Matriz Morfologica

FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO

Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica

“DISEÑO DE UNA TOSTADORA DE CAFÉ DE 10 KG”

CURSO: DISEÑO DE SISTEMA MECÁNICOS

DOCENTE: ING. NORMAN AGUIRRE

INTEGRANTES:

- ALVARADO GALAN LUIS- MOROCHO POLO SANTIAGO- SOTO CHIRINOS GUILLERMO- VERA DAVILA CARLOS

AULA : LABORATORIO DE ROBÓTICA

Pimentel, 15 de Diciembre del 2015

DISEÑO DE SISTEMAS ELECTROMECANICOS – TOSTADORA DE CAFE

INDICE

INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................................3

RESUMEN................................................................................................................................................4

1. PARÁMETROS DE DISEÑO....................................................................................................................5

2. PRINCIPIOS DE SOLUCIÓN...................................................................................................................8

3. LISTA DE EXIGENCIAS...........................................................................................................................9

4. ESTRUCTURA DE FUNCIONES............................................................................................................10

5. MATRIZ MORFOLOGICA:...................................................................................................................12

6. PROYECTO PRELIMINAR....................................................................................................................14

7. CÁLCULOS POR RELACIÓN DE TRANSMISIÓN....................................................................................15

8. ESPECIFICACIONES DE LA MÁQUINA.................................................................................................15

9. PLANOS Y COSTO DE FABRICACIÓN...................................................................................................15

CONCLUSIONES.....................................................................................................................................31

RECOMENDACIONES.............................................................................................................................32


INTRODUCCIÓN

Cualquier labor que esté en pro del desarrollo, innovación de procesos y

producción del café en un país cafetero como PERU que tiene el grano de café

excelente con un aroma agradable , que su economía depende en gran parte de

este producto, es un gran avance que además de estar a favor del desarrollo y

comercialización del producto, está en pro del crecimiento del país, pues la

población que está directamente vinculada con el grano es muy alta; no sólo los

que dependen únicamente de este negocio como los campesinos, agrónomos o

caficultores, sino también las empresas distribuidoras del fruto, las personas que

venden el producto en sus tiendas e incluso aquellos que lo consumen.

Nuestro Objetivo es facilitar el café tostado por transferencia de calor

sobresale entre los demás debido a que en éste método se aprovecha en mayor

proporción el calor necesario para que el café sea tostado y dar un buen

producto a la gente . Y así salir adelante con nuestros productos como el café

que `pueden ver en nuestro país.


RESUMEN

La idea surgió porque en tiendas de café, no es fácil y en muchas ciudades no

está permitido tostar con gas debido a las restricciones legales de prevención de

incendios; por lo tanto no hay casi tostadores profesionales ni tostadores de

muestras profesionales que se puedan utilizar en tiendas. Creo que la idea de

tostar en una tienda para que gente pueda verlo y sentirse atraída por el olor del

café y el propio proceso de tostado del grano es muy positiva desde el punto de

vista del negocio. Así que pensé en crear un tostador eléctrico de alta calidad

con un diseño moderno que pueda usarse para ambas muestras y tostar tu café

cada día. La única desventaja de los tostadores eléctricos es que con las

resistencias de calefacción no se controlar a la perfección la temperatura del

cilindro, ya que o están encendidas o apagadas y una vez están apagadas y si

necesitas activarlas de nuevo necesita de unos minutos para calentarse y con

esto se puede perder nuestro perfil de tostado porque tardan mucho tiempo

antes de que reaccionen; con mi sistema he solucionado este problema y ahora

puedo controlar la temperatura muy fácilmente, aumentando o disminuyendo la

unos grados según mis necesidades.


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1. PARÁMETROS DE DISEÑO

1.1. CARACTERÍSTICAS DEL CAFÉ

El proceso de tueste del café son la temperatura y el tiempo en que ésta actúa.

La temperatura no es constante, sino que varía a lo largo del proceso y los

tiempos son inversamente proporcionales a la temperatura.


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a. Movido por un eje sin fin

Consiste en que el eje sin fin gire en un solo sentido. El grano ingresa por la

abertura que y son arrastradas por el eje. Pocos son los casos en los que se

considera la fricción para el arrastre, ya que el coeficiente de fricción entre el

acero y el PET es bajo. La potencia es dada por un motor reductor mediante

un acople y por giro se obtiene por poleas.

Las máquinas con un solo eje sin fin, realiza el movimiento con ayuda de

una superficie estática. La potencia se incrementa para las poleas porque

debe vencerla fricción entre el grano del café y la superficie estática. La

ventaja es que estas máquinas tienden a ser pequeñas, ya que emplean dos

poleas. Desventaja es que el tostado del cafe está limitado por la cantidad

que permiten el molido.

Además, esto elementos están sometidos a mayor carga que los de las

máquinas con dos poleas, por la fricción con la superficie.


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LA FORMA DEL GRANOCabe mencionar que el mercado tiene como base de aceptación, la forma del

grano, plano convexo o "planchuela", considerándose como la constitución

normal, según consta en la norma mexicana de café, cualquier otra forma

diferente o mencionada resulta como consecuencia de una malformación del

fruto.

EL TAMAÑOEl tamaño del grano de café se mide en zarandas, las medidas se dan en

sesenta y cuatroavos de pulgada (1/64 que es igual a 0.3968 mm), son láminas

con perforaciones redondas o bien pueden ser alargadas, siendo éstas:

Monografias.com

EL COLOREl color del grano de café oro, varía de acuerdo con la región y altura donde se

produce, sin embargo, puede alterarse radicalmente con el sistema mayor

cuidado por la aplicación de elevadas temperaturas; esta aplicación de calor

debe ser cuidadosamente controlada, finalmente el color también puede variar

de acuerdo a las condiciones de almacenamiento.

BENEFICIADO HUMEDOEl beneficiado húmedo es una fase de la producción de suma importancia, es un

tratamiento que se le da al café, como parte de un proceso de preparación,

consta de variados procedimientos:

A) Corte o recolección de la cereza.

B) Recepción en el Sifón.

C) Despulpado.

D) Fermentado.

E) Lavado.

F) Secado.

En patio.

En secadora.

Cómo lograr una correcta cloración verde olivo.

G) Almacenamiento.


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Hay que tener en cuenta que a cada paso se debe extremar el cuidado en el

manejo y el proceso del café, evitándose se dañe y deteriore en su calidad y por

lo consiguiente en el precio final.

2. PRINCIPIOS DE SOLUCIÓNPara cumplir con la carga de 10 kg la tostadora tendrá unas características

críticas para poder cumplir con el tostado de toda la cantidad, principalmente en

el diseño mecánico de la máquina el cual se complementa con el flujo del aire

caliente encargado de tostar el café.

Teniendo una oscilación de la temperatura de funcionamiento de la máquina

entre 185°C y 240°C, ya que al utilizar otros gases que agilicen el proceso de

tostación se puede afectar la calidad y las propiedades del café. Se tendrá

especial cuidado en la utilización de materiales que no tengan ningún tipo de

contaminación ambiental, además al utilizar solamente aire como agente

tostador, se evita la emanación de vapores que afecten la salud de la persona

que opera la máquina.

3. LISTA DE EXIGENCIAS Se elabora una lista de exigencias en la cual se determinan las exigencias y

deseos que deben ser cumplidos en el diseño de la tostadora de café.

EXIGENCIA SOLUCIÓNLa máquina debe ser lo

suficientemente rígida como para

mantener su estabilidad durante la

Es almacenar cada ajuste del tostador como fórmula para que sea disponible

en todo momento.


9

operación del tostado o tueste del

café.

La energía utilizada en la máquina

debe de ser del tipo Mecánica.Utilizaremos un motor eléctrico para transformar la energía eléctrica, en

energía mecánicaPara su construcción deben usarse

materiales con buenas propiedades y

que se obtenga uniformidad de

temperaturas, además que no

contaminen el ambiente

Calculo correcto para escoger el material adecuado para la fabricación

de la máquina.

La máquina debe contar con las

instrucciones de uso y las respectivas

señales de seguridad.Señalización en el exterior de la

máquina.

Se contará con botones de encendido

y apagado. Serán de fácil

comprensión y manejo para el

operador y usuarios (para el caso de

energía eléctrica).

Panel de control de la máquina.

El sistema que controla la entrega del

premio debe ser del tipo electrónico. Sistema electrónico

4. ESTRUCTURA DE FUNCIONES La función total de la tostadora de café puede representarse en forma de una

caja negra, donde se tienen en cuenta tres magnitudes de entrada y de salida.

Proceso de la tostadora de café.

CAJA NEGRA


Tueste de café.

Energía

Grano de café.

Energia

Proceso de la tostadora

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4.1. DESCRIPCIÓN DE FUNCIONES a) Extracción de semillas: Para este paso existen dos opciones:

Vía Seca (A esté café se le llama cereza)

• Se recolectan las cerezas rojas o amarillas (maduras) dejando el pezón adherido a la

rama.

• La cosecha no debe durar más de 2 semanas, para evitar que la semilla se seque en

el árbol.

Vía Húmeda (A este café se llama lavado o fermentado)

• Se recolectan las cerezas.

• Se remojan para quitarles las capas y luego se lavan los granos.

b) Recepción en el Beneficiadero: Se recibe y procesa el café el mismo día en el que

se ha recolectado, previo lavado. Se pesa el café al momento de recibirlo y procurar no

dejar expuesto al sol.

c) Despulpado: Este proceso debe realizarse antes de las 6 horas de la recolección ya

que este tiempo podría afectar el producto y producir una fermentación posterior. Se

debe construir un tanque para almacenamiento de agua de suficiente volumen. La

máquina despulpadora tiene que estar de acuerdo a la cantidad de horas diarias que

se utilice. Se debe limpiar, calibrar las cuchillas alimentadoras, revisar la tolva y el

cilindro de la despulpadora y por último revisar el sistema de movimiento ya sea

manual o eléctrico. Asegurarse que no haya ninguna impureza tales como: maderas,

metales, residuos vegetales, etc. Alimentar con suficiente agua a la despulpadora y

enseguida dejar pasar las cerezas. Recoger la pulpa, secarla al sol y utilizarla como

fertilizante.


Grano de café.

Proceso de la tostadora

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d) Zarandeo: Escoger una zaranda (tamizador) que tenga un tamaño en relación con

el tamaño de la despulpadora, se puede usar una zaranda manual o eléctrica, para

separar los granos que no se han despulpado.

e) Fermentación: Se coloca el café despulpado en el tanque de fermentación. Luego

se deja fermentar de 12 a 20 horas, hasta que la textura este rugosa. La fermentación

se va a acelerar cuando se añada al fermentador miel proveniente de una fermentación

anterior. Es conveniente evitar que el café se sobre fermente, o no se fermente

suficiente, porque va a perder calidad.

5. MATRIZ MORFOLOGICA:

manual mecánico hidráulico neumático eléctrico


12

Preparar

Alimentar

Quemado

Transportar

Multiplicar fuerzas

Tostar

Almacenar


13

Concepto de solución Tipo de línea1

23

4

5.1. Concepto de solución

Se realiza esquemas de los conceptos de solución, los cuales se muestran en la

siguiente taba, y se procede a hacer una evaluación tomando valores del 1 al 4, donde:

0: No aceptable 2: Suficiente 4: Muy satisfactorio

1: poco satisfactorio 3: Satisfactorio.

N:Criterios técnicos y

económicossoluciones

01 02 03 04

1 preparar 4 3 3 3

2 estabilidad 4 4 2 3

3 Facilidad de manejo 4 3 2 4

4 Buen uso de fuerza 4 3 2 4

5 Costo de tecnología 3 2 4 2

6 Costo de operación 3 2 4 2

7 seguridad 4 4 2 3

8 rapidez 4 4 2 3

9 Facilidad de montaje 4 2 4 3

10

Posibilidad de

automatización 4 4 2 3

Suma total 38 31 25 27

6. PROYECTO PRELIMINAR


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Para el proyecto preliminar se consideran los pasos que sigue el operario y las etapas

por las que está sometida el tostado del café, estas son mencionadas a continuación.

Se representa el proceso del quemado y en el panel de funcionamiento para el usuario.

Procedimiento del usuario

1) Se retira la tapa

2) Se introduce los granos de café en la maquina

3) Pulsar el botón de la maquina

4) Expresar aproximadamente 2 a 3 min y se pulsa el botón apagar

El proceso del tuesteEl proceso del tostado puede dividirse en 3 etapas:

La primera es cuando el grano pierde humedad, y empieza a ganar temperatura; luego

viene la etapa del tostado, en la que se llevan a cabo las diferentes reacciones

químicas y físicas. Y como última etapa, viene la conocida como enfriado, cuyo objetivo

es detener estas reacciones una vez obtenido el tueste deseado. En la primera etapa

conocida también como de deshidratación debido a que el grano alcanza la

temperatura de ebullición del agua.

En la primera etapa se presentan cambios como el color de los granos, de un verde

brillante a un amarillo pálido debido a la deshidratación, pues el contenido de agua

disminuye de un 90 a un 70% y sensorialmente percibimos un aroma tipo pan y

cereales.

Proyecto preliminar 1:

- La reducción de velocidad es por medio de un motor reductor.

- La inversión de giro se consigue por las poleas.

- La transmisión de potencia de motor reductor al eje sin fin es por acople.

Proyecto preliminar 2:

- La reducción de velocidad es por medio de un motor reductor.

- La inversión de giro se consigue por las poleas.

- La transmisión de potencia del motor.

- Poseen la longitud roscada para ser montadas con facilidad en las poleas


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7. CÁLCULOS POR RELACIÓN DE TRANSMISIÓN RPM DEL MOTOR = 900 RPM

DIAMETRO DE LAS 3 POLEAS = 1Pulg= 2.54cm

DIAMETRO DE LA POLEA CONDUCIDA= 12Pulg= 30.48cm

R.T =D1/D2 = n2/n1 =D1 (N1)=D2 (N2) =2.54 cm (900rpm)=30.48 (n2) N2=75 rpm

D1= DIAMETRO DE POLEA MOTRIZ

D2= DIAMETRO DE POLEA CONDUCIDA

N1= VELOCIDAD DE POLEA MOTRIZ (RPM)

N2= VELOCIDAD DE POLEA CONDUCIDA (RPM)

8. ESPECIFICACIONES DE LA MÁQUINALas especificaciones de la máquina para un buen uso son las siguientes

Potencia del motor: 1/2 HP

Velocidad de giro: 900 rpm

Voltaje: 220/440 V

Intensidad de corriente: 5,2/2,8 A

Frecuencia: 60 Hz

Altura: 136.54 cm

Largo: 115 cm

Anchura: 65 cm

Profundidad: 1.63 mm

Peso: 57 kg.

9. PLANOS Y COSTO DE FABRICACIÓN

9.1. Lista de planosEl diseño cuenta con 14 planos. La denominación es la siguiente Abreviación – Nombre


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P01 – ESTRUCTURA


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P02 - EJE 2 TORNILLO SIN FIN


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P03 - TOLBA Y CILINDRO


19

P04 – SISTEMA A GAS (MECHEROS Y TUBERIA)


20

P05 – VALVULA


21

P06 – CHUMACERAS


22

P07 - EJE 1


23

P08 - POLEA 1


24

P9 - POLEA 2


25

P10 - POLEA 3


26

P11 - POLEA 4


27

P12 - ENSAMBLE


28

P13 - ENSAMBLE SOLIDWORK

9.2. Estimado de costos de fabricaciónEn el presente punto se muestran los costos estimados de la máquina. Los costos se

dividen en costo de fabricación, costo de diseño y costo de armado.

Costos de fabricación

Costo de elementos seleccionados:

Son los costos de todos elementos seleccionados incluyendo el del motor. Se aclara

que todos los elementos pertenecientes a esta división fueron comprados, en

consecuencia, los precios mostrados en la tabla 2 de cada elemento son los

pertenecientes a la fecha Septiembre - Diciembre del 2015.

Costo de Diseño

Para los costos de diseño se considera que el tiempo empleado es de dos meses y el

costo del tiempo empleado por mes es de S/. 425. Por lo tanto, el costo total de diseño

es de S/.850.00 (ochocientos cincuenta con 00/100 nuevos soles).


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Costo de Armado

Para el costo de armado se estableció, y se emplearon el grupo del proyecto con ayuda

de cada uno. El armado se realiza durante 5 días y se trabajó 3 horas diarias.

El resumen de costos se muestra en la tabla 1. Los costos están en nuevos soles:

Tabla 1. Resumen de costos en nuevos soles (S/.)

COSTO DE FABRICACIÓN

1. MOTOR 1/2HP (900. RPM) 400.00

2. ELEMENTOS SELECCIONADOS 214.00

3. ELEMENTOS ELABORADOS 1 546.00

SUB TOTAL 2 160.00

COSTO DE DISEÑO 850.00

COSTO DE ARMADO -

COSTO TOTAL 3010

Tabla 2. Materiales y dimensiones de elementos elaborados

No Elementos MaterialDimensiones de

material comprado

1

Fabricación del

eje

Con tornillo

sinfín

AISI- 310 Anexo 1 planos de eje y tornillo sinfín

1Fabricación de

Quemador a

gas

AISI-310Anexo 2 (plano de quemador a gas)


30

2Selección de

chumacerasASTM A36 Anexo 3 (plano de quemador a gas)

1Estructura de

tostadora de

café

AISI 1045Anexo 4 (plano de estructura)

1Cilindro acero

inoxAISI-310 Anexo 5 (plano de cilindro de acero)

1Tolva De acero

inoxAISI-310 Anexo 5 (plano de tolva de acero)

4 Selección de

poleasAISI-1020 3 poleas de 1” y 1 de 12”

2 Fajas o

correas

Múltiple A


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CONCLUSIONES

La tostación de café, aunque parece un procedimiento muy sencillo de realizar,

requiere de mucha técnica y mucha precisión en el momento de controlar las

variables presentes en el proceso para que se desarrolle una tostación

satisfactoria.

Todo el proceso depende principalmente de la temperatura a la cual está el aire

y el tiempo en que está en contacto con el café, en este punto es donde nuestro

proyecto o maquina hace su función ya que todo está estrictamente controlado

Esta propuesta de nuestro proyecto de la tostación de café en lecho Fluidizado

está encaminada a mejorar la calidad del proceso, ya que aunque se tengan

unos granos de muy buena calidad pero la tostación no se realice de una forma

adecuada se pueden perder propiedades importantes en el fruto.

Es bueno documentarse acerca de los tipos de aceros inoxidables para elegir

cuál de ellos elegir, ya que muchas personas pueden llegar a pensar que sólo

hay un tipo de acero inoxidable ya que nuestro proyecto su construcción está

basada en este material.

Realizar un diagrama de flujo antes de empezar con cualquier programación

sirve para afianzar la lógica que debe llevar el algoritmo que controlará el

sistema, minimizando errores y operaciones no deseadas en nuestra maquina o

proyecto que es la tostadora de café.


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RECOMENDACIONES

Si se desea realizar un tueste mucho más exacto se puede incorporar en

el sistema un análisis de imágenes, haciendo una comparación entre el

nivel de tueste deseado y el que está teniendo el café en un tiempo t.

Una forma alternativa de controlar el flujo de aire que envía el generador

es bloqueando en algún porcentaje el diámetro por donde se realiza la

absorción del fluido.

Para obtener una tostación más limpia, se puede adicionar un módulo

extra al lecho para que realice una separación entre las cascarillas que

van soltando los granos cuando están siendo tostados.


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