LAVADORA DE PLASTICO.pdf

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Crisanto.

Revista Ciencia e Ingeniera. Vol. 23 No. 2. 2002

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Estos pasos, actualmente, se desarrollan de manera manual,atentando directamente a la salud de quienes laboran en estaactividad

En el presente trabajo se propone el diseo de una m-quina lavadora de plstico reciclado para el proceso de lim-

pieza que permita a las microempresas de reciclaje optimi-zar su productividad (Crisanto y Miranda, 2000).

Esta mquina adems de ser de diseo sencillo es defcil construccin, mantenimiento, operacin y bajo costo,que permite introducir una herramienta altamente lucrativaal proceso de produccin, y fortalecer las acciones de con-servacin del planeta.

2 El reciclaje

El reciclaje es un proceso que, por las ventajas queofrecen algunos desperdicios o componentes de productosfabricados de continuar brindado similares o distintos servi-cios luego que han cumplido la funcin para la que han sigooriginalmente elaborados, sirven para, en alguna medida,

recuperar a estos componentes (Fouhy y Kim, 1993; Myersy Farrisey, 1993).

El material reciclable que se encuentra en la basura, ensu mayor parte est constituido de papel, cartn y plstico.Los ltimos pueden clasificarse en dos grandes categoras:termoplsticos y termofraguables.

Existen cuatro tipos de reciclaje de plsticos: Primario,secundario, terciario y cuaternario (Myers y Farrisey, 1993)

2.1 Reciclaje primario

Consiste en la conversin del desecho plstico en art-culos con propiedades fsicas y qumicas idnticas a las del

material original. El reciclaje primario se hace con termo-plsticos, como el PET, HDPE, LDPE, PP, PS, PVC. Este asu vez tiene tres procesos: Separacin, limpieza y peletiza-do

2.2 Reciclaje secundario.

Convierte al plstico en artculos con propiedades queson inferiores a las del polmero original. Ejemplo de pls-ticos recuperados por esta forma son los termoestables.. Es-te elimina la necesidad de separa y limpiar los plsticos. Lamezcla de plsticos, incluyendo tapas de aluminio, etiquetasde papel, polvo, se muelen y funden juntas dentro de un ex-

trusor. Los plsticos pasan por un tubo con una gran abertu-ra hacia un bao de agua, y luego son cortados a varias lon-gitudes dependiendo de las especificaciones del cliente.

2.3 Reciclaje terciario

Degrada al polmero a compuestos qumicos bsicos ycombustible. Este tipo de reciclaje es fundamentalmentediferente de los dos primeros mencionados anteriormente

porque involucra un cambio qumico no solo un cambio f-

sico. En este reciclaje terciario las largas cadenas del pol-mero se rompen en pequeos hidrocarburos (monmeros) omonxido de carbono e hidrgeno. Hoy en da el reciclajeterciario cuenta con dos mtodos principales: Pirolisis y ga-sificacin.

2.4 Reciclaje cuaternario

Consiste en el calentamiento del plstico con el objetode usar la energa trmica liberada de este proceso para lle-var a cabo otros procesos, es decir, el plstico es usado co-mo un combustible.

3 Diseo de la mquina.

El proceso de limpieza se hace necesario pues el pls-tico generalmente est contaminado de polvo, comida, pa-

pel, piedrecillas (basura slida), pegamento, grasa, qumi-cos, etc. En un proceso de alta tecnologa los plsticos de-

ben ser granulados, este granulado es limpiado y luego escolocado sobre pantallas movibles. Tambin se usan hidro-ciclones cuando el deshecho plstico est muy contaminado(http://www.buildnet.es/maquinaria/bmtipos.as?epigrafe=6)

Cabe sealar que el plstico reciclado con estos pasosse lo usa para elaborar fundas de basura, mangueras paraelectricidad o cualquier otro producto que no sea para eluso humano.

El plstico previamente debe ser clasificado por el ta-mao y luego ir a dos etapas de lavado: la limpieza de basu-ra slida y limpieza de qumicos que se lo har con de-tergentes, no con solventes pues la clasificacin previa noest basada en densidades y caractersticas propias del pls-tico (Fouhy y Kim, 1993)

3.1 Seleccin de alternativas

La mquina que ha disearse debe cumplir con los si-guientes requisitos:

a) Parmetros funcionales Capacidad de lavado de 1500 Kg/da. Garantizar la limpieza del plstico de la basura

slida Trabajo continuo durante 8 horas Costo no superior a los $3000, pues su similar

en los pases europeos est en $7600 (CIF)(http://www.buildnet.es/maquinaria/bmtipos.as?epigrafe=6;http://www.pci.com.ar/oport/prodint//prodint.htm)

b) Requerimientos funcionales: Facilidad de montaje y desmontaje. rea de trabajo de 36m2 Dos operadores como mximo

Tomando en cuenta lo anterior se plantearon tres alter-nativas: Sistema de agua a presin, sistema de tanques de


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Diseo de una lavadora de plstico reciclado


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agua y sistema de aletas rotatorias.Se analizaron los sistemas en cuanto a ventajas y des-

ventajas, tomando en cuenta criterios como, costo de cons-truccin, operabilidad, calidad de lavado, continuidad detrabajo, mantenimiento adems de rea de funcionamientorequerida.

Todos estos puntos fueron evaluados objetivamente, ylos resultados se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Factores de comparacin

Parmetro FactorF

Alt. 1P St

Alt. 2P St

Alt, 3P St

Costo de Const. 1 3 3 3 3 2 2

Costo de Oper. 0,9 3 2,7 2 1,8 4 3,6

ContinuidadOperacin.

0,8 1 0,8 2 1,6 5 4

Mant. 0,8 2 1,6 1 0,8 4 3,2

Operarios 0,7 1 0,7 5 3,5 1 0.7

TOTAL 8,8 10,7 13,5

Despus de comparar los resultados de la Tabla 1 ob-

serva que la alternativa ms viable es la nmero 3.

3.2 Diseo de la alternativa seleccionada

El lavado del plstico, segn este sistema, se basa en

un sistema de aletas rotatorias, similar a una lavadora deropa pero con eje horizontal, en el cual el lavado se basa enel movimiento del plstico provocado por aletas sujetadasen eje soportado en un semitambor horizontal (Crisanto yMiranda, 2000; Guamn y Cedillo, 1994)

El agua ingresa a la mquina (Figs. 1 y 2) por su partesuperior a travs de una flauta. La mquina posee tres sis-temas principales:

Sistema motor, que incluye el motor, bandas cade-nas, poleas, piones, y rodamientos

Sistema de lavado, que incluye un eje (elemento cr-tico), flauta de ingreso del agua, paletas de lavado,canastilla y rodamientos

Carcasa y estructura.Se presenta un esquema de la concepcin de la mqui-

na. Para realizar el diseo del eje se consideran las siguien-tes cargas: plstico, agua y peso de las paletas.

Para cumplir con la capacidad de lavado impuesta enlos parmetros funcionales la carga que se considera en eldiseo es 6.5 kg. De plstico sucio

Se estima la carga de agua mediante una prueba dondese arma cubos de plstico sucio, se mide sus aristas, se su-

merge en agua y tambin se estima este volumen de agua.Por ltimo se multiplica por un factor, pues el agua no per-manece como una constante, sino que circula.

De lo anterior se tiene un volumen de agua de 125000cm3, es decir, un peso por carga de agua PH2O= 31 kg

Fig. 1. Vista frontal de la alternativa seleccionada

Fig. 2. Vista lateral de la alternativa seleccionada.


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Las paletas de lavado son otro elemento que influye enla carga de diseo del eje. Este peso, es una fuerza que so-lamente acta a flexin. Las paletas estn montadas con unngulo de hlice de 7.

El material necesario para esta aplicacin, es un aceroresistente la abrasin ya que este elemento va a estar enmovimiento y en contacto directo con el plstico sucio, esdecir, en contacto directo con deshechos orgnicos y part-culas de tierra. El acero ms recomendado para esta aplica-cin es uno con alto contenido de manganeso (sobre el 8%).

El peso de las paletas est dado por las dimensionesbsicas de la misma. Tambin se aade un peso adicionaldebido al sistema de sujecin de las paletas con el eje, porlo que el peso de las dos paletas que se concibe en el diseoes: P2 paleta= 34 kg

3.2.1 Sistema motor (Fig. 3)Basndose en recomendaciones la velocidad adecuada

para este tipo de aplicaciones est en el rango de 200 a 250rpm. Se escogi el valor de 225 rpm. (Pareto, 1976)

Previo a la seleccin del motor se calcula la potencianecesaria de la mquina propiamente dicha, P3, de lo que seobtiene un valor de 5.72 HP, por lo que la potencia necesa-ria en el motor es: P1= 7 HP

Fig.3. Esquema del sistema motor

3.2.2 Diseo del ejeEl diseo del eje se lo hace mediante tres mtodos:

Clculo del eje mediante anlisis por fatiga (Juvinal, 1993;Shigley y Meschke, 1995), mediante una frmula experi-mental y anlisis por medio del paquete SAP 2000 a mane-ra de comprobacin.

La frmula experimental hallada propuesta, que facili-ta un punto de partida en el diseo, se basa en el Momentotorsor que acta en el eje, las revoluciones a la que gira y la

potencia requerida por el eje en ese punto, de lo que resultaun eje de 50.63 mm.

Para iniciar el clculo de eje mediante un anlisis porfatiga, se realiza las siguientes consideraciones:

Toda la carga del plstico, en el momento crtico, seencuentra solamente en una aleta.

La carga del plstico est situada en el centro geo-mtrico de la aleta.

La carga se dirige en forma perpendicular a la aleta. El ngulo de inclinacin de la aleta es de 7 respecto

a la horizontal. Existe una fuerza generada por la cadena, al mo-

mento de transmitir la potencia.Ahora bien, las fuerzas que actan sobre el eje, son: Fuerza generada por la cadena al transmitir la po-

tencia. Fuerza de la carga del plstico Reacciones en los apoyos del eje Peso de la segunda aletaSe toma los valores de esfuerzos, y momentos para

realizar los clculos, y basndose en el costo se seleccionael acero de transmisin 1020, cuyas propiedades son:Su = 530 MPaSy = 450 MPaBHN = 111 Brinell.

Las razones de D/d y r/d y la constante Kt (Shigley yMeschke, 1995), se consideran respectivamente 1.25, 0.034y 2.2 para cargas de flexin y 1.8 para cargas torsionales.Se considera un factor de seguridad de 2.5 y se obtienedimetro para el eje, cuyo valor para el punto crtico es: d =55.68mm.

A manera de comprobacin se utiliza el paquete SAP2000, el cual arroja un valor de d= 54mm, lo que corroborael valor obtenido mediante los otros dos mtodos

4 Diseo del conducto de ingreso del agua

En la seleccin del dimetro de la tubera se toma encuenta las prdidas de carga en las tuberas y accesorios.Adems se han realizado mediciones del volumen y tiempoen la red de distribucin, para poder determinar el caudal,tal como se muestra en la Tabla 2 (Guamn-Cedillo, 1994)

Pensando en la facilidad de construccin, este elemen-to se concibe de la siguiente manera:1) El flujo de agua ingresa por la mitad de elemento, es

decir, a 625 mm, por lo que el anlisis se realiza sola-mente en la una parte del elemento, ya que es simtrico.

2) Es de tubera galvanizada de 19.05 mm (3/4 ") ms losaccesorios necesarios.Se construyeron varios prototipos de flauta de ingreso

de agua, en los que se practicaron agujeros de determinadosdimetros y se prob la eficiencia del lavado. Considerando

las pruebas realizadas, se pudo observar que en dimetrosde 1, 1.5 y 2 mm el lavado es de mala calidad; 2.5, 3 mm ellavado tiene una calidad buena y entre 3.5 y 4 mm el lavadoes regular.

Los dimetros de 2.5 a 3 son los ms recomendadospues: El chorro de agua golpea en el plstico y este se reparte

en el rea del mismo permitiendo un buen lavado.


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La velocidad y la fuerza con que llega el chorro producemovimiento en el plstico, que aadido al movimientodado por las paletas dan como resultado un buen lava-do.

5 Diseo de la canastilla

La canastilla es un elemento que permite la salida delagua de lavado, de deshechos orgnicos y partculas de tie-rra. Por esta razn la canastilla es de un material resistente ala abrasin, es decir, con un alto contenido de manganeso.

Tabla 2 Clculo del caudal de la red de distribucin

Med. N Vol. (m3) t (s) Q (m3/s)

1 0,0016 3 0,000532 0,0015 3 0,00053 0,0014 3 0,000474 0,0016 3 0,00053

5 0,0017 3 0,000576 0,0015 3 0,00057 0,0017 3 0,000578 0,0016 3 0,000539 0,0015 3 0,0005

10 0,0015 3 0,0005Total 0,00052

La canastilla (Fig. 4) cubre la parte inferior de la m-quina, la lmina con la que es fabricada se perfora para fa-cilitar la descarga de los residuos de lavado. Adems se laconcibe con un arco de r =0.785 m

Fig. 4. Esquema de la canastilla y paletas

Despus de realizado el diseo se ha obtenido una m-quina de las caractersticas como se muestra en la Tabla 3.

Para constatar que los requerimientos funcionales yparmetros funcionales sean cumplidos a satisfaccin, se

disea un protocolo de pruebas.a) Pruebas iniciales:

La mquina trabajar a un 75% de la carga de di-seo, durante un lapso de 1 hora. De esta opera-cin se realizarn tres pruebas

Tabla 3: Especificaciones de la mquina

Variable Capacidad nominalVelocidad 200-250 r.p.m.Largo 2.050 mAncho 1.56 mAltura 2.3 mPeso 185 KgCapacidad de lavado 6.5 kg/hTiempo de lavado 1 min.Tiempo de descarga 1 min.Volumen de agua 0,03125m3/carga plstico

Potencia motor 7 HPEnerga 220 V trifsicaFrecuencia 60 Hz

Durante este lapso se verificar el trabajo de loselementos que constituyen el conjunto de carga ydescarga, el consumo de potencia del motor, lasr.p.m., etc. Mediante la utilizacin de un poten-cimetro y tacmetro. Los resultados se anotarnen un formato como el indicado en la en la Tabla4

b) Despus del funcionamiento inicial, la mquina tra-bajar con toda la carga (100%) de diseo, verifi-

cando as por completo los resultados obtenidos enel diseo. Se realizan tres pruebas, y los resultadosse anotarn en un formato como el indicado en la enla Tabla 4

Tabla 4. Formato para protocolo de pruebas

CARGA Potencia[W]

Vel. an-gular

[RPM]

Eficiencia delavado

[%]ABC

Durante la ejecucin de las pruebas se debe(http://www.builnet.es/maquinaria/bmtipos.as?epigrafe=6http://www.pci.com.ar/oport/prodint//prodint.htmhttp://www.plastics-

plasticos.com/moreland_machinery_co.htm):a) Comprobareltiempo de lavado. El intervalo de la-

vado se medir desde el momento mismo del ingre-so del plstico hasta su descarga. El instrumento uti-


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lizado en la medicin ser un cronmetro calibradonormalizado

b) Comprobar de la calidad del lavado del plstico.Debido al grado de limpieza exigido para su venta,no se pretende entregar plstico libre de grasas,qumicos u otras impurezas, se verificar que el

plstico salga libre de tierra, papel, caucho, dese-cho metlico u orgnico. La verificacin ser vi-sual

c) Comprobar la descarga.Se verificar que las com-puertas de descarga ubicadas en la parte inferior dela mquina roten y garanticen la evacuacin de to-do el material. La inspeccin ser visual.

6 Conclusiones.

La lavadora de plstico reciclado, es una mquina queofrecer las siguientes ventajas:

Un sistema de trabajo continuo, ya que, no se nece-sita parar la mquina ni para el ingreso ni para la

descarga del material. El lavado de la mquina es eficiente porque el cho-

rro de agua golpea directamente el objeto a lavar. Bajos costos, inclusive en la construccin del proto-

tipo, que corresponde a los 2/5 del valor de unidadessimilares en los mercados europeos, pues sus meca-nismos son bastante sencillos y es totalmente des-montable.

Una vida til de 2.48 x 106Ciclos. Mejorar el ambiente de trabajo de las personas que

laboran en esta actividad. Es una alternativa para los microempresarios de

nuestros pases Latinos, dedicados a la lnea del re-

ciclaje, debido a que incrementa la productividad. Cumple con los requerimientos y parmetros fun-

cionales de diseo. Una posibilidad para conservar nuestro hogar, el

planeta tierra, para las prximas generaciones.

7 Recomendaciones.

Apoyar a la construccin de esta mquina, puesconstituye parte de una solucin tcnica, social y

ecolgica. Realizar un tratamiento para el agua, de modo que,

permita reciclarla para posteriores lavados para unahorro en el consumo de agua.

8 Agradecimientos

A la Escuela Politcnica Nacional, por respaldar el de-sarrollo de este diseo, y en especial al Dr. Vctor ManuelCrdenas, Jefe del Departamento de Materiales y Procesosde Fabricacin, por sus acertadas opiniones y sugerencias.

Referencias

Crisanto P, (2000), Diseo de una lavadora de plstico reci-clado, Tesis de grado, Escuela Politcnica Nacional, Facul-tad de Ingeniera Mecnica, Quito.Fouhy K and Kim I, (1993), Plastics recycling diminishingreturns, Chemical Engineering.

Guamn-Cedillo, (1994), Diseo y construccin de unamquina lavadora de tubos de ensayo, Tesis de grado, Es-cuela Politcnica Nacional, Facultad de Ingeniera Mecni-ca, Quito.Hegberg BA and Gary RB, (1992), Mixed plastics recy-cling technology, Noyes Data Corporation, New Jersey.Myers JI and Farrisey WK, (1993), Energy recovery optionfor PIM polyurethanes. Designing for recyclability and re-use of automotive plastics, pp 37-40,Pareto L, (1976), Formulario de elementos de mquinas,Ediciones CEAC, Barcelona Espaa.Rennie C and MacLean A, (1989), Salvaging the future:Waste-Based Production, Washington, D.C.Shigley J and Meschke C, (1995), Diseo en Ingeniera

Mecnica. McGraw Hill. ColombiaWarner AJ, (1970), Solid waste management of plastics,Manufacturing Chemists, Washington, D. C.http://recicla.netfirms.com/principal.htmlhttp://www.recytrans.com/http://www.builnet.es/maquinaria/bmtipos.as?epigrafe=6http://www.pci.com.ar/oport/prodint//prodint.htmhttp://www.plastics-

plasticos.com/moreland_machinary_co.htm

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