover la siembra y cultivo del cacao y todos los beneficios que traía consigo. Teniendo en cuenta que los agricultores enfrentaron muchos problemas Colombia producía a finales del siglo XIX aproximadamente unas 6.000 toneladas de cacao, logrando integrar esta bebida a la vida diaria de los colombianos. A medida que el cultivo del cacao se fue incrementado se realizaron intentos para industrializar la producción del chocolate en Antioquia en el año de 1864 donde se pretendía usar una maquina a vapor para moler 400 libras de cacao al día. 1.1 ORIGEN DEL CHOCOLATE Las almendras de cacao son el fruto del árbol del cacao que crece mayoritariamente en América Central y Sudamérica, desde donde es originario. También se cultiva actualmente en África Occidental, donde fue posteriormente transportado por los propios europeos. El primer nombre del árbol del cacao fue «Amygdalae pecuniariae» y que significa «dinero-almendra» por su significado como moneda de intercambio. Sin embargo, fue Carl von Linne quien realizó la primera clasificación botánica del árbol, denominándolo «Theobroma cacao», y que significa «cacao, alimento de los dioses». El prensado de las almendras origina tres productos principales: el licor de cacao, la manteca de cacao, y del residuo, el polvo de cacao. La mezcla de estos componentes origina la pasta de cacao, que es la base para la fabricación de las tabletas de chocolate y de los diferentes tipos de chocolate que existen hoy en día. El consumo de la bebida se extendió por toda Europa surgiendo, así, diferentes modalidades para su preparación. En 1657, un ciudadano francés que residía en Londres abrió un local llamado «The Coffee Mill and Tobaco Roll», en el cual comenzó a vender tabletas de chocolate para preparar la bebida en Inglaterra, siendo históricamente el punto de partida de la popularidad del chocolate en Europa.1 1.2 PROPIEDADES DEL CHOCOLATE El chocolate es un alimento que es nutricionalmente completo, ya que contiene aproximadamente un 30% de materia grasa,61% de carbohidratos , 6% de proteínas, un 3% de humedad y minerales (fosforo, calcio, hierro), además de aportar vitaminas A y del complejo B. La materia grasa del chocolate es la manteca de cacao que contiene un 35% de ácido oleico, un 35% de ácido esteárico, y un 25% de ácido palmítico. El 5% restante está formado por diversos ácidos grasos de cadena corta cuya composición es típica de las diferentes almendras de cacao. 1 VALENZUELA, Alfonso. El chocolate, un placer saludable. Instituto de Nutrición y Tecnología de los Alimentos (INTA). Laboratorio de Lípidos y Antioxidantes. Chile: 2007, Vol. 34, Nº3

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1.3 IDENTIFICACIÓN DE MÉTODOS Y SISTEMAS PARA FUNDIR CHOCOLATE.

Para la identificación de los diferentes métodos y sistemas para fundir chocolates se basó en la forma tradicional la cual es por medio del baño de maría y por medio de calderas las cuales funciona también por el mismo sistema de calentado del agua, existen otros sistemas los cuales funcionan por medio de resistencias eléctricas. Para el tratamiento del chocolate se encontró tres tipos de tratamiento los cuales varían de acuerdo a las necesidades que van desde practicas artesanales, microempresas y empresas, se identificó que el uso de diferentes métodos para fundir chocolate y maquinas que ofrece el mercado van de la mano dependiendo del tamaño de la empresa.

1.3.1 Método de fundición de chocolate de forma artesanal. El método usado en este tipo de tratamiento de chocolate es el baño a maría en el cual emplean dos recipientes de acero inoxidable (ver figura 2) en el que sobre el primer recipiente se agrega agua hasta ¼ del volumen, luego se monta el segundo recipiente el cual se le agrega el chocolate en trozos para llevar a cabo el proceso de fundición. La temperatura es controlada por medio de un termómetro para alimentos, y la llama o calor que se proporciona, se gradúa dependiendo de los grados de temperatura que detecta el termómetro. Para el temperado manual es necesario tener una placa donde se pueda extender el chocolate y poderlo esparcir de un lado a otro con una espátula hasta lograr bajar la temperatura. El tratamiento artesanal tiene un gran riesgo ya que se pueden presentar variaciones en el proceso de fundición de chocolate presentado posibles alteraciones en la calidad del chocolate. Figura 2 Método artesanal.

Fuente: http://www.suministrosvegabaja.com/

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1.3.2 Método de fundición de chocolates en microempresas. En las pequeñas y medianas empresas el tratamiento que se le da al chocolate es un poco más tecnificado pero sin embargo, la interfaz que tienen las personas con el chocolate sigue siendo alta. Las pequeñas y medianas empresas cuyo nivel de producción es significativo, se hace necesario implementar sistemas para aumentar la manufactura en menor tiempo garantizando la calidad. Con las nuevas tecnologías los diferentes alternativas de dispositivos electrónicos se hace más fácil y viable la aplicación de estas tecnologías en el tratamiento del chocolate debido a que es más preciso al momento de supervisar que la temperatura y tiempo son los correctos para la fundición del chocolate, otro motivo es la rentabilidad que representa para la los microempresarios que están ampliando su capacidad de producción. Para semi-industrializar o tecnificar procesos productivos es necesario que el operario tenga la capacitación para el correcto manejo de las maquinas. El sistema de control de equipos no es muy complejo porque solo requiere de un sensor que permite regular la temperatura en función del calor que acumula el sistema. Las máquinas para la fundición del chocolate comúnmente tienen un contenedor con capacidades que varían de 10 a 60 Kg construido en acero AISI-304 y hermético. El contenedor hermético con agua se le aplica calor por medio de una resistencia eléctrica o a través de la llama producida por gas natural que se regulan por medio de válvulas a presión y sensores de temperatura, también se utiliza un sistema mecánico que ayuda al mezclar y temperar el chocolate en el depósito, cuenta con un sistema de bombeo ya sea por medio de un tornillo sin fin o por medio de una motobomba que ayudan a verter el chocolate después del tiempo programado de temperado lo cual requiere del uso de sensores automáticos de nivel. El tipo de sistemas empleados en pequeñas y medianas empresas normalmente se controlan por medio de microcontroladores, que registran la información en un tablero la temperatura. En la figura 3 se observan dos tipos de estos sistemas. Figura 3 Máquinas mezcladoras y de cubierta de chocolate.

Fuente: http://www.utilcentre.com/temperadora-ba-o-maria-de-rueda-idea-10kg-220-monof.html

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1.3.3 Método de fundición de chocolate en empresas. Para las empresas con una alta demanda de chocolate se hace necesario implementar la más alta tecnología donde se automatiza o se industrializa el proceso de producción. En los sistemas automatizados normalmente utilizan un sistema de caldera el cual es totalmente controlado por medio de dispositivos electrónicos, con el fin de regular la temperatura y obtener un correcto temperado, basándose en el punto exacto de fusión del chocolate. Las calderas utilizan el calor para transformar el agua en vapor para diferentes tipos de usos, en la parte industrial, fabricación de alimentos, lavanderías, esterilización de instrumentación quirúrgica, en residencias entre muchas otras aplicaciones. El sistema de caldera se utiliza para fundir el chocolate por medio del calor que trasmite el vapor de agua el cual es regulado por medio de sensores de temperatura y sensores adecuados para el sistema de control, permitiendo aumentar eficientemente la producción y con todas las especificaciones adecuadas para generar un chocolate de calidad. En las figuras 4 y 5 se observan dos máquinas para el procesado del chocolate totalmente automatizadas y de última tecnología. Estas máquinas cumplen con varios procesos de temperado y vaciado de chocolate, también cuentan con su respectivo túnel de enfriamiento y empaquetado. Figura 4 Maquinas automatizadas (1).

Fuente: http://de.chclt.net/schokoladenmuseum-koln-leider-museal/glaeserne-produktion-schokoladenmuseum-koeln/

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Figura 5 Maquinas automatizadas (2).

Fuente:http://www.zuris.com.ar/llenadoras_de_tacitas_conos_helados_maquina_llenadora_de_helado_zuris_expert.html

2. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO MECÁNICO DEL SISTEMA 2.1 PROPIEDADES DE FLUJO DEL CHOCOLATE Las propiedades de flujo del chocolate son importantes por dos razones. Primero, si la viscosidad del chocolate es incorrecta entonces se obtendrá un producto de baja calidad, el cual se deberá vender a un bajo precio o tal vez tenga que volverse a realizar el proceso de obtención. Por ejemplo si la viscosidad es muy baja, el peso del chocolate en un dulce cubierto será muy bajo. Cuando es muy alta, se pueden formar ´pies´ (ver figura 6) o también que las burbujas de aire no salgan del chocolate, en un proceso de moldeo. La segunda razón no es tan obvia, pero el sabor del chocolate en la boca también es afectado por su viscosidad, así que las propiedades de flujo pueden ser percibidas por el consumidor. La razón es que la boca contiene muchos receptores de sabor cada uno capaz de detectar un solo tipo de sabor, por ejemplo dulce en la punta de la lengua y amargo al final de la garganta. Mientras el chocolate se derrite hace contacto con estos receptores. El sabor percibido depende del orden, tiempo y ritmo de contacto, el cual depende de la viscosidad y velocidad de derretido. Esto puede ser demostrado al dejar una pieza de chocolate en el refrigerador y otra en un cuarto cálido. Si las dos son consumidas al mismo tiempo parecerá que tienen un sabor muy diferente (Beckett, 2012).

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Figura 6 Chocolate con ´pie´ debido a una viscosidad incorrecta

Fuente: Beckett, S.T., Industrial chocolate manufacture and use. 2nd edition, 1994. p. 225.

2.1.1 ¿Qué es viscosidad? Es fácil determinar la diferencia entre un chocolate espeso y uno fluido, pero es difícil cuantificar la viscosidad de una manera representativa excepto utilizando instrumentos especializados. Es importante entender la influencia de la viscosidad del chocolate debido a que un chocolate más viscoso necesita más potencia para ser mesclado o para inyectarlo que uno de baja viscosidad. Así que es importante a la hora de diseñar sistemas de bombeo y mezclado de chocolate, tener en cuenta este factor para dimensionar de una forma más adecuada sus requerimientos (Beckett, 2000). Viscosidad es la medida de la fricción interna del chocolate. Esta fricción se hace más aparente cuando una capa de chocolate se hace mover en relación a otra capa o superficie. A mayor fricción, mayor la cantidad de fuerza requerida para causar este desplazamiento. El desplazamiento ocurre cuando el chocolate es físicamente movido, como en el mezclado, el bombeo, el depositado, etc. Por lo tanto chocolate con alta viscosidad requerirá más fuerza para moverse (Beckett, 2000). Isaac Newton definió la viscosidad considerando el modelo mostrado en la figura 7. Dos planos paralelos de fluido de igual área (A) son separados por una distancia (dx) y se mueven en la misma dirección a diferentes velocidades (V1) y (V2). Newton asumió que la fuerza (F) requerida para mantener esta diferencia de velocidad era proporcional a la diferencia de velocidad por el líquido (Beckett, 2000).

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Figura 7 Diagrama ilustrando la viscosidad


El gradiente de velocidad (V2-V1)/dx, es una medida del cambio de velocidad al cual las capas se mueven con respecto a ellas. Describe el desplazamiento el líquido experiencia y es llamado la ‘tasa de cizallamiento’. Sus unidades de medida es el segundo reciproco (Hertz) (cm por segundo). El termino F/A indica la fuerza por unidad de área requerida para producir la acción de desplazamiento y es conocida como el ‘estrés de cizallamiento’.

𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑧𝑎𝑙𝑙𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑧𝑎𝑙𝑙𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜⁄ [ 1 ] Para productos de confitería, las unidades de viscosidad son usualmente el centipoise, poise o Pascal-segundo.

1 𝑝𝑜𝑖𝑠𝑒 = 100 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖𝑝𝑜𝑖𝑠𝑒 = 1 𝑔/(𝑐𝑚 · 𝑠) = 0.1 𝑃𝑎 · 𝑠 [ 2 ]

1 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖𝑝𝑜𝑖𝑠𝑒 = 1 𝑚𝑃𝑎 · 𝑠

Tabla 1 Términos viscosidad:

Termino Símbolo Ecuación Unidades SI

Taza de cizallamiento τ τ= fuerza/área Pa

Estrés de cizallamiento γ γ=velocidad/distancia sec-1 Viscosidad η η=estrés de cizall./taza de cizall. Pa s

Fuente: Geoff Talbot, Technology of coated and filled chocolate, confectionary and bakery products, 2009. p. 257.

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El estrés de cizallamiento mide la presión que es aplicada a la lámina en movimiento para superar la resistencia del fluido. Claramente a mayor área de contacto, mayor la presión aplicada. La taza de cizallamiento por otra parte define el gradiente de velocidad en el fluido. En muchas situaciones en donde se maneja el chocolate, la taza de cizallamiento se produce por un movimiento forzado del fluido entre superficies fijas. Es importante recordar que en casos de bombeo rápido por superficies con espacio amplio o en un bombeo lento por huecos estrechos se pueden producir tazas de cizallamiento alto. Altas tazas de cizallamiento se pueden producir en espacios inesperados, así como entre un eje de rotación y si empaque o entre los dientes de la bomba (Talbot, 2009). La viscosidad es una propiedad del fluido y mide la resistencia al movimiento. Por ejemplo para fluidos como el agua, mantequilla de cacao, y hasta para el jarabe de glucosa, la viscosidad es la misma sin importar la taza de cizallamiento. Estos fluidos se conocen como Fluidos newtonianos. La tabla 2 nos da una idea de la enorme gama de viscosidades que se presentan en líquidos denominados newtonianos (Talbot, 2009). Tabla 2 Viscosidades de alimentos newtonianos:

Material Temperatura (°C) Viscosidad (Pa s)

Dulce hervido 20 1012

Caramelo 20 106

Caramelo blando 20 103 Jarabe de glucosa 42DE 40 200 Miel de caña 20 100 Glicerina 20 1 Manteca de cacao 40 0.05 Agua 20 0.001

Fuente: Geoff Talbot, Technology of coated and filled chocolate, confectionary and bakery products, 2009. p. 257. La gran mayoría de materiales alimenticios son en realidad Fluidos no newtonianos. A este comportamiento se le puede llamar pseudoplástico. Esto es cuando la viscosidad se reduce mientras la taza de cizallamiento aumenta. Esta clase de comportamiento es muy común en el chocolate donde la microestructura es una dispersión de partículas de micras y sub-micras de tamaño (Talbot, 2009). En la tabla 3 se observa la taza de cizallamiento que se presenta en el chocolate dependiendo del proceso al cual se esté sometiendo.

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Tabla 3 Tazas de cizallamiento en la producción:

Operación Rango de tazas de cizallamiento

Ejemplo

Sedimentación 10– 6 a 10– 4 Chocolate sin agitar drenaje por gravedad 10– 1 a 1 Glaseado de chocolate Bombeo/vertido 1 a 102 Bombeado de chocolate

pulverizado 103 a 104 Cubierta por pulverización

degustación 1 a 106 Masticado, dispersión entre lengua y paladar Fuente: Geoff Talbot, Technology of coated and filled chocolate, confectionary and bakery products, 2009. p. 257.

2.1.2 Flujo laminar y turbulento El flujo de un fluido al bajar por una tubería puede ser laminar o turbulento. En flujo laminar, las moléculas del fluido siguen caminos bien definidos, que pueden converger o divergir, pero su movimiento es en dirección del mayor flujo. La viscosidad es dependiente de la temperatura pero bastante independiente de la presión y lo áspero de la superficie (Talbot, 2009). Si la tasa de cizallamiento se vuelve muy alta, el movimiento de las moléculas dentro del fluido se vuelve más aleatorio y algunas moléculas pueden hasta moverse en dirección contraria a las que están siendo bombeadas o inyectadas y el flujo se vuelve turbulento. Esto nunca se debe dejar pasar en una tubería para chocolate, ya que puede causar problemas al sistema. El estrés de cizallamiento bajo una tubería es proporcional a su diámetro, así que tuberías más grandes deben ser instaladas si ocurre alguna turbulencia. La figura 8 muestra el flujo laminar y turbulento que se presenta en una tubería (Talbot, 2009). Figura 8 Representación de flujo turbulento y laminar en una tubería.

Fuente: https://esfsciencenew.wordpress.com/2012/10/26/turbulent-flow-and-viscosity/

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2.2 DIMENSIONADO DE BOMBAS PARA CHOCOLATE

2.2.1 Potencia Los requerimientos de potencia para la bomba, tienen que tener en cuenta todas las ineficiencias por fricción, así como las que conlleva el uso de cajas reductoras, correas y la fricción interna de los rodamientos y sellos. Esto varia bastante dependiendo del tipo de bomba que se usa (Beckett, 2012). Nunca dimensione una bomba usando la viscosidad del chocolate medida para condiciones de funcionamiento estándar. Se deben tomar márgenes para condiciones de arranque, particularmente después de un periodo de apagado así como fines de semana y festivos. Si el chocolate no es constantemente movido en la tubería o en el tanque, puede ocurrir sedimentación de las partículas sólidas del chocolate. Esto puede resultar en un incremento en la presión del sistema o hasta se puede bloquear la bomba (Beckett, 2012).

2.2.2 Velocidad La velocidad a la cual opera la bomba debe ser lo más baja posible sin causar deslizamientos o movimientos de vibración. La viscosidad del chocolate se puede ver afectada por movimientos de roce demasiado fuertes. Velocidad excesiva también puede producir calor lo cual puede resultar en caramelización del chocolate y producir un atascamiento de la bomba. La vida útil de la bomba y de los rodamientos y sellos, también se puede extender al operarla a baja velocidad.

2.2.3 Criterios generales para escoger una bomba. Al escoger una bomba para el transporte del chocolate, se deben considerar los siguientes criterios:

• La cantidad de chocolate que se requiere entregar por la bomba. • La presión a la cual la bomba debe sobreponerse (presión por caída en

tubería). • La precisión a la cual debe operar la bomba, por ejemplo en caso de

necesitar dosis exactas. • El tipo de disposición de los sellos, por ejemplo empaquetadura, sello de

labio. • El control de operación y de acción de movimiento de la bomba.

Calentamiento causado por exceso de fricción del chocolate puede causar caramelización o des-temperado del chocolate.

• El tiempo durante el cual se necesita que la bomba opere sin parar.

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• Si algunos ingredientes extras aparte del chocolate se incluyen, la bomba se deberá acomodar a ello,

• El material en contacto con el chocolate. Hierro fundido y acero pueden ser utilizados, en especial un acero inoxidable apropiado.

2.2.4 Tipos de bombas. Hay diferentes tipos de bombas usadas en la manufactura del chocolate, pero la mayoría caben en estas categorías:

• Bombas de engranaje: Las bombas de engranajes internos son ideales para chocolates de alta viscosidad. Además proporcionan un flujo sin pulsaciones y son autocebadas. Como solo tienen dos partes en movimiento son muy confiables, simples de operar y de fácil mantenimiento (Beckett, 2012).

Figura 9 Bomba de engranaje interno.

Fuente: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica9.htm Al estar los engranajes ubicados excéntricamente comienzan a separarse generando un aumento del espacio con lo cual se provoca una disminución de presión lo que asegura la aspiración del chocolate. Logrado esto, el chocolate es trasladado hacia la salida, la acción de la placa con forma de media luna y el engranaje total, impiden el retroceso del chocolate (Beckett, 2012).

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• Bombas de paletas deslizantes: En una bomba de paletas el rotor excéntrico incorpora una serie de paletas, las que mecánicamente desplazan el fluido. Por el diseño este sistema de desplazamiento crea una pulsación en el flujo de descarga de la bomba. Pero estas bombas pueden manejar solidos que tenga el chocolate. Estas bombas son menos apropiadas para aplicaciones que involucren altos rendimientos, altas viscosidades, o largas distancias de bombeo (Beckett, 2012). .

Figura 10 Modo de operación de una bomba de paletas.

Fuente: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica9-A.htm

• Bombas de lóbulo: Las bombas de lóbulo son similares a las bombas de engranaje externo en que el fluido fluye alrededor del interior del cuerpo de la bomba. Aunque en este caso los lóbulos son prevenidos de hacer contacto entre ellos por engranajes de sincronización localizados en la caja de engranajes externa.

Figura 11 Modo de operación de una bomba de lobulos.

http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica9-A.htm

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Las bombas de lóbulos giratorios pueden manejar solidos de tamaño considerable con mínimo daño y un bombeo suave que minimiza la degradación del producto. No se debe utilizar con chocolates que puedan caramelizarse fácilmente debido a que puede ocurrir un calentamiento cerca a la carcasa de la tuerca de bloqueo de la bomba (Beckett, 2012). .

• Bombas de tornillo: Las bombas de tornillo han sido usadas durante muchos años en el transporte de chocolate a granel. Normalmente tiene dos o tres rotores. En la figura 12 se puede ver un sistema de doble tornillo. Mientras los dos tornillos son manejados por unos engranajes, no hay contacto entre ellos. Estas bombas pueden funcionar bastante bien manejadas en reversa y a baja velocidad ofrecen un bombeo suave, junto con un flujo uniforme con pocas pulsaciones y turbulencia. Algunos diseños pueden manejar solidos incluidos en el chocolate de hasta 5mm (Beckett, 2012). .

Figura 12 Ilustracion de una boma de doble tornillo.


• Bombas de pistones de desplazamiento positivo y de diafragma: La construcción de este tipo de bombas es ilustrada en la figura 7. Mientras el pistón retrocede, la válvula inferior sube y el líquido es succionado dentro del espacio creado. Al salir el pistón, la válvula inferior se cierra y la válvula superior se abre, extrayendo el producto. Ajustando la velocidad rotacional o la excentricidad de la leva de manejo, una cantidad precisa de chocolate puede ser desplazada. Esta precisión la hace adecuada para dosificaciones controladas de chocolate. En estos casos la cantidad de chocolate a mover y la viscosidad son pequeñas. También, se debe tener cuidado a la hora de elegir estas bombas para chocolates con sólidos (pasas, maní, etc.) los cuales se pueden quedar atascados en las válvulas.

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Figura 13 Bomba de piston de desplazamiento positivo.

Fuente: Beckett, S.T., Industrial chocolate manufacture and use. 2nd edition, 1994. p. 255. Las bombas de diafragma usan desplazamiento positive para mover líquidos. Son similares en construcción a las de pistón, pero son diseñadas con un diafragma que sella el compartimiento de bombeo del pistón. Esto elimina el problema de sellar el pistón, minimizando las posibilidades de fuga. El diafragma es movido mediante articulación mecánica o aire comprimido (Beckett, 2012). .

• Bomba Pawl: La bomba de pistón rotatorio también llamada ´pawl pump´ en inglés, es frecuentemente usada como una bomba de circulación en máquinas bañadoras de chocolate. Estas bombas son ideales para aplicaciones de presiones medias y de bajas velocidades con o sin inclusiones como nueces y pasas.

Figura 14 Bomba de piston de desplazamiento positivo.

Fuente: http://www.sollichna.com/products/product-lines-by-sollich/chocolate-pumps/pawl-pumps

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2.3 MANEJO DEL CHOCOLATE LÍQUIDO

2.3.1 Almacenamiento en tanque El chocolate líquido debe ser almacenado entre 38 a 40°C, puede variar la temperatura dependiendo de la inclusión de otros ingredientes. En todos los casos se debe tener cuidado de asegurar que la temperatura del chocolate sea uniforme todo el tiempo. Áreas frías o calientes pueden llevar a varios problemas y es por esta razón que los tanques son construidos con una camisa de agua calentada. Así como en las tuberías, el control de temperatura es importante. A bajas temperaturas el chocolate se hace viscoso, haciéndolo difícil de mezclar y bombear. También está la posibilidad de que se vuelva demasiado viscoso y dañe el mecanismo de mezclado (Beckett, 2012). El chocolate liquido en un tanque o recipiente requiere agitación. El no hacerlo resulta en la separación de los compuestos del chocolate (aceite, solidos, manteca, leche, etc.). En casos extremos la sedimentación puede causar daños a la bomba y prevenir el bombeo fuera del tanque. La velocidad rotacional del mezclador depende del diámetro del tanque y de la cantidad de chocolate en él. Las recetas y los procesos de manufactura también juegan un papel importante ya que algunos se pueden volver más ligeros y otros más espesos. Si la velocidad de mezclado no es suficiente aparecerán charcos de grasa encima del chocolate. Figura 15 Ilustracion de las secciones de un tanque para alamacenamiento de chocolate.


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Tanques fabricados con acero dulce o acero inoxidable son usados para el almacenamiento del chocolate y estos pueden ser construidos con una camisa de doble lámina, camisa de hoyuelos o camisa de semitubo (ver figura 15). El tanque debe ser aislado para conservar la energía y para eliminar partes frías. La camisa de agua, junto con cualquier tubería con camisa, debe ser revisada periódicamente por corrosión (Beckett, 2012).

2.3.2 Tubería encamisada La tubería encamisada (Figura 16) puede ser fabricada ya sea de acero dulce o acero inoxidable. Si se usa acero dulce la tubería será unida mediante juntas y bridas. Para tuberías de acero inoxidable, pueden ser usadas bridas o uniones higiénicas, para este tipo de tuberías generalmente se aceptan presiones de 10 bar máximo. Siempre que sea posible se debe poner un dispositivo de alivio de presión en la tubería, preferiblemente después de la bomba. Esto puede ser una válvula de resorte convencional o con un transductor de presión que funcione con el circuito de paro de la bomba (Beckett, 2012). Para tuberías encamisadas de acero inoxidable se recomienda acero inoxidable tipo 316. Figura 16 Imagen de una tuberia encamisada con corte transversal.

Fuente: http://www.power-technology.com/contractors/expansion/hanwel/hanwel4.html

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3. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECÁNICA

3.1 OLLA PARA CHOCOLATE El chocolate antes de comenzar su proceso de fundición se encuentra en estado sólido por lo cual es necesario realizar un calentamiento parejo de todos los puntos de la olla que va a contener el producto. Este contenedor permitirá tanto el proceso de precalentamiento como el de mezclado y puesta a punto del producto para su posterior vertimiento en los moldes.

3.1.1 Capas del encamisado de la olla Para el diseño de las capas de la olla donde va el chocolate, se tuvo presente que debía de ser no solo un contenedor, sino un completo sistema que permitiese unir varias partes del proceso (mezclado y calentamiento) para economizar tiempo y gastos de producción. Para esto el sistema consta de dos capas de metal que tienen funciones distintas pero que trabajan en conjunto para obtener un excelente chocolate.

• Dimensión de la capa interna.

El volumen de chocolate que es capaz de contener la olla diseñada (ver figura 17) para el proceso se ha calculado a través de la siguiente formula:

Figura 17 Medidas internas de la olla.

Fuente: Autores.

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𝑉𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 = 𝜋𝑟2 ∗ ℎ [ 3 ]

𝑉𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜= volumen interno de la olla

𝑟 = radio de la olla = 25 cm

ℎ = altura de la olla = 20 cm

𝜋= 3,1416

𝑉𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 = 3,1416 ∗ (20𝑐𝑚)2 ∗ 25𝑐𝑚 = 31400𝑐𝑚3 = 31.4 𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

• Capa externa. Para el diseño de la capa externa se debió tener en cuenta que debe haber un espacio entre ella y la capa interna que permita el flujo de agua para calentar y derretir uniformemente el chocolate depositado en la olla. En la siguiente imagen se puede ver las dos capas y su separación.

Figura 18 Capas de la olla.

Fuente: Autores.

3.1.2 Camisa contenedora de agua Se compone del espacio entre la capa interna y externa y es utilizado para realizar el proceso de transferencia térmica hacia el interior del contenedor, este espacio permite un flujo constante de agua a la temperatura que es requerida por el sistema, esto dependiendo del proceso que se lleve a cabo.

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Figura 19 Camisa contenedora de agua.

Fuente: Autores. Para una correcta transferencia se seleccionó que el volumen total que circulara a través de este recipiente está dado por la siguiente formula:

𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑉𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 [ 4 ] 𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎= Volumen del espacio por donde circulara el agua

𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙= Volumen de toda la olla (agua y chocolate)

𝑉𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜= Volumen del contenedor interno (chocolate)

Para encontrar el volumen que va contener de agua se realizó la búsqueda de ambos volúmenes tanto del contenedor interno como el del total, para así restarlos. Esto con el fin de encontrar la cantidad de líquido que será necesario para calentar toda la superficie de la olla interna.

• Volumen interno:

𝑉𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 = 31.4 𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

• Volumen total:

𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 3,1416 ∗ (21𝑐𝑚)2 ∗ 27𝑐𝑚 = 35620𝑐𝑚3 = 35.6 𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

• Volumen de agua:

𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑉𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜

𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎 = 35.6 𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 − 31.4 𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 = 4.2 𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

31

3.1.3 Tapa inferior de la olla Como en el inicio del proceso de fundición se requiere que todo el chocolate se derrita y tenga la misma contextura a lo largo del proceso inicial, se dispuso una tapa en la parte inferior de la olla (ver figura 20) ya que era necesario una compuerta que permitiese detener el paso de chocolate hacia el tornillo sin fin cuando el proceso estuviese iniciando y de abrir cuando el chocolate esté listo para continuar con su recorrido hacia el tornillo sin fin. Figura 20 Orificios de la olla por donde fluira el chocolate liquido.

Fuente: Autores La tapa (ver figura 21) se accionara de forma eléctrica mediante un solenoide. El estado de la tapa será normalmente cerrado (NC), el cual se mantendrá por resortes. Una vez se active el solenoide este se abrirá y dejara el paso de chocolate al resto del sistema. Figura 21 Tapa de circulacion del chocolate.

Fuente: Autores

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En la Figura 22 se puede observar como es el comportamiento de esta pieza tanto en el momento en que se encuentra cerrada para el proceso de calentamiento como para el proceso de distribución hacia el tornillo sin fin. Figura 22 Comportamiento de la tapa.

Fuente: Autores

3.2 CONTENEDOR DE AGUA Para el proceso de control de temperatura fue necesario hacer un tanque de almacenamiento, en donde se pueda llevar el agua a la temperatura necesaria con el fin de realizar el proceso de fundición de chocolate. Otra de las funciones del diseño fue la de utilizar este contenedor como base estructural del sistema con el fin de reducir espacio y hacer útil la maquina en todos los aspectos. En la siguiente imagen se puede observar el tanque con la estructura de soporte de la olla a la izquierda y el sistema completo a la derecha.

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Figura 23 Tanque de almacenamiento del agua

Fuente: Autores Las dimensiones del diseño se pueden observar en la Figura 24 y la capacidad del contenedor está dada por las siguientes ecuaciones

𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 𝜋𝑟2 ∗ ℎ [ 5 ]

𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒= volumen del tanque

r= radio de la tanque

h= altura de la tanque

𝜋= 3,1416

𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 3,1416 ∗ (25𝑐𝑚)2 ∗ 22,5𝑐𝑚 = 44178𝑐𝑚3 = 44.1 𝐿𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠

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Figura 24 Dimensiones del tanque de almacenamiento del agua

Fuente: Autores 3.3 MEZCLADORA El chocolate líquido se debe mantener en constante agitación dentro de la olla debido a que este se sedimenta después de un tiempo y se empiezan a separar los componentes del chocolate. Las partículas sólidas se asientan y el aceite flota por encima, haciendo que la mezcla se disgregue. Además la agitación del chocolate hace que la temperatura sea homogénea por toda la mezcla asegurando que no haya partes más frías o calientes que en el resto generando defectos en el producto. Hay que tener en cuenta que el chocolate es muy sensible a los cambios de temperatura y que muy fácilmente se puede echar a perder por ello. La calidad del chocolate se basa en un temperado adecuado que asegure su cristalización dándole las propiedades adecuadas de dureza (crack), el brillo y la fuerza con la que contrae el producto final enfriado.

3.3.1 Agitador Para el diseño del agitador hay que tener en cuenta la viscosidad y densidad del producto que se va a manejar, en este caso el chocolate. El chocolate es un fluido no-newtoniano es decir que puede tomar diferentes viscosidades en el tiempo, ya sea por su composición, por la temperatura o por la taza de cizallamiento que se presente en él. En la siguiente tabla se muestra valores típicos de viscosidad del chocolate para diferentes procesos.

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Tabla 4 Valores típicos de viscosidad en los procesos de chocolate:

Proceso Viscosidad (Pa s) Moldeo 1 - 2 Vaciado

-Ligero < 0.5 -Pesado 3 – 5 -Helado < 0.5

Sumergido a mano 0.5 – 1 Extrusión > 10

Fuente: Hogenbirk, G (1988) Viscosity and yield value for chocolate and coatings. P. 457. Para la aplicación que se va a manejar que es la de vaciado, las viscosidades fluctúan entre 3 y 5 [Pa s] pero debido a que el cálculo siempre debe tener un margen de error por encima de lo que se espera, en este caso del 25%, se dice que la mayor viscosidad probable es de (5 + 25%) 6.25 [Pa s]. Teniendo en cuenta la viscosidad y la aplicación a la que será sometido el agitador los tipos de agitadores son: Figura 25 Rango de viscosidades para agitadores.

Fuente: http://cbi.izt.uam.mx/iq/lab_mec_de_fluidos/Practicas%20Laboratorios/PRACTICA4.pdf Para la densidad del chocolate es difícil dar un valor específico debido a que igual que la viscosidad este depende de varios factores, como por ejemplo la receta, la cantidad de grasa o de azúcar, la temperatura y demás. Para nuestro diseño es preferible tomar los valores máximos que se pueden llegar a presentar. Los valores de densidad más altos del chocolate se dan cuando está en su estado sólido. A continuación una tabla con valores de densidad dados en un estudio que

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se realizó por una empresa de servicios de calibración para mediciones de densidad. Tabla 5 Valores de densidad del chocolate dependiendo de varios factores:

Fuente: http://density.co.uk/wp-content/uploads/2012/08/Density-of-Chocolate.pdf Para tomar un valor único de densidad se debe promediar los valores dados de densidad en el experimento. La densidad promedio dada fue de 1288 [Kg/ m3].

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Para nuestro diseño se decidió utilizar dos tipos de agitadores. Debido a que se hace necesario unas funciones específicas de agitación:

• Agitador tipo ancla: Figura 26 Agitador tipo ancla.

Fuente: http://www.pacontrol.com/process-information-book/Mixing%20and%20Agitation%2093851_10.pdf Los agitadores de ancla se ajustan a las paredes de la olla, previniendo que se pegue el material y promueve una buena transferencia de calor con la pared (BRAWN Mixer, Inc.).

• Agitador tipo turbina: Figura 27 Agitador tipo ancla.

Fuente: http://www.pacontrol.com/process-information-book/Mixing%20and%20Agitation%2093851_10.pdf Turbina con paletas inclinadas usualmente 45°. Pueden venir con 2 hasta 8 paletas, con 6 siendo las más comunes. Combina flujo radial y axial. Muy efectivas para cambio de temperatura con las paredes de la olla o con bobinas internas (BRAWN Mixer, Inc.).

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Usando estos dos tipos de agitadores se asegura que el chocolate mantenga un movimiento uniforme, logrando una transferencia de calor óptima con la olla y una mezcla lo suficientemente homogénea del producto. Figura 28 Agitador doble (ancla-turbina).

Fuente: Autores.

3.3.2 Dimensionado del motor para el agitador. Es necesario conocer los requerimientos eléctricos que debe tener el motor para que funcione correctamente el mecanismo. Puede pasar que se tenga a mano un motor y decidir usarlo sin prever las consecuencias, pero al no saber si este cumple con lo necesario para llevar acabo la función deseada, se puede llegar a tener un motor sobredimensionado y tener grandes pérdidas económicas debido al despilfarro de energía o tener un motor que se quede corto y se tengan problemas por falta de potencia, torque o simplemente se queme. En la figura 29 se muestra el diseño de la olla con el mecanismo de agitación y su respectivo motor.

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Figura 29 Diseño de la olla con agitador y su respectivo motor.

Fuente: autores La potencia consumida por un agitador en el proceso de un fluido es fácilmente medible. Las unidades en que usualmente se expresan esta potencia son en ´horsepower´ HP. Es posible calcular la potencia requerida por el agitador conociendo la viscosidad y la densidad del fluido. La potencia del motor debe ser al menos el 110% de la potencia calculada para el agitador. La potencia del motor puede estar entre 125% y 200% de la potencia del agitador, dependiendo en la exactitud y la certeza de la viscosidad del fluido (A. Kayode Coker, 2001). La potencia se puede calcular para la mayoría de agitadores con la siguiente formula:

𝑆𝐻𝑃 = 𝑁𝑝 × 𝑁^3 × 𝐷^5 × ρB

𝐺𝑐

[ 6 ]

SHP = La potencia necesaria para mover el agitador dada en [ft-lbs/s] Gc = Factor de conversión gravitacional, 32,22 [lbf-ft/lbm-s^2] Np = Numero de potencia N = Velocidad rotacional del agitador D = Diámetro del agitador ρB = Densidad del fluido

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Como se puede ver en la formula, cambios en las rpm o en el diámetro del agitador tienen un gran impacto en la potencia requerida para operar el agitador. Efecto de la viscosidad: Como se describirá más adelante con el Número de Reynolds, cuando aumenta la viscosidad, el Número de Potencia (Np) del agitador aumenta. Esto se vuelve importante en el cálculo de la potencia debido a que cuando empieza a aumenta el Np también lo hace la potencia requerida para mover el agitador. El aumento de la viscosidad también afecta las características de flujo, y se hace necesario un factor de corrección (BRAWN Mixer, Inc.). Número de Reynolds: El número de Reynolds es un numero adimensional que se puede calcular de la siguiente forma:

𝑁𝑟𝑒 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 =𝐷2 × 𝑁 × ρB

µB

[ 7 ]

μB = Viscosidad del fluido El número de potencia es una constante para todos los tipos de agitadores, siempre y cuando el número de Reynolds sea lo suficientemente alto. El número de Reynolds es el indicador del tipo de régimen en el que operara el fluido mezclado. Si el número de Reynolds está por debajo de 2000, usualmente está operando en el régimen en donde el número de potencia es una constante (flujo turbulento). Cuando el número de Reynolds está por debajo de 1000 (flujo laminar), entonces el número de potencia aumenta a medida que el número de Reynolds disminuye (ver figura 30). Consecuentemente, la potencia del agitador debe basarse en el número de potencia corregido. En estos casos se tendrá que obtener la curva NP (número de potencia) vs Nre (Numero de Reynolds) La ilustración siguiente muestra, que mientras el número de Reynolds cae, se llega a un punto donde el número de potencia empieza a crecer rápidamente. Este punto depende del tipo de agitador que se use. Números de Reynolds entre 1000 y 2000 son generalmente considerados de transición.

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Figura 30 Ilustracion curva NP (número de potencia) vs Nre (Numero de Reynolds).

Fuente:http://www.craneengineering.net/products/mixers/documents/craneEngineeringPrinciplesOfFluidMixing.pdf Numero de Potencia: Cada agitador de diseño geométrico constante muestra una curva de número de potencia uniforme. El número de potencia depende de la viscosidad del fluido, del régimen de operación (laminar, transitorio, turbulento), del tipo de agitador y factores de diseño. Para este caso se tiene que hallar independientemente los valores de potencia para cada agitador, tanto para el de ancla como para el de turbina, debido a su función y dimensiones (BRAWN Mixer, Inc.).

• Potencia del agitador tipo ancla: Detalles necesarios para el cálculo de la potencia del agitador:

Tabla 6 Datos del sistema de agitación tipo ancla:

Datos requeridos Diámetro de la olla (T) 400,5 mm 1,31397638 ft Diámetro del agitador (D) 380 mm 1,24671916 ft Tipo de agitador Ancla # de aspas (n) 2 Ancho de aspa (W) 14 mm 0,045931759 ft Largo de aspa (L) 180 mm 0,590551181 ft Altura aspas verticales (V) 170 mm 0,5577427 ft Profundidad del chocolate (H) 230 mm 0,754593176 ft Altura del agitador sobre el fondo (Z) 8 mm 0,02624672 ft

Fuente: Autores.

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Figura 31 Corte transversal y medidas del sistema de agitacion tipo ancla.

Fuente: Autores.

o PASO #1: Determinar las propiedades físicas del Fluido: Propiedades físicas comunes del chocolate en el proceso de vaciado. Se toman valores máximos. Estos datos se dieron previamente en el documento, ver tabla 4 (viscosidad) y tabla 5 (densidad).

ρC = Densidad del chocolate = 1288𝐾𝑔𝑚^3

µC = Viscosidad del chocolate = 6,25 Pa s

Como se quiere obtener el resultado en HP se tienen que convertir las unidades de la densidad del chocolate en [lbs./ft^3].

ρC = 1288 𝐾𝑔𝑚^3

×𝑚^3

(3,2808399 𝑓𝑡)^3×

2,20462262 𝑙𝑏𝑠𝐾𝑔

ρC = 80,4072𝑙𝑏𝑠𝑓𝑡^3

43

Lo mismo para la viscosidad se debe convertir en [lbs./hr. ft.]

µC = 6,25𝐾𝑔𝑚 ∙ 𝑠

×2,20462262 𝑙𝑏𝑠

𝐾𝑔×

𝑚3,2808399 𝑓𝑡

×𝑠

0,000277 ℎ𝑟

µC = 15119,3 𝑙𝑏𝑠

𝑓𝑡 ∙ ℎ𝑟

o PASÓ #2: Se determina la velocidad del agitador en unidades

apropiadas para el cálculo del número de Reynolds. N= revoluciones por minuto (rpm), para el cálculo se debe convertir en revoluciones por hora (rph). Las revoluciones escogidas de acuerdo a la aplicación son 37 rpm.

𝑁 = 30 𝑟𝑝𝑚 ∗ 60 = 1800𝑟𝑝ℎ [ 8 ]

o PASÓ #3: Se determina el número de Reynolds para el chocolate.

𝑁𝑟𝑒 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 =𝐷2 × 𝑁 × ρC

µC

[ 9 ]

𝑁𝑟𝑒 =1,24671916 2 × 1800 × 80,4072

15119,3

𝑁𝑟𝑒 = 14,88

Con este número de Reynolds se puede decir que se encuentra en el régimen laminar ya que el Nre < 1000. Se debe calcular un factor de corrección dependiendo del rango del número de Reynolds (CHEMICAL PROCESSING).

Figura 32 Factor de correccion – Regimen viscoso.

Fuente: http://www.chemicalprocessing.com/experts/mixing/show/679/

44

El factor de corrección se puede multiplicar por el número de potencia del tipo que se va a manejar, en este caso para un líquido viscoso con un agitador tipo ancla (CHEMICAL PROCESSING). Para nuestro caso nuestro factor de corrección es:

𝐹(𝑁𝑟𝑒) = 1

o PASO #4: Determinar el número de potencia Np apropiado para el tipo de agitador Para el cálculo del Np para un agitador tipo ancla y que funcione en el régimen viscoso, se tiene la siguiente ecuación:

𝑁𝑝(𝐴𝑛𝑐𝑙𝑎 − 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑜) = 113 × � 𝐷𝑇−𝐷

�0.5

× �𝑉𝐷� × �𝑊

𝐷�0,16

× �𝑛2�0,67

[ 10 ]

Fuente: http://www.chemicalprocessing.com/experts/mixing/show/679/

=113 × � 1,24671916 1,31397638−1,24671916

�0.5

× �0,5577427 1,24671916

� × �0,04593175971,24671916

�0,16

× �22�0,67

𝑁𝑝(𝐴𝑛𝑐𝑙𝑎 − 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑜) = 128

Se multiplica el valor obtenido por el factor de corrección F(Nre):

𝑁𝑝 = 128 ∗ 1

𝑁𝑝 = 128

o PASÓ #5: Se determina la velocidad del agitador en unidades apropiadas para el cálculo de la potencia. N= revoluciones por minuto (rpm), para el cálculo se debe convertir en revoluciones por segundo (rps). Las revoluciones escogidas de acuerdo a la aplicación son 37 rpm.

𝑁 = 30 𝑟𝑝𝑚/60 = 0,5 𝑟𝑝𝑠

45

o PASÓ #6: Se calcula la potencia requerida por el agitador:

𝑆𝐻𝑃 = 𝑁𝑝 × 𝑁^3 × 𝐷^5 × ρC

𝐺𝑐

[ 11 ]

𝑆𝐻𝑃 = 128 × 0,5^3 × 1,24671916^5 × 80,4072

32,22

𝑆𝐻𝑃 = 120 �𝑓𝑡 ∙ 𝑙𝑏𝑠

𝑠�

Se hace la conversión a HP:

1 𝐻𝑃 = 550 �𝑓𝑡 ∙ 𝑙𝑏𝑠

𝑠�

𝑆𝐻𝑃 =120550

= 0,218𝐻𝑃

Potencia requerida por el agitador tipo ancla es de 0,218 HP.

• Potencia del agitador tipo turbina: Detalles necesarios para el cálculo de la potencia del agitador:

Tabla 7 Datos del sistema de agitación tipo turbina:

Datos requeridos Diámetro de la olla (T) 400,5 mm 1,31397638 ft Diámetro del agitador (D) 300 mm 0,98425197 ft Tipo de agitador Turbina con aspas inclinadas # de aspas (n) 2 Angulo de aspa (A) 45° Ancho de aspa (W) 24 mm 0,078740157 ft Largo de aspa (L) 145 mm 0,475721785 ft Profundidad del chocolate (H) 230 mm 0,754593176 ft Altura del agitador sobre el fondo (Z) 130 mm 0,42650919 ft

Fuente: Autores.

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Figura 33 Corte transversal y medidas del sistema de agitacion tipo turbina.

Fuente: Autores.

o PASO #1: Determinar las propiedades físicas del Fluido:

Para este cálculo se utilizan la densidad y viscosidad previamente calculadas:

ρC = 80,4072𝑙𝑏𝑠𝑓𝑡^3

µC = 15119,3 𝑙𝑏𝑠

𝑓𝑡 ∙ ℎ𝑟

o PASÓ #2: Se determina la velocidad del agitador en unidades

apropiadas para el cálculo del número de Reynolds.

𝑁 = 30 𝑟𝑝𝑚 ∗ 60 = 1800𝑟𝑝ℎ [ 12 ] Se utiliza la misma velocidad que con el cálculo anterior.

47

o PASÓ #3: Se determina el número de Reynolds para el chocolate.

𝑁𝑟𝑒 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 =𝐷2 × 𝑁 × ρC

µC

[ 13 ]

𝑁𝑟𝑒 =0,98425197 2 × 1800 × 80,4072

15119,3

𝑁𝑟𝑒 = 9,2736

Con este número de Reynolds se puede decir que se encuentra en el régimen laminar ya que el Nre < 1000. Se debe calcular un factor de corrección dependiendo del rango del número de Reynolds (CHEMICAL PROCESSING). El factor de corrección se puede multiplicar por el número de potencia del tipo que se va a manejar, en este caso para un líquido viscoso con un agitador tipo ancla. Como el valor dio por debajo de 15 y viendo los rangos para el factor en la imagen 32, para nuestro caso nuestro factor de corrección es:

𝐹(𝑁𝑟𝑒) = 1

o PASÓ #4: Determinar el número de potencia Np apropiado para el tipo de agitador. Para este tipo de agitador como tal no se encuentra una fórmula para hallar su Np como tal, se hace necesario experimentación para poder hallarlo. Para turbinas con paletas inclinadas que tengan medidas estándar si se encuentran números de potencia. El rango típico del diámetro agitador-tanque (D/T) para números de potencia publicados esta entre 0.2 y 0.6. El índice del diámetro agitador-tanque para este caso es de 0.74 (300/400.5), bastante afuera del rango normal. Los números de potencia incrementan con D/T altos, pero hay poca información de cuanto aumentan en esta situación, normalmente 1.5 a 2 veces el número de potencia para valores de rango medio de D/T (CHEMICAL PROCESSING). A continuación una tabla con valores típicos de Np para agitadores tipo turbina con características geométricas estándar.

48

Tabla 8 Datos del sistema de agitación tipo turbina:

Fuente: http://lionelpullum.com/pdf%20files/1792.pdf En rojo se resaltó la turbina que más se asemeja a la de este sistema, es una turbina con 4 aspas de inclinación de 45°, tiene un Np de 1.5, para poder tomar en cuenta un valor más cercano a lo que se recomienda se multiplicara por 2 dada la recomendación que anteriormente se dio.

𝑁𝑝 = 1.5 ∗ 2 [ 14 ]

𝑁𝑝 = 3

o PASÓ #5: Se determina la velocidad del agitador en unidades apropiadas para el cálculo de la potencia.

𝑁 = 30 𝑟𝑝𝑚/60 = 0,5 𝑟𝑝𝑠

o PASÓ #6: Se calcula la potencia requerida por el agitador:

𝑆𝐻𝑃 = 𝑁𝑝 × 𝑁^3 × 𝐷^5 × ρC

𝐺𝑐

[ 15 ]

49

𝑆𝐻𝑃 = 3 × 0,5^3 × 0,98425197^5 × 80,4072

32,22

𝑆𝐻𝑃 = 0.8644 �𝑓𝑡 ∙ 𝑙𝑏𝑠

𝑠�

Se hace la conversión a HP:

1 𝐻𝑃 = 550 �𝑓𝑡 ∙ 𝑙𝑏𝑠

𝑠�

𝑆𝐻𝑃 =0.8644

550= 0.0016𝐻𝑃

Potencia requerida por el agitador tipo ancla es de 0.0016 HP.

Ya calculadas las potencias de cada agitador se deben sumarlas, para hallar la potencia requerida por todo el sistema de agitación:

𝑆𝐻𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0,218𝐻𝑃 + 0,0016𝐻𝑃 [ 16 ]

𝑆𝐻𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0,220𝐻𝑃 Para determinar la potencia requerida por el motor, se utilizara un 10% por perdidas en engranaje y rodamientos.

𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑆𝐻𝑃/(1 − 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠) [ 17 ]

𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 0,220𝐻𝑃/(1 − 0,10)

𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 0,24 𝐻𝑃

3.4 BOMBEO DEL CHOCOLATE El bombeo del chocolate se realizara mediante un tornillo sin fin de hélice helicoidal. El chocolate derretido que se encuentra en la olla será bombeado por el tornillo sin fin y fluirá continuamente. Un motor moverá el tornillo y este funcionara como el tornillo de Arquímedes, parecido al funcionamiento de una fuente de chocolate. El tornillo sube el chocolate hasta la parte superior de un cilindro y de allí vuelve y cae a la olla.

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Figura 34 Ilustracion del tornillo de arquimedez.

Fuente:https://www.asme.org/wwwasmeorg/media/ASMEMedia/About%20ASME/WhoWeAre/History/Landmarks/91_Archimedes_Screw_Pump.jpg Este tipo de bomba es ideal, debido a que el chocolate es un fluido viscoso y además a que no se necesitan grandes distancias de transporte o grandes cantidades de material. A continuación se muestra el diseño del tornillo realizado en solidworks: Figura 35 Tornillo sin fin realizado en solidworks.

Fuente: Autores. En la siguiente imagen se puede observar que al tornillo sin fin se le agrego un par de aspas en la parte superior para garantizar un flujo con mayor propulsión hacia la tubería de salida.

51

Figura 36 Aspas del tornillo sin fin.

Fuente: Autores. Este tornillo deberá ir dentro de una tubería que funcione como las paredes de la bomba, esta no tiene que quedar tan ajustada al tornillo, ya que mientras sea mayor el fluido que se mantiene en la hélice que el que se fugue se garantiza un bombeo del fluido y lo ideal es que quede con una pequeña apertura entre ambos, debido a que se pueden producir calentamientos no deseados por fricción. Esta tubería debe ser calentada de algún modo para mantener la temperatura deseada del chocolate. Previamente en el documento en el capítulo ¨manejo del chocolate líquido ¨ Se habló de las tuberías encamisadas que funcionan mediante la transferencia del calor que hay entre el agua caliente que pasa por sus paredes y el contenido de su interior. A continuación se muestra la imagen de la bomba con su respectiva tubería y motor: Figura 37 Diseño de la bomba de tornillo sin fin.

Fuente: Autores

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3.4.1 Dimensionado del motor para la bomba. En primer lugar se deben tabular los parámetros importantes para el diseño. Que ayudaran a definir las dimensiones del equipo y algunos otros parámetros de funcionamiento. A continuación se presenta una tabla con los datos relevantes para el dimensionado de la bomba y la definición de los parámetros de funcionamiento: Tabla 9 Datos de la bomba de tornillo sin fin:

Diámetro externo del tornillo D 60 mm 0,06 m Diámetro del eje del tornillo Ds 20 mm 0,02 m Diámetro del tubo Dp 65 mm 0,065 m Paso del tornillo P 40 mm 0,04 m Longitud del tornillo L 780 mm 0,78 m Densidad máxima del material a transportar W 1288 Kg/(m^3) Angulo de inclinación del tornillo B 0° Revoluciones por minuto del tornillo N 60 rpm 1 rps Factor de llenado nF 50% Separación tornillo-tubo (separación radial) C 0,5 mm 0,0005 m Espesor de las aspas del tornillo Ts 2 mm 0,002 m

Fuente: Autores

• Capacidad de la bomba de tornillo: El caudal de la bomba es influenciada por el movimiento rotacional o de vórtice del material durante su transportación y la cantidad de llenado que se presenta en el tornillo (Factor de llenado). El caudal volumétrico de una bomba de tornillo sin fin está dada por:

Q = Qt × nV �m3

s�

[ 18 ]

Dónde: Qt = r × w × D3

r =18

× � �1 + 2C D

�2

− �dsD �

2

� × �PD−

tsD

�

Qt = Máximo caudal volumétrico con la bomba funcionando 100% llena. nV = Eficiencia volumétrica. D = Diámetro del tornillo (m)

53

P = Paso del tornillo (m) C = Separación radial (m) ds = Diámetro del eje (m) w = velocidad angular (r/s) ts = Espesor de las aspas del tornillo (m)

r =18

× � �1 + 20,0005

0,06 �2

− �0,020,06

�2� × �

0,040,06

−0,0020,06

�

r = 0,07303125

𝑤 = 2 × 𝜋 × 𝑁

𝑤 = 2 × 𝜋 × 1 rps

𝑤 = 6,283 �

𝑟𝑠�

Entonces: Qt = 0,07303125 × 6,283 × 0,063

Qt = 0,00009911275 �m3

s �

La eficiencia volumétrica de una bomba de tornillo sin fin es el producto de dos componentes como se indica a continuación:

𝑛𝑉 = 𝑛𝑉𝑅 × 𝑛𝐹

Dónde: nVR = eficiencia de transmisión o de vórtice que representa al movimiento rotacional o de vórtice. nF = factor de llenado o eficiencia de llenado. Debido a que para hallar la eficiencia volumétrica se necesitan hacer pruebas experimentales, se tomara un valor del 90% de eficiencia, solo teniendo un 10% de pérdidas. Entonces: 𝑛𝑉 = 0.9 Así que nuestro caudal volumétrico con un 90% de eficiencia del sistema nos da:

Q = 0,00009911275 �m3

s � × 0.9

Q = 0,00008920149 �m3

s �

54

• Cálculos estructurales del tornillo. Luego de haber hallado el caudal de trabajo del tornillo, se procede a realizar los cálculos estructurales de la hélice del tornillo, para lo cual fue fijado el espesor de la lámina en 2 mm y se seleccionó como material acero inoxidable 304, de donde se obtienen los datos físicos tabulados a continuación:

Tabla 10 Tabla de propiedades y espesor de lámina del acero 304

Espesor de la lámina de la hélice B 2 mm Huella de la hélice L 20 mm Resistencia a la fluencia del Acero 304 Sy 310 MPa 3,16112x10^7 kgf/m^2 Módulo de elasticidad del Acero 304 E 200 GPa 2,04x10^10 kgf/m^2 Momento de inercia I 9.64x10^-12 m^4

Fuente: Autores En el siguiente grafico se muestra el diagrama de cuerpo libre que representa la descomposición de fuerzas sobre la hélice del tornillo que serán las que se utilizaran para realizar los cálculos estructurales en dicha parte del tornillo.

Figura 38 Diagrama de cuerpo libre de fuerzas sobre la hélice del tornillo.

Fuente: Guide to the Design, Selection and Application of Screw Feeders” Lyn Bates, 2000.

55

• Cálculos de fuerzas y potencia requerida

Se procedió a determinar las componentes de las fuerzas y la deflexión máxima que presenta la hélice bajo la carga generada por el caudal de trabajo. Se determina el ángulo de inclinación de la hélice como se muestra en la figura 38:

𝜃 = tan−1 �𝑃

𝜋 × 𝐷� [ 19 ]

Dónde: P = Paso del tornillo. D = Diámetro del tornillo

𝜃 = tan−1 �0,04 m

𝜋 × 0,06 m� = 11,98°

Se halla el esfuerzo generado por el material en una revolución de la hélice, este esfuerzo esta aplicado sobre su superficie de contacto y en dirección perpendicular a ella:

𝐹 =𝑞 × 𝑤

𝜋 × �𝐷2

4� [ 20 ]

𝑞 = 𝑛𝐹 × 𝜋 × �𝐷2 − 𝐷𝑠2

4� × 𝑃

[ 21 ]

Dónde: q = caudal que maneja una sola revolución de la hélice. nF = Factor de llenado Ds = Diámetro del eje del tornillo w = Peso del material (densidad del chocolate)

𝑞 = 0,5 × 𝜋 × �0,06 2 − 0,022

4� × 0,04

𝑞 = 0.00005026548 𝑚3

Entonces:

𝐹 =0.00005026548 𝑚3 × 1288 Kgf

m3

𝜋 × �(0,06m)2

4�

56

𝐹 = 22.9𝑘𝑔𝑓𝑚2

Se calcula el trabajo necesario para mover el material en una revolución del tornillo en sus componentes longitudinales y transversales (T y A) con un factor de seguridad igual a 4.

𝐴 = 4 × 𝜋 ×𝐷2

4× 𝑃 × 𝐹 × cos(𝜃 + ∅𝑓)

[ 22 ]

𝑇 = 4 × 𝜋 ×𝐷2

4× 𝑃 × 𝐹 × 𝑠𝑒𝑛(𝜃 + ∅𝑓)

[ 23 ]

Nótese que en este cálculo interviene el ángulo de resbalamiento del fluido (φf) el cual se puede calcular mediante experimentación o por tablas dependiendo del material que se utilice, en este caso el chocolate. Este ángulo corresponde a la inclinación necesaria de la superficie para que empiece a fluir. Dado a que este dato no se halló, se tomara una inclinación base de 15°.

𝐴 = 4 × 𝜋 ×(0,06m)2

4× 0,04m × 22.9

𝑘𝑔𝑓𝑚2 × cos(11,98° + 15°)

𝐴 = 0.0092 𝑘𝑔𝑓 ∙ 𝑚

𝐴 = 0.091 𝑁𝑚

𝑇 = 4 × 𝜋 ×(0,06m)2

4× 0,04m × 22.9

𝑘𝑔𝑓𝑚2 × 𝑠𝑒𝑛(11,98° + 15°)

𝑇 = 0.0047 𝑘𝑔𝑓 ∙ 𝑚

𝑇 = 0.046 𝑁𝑚

Ahora se procede a calcular la potencia necesaria para llevar el material a lo largo de todo el tornillo. Aplicando las siguientes ecuaciones se obtendrá la potencia total requerida por el sistema.

𝑊𝑟 = �𝐿𝑃�

× 𝑇 ×𝑁

9550 [ 24 ]

𝑊𝑚 =𝑄 × 𝑤 × 𝐿

52,5 [ 25 ]

57

𝑊𝑙 = 𝐴 ×𝑁

9550× �

𝐿𝑃�

× 𝑐𝑜𝑠(𝐵) [ 26 ]

𝑊𝑡 = 𝑊𝑟 + 𝑊𝑚 + 𝑊𝑙 [ 27 ]

Dónde: L = longitud del tornillo N = Revoluciones por minuto B = Angulo del tornillo Entonces:

𝑊𝑟 = �0,78 m0,04 m

� × 0.046 𝑁𝑚 ×60 𝑟𝑝𝑚

9550

𝑊𝑟 = 5.9 × 10−4𝑘𝑔 ∙ 𝑚2

𝑠3 [𝑤] = 0.000000791 𝐻𝑃

𝑊𝑚 =0,00008920149 �m

3

s� × 1288 Kgf

m3 × 0,78 m

52,5

𝑊𝑚 = 0.001707𝑘𝑔𝑓 ∗ 𝑚

𝑠 [𝑤] = 0.000002289 𝐻𝑃

𝑊𝑙 = 0.091 𝑁𝑚 ×60 𝑟𝑝𝑚

9550× �

0,78 m0,04 m

� × 𝑐𝑜𝑠(90°)

𝑊𝑙 = 0 𝐻𝑃

𝑊𝑡 = 0.000000791 𝐻𝑃 + 0.000002289 𝐻𝑃 + 0 𝐻𝑃

𝑊𝑡 = 3.08 × 10−6 𝐻𝑃

3.5 BOMBEO DEL AGUA El bombeo del agua se hará mediante una motobomba, la cual se deberá dimensionar de acuerdo a las necesidades. Para dimensionar una bomba hay que definir:

• El caudal del agua que se desea entregar. • La altura máxima a la que se desea bombear el agua.

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Para este caso se decidió por un caudal pequeño debido a que no se van a manejar desplazamientos de agua grandes para garantizar un intercambio de calor más preciso. Se decidió entonces por un caudal de:

Q = 0,1Ls

= 6Lm

= 1,5 GPM La altura máxima a la que se va a desplazar el agua en este caso tampoco es muy grande. En la siguiente imagen se muestra esta altura. Figura 39 Altura maxima de bombeo.

Fuente: Autores. La altura máxima es de aproximadamente 1 metro por lo que se puede decir que la altura de bombeo en este caso no es muy influyente en el cálculo de la bomba. 3.6 CALENTADOR Hay varias formas de calentar el chocolate, pero como ya se mencionó el ideal es el baño maría. El que la llama vaya sobre el agua y no sobre el chocolate nos evita que haya temperaturas no adecuadas por malas distribuciones de calor sobre el chocolate. También hay que tener en cuenta que el control de temperatura es

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mucho más sencillo sobre el agua, el cual tiene una conducción térmica casi constante y en cambio el chocolate varía mucho por su composición. Para este caso se elige un calentador de paso o circulante a gas. Estos calentadores de alta potencia calientan instantáneamente el agua mientras pasa por él y no almacenan agua internamente, excepto por la que se encuentra dentro del serpentín intercambiador de calor (ver Figura 39). Los intercambiadores de calor de cobre son los preferidos por su alta conductividad térmica y facilidad de fabricación. Figura 40 Diagrama de un calentador de paso gas.

Fuente: http://monkeywrenchplumbers.com/just-read-the-manual/

3.6.1 Dimensionado del calentador de paso. Se puede calcular la capacidad aproximada requerida para un calentador de paso teniendo el aumento de temperatura requerido y el caudal de agua. Para esta aplicación no se necesita un gran caudal de agua. Se tomara un caudal de 0,1 litros por segundo.

• Aumento de temperatura requerido.

Lo primero que se debe saber para el dimensionado del calentador es la temperatura necesaria que necesita el sistema. Para esto se necesita saber la transferencia de calor que se requiere.

60

Se tiene que hallar la temperatura necesaria del agua para aumentar la temperatura del chocolate desde la temperatura ambiente hasta la temperatura deseada. La temperatura deseada del chocolate varía en el tiempo debido a los procesos que se necesiten hacer. A continuación una gráfica con los valores típicos de temperatura en un proceso de temperado del chocolate y los valores desfasados de la temperatura del agua con respecto a la del chocolate.

Figura 411 grafica tiempo-temperatura de un proceso de temperado.

Fuente: Beckett, S.T., Industrial chocolate manufacture and use. 2nd edition, 1994. p. 287. Después del proceso de temperado, el chocolate se mantiene a temperatura estable en el rango de 30°C y 31°C. Para el cálculo utilizaremos el valor máximo de temperatura en un proceso de temperado que puede variar entre los 45°C y los 50°C. Se toman los 50°C como el valor deseado de temperatura para el cálculo de la energía necearía y la temperatura ambiente se tomara de 16°C. Ahora, la temperatura del agua tiene que estar por encima de la temperatura del chocolate si se desea subir la temperatura con más rapidez, para esto se tomara un desfase del 10% sobre la temperatura del chocolate es decir 5°C por encima de la temperatura deseada del chocolate. Así que la temperatura máxima del agua será de 55°C. El aumento de temperatura requerido (ΔT) es la diferencia entre la temperatura del agua de entrada (T1) y la temperatura requerida del agua de salida (T2).

61

ΔT = T2 − T1 [ 28 ] Entonces:

ΔT = 55°C − 16°C

ΔT = 39°C Nuestro aumento de temperatura requerido entonces es de 39°C

• Escoger el calentador adecuado. Teniendo los datos del caudal que se va a manejar y el aumento de temperatura, que para nuestro caso son:

ΔT = 40°C = 103°F

Q = 0,1 L/s = 1,5 GPM Se busca el calentador más adecuado a nuestra necesidad, haciendo uso de las gráficas de especificaciones del vendedor y de los calentadores comerciales:

Tabla 11 Caudal (GPM) - Aumento de temp. (°F)

Fuente: https://www.plumbingsupply.com/noritz-residential-water-heater-nr83.html

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Para esta marca de calentadores el modelo más cercano a las necesidades que se requieren es el NR66 series. A continuación en la figura 41 se muestran las dimensiones físicas del calentador NR66 series.

Figura 422 Dimensiones fisicas del calentador NR66 series.

Fuente: http://www.faucetdepot.com/pdfs/Noritz-NR66-OD-NG.pdf Estas dimensiones se tomaron como base para la representación del calentador en nuestro diseño en solidworks. En la siguiente imagen se muestra el diseño del calentador en solidworks con las dimensiones del calentador a paso NR66 series como base.

Figura 433 Representacion del calentador en solidworks.

Fuente: Autores

63

4. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL CONTROL DE TEMPERATURA

Para el desarrollo de este sistema se debe tener conocimiento de las temperaturas de fundición para los diferentes tipos de chocolates, las propiedades fisicoquímicas y todos los procedimientos que impliquen una correcta manipulación del chocolate, es por esto que se dará una introducción sobre los datos más relevantes para culminar el diseño de un sistema de control de temperatura. 4.1 CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DEL CHOCOLATE La estructuración triacilgliceridos que compones la materia grasa del chocolate, se caracteriza por tener un punto de fusión en el rango 27-32 grados Celsius, esta es la característica organoléptica más interesante del chocolate, ya que por esta característica el chocolate se puede fundir con relativa rapidez en el paladar humano, sintiendo una contextura cremosa y sabor agradable. Para los chocolates que tienen un bajo regularmente le adicionan La temperatura de fundición del chocolate depende esencialmente de sus porcentajes de manteca de cacao aunque la temperatura en la que mejor se derrite el chocolate es de 40 grados Celsius a 45 grados Celsius, se debe usar calor indirecto ya que de lo contrario podría causar daños en el chocolate, esto se debe a que el chocolate no se funde uniformemente, el método más adecuado para fundir chocolate es el baño a maría ya que proporciona una temperatura uniforme. 4.2 PUNTOS RELEVANTES A TENER EN CUENTA PARA TRATAR EL

CHOCOLATE En el mercado se pueden encontrar diferentes tipos de chocolates los cuales varían sus componentes y proporciones en la mezcla dando un leve cambio al punto de fusión y la resistencia que ejerce al calor. Un factor importante y clave a la hora de hacer un chocolate de excelente calidad es la fundición del chocolate ya que dependiendo del tiempo de tratamiento y temperatura aplicada, nos proporcionara el sabor y una sensación bucal de fundición del chocolate con el calor corporal que es una característica fisicoquímica que lo identifica. Es necesario tener conocimiento sobre los puntos de fusión de los diferentes tipos de chocolate, la grasa solida contenida y el rango de temperatura debido a que con esta información se puede identificar la temperatura ideal del agua y tiempo que se debe proporcionar para alcanzar la temperatura adecuada de licuefacción. Por esto es vital expresar los elementos y características de los diferentes tipos de chocolates.

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4.2.1 Tipos de Coberturas y temperatura de fusión. Dado el cuidado que se debe tener al momento de aplicar calor al chocolate, el método baño de maría es el más conveniente para mantener una temperatura constante y directa, sin afectar el chocolate y sus estructuras. Se debe tener especial cuidado al momento de la manipulación del chocolate por medio de este método de fundición, ya que si el chocolate tiene contacto con el agua se puede presentar una contextura granulada y espesa, también se debe tener especial cuidado en aplicar la temperatura adecuada para cada tipo de chocolate debido a que un exceso de temperatura causa cristalización y por ende se arruinaría el producto. A continuación se diferenciaran los tipos de coberturas de chocolates sus respectivos puntos de fusión y los diferentes factores que pueden afectar la calidad del chocolate. Tabla 12 Temperatura adecuada para fundir el chocolate.

TIPO DE COBERTURA TEMPERATURA DE FUSION Cobertura negra Entre 45ºC y 50ºC Cobertura Blanca 45ºC Cobertura con Leche 40ºC Fuente: Autores. Tabla 13 Aspectos y factores de mala manipulación de chocolate.

ASPECTO FACTOR VISUALISACION Blanquecino Aplicación de poca

temperatura después de fusionada

Antes de 28ºC

Tonalidad Aplicación excesiva después de fusionada

Después de 31ºC

Arenisco Aplicación excesiva de calor desde el comienzo

Cristalización

Fuente: Autores. Para el diseño del control de temperatura se encontró viable proporcionar calor por medio de gas propano por más economía ya que si se utiliza resistencia eléctrica tiene un alto consumo de energía y la disipación de la misma no es uniforme para el tipo de diseño elaborado. El quemador adecuado para el prototipo que se pretende diseñar es de tipo flauta ya que a través de la llama longitudinal dará un calor constante a un serpentín de aluminio por el cual fluirá agua, con la que se transmitirá el calor al chocolate. Para encender el equipo se cuenta con un sistema automático, el cual tiene una válvula de seguridad la cual nos asegura que se tenga llama, también contara con

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una válvula solenoide para el control de temperatura y presión y una bujía generara chispa al momento de activar la válvula de suministro de gas. Se tienen varios tipos de combustibles los cuales se podrían utilizarse para proporcionar calor: los líquidos como el querosene el gasóleo y los gaseosos como propano, butano y gas natural el cual sería el más adecuado para utilizar en el prototipo al momento de llevar a cabo el desarrollo de este. El poder calorífico es una característica que identifica el combustible, este calor se debe medir en julios, aunque es muy utilizado la caloría y el BTU, el gas natural cuenta con 12800 kcal/kg estando por encima del Acetileno con 11600 kcal/kg y Propano, Gasolina, Butano con 11000 kcal/kg. Tabla 14 Poder calorífico de los materiales para la construcción del prototipo.

SUMINISTRO CAPACIDAD CALORIFICA Kcal/m3. C

CALOR ESPECIFICO J(Kg K)

DENSIDAD Kcal/m3 C

AGUA 1000 4186 1000 ACERO 950 460 7850 ALUMINIO 1300 880 2700 Fuente: Autores. El poder calorífico del chocolate se rige por la fórmula:

𝐶𝑝𝑟𝑜𝑚 = 0.4𝐺 + 0.3𝑆𝑆𝐺 + 𝐻; �𝐵𝑇𝑈𝑙𝑏°𝐹

� [ 29 ]

𝐶𝑝𝑟𝑜𝑚 = 1674.72𝐺 + 837.36𝑆𝑆𝐺 + 4186𝐻; �𝐵𝑇𝑈𝑙𝑏°𝐹

� [ 30 ]

Identificación de variables en la formula G = fracción masa grasa; H = fracción masa humedad SSG = fracción masa sólidos sin grasa Reemplazando se tiene que:

𝐶𝐩𝐫𝐨𝐦 − 𝐜𝐡𝐨𝐜𝐨𝐥𝐚𝐭𝐞 = 3.86 kcal/m3°C

66

4.2.2 Coeficiente de conductividad térmica La conductividad térmica es una propiedad clave para realizar los cálculos matemáticos aplicados en la transferencia de calor, lo cual nos permite seleccionar los materiales adecuados para implementar en un sistema. Existe gran información acerca de esta propiedad pero es necesario que el ingeniero a cargo del proyecto, conozca la conductividad térmica de materiales nuevos, ya que frecuentemente se están encontrando materiales especiales o aleaciones que no están reportadas, para medir esta propiedad se debe tener conocimiento de algunos métodos básicos. En el término conductividad térmica se define como una propiedad de transporte de energía en el cual el movimiento se hace a través de electrones libres, mientras que en los fluidos el movimiento es molecular. El coeficiente de conductividad térmica (λ) referencia la cantidad de calor que se necesita por m2, para que al atravesar durante la unidad de tiempo, 1m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1ºC de temperatura entre las dos caras. La conductividad térmica es expresada por unidades de W/m·K (J/s· m· ºC).Es una propiedad de cada material que varía en función de la temperatura a la que se efectúa la medida. Tabla 15 Conductividad térmica.

MATERIALES DENSIDAD (kg/m3)

CONDUCTIVIDAD TERMICA K[=]J/s.m.gC

ACERO 7830 58.00000 ACERO INOXIDABLE 7800 45.50000 ALUMINIO 2675 220.00000 Fuente: Autores

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Figura 444 Conductividad térmica.

Conductividad térmica de los metales Conductividad térmica de aleaciones

Fuente: http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/7609/Capitulo3.pdf

4.2.3 Transferencia de calor por convección Cuando un fluido hace contacto con una superficie solida con una temperatura diferente, en el intercambio de energía térmica es denominado como transferencia de calor por convección. Es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque ésta se produce a través del desplazamiento de partículas entre regiones con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente en materiales fluidos. En la transferencia de calor en el fluido es el resultado de del contacto que hace sobre una superficie a diferente temperatura dando lugar a fuerzas ascensionales, mientras que en la superficie sólida, una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una superficie a una temperatura mayor o menor que la del fluido. La transferencia de calor por convección se modela con la Ley del Enfriamiento de Newton:

𝑞𝑐 = ℎ�𝑐 × 𝐴(𝑇𝑆 − 𝑇𝑓,∞) [ 31 ]

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ℎ�𝑐 = Conductancia convectiva térmica unitaria o coeficiente de transferencia de calor por convección en la interface liquido - solido. 𝐴 = Área superficial en contacto con el fluido en m2

𝑇𝑆 = Temperatura de la superficie, K 𝑇𝑓,∞ = Temperatura del fluido no perturbado lejos de la superficie transmisora de calor Fuente: http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-165.htm

4.2.4 Transferencia de calor por Conducción. Es un método para transferir energía térmica entre dos materiales que se encuentran a diferentes temperaturas que se ponen en contacto.

4.2.5 Transferencia de calor por Radiación. Es una forma de propagación del calor que se caracteriza porque su esparcimiento es el vacío y no requiere de presencia de alguna materia para la propagación del calor. Figura 455 Transferencia de calor por convección, conducción, radiación.

Fuente: http://www.webquestceys.com/majwq/wq/ver/668

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5. DISEÑO DEL CONTROL DE TEMPERATURA El control de temperatura es muy importante para la calidad del chocolate, la velocidad de producción y los costos de operación. Siendo los siguientes objetivos los más importantes:

• Mantener la temperatura dentro de cierto rango alrededor del set point, preferiblemente sin ninguna oscilación

• Minimizar la intervención del operador. • Minimizar el consumo de utilidades.

Para alcanzar estos objetivos se requiere poner atención a muchos detalles del sistema y de la lógica del controlador, poniendo énfasis en las variables que se desean controlar. En este caso las variables a controlar son las temperaturas del chocolate que se encuentra en la olla y la del agua que va circular dentro de la camisa de la olla. En la siguiente imagen se muestra el sistema completo. Figura 46 Sistema completo en solidworks.

Fuente: Autores

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5.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. El proceso consiste en elevar o bajar la temperatura del agua que se encuentra en el tanque de almacenamiento, para luego circularla por la camisa de la olla y así controlar la temperatura del chocolate, igual como funciona un baño maría. Nuestra principal variable es la temperatura del agua, la cual deberá estar por encima o por debajo en comparación con la temperatura deseada del chocolate tal como se muestra en la figura 46, debido a que la transferencia de calor entre el agua y el chocolate es más lenta, por lo que necesita más tiempo y energía. Figura 47 Grafica Tiempo-Temperatura del proceso de transferencia de calor agua-chocolate.

Fuente: Autores. La temperatura del agua se controlara dependiendo de dos casos:

• Aumentar temperatura del chocolate: En caso de que se desee aumentar la temperatura del chocolate, el agua deberá circular por el calentador, el cual se encuentra descrito en el capítulo 3.5. Dependiendo de la diferencia entre la temperatura actual y la deseada, se regulara la llama del calentador.

71

• Bajar temperatura del chocolate: Si se desea bajar la temperatura del chocolate, se deberá activar la entrada de agua fría al tanque hasta tener la temperatura deseada.

El control de estas variables las deberá hacer el controlador, así como muestra el diagrama de control del sistema en la figura 47. En esta imagen se muestra el diagrama básico de control de temperatura del sistema, en donde el controlador dependiendo de un set point (SP) y dependiendo de las medidas de las variables del proceso (Temperatura chocolate y Temperatura agua) que nos entregan los sensores de temperatura (ST), tomara las decisiones adecuadas de control (calentar o enfriar) activando el dispositivo correcto (A). Figura 48 Diagrama del control de temperatura para el sistema.

Fuente: Autores. En la figura 48 se puede observar el esquema del sistema. El controlador es el encargado de tomar decisiones, leyendo las señales de las termocuplas y activando los actuadores adecuados.

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Figura 49 Diagrama esquematico del sistema.

Fuente: Autores. 5.2 SENSOR DE TEMPERATURA Para nuestro caso se decidió utilizar la termocupla PT-100 debido a que es uno de los sensores de temperatura de uso industrial más comunes, económicos y fáciles de reemplazar que existe. El sensor PT-100 basa su funcionamiento en la variación de resistencia a cambios de temperatura del medio. El elemento consiste en un arrollamiento muy fino de platino bobinado entre capas de material aislante y protegido por un revestimiento cerámico. Figura 5050 Sensor de temperatura PT-100.

Fuente: http://www.apcs.net.au/products/accessory/pr505.png

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El material que forma el conductor (platino), posee un coeficiente de temperatura de resistencia α, el cual determina la variación de la resistencia del conductor por cada grado que cambia su temperatura según la siguiente ecuación:

𝑅 = 𝑅𝑜(1 + αT)

Dónde: Ro = Resistencia en Ω (ohms) a 0°C R = Resistencia en Ω (ohms) a T°C T = Temperatura actual α = Coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0°C y 100°C es de 0.003850 (Ω/Ω/K) en la escala Practica de Temperaturas internacionales (IPTS-68). 5.3 CONTROLADOR Se utilizara un controlador ON/OFF, el cual es el control de temperatura más simple. La salida del dispositivo está encendida o apagada, sin estados medios. Un controlador ON/OFF cambia la salida solo cuando la temperatura atraviesa el punto de ajuste. Figura 511 Esquema del control de temperatura ON/OFF.

Fuente: Autores. Para este caso se puede utilizar el controlador de temperatura CN1A-RTD de la marca OMEGA.

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Figura 522 Controlador de temperatura CN1A.

Fuente: http://www.omega.com/pptst/CN1A.html. El CN1A es un controlador ON/OFF de temperatura digital. Este controlador viene con la opción de elegir si desea utilizar una RTD, por lo cual es ideal debido a que se va a utilizar la PT-100. 5.4 INTEGRACION DEL SISTEMA DE CONTROL La figura 52 muestra la integración de los componentes, para el control de temperatura del sistema. Figura 533 Diagrama de Integracion del control de temperatura.

Fuente: Autores.

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6. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA 6.1 FUNDICION DEL CHOCOLATE El chocolate que se debe fundir viene en bloques solidos de un tamaño bastante grande lo que dificulta la transferencia de calor con las paredes de la olla. Por esta razón este bloque se debe partir en trozos más pequeños (ver Figura 53) para mejorar el contacto entre el chocolate y la olla. Figura 544 Reduccion del tamaño del bloque de chocolate.

Fuente: http://www.chocolatemomotombo.com Una vez se tengan los trozos de chocolate y estos se viertan en la olla, se debe tener un tiempo de espera en el cual la tapa de la olla permanecerá cerrada y el agitador estará desactivado hasta que el chocolate este completamente fundido para no dañar las paletas del agitador o sobrecargar el motor. Este tiempo de espera se debe controlar mediante un temporizador que garantice que una vez este derretido, de la señal de abrir la tapa para dar paso de chocolate al tornillo y activar el agitador. Durante el tiempo de espera se funde el chocolate hasta obtener una temperatura de 48°C. Este tiempo se calcula en aproximadamente 25 minutos dependiendo de la cantidad de chocolate que se vaya a fundir. Una vez se haya fundido se debe bajar la temperatura hasta los 33°C aproximadamente, y agitando y circulando el chocolate continuamente.

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6.2 VACIADO DEL CHOCOLATE El chocolate fundido deberá estar en constante movimiento para tener una mezcla homogénea y sin sedimentación, por lo que el agitador y el tornillo sin fin deberán estar siempre activados. Al estar estos dos activados el chocolate circulara constantemente así como se muestra en la siguiente imagen. Figura 555 Circulacion y agitado del chocolate.

Fuente: Autores Al momento de hacer el vaciado en el molde, se deberá desactivar el tornillo sin fin para detener el caudal y así poder arrimar el molde a las boquillas de vaciado del sistema. Para detener el tornillo sin fin se debe presionar un pedal. Una vez detenido el caudal de chocolate se acerca el molde y se suelta el pedal para activar el tornillo nuevamente y llenar el molde. Para retirar el molde vuelve y se presiona el pedal.

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7. RESULTADOS OBTENIDOS Y MODIFICACIONES

7.1 MODIFICACIONES

Cuando se planteó el desarrollo de la maquina se hizo la propuesta de mecanismos existentes en el mercado para de allí poder crear uno con las mejores características posibles que permitiese ser una máquina de múltiples adaptaciones a diferentes procesos que necesiten control de temperatura, mezcla de material y transferencia de calor con cambios bruscos en la temperatura del proceso. Se optó por la utilizar un acero inoxidable 304 el cual mediante el estudio de propiedades de los materiales realizado se determinó que posee las características más relevantes para el proceso que se va a llevar a cabo en este diseño. A demás de tener en cuenta que se diseñó con el fin de que la mayoría de sus partes se pudiesen desarmar para así realizar los procesos de limpieza pertinente. 7.2 RESULTADOS OBTENIDOS

El uso de los controladores encontrados en el mercado permitirá que el proyecto sea de fácil adaptación hacia los procesos de fabricación y moldeado del chocolate, ya que estos permiten de forma sencilla la variación de sus parámetros lo que será influyente dependiendo de variables como la cantidad de materia prima, la producción necesaria y el tiempo de mezclado del producto. También al realizar un tanque que permite un flujo cerrado de agua evitando grandes pérdidas de temperatura y consumos de energía calórica elevados por lo que no es necesario utilizar toda la capacidad del calentador en todo momento.

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8. PRESUPUESTO Tabla 16 Presupuesto.

DESCRIPCIÓN PRECIO TOTAL Marmita 2.000.000 Motorreductor - Tornillo sin fin 250.000 Motorreductor - Agitador 250.000 Motobomba de 6 L/min 250.000 Perfileria - Estructura 300.000 Tornillo sin fin 250.000 Calentador 2 GPM 600.000 Controlador de temperatura 700.000 Pt-100 60.000 MANO DE OBRA DURANTE EL PROYECTO Técnico-Asesor 840.000 Tecnólogo-Diseñador 1.500.000 Ingeniero 2.400.000 COSTO TOTAL DEL PROYECTO 9.400.000 Fuente: Autores

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CONCLUSIONES

• Mediante la investigación, se logro obtener información sobre las propiedades físicas del chocolate, determinar las temperaturas adecuadas para su adecuada viscosidad en el sistema el cual permite que el chocolate se encuentre en constante flujo para que no se adhiera a las paredes ni a la base de la olla y facilite la cocción del producto. Se encontró que un valor máximo de temperatura en un proceso de temperado puede variar entre los 45°C y los 50°C para que no se pierda las propiedades fisicoquímicas del chocolate.

• Se realizó un estudio de los parámetros físicos que eran necesarios para el diseño del sistema mecánico del dispositivo, esto con el fin de seleccionar la disposición adecuada para cada uno de los componentes y los tamaños pertinentes dentro del diseño que se realizó.

• En el mercado se encuentran equipos importados muy robustos y por esta

razón tienen unos costos de mantenimiento bastante elevados debido a la necesidad de traer técnicos extranjeros capacitados en este tipo de maquinaria para garantizar un correcto mantenimiento. Como este sistema es de diseño regional, la posibilidad de encontrar personal local capacitado es mayor generando un menor costo en el mantenimiento.

• A la hora de realizar un dispositivo de control, se encuentran problemas que

necesitan de amplios conocimientos en el área de control. Dentro de la industria hay fabricantes exclusivamente dedicados a la creación de estos dispositivos, por eso el diseño del circuito de control fue cambiado por una adaptación de dispositivos existentes que permitan el control ON/OFF que se necesita para garantizar un control con pocas fluctuaciones. Con este control se genera una respuesta rápida y gracias a que el medio intercambiador de calor es el agua, el cual es un medio de transferencia de calor bastante alto, es esencial un control con una velocidad de respuesta alta.

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RECOMENDACIONES

• A la hora de la construcción de la maquina se recomienda utilizar acero inoxidable tipo 304 ya que este es especial para la industria sanitaria por que utiliza pocos quimios corrosivos y al tratarse de maquinaria que produce alimentos para consumo humano se debe tener bastante cuidado con las normas vigentes en el país dadas por el INVIMA.

• Se recomienda colocar una tapa en acrílico sobre la olla, para cuando el producto se esté procesando no se adhieran partículas no deseadas al chocolate.

• Tener en cuenta que algunos componentes deben ser modificados en la construcción para un correcto ensamble de las piezas ya que elementos como los motores pueden venir con diferentes configuraciones y tamaños.

• Debido a que el sistema maneja temperaturas relativamente altas, se deben agregar protecciones físicas que eviten accidentes en los operarios de la máquina, evitando así quemaduras.

• Al sistema se le puede adicionar una base vibratoria que permita que el producto se asiente a los moldes para evitar defectos por burbujas de aire atrapadas y excesos de chocolate en un proceso de cubrimiento.

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BIBLIOGRAFIA A. Kayode Coker, P. (2001). Modeling of Chemical Kinetics and Reactor Design.

Gulf Professional Publishing. Alfonso, V. (2007). El chocolate, un placer saludable. Chile: Laboratorio de Lipios y

Antioxidantes. Beckett, S. T. (2000). The Science of Chocolate. Royal Society of Chemistry. Beckett, S. T. (2012). Industrial Chocolate Manufacture and Use. Springer Science

& Business Media. Blommer chocolate company. (s.f.). Chocolate viscosity. BRAWN Mixer, Inc. (s.f.). Principles of fluid mixing. Casimir, C. (2011). How to Select the Right Speed Reducer for Your Mixer

Application. Sumitomo Machinery Corp. CEMA. (s.f.). Recuperado el Marzo de 2015, de http://www.cemanet.org/ CEMA. (s.f.). Screw conveyor basic design calculation. CHEMICAL PROCESSING. (s.f.). Recuperado el Mayo de 2015, de

http://www.chemicalprocessing.com/ Crane Engineering. (s.f.). Recuperado el Mayo de 2015, de

www.craneengineering.net Girón, Á. E. (2006). Propuesta de automatizacion del proceso del recubrimento del

mani con chocolate. Tesis. Guatemala. H&D Fitzgerald. (s.f.). Recuperado el Marzo de 2015, de http://density.co.uk/ Pérez N, M. E. (2007). Prototipo de tornillo de transporte para fluidos granulares

hiperconcentrados. Tesis. Caracas. Process Automation Control. (s.f.). Recuperado el Mayo de 2015, de

http://www.pacontrol.com/ Ruiz, R. S. (s.f.). Laboratorio de mecanica de fluidos-Practica 4. Universidad

Autonoma Metropolitana Unidad Iztapalapa. Smith, K. W., & Bhaggan, K. (s.f.). The flow properties of chocolate coating at

temper: Effect of solid fat content. Loders Croklaan B.V. Talbot, G. (2009). Science and Technology of Enrobed and Filled Chocolate,

Confectionery and Bakery Products. Elsevier. Ulbrecht, J. J., & Patterson, G. K. (1985). Mixing of Liquids by Mechanical

Agitation. Taylor & Francis. Villalba, L., & Echeverria, E. (2012). Diseño e implementacion de maquina

automatica para obtener mermeladas. Tesis. Guayaquil.

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ANEXO A

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ANEXO B

DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA Y … · Figura 3 Máquinas mezcladoras y de...

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