1 Disertada por: Juan Pablo Castillo ApoloESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción TESIS DE GRADO Disertada por: Juan Pablo Castillo Apolo

2 TEMA “REDISEÑO Y MONTAJE DE UN SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO A 40BAR DE PRESIÓN PARA LÍNEAS DE SOPLADO DE BOTELLAS”

3 ESQUEMA DE EXPOSICIÓN Descripción de la empresaCronología del sistema de aire comprimido a 40 BAR Definición del problema Propuesta de solución Mejoramiento capacidad de enfriamiento de compresores Evaluación técnica Evaluación económica Conclusiones y recomendaciones

4 ACTIVIDAD Soplado de recipientes plásticosInyección de preformas para botellas PET Soplado de botellas PET ACTIVIDAD

5 PLANO DE PLANTA

6 CRONOLOGÍA DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO A 40 BARETAPA I ETAPA II ETAPA III CRONOLOGÍA DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDO A 40 BAR

7 ETAPA I

8 ETAPA II

9 Descripción Técnica de EquiposFotos de Sopladoras FALTA: Cuellos de ganso Drenadores Válvulas de retención Manómetros Fotos de Compresores Descripción Técnica de Equipos ETAPA III

10 Sopladora #1 Sopladora #2 Sopladora #3 ETAPA III

11 Compresor #1 Compresor #2 ETAPA III

12 ETAPA III DESCRIPCIÓN DE LAS SOPLADORAS DE BOTELLA PETITEM EQUIPO CONSUMO DE AIRE COMPRIMIDO (m³/h) PRESIÓN DE TRABAJO (BAR) 1 Sopladora #1 420 40 2 Sopladora #2 3 Sopladora #3 DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE GENERACIÓN ITEM EQUIPO CAPACIDAD ESTIMADA (m³/h) Presión de Aire (BAR) 1 Compresor #1 826 40 2 Compresor #2 ETAPA III

13 DEFINICIÓN DEL PROBLEMAIncrementa demanda CAUSA: Incremento de caudal EFECTO: Sistema de distribución de aire comprimido inadecuado PLANIFICACIÓN Comprar 2 sopladoras , 8 cavidades Q=1500m3/h Adquirir 2 compresores Q= 1500 m3/h DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

14 DEFINICIÓN DEL PROBLEMARed de distribución no resiste aumento de caudal planificado. Solución no debe parar la producción de la empresa. Refrigeración de compresores de aire 1 y 2, es ineficiente. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

15 PROPUESTA DE SOLUCIÓN REQUERIMENTOS TRAYECTORIA CÁLCULOS CONSTRUCCIÓNMONTAJE PROPUESTA DE SOLUCIÓN

16 Caudal = consumo total de sopladoras + 10% del consumo totalCaudal = 4686 m3/h Presión = 40 BAR Colocar : Cuellos de ganso Manómetros Drenadores Válvulas de retención Filtros Construcción y montaje no impedir producción de la planta. DEMANDA TOTAL DE AIRE COMPRIMIDO SOPLADORA CONSUMO DE AIRE COMPRIMDO (m3/h) PRESIÓN DE TRABAJO (BAR) S1 420 40 S2 S3 S4 1500 S5 REQUERIMIENTOS

17 Sistema de aire comprimido a rediseñarseTRAYECTORIA

18 TRAYECTORIA Sistema de distribución de aire comprimido propuestoLongitud total= m Longitud de diseño = m TRAYECTORIA

19 CÁLCULOS DATOS Q= 4686 m3/h P= 40 BAR L = 70.89 mLas propiedades físicas del aire son a presión atmosférica y 32̊ C de temperatura ρ=2.244 x 10-3 (slug / pie3) µ= x 10-7 (lb.s/pie2) CÁLCULOS

20 CÁLCULOS METODOLOGÍA Asumo un diámetro de tubería.Determino longitud de diseño total. Encuentro pérdidas de presión con la ayuda de: Diagrama de Moody Ecuación de Darcy- Weisbach. Ecuación de Bernoulli Las pérdidas deben ser menores al 10%. Determino la cédula de la tubería. CÁLCULOS

21 Longitudes equivalentes de accesorios Ø= 6”.Asumo diámetro Ø= 6”. L. de diseño total (Lt) = L. diseño + L. equivalente Lt = m Longitudes equivalentes de accesorios Ø= 6”. DESCRIPCIÓN CANTIDAD L. EQUIV. UNITARIO (m) L. EQUIV. TOTAL (m) CODOS 90° x 10 4,3 43 CODOS 45° x6” 2 2,1 4,2 VÁLVULAS DE RETENCIÓN x 3 3.4 29,4 TEE x 9,2 92 TOTAL (m) 168.6 CÁLCULOS

22 Encontrar velocidad: Determinar Reynolds: CÁLCULOS

23 Rugosidad del acero en tubos de acero comercial (ε) = 0.15 mmRugosidad relativa Factor de fricción λ = (Diagrama de Moody) CÁLCULOS

24 Determinar pérdida de carga (H)Ecuación de Darcy-Weisbach CÁLCULO

25 CÁLCULOS Caída de presión Ecuación de Bernoulli Asumo:Velocidad constante. Altura constante . Densidad constante. CÁLCULOS

26 Se puede utilizar tubería Ø=6”Cumple lo recomendado Se puede utilizar tubería Ø=6” CÁLCULOS

27 Para líneas secundarias se aplica la misma metodología a diferencia que en la ecuación de Bernoulli las alturas no se simplifican. Para sopladora con Q= 420(m³/h) Usar tubería Ø= 2” %ΔP= 0.29% Para sopladora con Q= 1500 (m³/h) Usar tubería Ø= 3” %ΔP= 0.6% Para conectar línea principal – compresor con Q= 1500 (m³/h) %ΔP= 2% CÁLCULOS

28 Resistencia acero A106: 20000 lb/in2Cédula de la tubería Material : Acero A106 Resistencia acero A106: lb/in2 Presión interna: 600 psi CÁLCULO

29 CONSTRUCCIÓN RECOMENDACIONES PIPING HANDBOOK Preparación superficial.Tipo de junta: a tope. Tamaño bisel: espesor tubo < 22.2mm CONSTRUCCIÓN

30 CONSTRUCCIÓN RECOMENDACIONES PIPING HANDBOOK Proceso de soldadura.Cordón de raíz: TIG 70S-6 Ø=3/32” Pase caliente: E6010 Acabado: E7018 CONSTRUCCIÓN

31 CONSTRUCCIÓN

32 TRAMOS DEL SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDOCONSTRUCCIÓN

33 CONSTRUCCIÓN Vista isométrica Bajante Cuello de ganso NomenclaturaVálvula check

34 Cómo sostener el sistema de aire comprimido?Antes Después Soportes para tramo 1,7 y 8 CONSTRUCCIÓN

35 Soporte para tramo 2, 3, 4 y 10. CONSTRUCCIÓN

36 CONSTRUCCIÓN Longitud=18.7m Longitud total=L. cable + L. amarresL. total= 34.7m Cable soporte para tramo 5 y 6 (cotas en metros) CONSTRUCCIÓN

37 Soportes de línea secundaria sopladora #3.CONSTRUCCIÓN

38 MONTAJE Montaje de cerchas en tramo 1, 7 y 8. Montaje tramo 1Montaje de cercha tramo 1 Tramo 1 de tubería 6”. MONTAJE

39 Montaje soportes para tramo 2, 3, 4 y 10Montaje tramo 2 Montaje soportes para tramo 2, 3, 4 y 10 Montaje tramo 3 Montaje soporte tramo 2 MONTAJE

40 Montaje tramo 5 Montaje tramo 6 Soporte final del tramo 3 MONTAJE

41 MONTAJE Montaje cable soporte para tramo 5 y 6 Parada sopladora #3Desmontaje línea de 2” de la sopladora # 3 Vista del cable parabólico tramo 5. MONTAJE

42 Unión tramo 1 y 3 Montaje tramo 4. Montaje tramo 7 MONTAJE

43 Montaje tramo 9 Montaje tramo 8 MONTAJE

44 Modificación de línea secundaria 2"de la sopladora #3 Montaje de bajantes MONTAJE

45 MONTAJE Desconectar sopladoras Parada general de sopladorasDespresurizar Parada ≤ 15 horas Parada general de sopladoras de botellas PET. Montaje tramo 10 Modificación de tubería en C1 y C2 para montaje de válvulas de retención MONTAJE

46 Unión de tramo 7 con tramo de 4" de tubería actual y tuberías de abastecimiento de aire comprimido desde C1 y C2 Unión Tramo 7 con tubería C1 Unión Tramo 7 con tubería C2. MONTAJE

47 MONTAJE Barrido general del sistema de aire comprimidoPuesta en marcha y revisión de fugas. MONTAJE

48 MEJORAMIENTO CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO DE COMPRESORESDiagrama P vs V en compresor 2 etapas Torre de enfriamiento TEVA 465 Caudal refrigeración= 12.8 lt/s MEJORAMIENTO CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO DE COMPRESORES

49 MEJORAMIENTO CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO DE COMPRESORESRazonamiento: Pmotor= 160 KW Pabsorbida= 142 KW Asumo 142 KW = Encuentro Necesario para eliminar 5°C MEJORAMIENTO CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO DE COMPRESORES

50 MEJORAMIENTO CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO DE COMPRESORESComo son dos compresores Caudal enf. compresores > Caudal enf. Torre Sugerencia : Adicionar torre TEVA 270 MEJORAMIENTO CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO DE COMPRESORES

51 MEJORAMIENTO CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO DE COMPRESORESY donde coloco las torres ? MEJORAMIENTO CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO DE COMPRESORES

52 MEJORAMIENTO CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO DE COMPRESORESEstructura soporte para torres de enfriamiento? Carga muerta= peso torres + peso estructura Carga muerta= Kg Carga viva= 1000 Kg MEJORAMIENTO CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO DE COMPRESORES

53 MEJORAMIENTO CAPACIDAD DE ENFRIAMIENTO DE COMPRESORES

54 EVALUACIÓN TÉCNICA Cronograma se cumplió en 94%Al momento se encuentra 100% funcional el sistema de aire comprimido a 40 BAR Capaz de : Adicionar 2 compresores + Y Abastecer 2 sopladoras de 8 cavidades a + de las existentes EVALUACIÓN TÉCNICA

55 COTIZACIÓN SISTEMA DE AIRE COMPRIMIDORediseño y Montaje de un Sistema de Aire Comprimido a 40 BAR de presión para Líneas de Soplado de Botellas ITEM MATERIALES Cant unid meq mater peso V Unitario V Venta 1 accesorio T 6" cédula 40 para soldar 9 12 acc 5.44 46.24 416 2 brida ciega de 2" x 300 acero 8.00 11.92 3 brida ciega de 3" x 300 11.89 17.72 53 4 brida ciega de 6" x 300 6 27.20 40.53 41 5 brida soldable de 2"x300 8 2.94 4.38 35 brida soldable de 3"x300 4.80 7.15 21 7 brida soldable de 6"x 300 11 16.69 24.87 274 carga de argón 150.00 600 codo 1/2" x 90 cédula 40 0.5 0.50 0.75 10 codo 2" x 90 cédula 40 para soldar 1.32 1.97 codo 3" x 90 cédula 40 para soldar 3.32 4.95 30 codo 4" x 90 cédula 40 para soldar 5.25 7.82 13 codo 6" x 90 cédula 40 para soldar 15.00 22.35 45 14 codo 6" x 45 cédula 40 para soldar 89 15 diluyente galon 4.00 24 16 drenadores de agua para línea de aire comprimido 600psi 1/2" NPT 80.00 240 17 electrodo E6010 x 1/8" kg 3.00 90 18 electrodo E7018 x 1/8" 2.50 113 19 electrodo Ø 3/32 para TIG 20 5.00 100 EVALUACIÓN ECONÓMICA

56 EVALUACIÓN ECONÓMICA 20 empaque para aire comprimido 600 psi 3 m 20.0020.00 60 21 neplo 1/2" x 4" cédula 40 unid 0.5 neplo 0.91 3.64 11 22 neplo 1/2" x 6" cédula 40 1.22 4.88 102 23 perno 3/4" x 5" completo 48 acero 1.81 2.70 129 24 perno 5/8" x 3" completo 88 1.15 1.71 151 25 pintura blanca esmalte, marca unidas 5 galon pintura 40.00 200 26 pintura gris mate anticorrosiva 4 35.00 140 27 reducción campana 2"x1/2" cédula 40 para soldar 2 3.00 4.47 13 28 reducción campana 4" x 2" cédula 40 para soldar 1 13.44 20.03 29 reducción campana 6"x2" cédula 40 para soldar 6 17.00 25.33 30 reducción campana 6"x3" cédula 40 para soldar 16.85 25.11 100 31 reducción campana 6"x4" cédula 40 para soldar 13.00 19.37 97 32 termometros de dial de 4", 800 psi, vertical, conexión 1/2". acc 33 tubo A " cédula 40 tubo 5.44 9.25 222 34 tubo A " cédula 40 11.29 19.19 115 35 tubo A " cédula 40 12 16.07 27.32 328 36 tubo A " cédula 40 108 28.26 48.04 5189 37 válvula 1/2" de acero al carbono valvula 30.00 180 EVALUACIÓN ECONÓMICA

57 EVALUACIÓN ECONÓMICA MATERIAL SOPORTES 1 ángulo laminado 75x6 12 unidMATERIAL SOPORTES 1 ángulo laminado 75x6 12 unid perfil 37.80 68.04 816 2 ángulo laminado 40x3 21 10.23 18.41 387 3 ángulo laminado 50x3 13.14 23.65 47 4 cable de acero 3/8" 147 m acero 4.78 8.60 1265 5 canal 150x50x3 7 32.26 58.07 406 6 disco de corte 7" x 1/16" 3.50 electrodo E6010 Kg 3.00 15 8 electrodo E7018 2.50 13 9 grilletes para cable 3/8" 88 acc 0.14 2.00 176 10 placa ASTM A x200x5 3.15 5.67 45 11 templadores reforzados para cable 3/8" 20 0.50 15.00 300 53 54 COSTO MATERIALES 0.6 0.02 1137 proyect 1671 A 12825 55 COSTO TRANSPORTE herramientas y personal 0.52 14.59 B 257 56 COSTO ALQUILER EQUIPOS 7,695 1670.7 24664 C EVALUACIÓN ECONÓMICA

58 58 MANO DE OBRA cant unid Factor v unit V Venta 59 Construccion y montaje de sistema de aire comprimido para sopladoras de PET 1137 meq 1.2 5.00 6819 60 Construccion de soportes para tubería 1671 kg 1.00 2005 61 62 63 Costo mano de obra 0.398 D 8824 64 COSTO A + B + C + D A+B+C+D 22162 65 DIRECCION / UTILIDAD 10% 2216 66 SUB TOTAL SIN IVA 24378 La construcción y montaje de todo el sistema de aire comprimido tiene un costo de $24, de los cuales $22, es el costo del material, $8, el costo de mano de obra y $2, el costo de dirección y utilidad. EVALUACIÓN ECONÓMICA

59 EVALUACIÓN ECONÓMICA COTIZACIÓN ESTRUCTURA SOPORTE DE TORRESEstructura soporte para torres de enfriamiento MATERIALES Cant unid mater peso V Unitario V Venta W8X21 36 m perfil 42.60 89.46 3,220.6 W6X16 48 28.00 58.80 2,822.4 Tubo cuadrado 100x100x4 108 Tubo 12.13 23.65 2,554.6 Tubo rectangular 100x50x3 96 6.71 13.08 1,256.1 Ángulo 50x3 166 2.24 4.70 780.9 Pancha antideslizante ASTM A36 e=3mm 38 antidesl 70.20 133.38 5,068.4 Tubo cuadrado 200x100x2 6.83 13.32 639.3 Tubo mecánico Ø2" e=1.10mm 150 1.39 2.71 406.6 Tubo mecánico Ø2 3/4" 12 2.34 4.56 54.8 Placa ASTM A36 200x200x8 40 acero 2.52 4.54 181.4 Soldadura E6010 20 kg 3.00 60.0 Soldadura E7018 2.50 50.0 Disco de corte 7" x 1/16" 25 75.0 Disco de pulir 7" 5 3.50 17.5 Diluyente galon 4.00 20.0 Pintura anticorrosiva 7 35.00 245.0 Brocha 4" 15.0 Perno Ø 3/8" perno 0.03 0.32 12.8 COSTO MATERIALES 0.6 0.02 proyect 8537.7 A 17,480.3 COSTO TRANSPORTE herramientas y personal 1 0.52 3.77 B 349.6 COSTO ALQUILER EQUIPOS 10,488 8538 33616 C . MANO DE OBRA factor v unit Construccion y montaje de estructura soporte para torres de enfriamiento. 1.0 1.30 11,099.1 Costo mano de obra 0.3791 D COSTO A + B + C + D A+B+C+D 29,278.6 DIRECCION / UTILIDAD 10% 2,927.9 SUB TOTAL SIN IVA 32,206.4 Entonces el precio de la estructura soporte es de $32,206.4 de los cuales $11,099.1 es el costo de mano de obra, $29,278.6 costo de materiales y $ 2,927.9 es el costo por dirección y utilidad. EVALUACIÓN ECONÓMICA

60 Tomando como referencia el caso más crítico se determinó que la mayor pérdida de presión a generarse utilizando el nuevo sistema de aire comprimido, es decir, desde que el fluido compresible sale del compresor, pasa por la línea principal y línea secundaria hasta llegar a la máquina sopladora es de 4.79% La inspección de todos los cordones de raíz en las juntas soldadas permitió que al momento de la puesta en marcha del sistema de aire comprimido no queden fugas en las uniones de este tipo. Durante la prueba se presentaron un par de fugas en las juntas bridadas pero se dio solución apretando más los pernos. El 6% de retraso de acuerdo al tiempo estimado en el cronograma se dio en mayor grado por no obstaculizar el proceso productivo de la empresa. CONCLUSIONES

61 El material particulado que se observó salir de la tubería durante el barrido antes de poner en operación el sistema se generó en su mayoría porque algunas tuberías tenían corrosión interior, mas no se produjo por escoria producto de la soldadura. Por lo cual fue acertado utilizar soldadura TIG en el cordón de raíz. Los drenadores automáticos a ser adquiridos por la empresa no los pudieron conseguir en el mercado nacional por lo que las tres bajantes se dejaron en su terminación con un válvula de corte. Las 15 horas planificadas de parada general de las sopladoras de plástico fueron suficientes para realizar los empates finales de la tubería y dejar operativo el sistema de aire comprimido. La torre TEVA modelo 465 no posee el caudal de enfriamiento adecuado para disipar 5°C del agua de refrigeración del compresor C1 y C2. CONCLUSIONES

62 Como el aire comprimido sale del secador a la temperatura del punto de rocío (8 - 10°C), libre de humedad, una vez que entra en la tubería se equilibra con la temperatura de la tubería. El diferencial de temperatura es de aproximadamente 10̊C en condiciones críticas por lo que la expansión lineal del lado más largo del anillo es 4.92 mm. Como la expansión lineal en el caso extremo es baja no se utilizó una junta de expansión y se decidió que el sistema de aire comprimido no esté sujeto a los soportes en forma fija, solo se asienta en ellos para permitir una mínima expansión. La mejor ubicación para las torres de enfriamiento es construyendo una plataforma sobre los compresores C1 y C2, para lo cual se presenta el diseño de una estructura soporte metálica con 82.9 m2 de superficie para colocar seis torres de enfriamiento. CONCLUSIONES

63 En forma periódica abrir la válvula de corte en la bajante para evacuar el condensado acumulado.Cuando se vaya a suministrar toda la capacidad de diseño del sistema de aire comprimido, es decir, adicionar el segundo compresor de aire de 1500m3/h, se recomienda cambiar el tramo de 4” a 6” en la esquina cercana a la sopladora #1 que por pedido de la empresa se mantuvo del viejo sistema de aire comprimido. Luego de la construir la estructura soporte para torres de enfriamiento, lo más adecuada sería que cada compresor tenga su propia torre de enfriamiento. La torre TEVA modelo 465 quede para C1 y se coloque una torre TEVA modelo 270 para C2. De manera similar para C3 y C4 se debe instalar su propia torre. RECOMENDACIONES

64 GRACIAS POR SU ATENCIÓN