1 DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA TRABAJO DE TITULACIÓN, PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO TEMA: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA ENERGÉTICO AUTOMATIZADO PARA EL APROVECHAMIENTO EFICIENTE DE CARBÓN VEGETAL EN APLICACIONES GASTRONÓMICAS” AUTORES: GUZMÁN PALACIOS, CHRISTIAN OSWALDO MALDONADO ARTEAGA, STALIN ALEJANDRO DIRECTOR: GUTIÉRREZ GUALOTUÑA, EDUARDO ROBERTO A continuación la exposición del proyecto de grado previo a la obtención de nuestro título
2 ANTECEDENTES: EL CARBÓN VEGETAL Referente al cantón el Empalme
3 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA:HORNOS Y PARRILAS AL AIRE LIBRE CON PÉRDIDAS ENERGÉTICAS Referente al cantón el Empalme 3
4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar el dimensionamiento del asador. OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir un sistema energético que permita el aprovechamiento eficiente de carbón vegetal, mediante consideraciones de nivel técnico, para ser usado en aplicaciones gastronómicas de asado de carnes rojas y blancas. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar el dimensionamiento del asador. Construir el asador para la quema de carbón. Validar experimentalmente el equipo. Referente al cantón el Empalme 4
5 ALCANCE Desarrollar los cálculos y consideraciones necesarias para llevar a cabo el diseño completo del sistema energético, aplicando conceptos de termodinámica, transferencia de calor, instrumentación, automatización, diseño y materiales. Elaborar una memoria de cálculos con los resultados obtenidos, para que quede en posesión del laboratorio de Conversión de Energía y pueda ser utilizada como base para posteriores proyectos de similares características. Diseñar, construir y operar el sistema energético en base a los cálculos realizados y las consideraciones escogidas previamente en el diseño del mismo. Realizar un estudio económico para analizar la factibilidad de comercializar el equipo. Referente al cantón el Empalme 5
6 JUSTIFICACIÓN Referente al cantón el Empalme 6
7 TIPOS DE COCCIÓN DE ALIMENTOSCONCENTRACION Saltear Asar Emparillar Risolar Freir Cocer en liquido hirviendo Cocer al horno Cocer al vapor EXPANSION Partiendo de un liquido frio Gratinar Glasear Confitar Rehogar Pochar MIXTO Bresear Estofar Cocer al vacio Referente al cantón el Empalme 7
8 ASADO DE ALIMENTOS Es una técnica de cocción cuyo objetivo es lograr que la parte externa del alimento se encuentre crujiente y dorada, mientras la parte interna se encuentre bien cocinada y en ciertas ocasiones con jugos propios de la carne, sellados en el interior; esto se consigue mediante la exposición directa y gradual a una fuente de calor, sin la presencia de ningún líquido Referente al cantón el Empalme 8
9 TEMPERATURAS DE COCCIÓNVACA TERNERA CERDO POLLO CORDERO MUY POCO HECHO 48°C 54°C 57°C POCO HECHO 55°C 60°C 70°C MEDIO HECHO 68°C 77°C 82°C 65°C MUY HECHO 70°C-75°C 75°C 85°C CARNES PICADA 74°C Referente al cantón el Empalme 9
10 COMBUSTIONARSE PARA ASÍ GENERAR UN CALORCARBÓN VEGETAL COMBUSTIBLE SÓLIDO PODER CALÓRICO COMBUSTIONARSE PARA ASÍ GENERAR UN CALOR Referente al cantón el Empalme 10
11 CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DEL CARBÓN VEGETALPROPIEDADES QUÍMICAS CONTENIDO DE HUMEDAD MATERIA VOLÁTIL CONTENIDO DE CARBONO FIJO CONTENIDO DE CENIZAS PROPIEDADES FÍSICAS PODER CALÓRICO ENTRE Y KJ/KG DEPENDIENDO DE SU PROCESO DE OBTENCIÓN Referente al cantón el Empalme 11
12 CONSUMO DE CARBÓN EN LATINOAMÉRICA Y EL MUNDOLas Naciones Unidas (NN.UU) menciona que el consumo por habitante promedio en el mundo de carbón vegetal puede estimarse entre 60 y 120Kg por año. Cifra que se obtiene a partir de 700Kg de madera seca. Entonces el consumo mundial de carbón vegetal anual aproximadamente será 100 Kg del biocombustible por el número de personas en el mundo, esto quiere decir los millones de personas, según el cálculo de la Organización de Naciones Unidas (ONU) el 30 de octubre de 2011, lo que da un consumo mundial de 700 millones de toneladas de carbón vegetal anualmente. Referente al cantón el Empalme 12
13 CONSUMO Y PRODUCCIÓN DE CARBÓN VEGETAL EN ECUADORReferente al cantón el Empalme 13
14 CONSUMO URBANO Y RURAL DE CARBÓN VEGETAL EN EL ECUADORREGIÓN RURAL CONSUMO CARBÓN VEGETAL (Kg/día/persona) Sierra 0,7 Costa 0,63 Oriente 0,96 Galápagos Promedio 0,73 REGIÓN URBANA CONSUMO CARBÓN VEGETAL (Kg/día/persona) Sierra 0,127 Costa 0,115 Oriente 0,176 Galápagos Promedio 0,133 . Referente al cantón el Empalme 14
15 Entonces en el Ecuador aproximadamente se necesita una producción de 76 toneladas de Carbón Vegetal diaria para suplir con las necesidades de los hogares urbanos. CONSUMO CARBÓN (Kg/día/persona) FAMILIAS (APROX) N° PERSONAS / FAMILIA (promedio) CARBÓN CONSUMIDO (Kg/día) 0,113 3,78 76.885 Referente al cantón el Empalme 15
16 MADERA DISPONIBLE EN ECUADORDe acuerdo al análisis realizado, se explotan anualmente unas ha (hectáreas) de bosque nativo, esto equivale a 8,57x106 m3 de madera. La implantación de nuevos bosques avanza muy lentamente por lo que no equilibra la deforestación existente. TIPO DE BOSQUE SUPERFICIE (106 m2) CANTIDAD (106 m³) Latifoliado tropical húmedo 8,5 425 Latifoliado tropical seco 0,4 20 Latifoliado subtropical húmedo 2,8 140 Manglares y afines 0,12 6 Bosque implantado 0,05 7,5 TOTALES 11,87 598,5 Referente al cantón el Empalme 16
17 SECTORES DONDE SE UTILIZA LA MADERASECTOR INDUSTRIAL 3x106 m3 35% LEÑA Y CARBÓN VEGETAL 3,43x106 m3 40% DESPERDICIOS 2,14x106 m3 25% Referente al cantón el Empalme 17
18 CALIDAD DEL CARBÓN – Aspecto Químico EFICIENCIA TÉRMICA DEL EQUIPOAPROVECHAMIENTO EFICIENTE DE CARBÓN VEGETAL CARBÓN VEGETAL CALIDAD DEL CARBÓN – Aspecto Químico EJ: Eucalipto EFICIENCIA DE COMBUSTIÓN – Diseño para reducir tiempos de cocción y Kilogramos de carbón EFICIENCIA TÉRMICA DEL EQUIPO Referente al cantón el Empalme 18
19 DESARROLLO DE LOS ASADORES John SibthropeGeorge Bodley Referente al cantón el Empalme 19
20 ASADORES EN LA ACTUALIDADEn la actualidad para el asado de productos cárnicos existe una gran variedad de equipos que cumplen con esta función, desde equipo caseros pequeños hasta hornos industriales para el asado de pollos enteros, mucho depende del presupuesto, la cantidad de productos que se desea asar, el espacio que se disponga para el equipo y la eficiencia que se desea para diseñar o comprar uno. Referente al cantón el Empalme 20
21 DISEÑO TÉRMICO DEL SISTEMA ENERGÉTICODentro de la Ingeniería, un aspecto fundamental es el diseño térmico, lo que quiere decir que se busca tener la mayor eficiencia térmica con la menor cantidad de perdidas dentro del sistema, es por eso que se debe tener en claro los materiales y criterios de selección para realizar un diseño eficiente, que en el caso del presente trabajo de investigación se busca utilizar la menor cantidad de carbón vegetal, utilizar todo el calor generado, y que llegue toda esta energía a los productos cárnicos. Referente al cantón el Empalme 21
22 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MATERIALES PLANCHAS DE ACEROMaterial de la plancha de acero DISPONIBILIDAD COSTO RESISTENCIA MECÁNICA RESISTENCIA A LA CORROSIÓN RESISTENCIA A ALTAS TEMPERATURAS TOTAL AISI 304 2 1 4 15 ASTM A-36 18 Referente al cantón el Empalme 22
23 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MATERIALES AISLANTES TÉRMICOSLADRILLO REFRACTARIO.- Propio para la cámara de combustión ASILANTE PARA LAS PAREDES: Tipo de Aislante térmico DISPONIBILIDA D COSTO CONDUCTIVIDA D TÉRMICA VARIOS ESPESORES RESISTENCIA A ALTAS TEMPERATURAS RESISTENTE AL FUEGO TOTAL Lana de vidrio 3 4 2 16 Lana de Roca 19 Lana de borrego 1 13 Referente al cantón el Empalme 23
24 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MATERIALES ACERO PARA LA PARRILLA Y ESPADATipo de Acero DISPONIBILIDAD COSTO RESISTENCIA MECÁNICA PARA ALIMENTOS RESISTENCIA A ALTAS TEMPERATURAS TOTAL AISI 1020 3 4 1 15 ACERO NEGRO 2 18 AISI 304 Referente al cantón el Empalme 24
25 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MATERIALES VIDRIO:VIDRIO TEMPLADO – Para la ventana en la puerta elevable. PINTURA: Pintura anticorrosiva para altas temperaturas - Para toda la cubierta del equipo. Referente al cantón el Empalme 25
26 Resistencia a la tensión % de elongación (mínimo)PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: PLANCHAS DE ACERO Elemento C Cu Fe Mn P S % 0,25 0,02 99 0,8-1,2 0,04 Max 0,05 Max PROPIEDAD VALOR UNIDAD Densidad 7850 Kg/m3 Límite de fluencia 32-36 ( ) Ksi (MPa) Resistencia a la tensión 58-80 ( ) Ksi (Mpa) % de elongación (mínimo) 20 % Módulo de elasticidad 29000 Ksi Referente al cantón el Empalme 26
27 Conductividad térmica en (W/m°C) a la temperatura en °CPROPIEDADES DE LOS MATERIALES: PLANCHAS DE ACERO Propiedades térmicas Tipo de acero % C Calor específico (J/kg°K) Conductivi dad K (W/m°K) Difusivid ad α x105 m2 / seg Conductividad térmica en (W/m°C) a la temperatura en °C -100 100 200 300 400 600 800 A36 <0,5 465 54 1,474 55 52 48 45 42 35 31 Referente al cantón el Empalme 27
28 Construcción de puentes, estructuras metálicasPROPIEDADES DE LOS MATERIALES: PLANCHAS DE ACERO (Espesores) ESPESOR (mm) APLICACIÓN 2-4,5 Estructuras de baja resistencia, tubería soldada, piezas no críticas y que no se expongan a altos esfuerzos de puentes, construcciones y edificios 5-13 Construcción de puentes, estructuras metálicas Referente al cantón el Empalme 28
29 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: LADRILLO REFRACTARIO:Densidad (Kg/m3) Calor específico (J/Kg*K) @ 1000°C Conductividad térmica (W/m*K) Difusividad térmica (m2/s) (x10-6) Ladrillo Refractario 800 1.1 0.27 Referente al cantón el Empalme 29
30 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: LANA DE ROCA:Ahorro de energía (combustible) Optimización de procesos y recursos Protección contra incendios, seguridad y confort industrial Resistentes al fuego, no produce humo. Temperatura de trabajo 750 °C Densidad 100 Kg/m3 Combustibilidad 100% incombustible Norma ASTM Norma MFBI Dimensiones 2400mm x 910mm x 50,8mm Referente al cantón el Empalme 30
31 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: ACERO NEGRO:El acero negro es comúnmente utilizado en tubería debido a que este acero tiene una capa de óxido negro en la superficie, que es producto de que cuando el perfil es forjado se lo sella con un aceite protector para evitar la corrosión. Gracias a esta propiedad se requiere poco mantenimiento y es utilizado en varias aplicaciones como: servicios de agua, vapor y gas, entre otros. Referente al cantón el Empalme 31
32 Resistencia a la tensión % de elongación (mínimo)PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: ACERO NEGRO: Las propiedades térmicas son muy similares a la del acero AISI A-36 PROPIEDAD VALOR UNIDAD Densidad 7850 Kg/m3 Límite de fluencia 227 Mpa Resistencia a la tensión 340 % de elongación (mínimo) 24 % Módulo de elasticidad 200 GPa Referente al cantón el Empalme 32
33 Resistencia a la tensión (N/mm2) Probabilidad de fractura (%)PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: VIDRIO TEMPLADO: Un vidrio templado comparado con un vidrio normal presenta las siguientes propiedades: Mayor resistencia al choque térmico Mayor resistencia a la flexión, tracción y torsión Mayor resistencia al impacto. Resistencia a la tensión (N/mm2) Probabilidad de fractura (%) Densidad (g/cm3) Choque Térmico (°C) 50 5 2.5 60 a 240 Referente al cantón el Empalme 33
34 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES: PINTURA ANTICORROSIVA PARA ALTAS TEMPERATURAS: Resiste temperaturas de hasta 650°C Aplicar para parrillas, estufas de leña, radiadores, motores u otros elementos metálicos Protege al metal contra la corrosión Para uso interno y externo Alta durabilidad NO exponer directamente al fuego Referente al cantón el Empalme 34
35 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN MOTORES Y CAJA REDUCTORASMOTORES Y CAJAS REDUCTORAS DE VELOCIDAD PRIMER SISTEMA: SISTEMA ROTATIVO SEGUNDO SISTEMA: SISTEMA SUBE Y BAJA Referente al cantón el Empalme 35
36 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN PRIMER SISTEMA - ROTATIVOMOTOR CAJA REDUCTORA POTENCIA (HP) VOLTAJE (V) AMPERAJE (A) FRECUENCIA (Hz) RPM 0.25 110 / 220 5.0 / 2.5 60 1730 Referente al cantón el Empalme RELACIÓN ACOPLE UNIÓN MOTOR SALIDA 40:1 Polea simple / doble Banda Volante con banda 36
37 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN PRIMER SISTEMAPolea salida motor Polea entrada caja reductora Volante salida caja reductora Volante conectado a la espada Diámetro (φ)cm 5 15 6 34 RPM 1730 576.67 14.41 2.54 Referente al cantón el Empalme De esta manera se tiene unas 2.5 RPM a la salida aproximadamente, velocidad que será transmitida por banda hacia el volante que contiene la espada que hará girar a los pollos a mencionada velocidad constante. 37
38 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN SEGUNDO SISTEMA – SUBE Y BAJAOBJETO MASA (Kg) Pollos 9 Espada 8 Chumaceras x4 5 Estructura base del primer motor 24 Motor y caja reductora 18 Bandas x2 4 TOTAL 68 Kilogramos Referente al cantón el Empalme 38
39 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN SEGUNDO SISTEMA – SUBE Y BAJACAJA REDUCTORA DE VELOCIDAD RELACIÓN ACOPLE UNIÓN MOTOR SALIDA 40:1 Polea simple / doble Banda Volante con banda Polea salida motor Polea entrada caja reductora Polea salida caja reductora Volante conectado al eje Diámetro (φ)cm 5 15 6 RPM 1730 576.67 14.41 5.76 Referente al cantón el Empalme 39
40 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN SEGUNDO SISTEMA – SUBE Y BAJASELECCIÓN DEL MOTOR Con estos valores se tiene que el eje va a rotar a 5.76RPM y se va necesitar subir y bajar es de 667,08 N (Newton). Referente al cantón el Empalme 40
41 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN SEGUNDO SISTEMA – SUBE Y BAJASELECCIÓN DEL MOTOR Referente al cantón el Empalme 41
42 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN SEGUNDO SISTEMA – SUBE Y BAJASELECCIÓN DEL MOTOR De esta forma el motor seleccionado con potencia de 0.25HP que se encuentra fácilmente en el mercado cumple con los requerimientos para llevar a cabo la operación de subir y bajar la espada con los pollos. Referente al cantón el Empalme POTENCIA (HP) VOLTAJE (V) AMPERAJE (A) FRECUENCIA (Hz) RPM 0.25 110 / 220 5.0 / 2.5 60 1730 42
43 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN:Referente al cantón el Empalme 43
44 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN:Transferencia de calor por conducción 1 Referente al cantón el Empalme 44
45 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN:Transferencia de calor por convección 1 Referente al cantón el Empalme 45
46 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN:Transferencia de calor por conducción 2 Referente al cantón el Empalme 46
47 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN:Transferencia de calor por convección 2 Transferencia de calor por conducción 3: Referente al cantón el Empalme 47
48 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN:Transferencia de calor por convección 2 FLUJO CALOR TOTAL: Referente al cantón el Empalme 48
49 PARÁMETROS DE DISEÑO Y SELECCIÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN:Sin aislantes térmicos: En la otra dirección: Con aislantes térmicos: Referente al cantón el Empalme 49
50 BALANCE EXERGÉTICO DEL SISTEMA ENERGÉTICOReferente al cantón el Empalme "Tmax" es el trabajo máximo disponible para el sistema energético en función de la cantidad de masa de carbón utilizada. 50
51 INSTRUMENTACIÓN Y AUTOMATIZACIÓN Las funciones de instrumentación y de automatización se implementaron para facilitar en cierto grado el proceso de asado, y principalmente como un complemento al proyecto de investigación, buscando obtener la mayor cantidad de eficiencia posible. Referente al cantón el Empalme 51
52 INSTRUMENTACIÓN Distribución de termocuplas en el equipo para realizar los balances energéticos Referente al cantón el Empalme 52
53 INSTRUMENTACIÓN Y AUTOMATIZACIÓNReferente al cantón el Empalme 53
54 INSTRUMENTACIÓN Y AUTOMATIZACIÓNReferente al cantón el Empalme 54
55 RESULTADOS Como referencia se sabe que un saco de carbón equivale a unos 30Kg aproximadamente y tiene un costo promedio de USD 15,00. Análisis para productos asado sobre parrilla Referente al cantón el Empalme 55
56 RESULTADOS Análisis para asado de pollos enterosReferente al cantón el Empalme 56
57 Prueba equipo – proyecto Cantidad de productos asados (kg)RESULTADOS Pruebas en el equipo del presente trabajo de investigación Asado de productos cárnicos sobre la parrilla. Consumo de carbón (Kg) Prueba equipo – proyecto 0.75 Cantidad de productos asados (kg) 3 Referente al cantón el Empalme 57
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62 Costo total del proyecto.DESCRIPCIÓN VALOR UNITARIO ($) UNIDAD CANTIDAD VALOR TOTAL ($) 1 Mano de Obra 400 Integrante 2 800 Gastos del proyecto 1784,5 total TOTAL 2784,5 Referente al cantón el Empalme 62
63 CONCLUSIONES: El consumo de carbón vegetal en asados de parrilladas, sean filetes de carnes, pollo y/o chuletas de cerdo, utilizando el sistema energético desarrollado en el proyecto, se redujo en un 68,28% en relación al consumo de carbón en asaderos comerciales existentes. El consumo de carbón vegetal en asados de pollos enteros, utilizando el sistema energético desarrollado en el proyecto, se redujo en un 32,58% en relación al consumo de carbón en asaderos comerciales existentes. El consumo de carbón vegetal se redujo en menor medida en el asado de pollos enteros, debido a que en la mayoría de locales comerciales cuentan con 4 a 6 espadas, mientras el equipo del presente proyecto solo cuenta con una, lo cual nos impide hacer un análisis más exacto de la eficiencia. Un local de asado de filetes podría ahorrar al mes hasta USD 650 con el equipo desarrollado en el presente proyecto, mientras que uno de asado de pollos enteros puede ahorrar hasta USD 300. Al comparar termodinámicamente el mismo equipo con y sin aislamiento, se observó que se puede reducir la cantidad de calor que sale del carbón encendido hacia el exterior del equipo hasta en 64,6 KW. Referente al cantón el Empalme 63
64 Comercialmente el equipo se puede comercializar por un costo de $2500, permitiendo una ganancia de $915,15 en relación a los gastos, sin considerar la mano de obra. Esto considerando que los equipos comerciales para negocios de alimentación existentes, tienen un costo aproximado de $2000. El sistema de elevación nos permite una mejor cocción de pollos, al acercarlos o alejarlos de la brasa según la temperatura de la cámara de cocción. La recirculación del humo de escape, nos permite aprovechar el calor para encender el carbón vegetal utilizado en la cocción de alimentos, así como para mantenerlo encendido; siendo algo novedoso, ya que en el mercado nacional no existen equipos comerciales con esta característica. El presente proyecto puede ser adaptado a medidas distintas, según los requerimientos deseados, manteniendo una buena eficiencia, siempre que se conserve la idea principal del uso de aislantes térmicos y recirculación. Referente al cantón el Empalme 64
65 RECOMENDACIONES Desarrollar proyectos similares al presente, con nuevas aplicaciones, así como con el uso de diferentes biocombustibles; Buscando optimizar el consumo de los mismos al igual que en el presente proyecto. Implementar este tipo de proyectos a gran escala para que el impacto sobre el medio ambiente sea realmente significativo, ya que se puede comercializar equipos como el presente en los locales de asado de alimentos. Referente al cantón el Empalme 65
66 GRACIAS POR SU ATENCIÓNReferente al cantón el Empalme 66