“Diseño y construcción de un prototipo de máquina...

UNIVERSIDAD AUTUNIVERSIDAD AUTÓÓNOMA CHAPINGONOMA CHAPINGO

DivisiDivisióón de Ciencias Forestalesn de Ciencias Forestales

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TESIS PROFESIONALTESIS PROFESIONAL

QUE COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL TÍTULO DE

Ingeniero Forestal IndustrialIngeniero Forestal Industrial

Presenta:Luis Alberto Moreno López

Chapingo; Texcoco; Edo. De MéxicoDiciembre del 2003

Universidad Autónoma Chapingo División de Ciencias Forestales

Ingeniero Forestal Industrial Luis Alberto Moreno López

AGRADECIMIENTOS

A Dios por permitirme llegar hasta aquí.

A la Universidad Autónoma Chapingo, por brindarme la oportunidad y las facilidades

de estudiar una profesión, con la cual habré de forjar mi destino.

A la División de Ciencias Forestales por proporcionarme en tiempo y espacio las

herramientas necesarias para mi formación profesional.

A los profesores que realmente aportaron algo valioso en mi formación personal y

profesional durante mi estancia en la DiCiFo:

Ing. Carlos Francisco Romhan de la Vega,

Dr. Hugo Ramírez Maldonado,

M.C. Ángel Leyva Ovalle,

Biol. Juana Huerta Crespo,

Ing. Miguel Ángel Pérez Torres,

Ing. Gonzalo de Jesús Novelo González,

Dr. Leonardo Sánchez Rojas,

M.C. Mario Fuentes Salinas,

Dr. Fernando Pérez Pelayo,

Dr. David Zavala Zavala

Dr. José Honorato Salazar

Al Dr. Leonardo Sánchez Rojas por la Dirección del presente proyecto de tesis.

A los profesores de UPIICSA del área de ingeniería, en especial al ingeniero

Pompeyo Montiel Ramírez por su valiosa cooperación y asesoría en el diseño detallado y

construcción del prototipo.

Universidad Autónoma Chapingo División de Ciencias Forestales

Ingeniero Forestal Industrial Luis Alberto Moreno López

DEDICATORIA

A mis padres; Silvana y Luis, su apoyo, ejemplo, consejos y comprensión me han ayudado a cumplir la primer meta en mi vida.

A mi hermana Mariel; por su ánimo y deseo por aprender que me dio la oportunidad de comprender que hacer bien las cosas, hace que éstas, sean retomadas como ejemplo.

A la memoria de mi bisabuela Irene, a mi abuela Ignacia, a mi tío Salvador Moreno y a mi amigo Valentín; ustedes me vieron trabajar por alcanzar una meta y por azares del destino me observan conseguirlo desde una posición inmejorable.

A mi papá Jovito, y a mi mamá Juanita, por todo su apoyo y sus sabios consejos que siempre me han dado, gracias abuelos.

A mis tíos: Miguel y Olguita, Gloria, José María, Aurelia y José Luis, Silvia, Irma y Román, Catalina, Lupita, Toña y Rigo, Yolanda y Facundo, Armando, Jovita y Gildardo, Rebeca, Juana y Noé, Mireya, Olga; su ayuda y confianza me dio el valor moral para no claudicar en el camino.

A mis amigos: Oswaldo, Julio, Héctor, César, Marco Antonio y Alejandro, por la gran amistad que logramos a lo largo de más de siete años de convivencia en Chapingo.

A todos los que formamos parte del grupo 04 de la prepa en Chapingo (94-97) por los inolvidables momentos que compartimos a lo largo de tres grandiosos años.

A mis compadres y forestales de bosques: Toño, Ruper, Ordaz, Jaime y Marco, lo que no logremos hoy, quizá mañana lo conseguiremos, porque en esta etapa de nuestra vida nos corresponde sufrir las consecuencias de ser diferentes a los demás, pero el gusto de ser ingenieros sólo Dios nos lo puede quitar.

A las señoritas Batalla, Blanca y Yeli, por el apoyo moral brindado en la fase final del presente proyecto. Yeli TAMC.

Al DR, Leonardo Sánchez Rojas, M.C. Ángel Leyva Ovalle y Biol. Juana Huerta Crespo, por su amistad, por su comprensión y atención ante mis problemas, por la confianza que me brindaron y sus oportunos consejos durante mi estancia en la DiCiFo.

Gracias Doc, lo que de usted he aprendido, guiará mi desempeño profesional.

Índice

Briquetadora para Carbón Vegetal I

ÍNDICE

Resumen ........................................................................................................................ XI

Summary ........................................................................................................................ XII

1.- Introducción .............................................................................................................. 1

2.- Objetivos .................................................................................................................. 2

2.1.- Objetivo general ......................................................................................... 2

2.2.- Objetivos particulares ................................................................................ 2

3.- Revisión Bibliográfica ............................................................................................... 3

3.1.- Carbón vegetal .......................................................................................... 3

3.1.1.- Generalidades ................................................................................... 3

3.1.2.- Importancia ........................................................................................ 4

3.1.3.- Propiedades y características ........................................................... 4

3.1.4.- Sistemas de producción .................................................................... 7

3.1.5.- Normas y especificaciones de calidad .............................................. 16

3.1.6.- Tipos y usos ....................................................................................... 17

3.1.7.- Producción y comercialización .......................................................... 19

3.1.8.- Manejo, envase, transporte y almacenamiento ................................. 21

3.2.- Briquetas de carbón vegetal ...................................................................... 23

3.2.1.- Generalidades ................................................................................... 23

3.2.2.- Importancia ........................................................................................ 24

3.2.3.- Propiedades y características ........................................................... 24

3.2.4.- Aglutinantes y aditivos ....................................................................... 25

3.2.5.- Proceso de producción ...................................................................... 27

3.2.6.- Normas y especificaciones de calidad .............................................. 32

3.2.7.- Usos ................................................................................................... 33

3.2.8.- Producción y comercialización .......................................................... 34

3.2.9.- Manejo, envase, transporte y almacenamiento ................................. 35

3.2.10.- Ventajas sobre el carbón vegetal .................................................... 35

Índice

Briquetadora para Carbón Vegetal II

4.- Metodología ............................................................................................................. 38

4.1.- Análisis de las briquetadoras de carbón vegetal

disponibles en el mercado internacional .......................... 38

4.2.- Requerimientos del producto ..................................................................... 39

4.3.- Diseño conceptual ..................................................................................... 41

4.4.- Diseño detallado ........................................................................................ 43

4.5.- Construcción de un modelo industrial a escala real .................................. 44

4.6.- Construcción de la briquetadora ................................................................ 45

5.- Desarrollo y Resultados ........................................................................................... 46

5.1.- Análisis de las briquetadoras de carbón vegetal

disponibles en el mercado internacional .......................... 46

5.1.1.- Briquetadora de prensa cilíndrica rotativa .......................................... 46

5.1.2.- Briquetadora de prensa hidráulica ...................................................... 47

5.1.3.- Briquetadora de matriz de extrusado ................................................. 49

5.1.4.- Equipos para briquetado disponibles en el mercado internacional .... 50

5.2.- Requerimientos del producto ..................................................................... 54

5.2.1.- Desarrollo de una oportunidad derivada de una necesidad .............. 54

5.2.2.- Requerimientos del cliente ................................................................ 55

5.2.3.- Traducción de los requerimientos del cliente

a términos mensurables ................................................... 57

5.2.4.- Ponderación de los requerimientos del cliente .................................. 61

5.2.5.- Metas para el diseño ......................................................................... 66

5.3.- Diseño conceptual ..................................................................................... 68

5.3.1.- Comprensión del problema ............................................................... 68

5.3.2.- Definir opciones de cada alternativa (Árbol de funciones) ................ 70

5.3.3.- Exposición de alternativas ................................................................. 71

5.3.4.- Selección de la mejor alternativa ....................................................... 72

5.3.5.- Caracterización del concepto ............................................................ 77

Índice

Briquetadora para Carbón Vegetal III

5.4.- Diseño detallado ........................................................................................ 82

5.4.1.- Diseño de la matriz de briquetado ..................................................... 82

5.4.2.- Diseño del aro de contención de la mezcla ....................................... 103

5.4.3.- Diseño de las placas base, sistema de guías y chasis del prototipo .. 107

5.4.4.- Cálculo de esfuerzos del chasis ........................................................ 114

5.4.5.- Determinación de uniones del chasis ................................................ 118

5.4.6.- Selección de los materiales apropiados ............................................ 120

5.5.- Construcción de un modelo industrial a escala real .................................. 121

5.6.- Construcción de la briquetadora ................................................................ 125

6.- Conclusiones ............................................................................................................ 135

7.- Recomendaciones ................................................................................................... 137

8.- Bibliografía Citada .................................................................................................... 138

9.- Anexos ..................................................................................................................... 142

9.1.- Anexo 1: Cotizaciones de equipos para briquetado de carbón vegetal .... 142

9.2.- Anexo 2: Fabricantes, proveedores y/o distribuidores

de equipo para briquetado de carbón vegetal .................. 145

Índice de Cuadros

Briquetadora para Carbón Vegetal IV

ÍNDICE DE CUADROS

1.- Composición y rendimiento del carbón, según su temperatura de obtención ......... 5

2.- Temperatura de ignición respecto a temperatura de elaboración ............................ 7

3.- Clasificación de los hornos para producción de carbón vegetal

en función de la barrera de separación madera-medio

externo y según tipo de tecnología ..................................................................... 9

4.- Estándares de calidad del carbón vegetal para exportación ................................... 16

5. Balanza Comercial para carbón vegetal:

Valor acumulado de enero a julio de 2001 en dólares americanos .................... 20

6. Principales Países Importadores para carbón vegetal:


7. Principales Países Exportadores para carbón vegetal:


8. Composición química de las briquetas de carbón vegetal ....................................... 25

9. Estándares de calidad de las briquetas para exportación ......................................... 33

10. Estándares de calidad de las briquetas para la industria metalúrgica .................... 33

11. Balanza Comercial para briquetas de carbón vegetal:


12. Principales Países importadores de briquetas de carbón vegetal:


13. Principales Países exportadores de briquetas de carbón vegetal:


14.- Características y especificaciones de máquinas briquetadoras

para carbón vegetal, tipo matriz de extrusado .................................................... 50

Índice de Cuadros

Briquetadora para Carbón Vegetal V

15.- Productividad de los diferentes modelos de máquinas briquetadoras

para carbón vegetal, mostradas en el cuadro 14 ............................................... 51

16.- Matriz comparativa de los requerimientos deseables (RD) ................................... 66

17.- Ponderación de los parámetros generales de diseño ............................................ 75

18.- Evaluación comparativa entre conceptos –de 0 a 100- ......................................... 75

19.- Ponderación de los mejores conceptos ................................................................. 77

20.- Tiempo estimado para la producción de briquetado ............................................. 97

21.- Indicadores de productividad en el proceso de briquetado .................................... 98

22.- Corrientes óptimas de aplicación de la sueldadura 6013 (amperes) ..................... 119

Índice de Figuras

Briquetadora para Carbón Vegetal VI

ÍNDICE DE FIGURAS

1.- Horno de tierra en fosa ............................................................................................ 10

2.- Apilado de la leña tomando la forma de casquete esférico

en una parva u horno de tierra ........................................................................... 11

3.- Horno de tierra terminado con su capa de tierra como aislante ............................... 12

4.- Horno de tierra rectangular, con sistema híbrido entre

horno de fosa y parva de tierra .......................................................................... 12

5.- Horno de ladrillo tipo media naranja argentino ........................................................ 13

6.- Horno de colmena brasileño .................................................................................... 14

7.- Horno de colmena para colina ................................................................................. 14

8.- Horno metálico fijo empotrado en un paredón ......................................................... 15

9.- Horno metálico portátil tipo TPI ................................................................................ 15

10.- Horno metálico portátil tipo CEVAG ....................................................................... 15

11.- Calidad del carbón vegetal de acuerdo a la posición que tuvo en el horno ........... 16

12.- Almacenamiento de carbón vegetal a granel y en costales ................................... 21

13.- Empaque para carbón vegetal ............................................................................... 22

14.- Briquetas de carbón vegetal con forma de almohada ............................................ 25

15.- Recepción y preparación del carbón vegetal ......................................................... 27

16.- Trituración o molido del carbón vegetal ................................................................. 28

17.- Alimentación de carbón vegetal a la mezcladora ................................................... 29

18.- Mezclado del carbón vegetal con el aglutinante .................................................... 29

Índice de Figuras

Briquetadora para Carbón Vegetal VII

19.- Prensado y moldeado de la briqueta de carbón vegetal ........................................ 30

20.- Malla transportadora .............................................................................................. 31

21.- Proceso de producción de briquetas de carbón vegetal ........................................ 32

22.- Empacadora de briquetas ...................................................................................... 35

23.- Empacadora de briquetas ...................................................................................... 35

24.- Diferentes presentaciones del empaque de briquetas ........................................... 36

25.- Empaque de bolsas de briquetas en palets ........................................................... 36

26.- Empaque de bolsas de briquetas en palets ........................................................... 36

27.- Esquema de una briquetadora de prensa cilíndrica rotativa .................................. 46

28.- Esquema de una briquetadora de prensa hidráulica de moldes en bloque ........... 48

29.- Esquema de una briquetadora de matriz de extrusado ......................................... 49

30.- Briquetadora tipo matriz de extrusado, marca COMAFER .................................... 51

31.- Briquetadora para carbón vegetal de presa hidráulica (Grupo ACETEC) ............. 52

32.- Concepto de la “caja negra” ................................................................................... 69

33.- Aplicación del concepto de la “caja negra” ............................................................ 69

34.- Árbol de funciones de la máquina de briquetado ................................................... 71

35.- Arquitectura general del prototipo .......................................................................... 79

36.- Molde o matriz de briquetado –superior e inferior- ................................................ 80

37.- Diagrama de las partes principales del prototipo ................................................... 81

38.- Distribución de la presión aplicada para el prensado de la mezcla

con dos perfiles ........................................................................... 83

39.- Dimensiones del perfil con forma de circunferencia .............................................. 84

Índice de Figuras

Briquetadora para Carbón Vegetal VIII

40.- Perfil de los extremos de los moldes exteriores de la matriz de briquetado .......... 84

41.- Corte de sección de los moldes de briquetado ...................................................... 85

42.- Vista isométrica de los moldes de briquetado ........................................................ 85

43.- Vista lateral de los elementos de un molde individual ........................................... 86

44.- Vista superior de los elementos de un molde individual ........................................ 86

45.- Ilustración del Volumen y/o Peso Adicional a Comprimir –Vac y/o Pac- ............... 93

46.- Presión de briquetado requerida por briqueta ........................................................ 96

47.- Ilustración del volumen para el llenado y adicional a comprimir

en las matrices de briquetado ..................................................... 100

48.- Ilustración de la aplicación de la presión de briquetado

en las matrices de briquetado ..................................................... 103

49.- Representación de un costado del aro de contención de la mezcla ...................... 106

50.- Dimensiones del aro de contención en plano vertical ............................................ 107

51.- Vista superior del aro de contención y la matriz de briquetado inferior ................. 107

52.- Vista de un corte frontal de la placa base móvil ..................................................... 108

53.- Vista de un corte lateral de la placa base móvil ..................................................... 109

54.- Vista inferior de la placa base móvil, mostrando la disposición

de las cuatro guías laterales ....................................................... 109

55.- Vistas de sección de los elementos del sistema de guías laterales ...................... 110

56.- Vista de sección ilustrando una guía lateral completa ........................................... 110

57.- Vista superior mostrando el chasis y contorno de la placa base superior ............. 111

58.- Vista de un corte de sección lateral mostrando la placa base superior ................. 111

Índice de Figuras

Briquetadora para Carbón Vegetal IX

59.- Vista de un corte de sección frontal mostrando la placa base superior ................. 112

60.- Vista superior mostrando la placa base inferior ..................................................... 113

61.- Vista de un corte lateral mostrando la placa base inferior ..................................... 113

62.- Vista de un corte frontal mostrando la placa base inferior ..................................... 114

63.- Sistema de aplicación de fuerzas del prototipo ...................................................... 115

64.- Diagrama de Cuerpo Libre del sistema de aplicación de fuerzas del prototipo ..... 115

65.- Diagrama de Cuerpo Libre para momentos y fuerza cortante ............................... 117

66.- Diagramas de fuerza cortante y momento de flexión ............................................. 118

67.- Uniones con sueldadura ........................................................................................ 119

68.- Prueba de diferentes sistemas para las guías laterales ........................................ 122

69.- Vista frontal del modelo industrial 2 ....................................................................... 123

70.- Vista isométrica frontal del modelo industrial 2 ...................................................... 123

71.- Vista isométrica posterior del modelo industrial 2 .................................................. 124

72.- Diseño de fresa para rauter ................................................................................... 125

73.- Molde de fundición gris .......................................................................................... 126

74.- Corte de las placas base ........................................................................................ 127

75.- Dimensionado del canal para soporte superior e inferior ....................................... 127

76.- Dimensionado del redondo o barra para soportes entre el chasis ......................... 128

77.- Perforación del canal para la unión con el redondo ............................................... 128

78.- Ensamble del chasis .............................................................................................. 129

79.- Chasis ensamblado ................................................................................................ 129

Índice de Figuras

Briquetadora para Carbón Vegetal X

80.- Biselado de un soporte de guía lateral ................................................................... 130

81.- Corte del buje guía central ..................................................................................... 130

82.- Torneado del buje guía .......................................................................................... 131

83.- Placa base móvil con guías laterales y buje guía central ...................................... 131

84.- Molde móvil con aro de contención ........................................................................ 132

85.- Vistas del chasis del prototipo ................................................................................ 132

86.- Vistas del chasis con placa base móvil y gato hidráulico ....................................... 133

87.- Prototipo de máquina briquetadora para carbón vegetal en vista frontal ............... 133

88.- Prototipo de máquina briquetadora para carbón vegetal en vista lateral ............... 134

89.- Prototipo de máquina briquetadora para carbón vegetal

en vista isométrica frontal ........................................................... 134

Resumen Summary

XI

RESUMEN

En México, el problema básico del carbón vegetal, es la heterogeneidad en sus

características, por ser producido por métodos tradicionales. La industria forestal productora

de carbón afronta un creciente problema, económico y ecológico, provocado por el cisco de

carbón producido durante la manipulación del producto. El proceso de briquetado consiste en

prensar y secar la mezcla de dicho cisco y aglutinante, obteniendo un producto con

características físico-mecánicas más uniformes. La maquinaria disponible en el mercado

internacional para briquetar son: de prensa cilíndrica rotativa, de prensa hidráulica y de

matriz de extrusado. Los requerimientos de los productores mexicanos no se adaptan a

dichos equipos, por capacidad o precio. Por lo anterior, se realizó: un diseño conceptual,

obteniendo las características del concepto a partir de requerimientos obligados y deseables;

un diseño detallado, en el que se calculo el rendimiento, volumen y peso de cisco a

comprimir, tipos de uniones y materiales de moldes, chasis y cada una de las piezas del

prototipo; un modelo industrial a escala real en madera, para corregir detalles funcionales del

prototipo, y finalmente, se construyó el mismo, considerando especificaciones de diseño,

requerimientos como el costo de adquisición, mantenimiento y operación, capacidad de

producción, entre otros.

PALABRAS CLAVE Briqueta, proceso de briquetado, diseño detallado, diseño conceptual, modelo industrial, finos de carbón, cisco.

Resumen Summary

XII

SUMMARY

In Mexico, the basic problem of charcoal, we have it in the heterogeneity in its

characteristics, by being produced by traditional methods. The charcoal forest industry

confronts an increasing problem, economic and ecological, caused by the charcoal fine that

result forn the handing of the product. The briqueter process its consists of pressing and

curing the mixture of this fines and glue, obtaining a product with physical-mechanical

characteristics more uniforms. The machinery available in the international market to

briquetar is: the rotating cylindrical press, the hydraulic press and the extrude matrix. The

requirements of the Mexican producers do not adapt to these equipment, by capacity or price.

By the previous thing, it was made: a conceptual design, obtaining the characteristics of the

concept from forced and desirable requirements; a detailed design, in which its calculate the

yield, volume and weight of fine of charcoal to compress, types of unions and materials of

molds, a chassis and each one of the pieces of the prototype; an industrial model on

accommodation ladder in wood, to correct functional details of the prototype, and finally; was

constructed the same one iron made of, considering specifications of design, requirements

like the acquisition cost, operation and maintenance, production capacity, among others.

KEYWORDS

Briquet, briqueter process, conceptual design, detailed design, industrial model,

charcoal fine.

Introducción

Briquetadora para Carbón Vegetal 1

1.- INTRODUCCIÓN

El problema básico de la demanda del carbón vegetal mexicano, en los mercados

nacionales e internacionales, es la gran variabilidad y heterogeneidad en las características

del producto que se vende, debido a que se produce con métodos tradicionales, en donde es

muy difícil el control de los factores que definen la calidad del producto (Sánchez, 1995). A

diferencia de la producción de carbón vegetal, en la fabricación de briquetas de carbón es

más sencillo tener un adecuado control en la calidad del proceso y por consiguiente en la

calidad del producto.

El briquetado se propone como una solución ante propiedades desfavorables del

carbón, tales como: baja densidad del carbón por alta densidad de una briqueta; poca o nula

uniformidad en la granulometría por un tamaño estándar de las briquetas; restricciones en

uso para determinados casos; y generación de cisco durante el proceso de producción,

manejo, envasado y transporte, de hasta un 25%. (Prudente, 1989). Referente a la

generación de cisco o finos; Sánchez (1999), menciona que durante el manejo y transporte

del producto se genera más del 10% del volumen de carbón vegetal.

La oportunidad de recuperar dichos finos de carbón vegetal, se presenta en la

elaboración de briquetas (piezas de carbón aglutinado y comprimido), sólo que el equipo

para briquetarlo es de importación, con capacidades que quedan fuera de la posibilidad de

uso en México por el tamaño de las empresas productoras y/o distribuidoras de carbón

vegetal en el País. (Sánchez, 1999).

Considerando lo anterior, la importancia de adaptar y desarrollar tecnología

apropiada para la producción de briquetas de carbón vegetal en México, se basa en la oferta

actual de tecnología para dicha actividad, cuya capacidad de producción es por lo menos 10

veces superior a la potencialmente demandada por productores mexicanos, situados en un

rango que va de menos de 200 a 500 ton/año de carbón vegetal (de menos de 20 a 50 ton

de briquetas / año) y más de 1,000 ton, de carbón vegetal para algunas organizaciones o

distribuidores. (Sánchez, 1999).

Con base en lo anterior, en el presente estudio se diseñó y construyó un prototipo

de una máquina briqueteadora para carbón vegetal, con capacidad, costo de adquisición y

operación adecuada, para medianos y pequeños productores de carbón vegetal en México,

los cuales son mayoría en el País.

Objetivos


2.- OBJETIVOS

2.1.- Objetivo General

Desarrollo y construcción de un prototipo de máquina briqueteadora para carbón

vegetal, apropiada para pequeños y medianos productores.

2.2.- Objetivos Particulares

Reducir el riesgo de contaminación por cisco.

Reducir el desperdicio de carbón, incorporando al volumen de producción el cisco y

el carbón que no cumple con los requisitos de tamaño, transformándolos en

briquetas.

Diseñar y construir un prototipo que satisfaga las necesidades de pequeños y

medianos productores de carbón vegetal, a un costo mínimo de adquisición y

operación.

Revisión Bibliográfica Carbón Vegetal


3.- REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

3.1.- Carbón vegetal

3.1.1.- Generalidades

El carbón vegetal listo para su empleo por parte del consumidor implica una cierta

secuencia de pasos en una cadena de producción; cada etapa es importante y se debe

completar el conjunto en perfecto orden. Dichas etapas inciden en forma variable sobre los

costos de producción. La observación de estas diferencias permite evaluar la importancia de

cada paso o unidad de proceso. (FAO, 1983).

La carbonización (pirólisis), es el tratamiento químico más antiguo de la madera,

que permite obtener un combustible que no produce humo ni llama y que genera un calor

más intenso que la propia madera. (Juvillar, 1980, citado por Patiño y Pezet, 1989).

El carbón vegetal es un residuo sólido que se obtiene al destilar la madera, en

condiciones controladas, en un espacio cerrado, como puede ser un horno para producción

de carbón. El control se hace sobre la entrada del aire, durante el proceso de pirólisis o de

carbonización, para que la madera no se queme simplemente hasta convertirse en cenizas,

como sucede con el fuego convencional, sino que se descomponga químicamente para

formar el carbón vegetal. (FAO, 1983).

El carbón vegetal es un residuo sólido que queda después del proceso de

carbonización o pirólisis de la madera en condiciones de ausencia de aire, para evitar la

combustión y propiciar su descomposición química para formar el carbón vegetal. (Patiño y

Pezet, 1989).

El rendimiento del carbón muestra cierta variación con respecto al tipo de madera y

al sistema de producción empleado. Una madera densa tiende a dar un carbón denso y

fuerte, lo que también es deseable. Sin embargo, madera muy densa produce a veces

carbón friable, puesto que la madera tiende a desmenuzarse durante la carbonización. La

friabilidad1 del carbón aumenta con el incremento en la temperatura de carbonización y el

contenido de carbono fijo aumenta mientras que el contenido de volátiles decrece. Una

temperatura de 400 a 500°C ofrece un equilibrio óptimo entre friabilidad y un aceptable

contenido de carbono fijo. (FAO, 1983; Sánchez, 1997b).

1 Friabilidad: propiedad física de algunos materiales, referida a la facilidad para fragmentarse o desmenuzarse.



3.1.2.- Importancia

La dendroenergía es la energía obtenida de los combustibles derivados de la

madera (leña, carbón vegetal, licor negro y otros) y/o biomasas leñosa proveniente de

montes, terrenos boscosos y árboles. Los combustibles derivados de la madera

proporcionaron en 1995 el 7% de la energía consumida en el mundo y el 15% de la energía

primaria utilizada en los países en vías de desarrollo. (FAO2, 2001).

La madera para energía -esto es, la leña y el carbón utilizados para producir calor y

luz mediante su combustión- es la fuente de energía utilizada para cocinar, calentar agua, y

obtener calefacción e iluminación por 21.1 millones de pobladores rurales y 4.5 millones de

habitantes urbanos. Este total de 25.6 millones de usuarios representaban, en 1990, el

31.6% de la población mexicana.(FAO3, 2000).

El uso más difundido del carbón vegetal en México es en las actividades domésticas

para la cocción de alimentos y, con el mismo fin, le sigue el ramo hotelero y restaurantes, así

como en la recreación en zonas turísticas de gran parte de los estados de la República

Mexicana, tales como: Baja California Sur, Chiapas, Guerrero, Jalisco, Oaxaca, Quintana

Roo, Veracruz, Sinaloa, Sonora, Yucatán y Zacatecas, entre otros. (Sánchez, 1996).

Con la organización de algunos productores de carbón vegetal en ciertas regiones

de México, desde principios de los 80´s se ha exportado este producto a varios países,

permitiendo la consecuente entrada de divisas. (Sánchez, 1996).

A nivel mundial se tienen los antecedentes de países en los que la leña y el carbón

vegetal han conseguido sustituir algunos derivados del petróleo en grandes industrias como

la siderúrgica en Brasil, las papeleras en Chile y diversas industrias en Uruguay. La

integración de la leña y el carbón vegetal en la planificación energética, ha tenido un impacto

favorable en los países mencionados. (FAO, 1987).

3.1.3.- Propiedades y características

El carbón vegetal presenta ventajas representativas respecto al carbón mineral,

derivados del petróleo y otros productos similares, en lo referente a usos específicos. Las

ventajas dependen de algunas propiedades que posibilitan su continua aceptación en la

industria. Dichas propiedades son descritas en el presente apartado.

2 FAO, Montes. 25 / Junio / 2001. División de productos forestales. Viale delle Terme di Caracalla. 00100 Rome, Italy. http://www.fao.org/ 3 FAO Montes: 13 / Noviembre / 2000. Dendroenergía. 00100 Rome, Italy. http://www.fao.org/



De acuerdo con Romahn (1992), la pureza del carbón obtenido en una destilación

seca normal de madera, es fácilmente superada a medida que se incrementa la temperatura

a la cual se obtiene el mismo. La composición y rendimiento del carbón varían de acuerdo a

las temperaturas de obtención (cuadro 1).

Cuadro 1. Composición y rendimiento del carbón, según su temperatura de obtención.

Composición Temperaturas de obtención

(°C) C (%) H (%) O (%)

Rendimiento (%)

del peso seco

200 52.3 6.3 41.4 91.8 250 70.6 5.2 24.2 65.2 300 73.2 4.9 21.9 51.4 400 83.2 3.8 13.5 37.8 500 89.6 3.1 6.7 33.0 600 92.6 2.6 5.2 31.0 700 93.7 2.4 4.8 28.7 800 95.8 1.0 3.3 26.7 900 96.1 0.7 3.2 26.6

1000 96.6 0.5 2.9 26.5

Fuente: Lama, M. de la (citado por Romahn, 1992)

Las características del carbón de uso doméstico deben ser las siguientes: color

negro, ligero y con superficies de ruptura brillantes; deberá contener cuando menos 80% de

carbono fijo. La calidad del carbón varía con la temperatura final de obtención y con el tipo

de la madera, las maderas duras requieren temperaturas mucho más elevadas y por un

mayor tiempo que las maderas blandas, debiéndose esto, a la mayor resistencia de la lignina

a la descomposición. (Romahn, 1992; Furuya, 1996).

Contenido de humedad: El carbón “fresco”, apenas abierto el horno, contiene muy

poca humedad, generalmente menos del 1%. La absorción de humedad del aire mismo es

rápida, y alcanza hasta un 10% sin estar en contacto con agua en estado líquido. La

humedad es un adulterante que baja el valor calorífico del carbón vegetal. (FAO, 1983).

Compuestos volátiles: Comprenden a todos aquellos residuos líquidos y

alquitranosos que no fueron eliminados completamente durante el proceso de carbonización.

La carbonización debe ser prolongada y con temperaturas superiores a 350°C, a fin de que

el contenido de volátiles resulte bajo. El carbón vegetal con un alto contenido de volátiles se

enciende muy fácilmente, pero al quemarlo se produce un humo espeso y abundante. El

carbón de pocos volátiles presenta dificultades para su ignición, pero su combustión es muy



limpia. Un buen carbón vegetal para uso doméstico puede tener un contenido de volátiles

(libre de humedad) de cerca del 30%. El carbón con alto contenido de volátiles es más

resistente durante el manejo y transporte del mismo. Asimismo, con un elevado contenido de

volátiles el carbón tiende a incrementar su higroscopicidad. (FAO, 1983; Furuya,1996).

Contenido de cenizas: De acuerdo con FAO (1983), las cenizas son sustancias

minerales, como la arcilla, sílice y óxidos de calcio y magnesio, entre otros elementos afines

presentes en la madera, y otros agregados por contaminación en el suelo, durante el

proceso de carbonización. Para Romahn (1992), el contenido de cenizas en el carbón

vegetal varía desde 0.5% a más de 5%, dependiendo de la especie de madera, la cantidad

de corteza incluida con la madera en el horno y la cantidad de elementos extraños como

tierra y arena. Un buen carbón vegetal tiene un contenido de cenizas de alrededor del 3%.

Contenido de carbono fijo: El contenido de carbono fijo en el carbón vegetal varía

desde un mínimo del 50% hasta uno elevado del 95%, en cuyo caso el carbón vegetal

consiste principalmente en carbono. El contenido de carbono fijo, normalmente, se estima

como una “diferencia”, o sea, todos los otros componentes se deducen de 100 y se supone

que lo que resta es el porcentaje de carbono fijo. (FAO, 1983).

De acuerdo con Romahn (1992), la densidad del carbón es directamente

proporcional a la densidad en seco de la madera y en menor grado, también directamente

proporcional, a la temperatura alcanzada en la carbonización. El carbón producido en

parvas4, con un 6 a 8% de humedad, presenta una densidad que varían de 140 a 240 kg/m3.

Las conductividades calorífica y eléctrica, varían en el mismo sentido que la

densidad. Son muy débiles en carbón obtenido a temperaturas de alrededor de los 150 °C y

muy altas en carbón obtenido a temperaturas cercanas a los 1500°C. (Romahn, 1992).

El carbón que está en contacto con el medio ambiente absorbe vapor de agua en

relación inversa a su temperatura de preparación, siendo mayor su poder absorbente,

cuando menor ha sido la temperatura final de su elaboración. Por otra parte, el carbón

absorbe otros gases distintos del vapor de agua. Para dichos gases, el poder de absorbencia

es directamente proporcional a su temperatura final de carbonización; a mayor temperatura

4 La típica parva para la quema de carbón vegetal, es un arreglo de madera cubierto por tierra, de forma aproximada a un hemisferio aplastado. En la base, se hacen alrededor de seis a diez tomas de aire, y una apertura arriba, de alrededor de 20 cm de diámetro, permite la salida del humo durante la combustión. (FAO, 1983).



mayor poder de absorbencia. Dado que el carbón vegetal es una materia relativamente

inerte, pero que absorbe oxígeno con rapidez pocas horas después de haber concluido el

proceso de carbonización. Se asemeja como un compuesto no saturado, que fija el oxígeno

al dar como producto intermedio un peróxido, capaz de oxidar los cuerpos en su presencia y

que puede ser utilizado como catalizador de oxidación. (Romahn, 1992).

La inflamación del carbón se produce a una temperatura que varía según a la que

fue elaborado. A mayor temperatura de elaboración, mayor temperatura de ignición. El

cuadro 2 presenta una relación entre la temperatura de elaboración y la temperatura de

ignición del carbón vegetal. (Romahn, 1992).

Cuadro 2. Temperatura de ignición respecto a temperatura de elaboración.

Temperatura de elaboración Temperatura de ignición 260°C – 280°C 340°C – 350°C 290°C – 350°C 360°C – 370°C

400°C 400°C 1 000°C – 1 500°C 600°C – 800°C

Fuente: Romahn, 1992

Según Romahn (1992), el poder calorífico del carbón producido en parvas, con 6 a

7% de humedad, es de más de siete mil calorías por gramo, un poco inferior al de la hulla

que es de poco más de ocho mil calorías y muy superior al de la leña con 3,500.

3.1.4.- Sistemas de producción

La obtención de carbón, por combustión incompleta de la madera, se remonta a los

inicios de la civilización humana; quizá al día en que el hombre utilizó el fuego para sus usos

domésticos. La preparación industrial del carbón es tan antigua como el uso de los metales,

para cuya fabricación era indispensable. (Romahn, 1992).

La producción de carbón puede dividirse en varias fases, que son: (FAO, 1983)

Cultivo de la leña.

Cosecha de la madera.

Secado y preparación de la madera para la carbonización.

Carbonización de la madera para obtener el carbón vegetal.

Tamizado, almacenado y transporte a depósitos o centros de distribución.



Los costos de producción pueden ser analizados, empleando los siguientes “costos

unitarios”, que permiten observar los beneficios de los diferentes sistemas: (FAO, 1983)

Leña libre a bordo (LAB) en planta.

Mano de obra para la carbonización, incluyendo carga y descarga.

Transporte del carbón vegetal al mercado de consumo.

Capital de trabajo (incluye mano de obra para la carbonización, carga y descarga).

Inversión de las instalaciones (hornos) para la producción del carbón.

La fase de carbonización determina el rendimiento en la fabricación de carbón

vegetal, por ello, su ejecución repercute en toda la cadena de producción. La carbonización

de la madera en un horno se realiza en varios pasos: el primero consiste en secar la madera,

o fase de deshidratación, incrementando la temperatura de la madera dentro del horno hasta

unos 280°C, el calentamiento se logra con la combustión de parte de la carga de madera,

por lo que a esta parte del proceso se le conoce como reacción endotérmica. En el siguiente

paso la madera comienza espontáneamente a fraccionarse, produciendo carbón, vapor de

agua, metanol, ácido acético y compuestos químicos más complejos, básicamente en la

forma de alquitranes y gases no condensables, los cuales se componen de hidrógeno,

monóxido y bióxido de carbono. El oxígeno del aire se consume con la combustión de parte

de la madera. La madera con una temperatura superior a los 280°C, libera energía; a dicha

reacción se le conoce como exotérmica. (FAO 1983; Earl, 1975).

De acuerdo con FAO (1983), el proceso de carbonización concluye por si solo, si ya

no se introdujo más aire (oxígeno) en la cámara de carbonización del horno. Por su parte

Furuya (1996), recomienda la aplicación de una refinación con temperaturas cercanas a los

700°C antes de concluir el proceso de carbonización, a fin de proporcionar dureza, mejor

densidad y pocos volátiles al carbón. Respecto a lo anterior Sánchez (1997b), menciona que

debido a que la temperatura de carbonización varía de un sistema o método de producción

de carbón vegetal a otro, también existe un rendimiento variable de carbón vegetal en

función de la temperatura de carbonización, debido al cambio en el contenido de volátiles.

Existen muchas variantes de los métodos de producción de carbón vegetal que

corresponden a diversos modelos de hornos, cuyas características se pueden diferenciar en

dos tipos esenciales: (Patiño y Pezet, 1989).

Hornos rústicos: son aquellos que utilizan la tierra como escudo para aislar el calor y disminuir el intercambio de oxígeno (aire) durante el proceso. En este tipo de horno sólo existe un cierto control sobre la carbonización en algunos casos en que se adicionan chimeneas. (Patiño y Pezet, 1989).



Hornos construidos de material: Los que utilizan materiales de construcción (ladrillos, adobes, piedras, láminas metálicas, entre otros) para aislar la madera del exterior y propiciar la pirólisis o carbonización. Por lo general, en este tipo de horno, se tiene control relativo del proceso de carbonización, pudiendo conducirla mediante la manipulación de la entrada de aire al proceso. (Patiño y Pezet, 1989).

Otra clasificación es la realizada por Marcos (1989), en la cual se considera la

barrera física que evita la combustión acelerada de la madera. La barrera física puede ser

tierra, ladrillos, cemento armado y metal. Esta clasificación también separa a los hornos

empleados en la producción de carbón vegetal según el tipo de tecnología que utilicen. La

clasificación considera tecnología de tipo artesanal, semi-industrial e industrial. Las

tecnologías artesanales son las más sencillas y de baja producción, además de que la

barrera física que separa a la madera del ambiente es muy económica. Por otra parte, las

tecnologías más sofisticadas corresponden a procesos continuos. Las tecnologías continuas

son de alta producción y con sistemas de control más o menos sofisticados. Las tecnologías

semi-industriales se refieren a un proceso discontinuo, y generalmente con tiempos de ciclo

más breves que en los artesanales. Esta clasificación es la que se muestra en el cuadro 3.

Cuadro 3. Clasificación de los hornos para producción de carbón vegetal en función de la barrera de separación madera-medio externo y según tipo de tecnología.

Barrera de separación Madera-medio externo

Tipo de tecnología Tipo de horno

Tierra

Artesanal

Fosa de tierra Parva tradicional Parva sueca con chimenea Horno Casamance

Ladrillo

Semi – industrial

Horno de colmena brasileño Horno media naranja argentino Horno de colina

Cemento armado Semi – industrial Horno Missouri Ladrillo-acero Semi – industrial Horno Schwartz

Semi – industrial

Horno metálico español Horno TPI Horno Carbofrance Horno Bataillon Horno Magnein

Acero

Industrial

Horno Lambiotte Horno Pillard Horno Process Plant Horno Coppe Horno Lurgi

Fuente: Marcos, 1989



Barretero y Compeán (2001) mencionan que para producir carbón vegetal que

demanda el mercado, son necesarios hornos que almacenan altas temperaturas que logren

extraer la mayor parte de los líquidos contenidos en la leña al ser sometida al proceso de

carbonización. Los hornos de mampostería y metálicos son los que en la actualidad están

dando buenos resultados en la producción de carbón vegetal con menos impurezas y con un

porcentaje de carbono fijo más alto.

La producción de carbón vegetal en México se realiza con diferentes sistemas, los

cuales pueden distinguirse desde los métodos más rústicos por medio de hornos de tierra

(parvas y fosas, referenciados como artesanales en el cuadro 3), pasando por los métodos

con hornos fijos de ladrillo rojo (media naranja argentino, colmena para colina y colmena

brasileño), hasta los más recientes métodos empleando hornos metálicos, ya sea semifijos o

portátiles. (Sánchez y Fajardo, 1989; Sánchez, 2000).

Los sistemas de producción de carbón vegetal en México son los siguientes:

1).- Hornos de tierra en fosas

Los hornos de fosa u hornos subterráneos son excavaciones que se hacen en el

suelo (figura 1). La tierra y lámina metálica se utilizan como aislante del oxígeno y contra la

pérdida excesiva de calor durante la carbonización. Este sistema es el más antiguo para

carbonizar. Aún en la actualidad se mantiene en uso por su bajo costo. Dónde sea que los

árboles crecen hay tierra, por ello se ha mantenido el uso de este material, de adquisición

económica e incombustible para la fabricación de carbón. (FAO, 1983, Sánchez 1997b).

Figura 1.- Horno de tierra en fosa (izquierda: apertura de la fosa; derecha: hornos en proceso de carbonización). Fuente: Sánchez 1997b



Este sistema presenta una gran variedad en la calidad del carbón debido a que la

carbonización en una fosa comienza en un extremo y concluye en el otro. Lo anterior se

debe a que el carbón del extremo en que inicia la quema, habiendo sido calentado por más

tiempo, tiene mucho menos sustancias volátiles que el carbón del otro extremo. La quema

excesiva en un extremo es inevitable para poder quemar la carga completa. Las fugas de

aire aceleran la carbonización y reducen el rendimiento. (FAO, 1983; Sánchez, 1997b).

2).- Hornos de tierra típicos o parvas

La alternativa a excavar una fosa es la de apilar la madera sobre el suelo y cubrir la

parva con tierra (figura 2). Este también es un método muy antiguo y su empleo está muy

difundido. La parva se establece cerca de la materia prima, sobre un suelo seco, permeable

y preferentemente rocoso, de topografía mas o menos plana y resguardada contra el viento.

(FAO, 1983; Romahn, 1992; Sánchez, 1997b).

Figura 2.- Apilado de la leña tomando la forma de casquete esférico en una parva u horno de tierra Fuente: Sánchez 1997b

Una vez que se ha terminado la parva se cubre con una capa de hojarasca, zacate,

musgo u otro material disponible, de un espesor tal que soporte una capa de tierra de unos

10 a 15 cm (figura 3) (Romahn, 1992; Sánchez, 1997b).

En algunas regiones del País, se llegan a usar sistemas híbridos que contienen

elementos de las parvas de tierra y de las fosas. Se coloca un arreglo de maderos, dando la

forma de rectángulo, que se apoya en una pared formada con varas o tablas, retenidas con

estacas. Se cubre la pila con hojarasca y con tierra, como en el sistema de parva (figura 4).



Figura 3.- Horno de tierra terminado con su capa de tierra como aislante. Fuente: Sánchez 1997b

Figura 4.- Horno de tierra rectangular, con sistema híbrido entre horno de fosa y parva de tierra. Fuente: Foto Archivo personal: G.T.F. Luis Moreno Arroyo –1992-

3).- Hornos de ladrillo

Los hornos de ladrillo más utilizados en México son: media naranja argentino,

colmena para colina y colmena brasileño. Estos hornos construidos y operados

correctamente, representan uno de los métodos más efectivos para la producción de carbón

vegetal. En el curso de varias décadas de uso, estos hornos han demostrado ser una

inversión de capital moderada, requerir poca mano de obra y poder dar rendimientos

sorprendentemente buenos de carbón vegetal de calidad apta para todos sus usos

industriales y domésticos. (FAO, 1983; Sánchez, 1997b).

Se debe poder, en cualquier momento, controlar la entrada del aire en el horno, y

durante la fase del enfriamiento, sellar el horno rápida y herméticamente para impedir el

ingreso del aire. El horno debe permitir un enfriamiento fácil y, asegurar un buen aislamiento



térmico a la madera sometida a la carbonización, puesto que, de lo contrario, se producirían

puntos fríos por el golpe del viento sobre la pared del horno, que impide la combustión

correcta del carbón y que puede llevar a una producción excesiva de trozos de madera

parcialmente carbonizada (“tizones”) y bajos rendimientos. La capacidad del horno de ladrillo

de conservar el calor de carbonización, es una razón importante por su gran eficiencia en la

conversión de madera en carbón vegetal. (FAO,1983).

El horno media naranja argentino tiene dos puertas diametralmente opuestas una de

la otra (figura 5). La línea de las puertas debe ser perpendicular a la dirección de los vientos

dominantes. La altura de cada puerta es de 1.6 a 1.7 m, siendo al ancho de la base de 1.1 m

y 0.7 m en la parte superior. Se usa una puerta para cargar el horno con leña, mientras la

otra se usa para la descarga del carbón vegetal. Las puertas del horno se cierran con

ladrillos, que se levantan después de completar la carga y ambas se abren cuando ha

terminado la carbonización. (FAO, 1983).

Figura 5.- Horno de ladrillo tipo media naranja argentino. Fuente: Foto Archivo personal: Ing. David Luna –2000-

El horno colmena brasileño funciona ampliamente y con éxito en los lugares en que

se operan adecuadamente. Es un horno fijo, de calefacción interna, de forma circular, con un

techo en cúpula o domo, y construidos con ladrillos comunes (figura 6). El proceso de

carbonización avanza, de arriba hacia abajo y también horizontalmente, lo que se obtiene

controlando la corriente de aire que entra por las bocas de aire, tapando y destapando las

tomas de aire de la pared del horno. (FAO, 1983).

El horno colmena para colina es una variación del horno colmena brasileño. Se

construye sobre una pendiente o colina, que forma sus paredes laterales y trasera (figura 7).



Requiere una cantidad considerablemente menor de ladrillos. Su funcionamiento es más fácil

que el de los hornos de ladrillo colmena, ya que para control sólo se tienen tomas de aire en

el domo y las chimeneas. (FAO, 1983).

Figura 6.- Horno de colmena brasileño. Fuente: Foto Archivo personal: Ing. Juan Carlos Echevarría –2000-

Figura 7- Horno de colmena para colina. Fuente: FAO 1983

4).- Hornos metálicos

Los hornos metálicos pueden ser fijos o estacionarios y transportables o portátiles.

En el caso de los hornos fijos, el proceso de producción de carbón vegetal es muy

semejante al de los hornos de ladrillo. Este tipo de horno consiste básicamente de un techo

de dos aguas, chimeneas, parte de muro para empotramiento con el paredón o colina, dos

puertas superiores pequeñas, frontal y trasera, además de una puerta frontal para carga y

descarga del horno (figura 8). (Sánchez, 1997b).



El horno metálico portátil (TPI) fue desarrollado por el Tropical Products Institute

(TPI), conformado por una comunidad científica de la Overseas Development Administration.

Dicho horno consiste de dos secciones cilíndricas que encajan y de una tapa cónica (figura

9). La tapa viene provista con cuatro tomas de aire para la salida de vapor, regularmente

distanciadas entre sí, que pueden ser cerradas, si es requerido se emplean tapones. El

horno se apoya sobre ocho conductos de entrada/salida de aire, dispuestos radialmente

alrededor de la base. Durante la combustión, cuatro chimeneas para el humo se encajan

sobre conductos alternados de aire. (FAO, 1983).

Figura 8.- Horno metálico fijo empotrado en un paredón (izquierda: vista posterior; derecha: vista frontal). Fuente: Foto Archivo personal: Ing. David Luna –2000-

Los hornos metálicos portátiles requieren moderada inversión inicial y no presentan

desventajas en su construcción y operación. El Instituto Nacional de Investigaciones

Forestales y Agropecuarias (INIFAP) diseñó y adecuó un horno metálico que puede ser

fabricado en talleres con máquinas elementales, dando como resultado el horno metálico tipo

“CEVAG” (figura 9). (Barretero y Compeán, 2001).

Figura 9.- Horno metálico portátil tipo TPI Figura 10.- Horno metálico portátil tipo CEVAG Fuente: FAO 1983 Fuente: Barretero y Compean 2001



3.1.5.- Normas y especificaciones de calidad

Para el consumo nacional, la calidad del carbón vegetal sólo se considera bajo

ciertas características macroscópicas, tales como: peso, tipo de madera de que se obtiene,

contenido de humedad, dureza (que no se desquebraje fácilmente), brillo, emisión nula o

mínima de humos, tamaño y poder calorífico (tiempo que dure ardiendo). (Sánchez, 1997b).

La calidad del carbón vegetal se define desde la posición que el leño guarda en el

horno, ya que en el mismo madero no se produce carbón de la misma calidad (figura 11). El

primer tercio del madero, tomando como referencia el piso o suelo, es el de más baja

calidad, siguiendo la parte media, hasta llegar al tercio de mejor calidad, que es el más

alejado del suelo. (Furuya, 1996).

Figura 11. Calidad del carbón vegetal de acuerdo a la posición que tuvo en el horno. Fuente: Furuya 1996

Para el caso del carbón vegetal de exportación, existen estándares y normas que

regulan su calidad, en función del destino: Asia, Europa o América del Norte. En cada región

los parámetros de calidad son diferentes (véase cuadro 4). (Sánchez, 1997b).

Cuadro 4. Estándares de calidad del carbón vegetal para exportación.

Composición Europa Asia (Japón) E.U.A. Humedad (%) 7 – 8 7.5

máximo 8

máximo Cenizas (%) 5 – 6 4

máximo 3 – 4

Volátiles (%) 10 – 16 12 máximo

8 – 16

Carbono fijo (%) 75 – 82 76 mínimo

78 – 82

Fuente: Sánchez, 1996



3.1.6.- Tipos y usos

Existen hallazgos prehistóricos que datan de hace 6,000 años, en los que se

encontraron puntas de flechas que sólo pudieron haber sido unidas al cuerpo de la misma

con el empleo de alquitrán vegetal; un material que se obtiene a través de la carbonización

de la madera. Importantes investigaciones han demostrado que en Europa la fabricación de

carbón vegetal se empleó en la separación de hierro y otros metales alrededor del año 1,100

DC. (Walter, 1985)

Brito y Barrichelo (1981, citados por Patiño, 1989) y Sánchez (1997c), mencionan

que el carbón vegetal se clasifica por sus características y usos, teniendo así: el carbón

activado, el de uso doméstico y el industrial, éste último, con aplicaciones específicas en la

metalurgia, la alquimia y para gasógeno, entre otros usos.

Los usos varían dependiendo del tipo de carbón vegetal de que se trate y las áreas

en que se aplica, clasificándose como sigue: (Brito y Barrichelo, 1981, citados por Patiño,

1989; FAO, 1983; Forest Products Laboratory, 1961; Furuya, 1996; Romahn, 1992;

Sánchez, 1997c; Secretaria de Agricultura y Recursos Hidráulicos –SARH-, 1978).

Uso doméstico:

Usos culinarios.

Usos recreativos

Calefacción doméstica.

Usos metalúrgicos:

Por sus propiedades reductores, para la separación de metales como el cobre y el hierro, así como en la fabricación de acero.

Reparación de altos hornos.

Refinación de mezclas de minerales de hierro.

Producción de silicio cristalino y sílice/cromo.

Producción de metales no ferrosos.

Usos industriales:

Como combustible interno en la fabricación de cal y cemento.

Fabricación de pigmentos para tintas de imprenta y pinturas.

Fabricación de cerámicas.

Endurecimiento de ladrillos.



Producción de textiles.

Fundición de metales para la joyería

Producción de gas.

Fabricación de plástico.

Usos en la industria química:

Fabricación de cianuros, carburos y sulfuros.

Fabricación de gas de agua.

Recuperación de gases y vapores.

Producción de grafito.

Usos como carbón activado:

Para los equipos de aire acondicionado

Máscaras antigases.

Filtros contra diversos agentes.

Refinación de azúcar.

Eliminación de malos olores.

Decoloración de productos alimenticios.

Como producto medicinal.

Como desinfectante.

Como purificador de solventes.

En la agricultura:

Como combustible en el secado directo de lúpulo y tabaco.

Acondicionamiento de suelo.

Control de humedad en bodegas.

Purificación de agua.

Conservación en estado fresco de verduras y flores.

Incrementar la temperatura del suelo.

Control plagas.

Otros usos:

En la pirotecnia.

En la producción de caucho.

Producción de herrajes, herramientas y cuchillería.

Derretir nieve.



3.1.7.- Producción y comercialización

En México se producen anualmente más de 100,000 toneladas de carbón vegetal,

de las cuales más del 30% se estandariza en un rango de tamaño para ser envasado en

bolsas de 2.5 a 3.0 kg., produciendo considerables volúmenes de finos (más del 10%) que

se desechan como desperdicio con el problema que esto implica. (Sánchez, 1999).

El carbón vegetal Mexicano en general no reúne las especificaciones de porciento

de volátiles y de carbono fijo que exige el mercado de exportación, sin embargo se está

exportando con los problemas de especulación de precios. (Sánchez, 2000).

Prácticamente en todos los estados de la Republica Mexicana se produce carbón

vegetal, sin embargo, sólo se controla y registra menos de la mitad de la producción real; los

índices de producción per cápita estimada, son 2.7 Kg. para la Región Norte, 0.65 Kg. para

la Región Centro y 1.6 Kg. para la Región Sur. (Sánchez, 1997a).

El 80% de la producción de carbón vegetal en México se elabora en hornos de

tierra, el 5% en hornos de fosa, el 10% en hornos de ladrillo, el 5% en hornos metálicos. Los

rendimientos en producción de carbón vegetal en México, tienen mayor variabilidad en

hornos de tierra y de fosa y menos en los hornos de ladrillo y metálicos. (Sánchez, 1997b).

En México los mejores índices de calidad de carbón vegetal se presentan en el

horno de tierra con lona térmica y en el horno brasileño, utilizando especies de encino; y los

peores índices se presentan en el horno de fosa utilizando leña de mezquite. (Sánchez,

2000).

En general se tienen problemas en la comercialización del producto por una oferta

flotante y estacional, por un fuerte intermediarismo y una falta de producción; así como, falta

de control de calidad, fuertes variaciones en el rendimiento, problemas en el control de

costos y una demanda saturada por falta de diversificación de usos. (Sánchez, 1997a).

Para la exportación de carbón se requiere que esté empacado, granulado uniforme

y tener ciertas características estándares. (Sánchez, 1997a).

Dentro del total de carbón vegetal producido en México, aproximadamente las dos

terceras partes se destinan al consumo nacional y el resto es exportado, variando esta

situación de acuerdo a los volúmenes exportados. El consumo nacional es básicamente para

uso doméstico, principalmente para satisfacer la demanda de ciudades, centros y regiones

turísticas como lo es la zona metropolitana de Acapulco. En el caso del mercado de

exportación, que es también para uso doméstico es principalmente Estados Unidos, Europa

y Japón. (Sánchez, 1997c).



Los indicadores económicos referentes a la exportación e importación de carbón

vegetal en México, así como a los países con quienes realiza las transacciones de compra-

venta, se muestran en los cuadros 5, 6 y 7.

Cuadro 5. Balanza Comercial para carbón vegetal: Valor acumulado de enero a julio de 2001 en dólares americanos.

Año Exportaciones Importaciones Balanza comercial Comercio Total2001 $ 3,829,023 $ 526,980 $ 3,302,043 $ 4,356,003

Fuente: Secretaría de Economía con datos de Banxico

Cuadro 6. Principales países importadores de carbón vegetal: Valor acumulado de enero a julio de 2001 en dólares americanos.

País Importaciones % Estados Unidos de America $ 314,451 59.6703

Canada $ 200,621 38.0699

Taiwán $ 5,517 1.0469

Dinamarca (Reino de) $ 3,428 0.6504

Reino Unido de la Gran Bretaña e Irlanda del Norte $ 1,721 0.3265

Italia $ 571 0.1083

Belgica, (Reino de) $ 454 0.0861

Sri Lanka (República Democrática Socialista de) $ 90 0.0170

Bermudas $ 70 0.0132

India (República de la) $ 21 0.0039

Hong Kong (Teritorio de ) $ 18 0.0034

Tailandia (Reino de) $ 18 0.0034

Total importado $ 526,980 100


Cuadro 7. Principales países exportadores de carbón vegetal: Valor acumulado de enero a julio de 2001 en dólares americanos.

País Exportaciones % Estados Unidos de America $ 3,784,094 98.826 Reino Unido de la Gran Bretaña e Irlanda del Norte $ 44,929 1.173 Total exportado $ 3,829,023 100




3.1.8.- Manejo, envase, transporte y almacenamiento

El carbón vegetal recién descargado se apila y se deja por un tiempo para que se

equilibre con la humedad relativa del medio ambiente, que es lo que se llama curado. El

carbón fresco absorbe oxígeno; esta reacción química viene acompañada por un aumento

en la temperatura que puede provocar un incendio espontáneo. Por ello, el carbón vegetal

debe ser curado al aire libre durante dos días, antes del transporte o envasado. (FAO, 1983).

Se considera al carbón vegetal como un sólido inflamable y una de las materias

oxidables que pueden, en condiciones inherentes al transporte, producir incendios por

fricción, acelerada absorción de humedad, cambios químicos espontáneos, a consecuencia

del calor retenido procedente de la fabricación o tratamiento. El carbón vegetal debidamente

enfriado rara vez presenta esas características. (Forest Products Laboratory, 1961).

Una vez que se ha curado, el carbón vegetal puede permanecer almacenado por

tiempo indefinido bajo techo (figura 12). Para el envasado o empaque se debe primero

determinar el tipo de mercado, para definir el tipo de empaque. La fase de distribución,

empaquetado, carga y transporte del carbón vegetal, desde el horno hasta el punto de

distribución mayorista, o para uso industrial en gran escala, puede representar hasta un 25%

del costo total de la producción. (FAO, 1983).

Figura 12. Almacenamiento de carbón vegetal a granel y en costales. Fuente: Foto Archivo personal: Ing. Juan Carlos Echevarría–2000-

Según la FAO (1983), el carbón vegetal es un producto difícil de adulterar, no se

deteriora en el depósito y su único defecto es su friabilidad, hecho por el cual se rompe y se

hace polvo durante el manejo y transporte. Además de la friabilidad, las características del

carbón vegetal que más dificultan su transporte son: baja densidad bruta que requiere el



transporte y manipuleo de grandes volúmenes; fragilidad, que tiende a producir cisco o finos

de carbón, en cada etapa del manipuleo y del transporte; y tendencia del carbón vegetal

fresco a calentarse y encenderse espontáneamente, por la absorción del oxígeno del aire.

Cuando el carbón vegetal se manipulea a granel, la mayor parte de los finos se

generan en las operaciones de carga y descarga, y para reducir este problema, se

recomienda realizar un solo transporte desde el sitio de producción hasta el punto principal

de distribución. El transporte del carbón vegetal en camiones es flexible y rápido, pero sus

costos son muy elevados. La principal ventaja es que en los camiones se producen pocos

finos, cuando se transporta a granel. Los camiones que transportan el carbón vegetal a

granel o suelto deben tener sus costados más altos, de hasta 4 metros, con planchas

laterales de tipo reticulado (redilas) para darle un volumen razonable, en correspondencia

con la capacidad de carga del camión. (FAO, 1983).

Por otra parte, se dice que las características del carbón vegetal que favorecen su

manejo, transporte, envase y almacenamiento son (Furuya, 1996):

Es seguro, estable y no tóxico.

Es almacenable en cualquier lugar, no requiere de instalaciones especiales para su almacenamiento.

Debidamente manejado no daña al medio ambiente.

El envasado del carbón vegetal se puede realizar en costales, arpillas o bolsas de

papel, dependiendo de los requerimentos del cliente (figura 13). Por lo general, para

exportación se envasa en bolsa de papel, que a su vez se empaca en palets (tarimas y

marcos de madera cubiertos de polietileno). (Sánchez, 1997b).

Figura 13. Empaque para carbón vegetal. (Izquierda: envasado en costales; Derecha: envase de papel) Fuente: Foto Archivo personal: Ing. David Luna –2000- Fuente: Sánchez 1997b

Revisión Bibliográfica Briquetas de Carbón Vegetal


3.2.- Briquetas de carbón vegetal

3.2.1.- Generalidades

El origen de las briquetas de carbón vegetal en México no está determinado en un

sitio específico. En México, se dice que en la región de Chignahuapan, Puebla, fue

descubierta de manera accidental por los herreros al mezclar nejayote (agua con cal, residuo

de la cocción del maíz) con cisco (finos de carbón), observando que después de que la

mezcla secaba, ésta, se endurecía y se asemejaba a una “piedra de carbón”. Los herreros

utilizaban esta “piedra” para la fragua durante la época de lluvias, puesto que los productores

de carbón no les abastecían de este producto debido a que el temporal, y la consiguiente

época de siembra, les impedía producirlo. Este descubrimiento vino a solucionar dos

problemas, el primero que fue el desabasto de combustible para las fraguas durante la época

lluviosa del año, y el segundo que fue el dar uso al cisco, un material que se tenía

prácticamente como desecho. (Juárez-Huerta5, 2001).

Según Marcos (1989), debido a la baja densidad del carbón vegetal, algunas veces

es conveniente compactarlo. El carbón compactado forma la llamada briqueta de carbón

vegetal. Para aglomerar el cisco es necesario un adhesivo disuelto en agua. El adhesivo

debe ser combustible, por lo que se han empleado alquitranes, betún y almidón. Por su parte

la SARH6 (1978), menciona que de manera general, la briqueta de carbón vegetal consiste

en prensar dicho carbón mezclado con almidón en agua y moldear esta mezcla que es

sometida a una determinada temperatura, para que adquiera solidez y consistencia.

La base de las briquetas son los finos de carbón vegetal o cisco; para la fabricación

de la briqueta se tiene un rango granulométrico ideal, normalmente inferior a 3 mm, aunque

dicho tamaño está en función de la naturaleza del carbón, del tipo de prensa, de la forma y

del tamaño de la briqueta. (Antunes, 1982; citado por Patiño, 1989).

El proceso de briquetado de finos de carbón vegetal, con una cantidad proporcional

de aglutinante, consiste en prensar y secar la mezcla de cisco y aglutinante; de este proceso

resulta un combustible de mayor densidad, mejor resistencia mecánica, baja producción de

finos y granulometría uniforme del producto; a diferencia de los inconvenientes que presenta

el carbón vegetal en dichos aspectos. (Prudente, 1989).

5 Juárez Huerta, Fabián. 2001. Narración verbal de la historia de la briqueta de carbón vegetal en la región de Chignahuapan, Puebla. SAGARPA. Dtto 01. Coordinación de Planeación. Huahuchinango, Pue. Puebla. México. 6 Secretaria de Agricultura y Recursos Hidráulicos (SARH)



3.2.2.- Importancia

El incremento mundial en el consumo de energía hace necesario que se utilicen los

recursos naturales en forma óptima. En la actualidad, la industria forestal dedicada a la

producción de carbón vegetal afronta un creciente problema, tanto económico como

ecológico, esto es referido a la generación de finos de carbón durante la manipulación del

producto. Estos finos se acumulan al aire libre y con el paso del tiempo se empiezan a filtrar

contaminando el suelo y cuerpos de agua. Para los productores además de los problemas

ambientales, les representa una merma en su producción y un material que poco a poco les

va ganando espacio. La briqueta de carbón vegetal ofrece la posibilidad de aprovechar los

finos, que según Prudente (1989) en ocasiones pueden alcanzar hasta un 25 % del volumen

original de carbón vegetal, convirtiéndolos en piezas de carbón con un valor comercial que

fácilmente cubre sus costos de producción y elimina a la vez el problema de los finos o

carbonilla en la producción y manipulación de carbón vegetal.

A pesar de que el proceso de briquetado de carbón vegetal es bastante conocido en

otros países, como Estados Unidos, en México no se encuentra difundido en forma

adecuada, excepto por experiencias aisladas como la empresa “Briquetadora Mexicana S.A.”

(BRIMEX), la cual se encontraba establecida en el estado de San Luis Potosí. Según la

SARH (1978), dicha empresa contaba con una capacidad instalada de 17,520 toneladas de

briquetas por año.

Como se puede apreciar, la capacidad de BRIMEX no es acorde a las necesidades

de la mayoría de los pequeños y medianos productores de carbón vegetal en México, ya que

sus requerimientos se estiman, según Sánchez (1999), de 20 ó menos y hasta 50 ton de

briq/año. Debido a que los equipos para briquetado de carbón vegetal son de procedencia

extranjera, su capacidad no se adapta a las necesidades de los productores mexicanos.

3.2.3.- Propiedades y características

Según Patiño (1989), la densidad de las briquetas varía de 450 a 800 kg/m3 contra

200 a 280 kg/m3 del carbón vegetal. Esto reduce el costo por transporte, permitiendo

trasladar un mayor peso de carbón en forma de briqueta, con respecto a lo que el mismo

vehículo puede llevar de carbón vegetal. En relación a lo anterior, Earl (1975) menciona una

relación en densidades de 1.0 gr/cm3 para la madera y de 0.475 gr/cm3 para el carbón

obtenido de esa madera y 0.9 gr/cm3 para las briquetas de ese mismo carbón vegetal. Por

otras parte, menciona que el almacenamiento y transporte son más baratos, porque las

briquetas son densas y se fabrican del mismo tamaño. De acuerdo con Prudente (1989), la



densidad de las briquetas, de manera general, oscila entre 0.4 y 0.99 gr/cm3, esto en función

del método o sistema de briquetado que se utilice. Por su parte Andrade(1982), menciona

que la densidad del carbón se incrementa cuatro veces al ser procesado como briqueta.

Prudente (1989), menciona que la composición de una briqueta debe ser de 85% de

carbón vegetal, de 6 a 10% de aglutinante y de 5 a 8% de agua.

El poder calorífico de las briquetas se encuentra alrededor de las 8350 kcal/kg

(Prudente, 1989), contra las 7900 del carbón vegetal (SARH, 1978).

La composición química de las briquetas de carbón vegetal es muy variable en

función del tipo y cantidad de aglutinantes y aditivos que se aplican en la mezcla. Según

Prudente (1989), la composición de dichas briquetas es la que se presenta en el cuadro 8.

Cuadro 8. Composición química de las briquetas de carbón vegetal.

Composición Proporción Carbono fijo (%) 78.25 – 80.48Material volátil (%) 17.65 – 19.87Cenizas (%) 1.87 – 1.97 Humedad(%) 5.23 – 7.96

Fuente: Prudente, 1989

La formación más indicada, según Antunes (1982), para el briquetado del carbón

vegetal, es la de una pequeña almohada cuadrada con los bordes redondeados (figura 14).

Otras formas de la briqueta, según Walter (1985), son la cilíndrica y la tubular.

Figura 14. Briquetas de carbón vegetal con forma de almohada. Fuente: Aeroglide Corporation, 2001

3.2.4.- Aglutinantes y aditivos

La adición del pegamento o aglutinante al cisco es uno de los pasos críticos en la

fabricación de briquetas. Prácticamente cualquier adhesivo podría ser utilizado como



cementante. La selección se hace en función del costo y del uso final que se pretende para

la briqueta. Una briqueta típica contiene 87% de carbón, 8% de almidón y 5% de humedad.

(Patiño, 1989).

Los cementantes se pueden clasificar en emisores y no emisores de hollín. Entre los

emisores se pueden citar algunos compuestos del petróleo y el alquitrán del carbón mineral o

vegetal. Entre los no emisores se encuentra el almidón, melaza de caña, cemento y licor

sulfítico (subproducto de la fabricación de papel). El aglutinante más utilizado es el almidón

de maíz no refinado y granulado, debido a que se vuelve adhesivo después de cocido.

(Patiño, 1989). En lo referente al aglutinante, Prudente (1989), menciona que el más utilizado

es el almidón industrial de mandioca no refinado, fécula de mandioca, brea, resina sintética,

melaza de caña de azúcar, emulsión asfáltica, cola de taninos, brea y alquitranes vegetales.

La SARH (1978), hace referencia a la dextrina como aglutinante para briquetas.

De acuerdo con la SARH (1978), el almidón (dextrina C6H10O5) es el componente de

la briqueta de carbón vegetal que cumple la función de aglutinante y la proporción de éste,

en la mezcla depende de las especificaciones del cliente o de las especificaciones que

indiquen las normas de calidad que se deban cumplir. Por lo general se menciona que para

exportación debe ser un 3.5% (35 kg de almidón por tonelada de carbón vegetal).

Patiño (1989), indica que el almidón como adhesivo, se aplica en una proporción de

1 a 8 porciento, dependiendo del tipo de carbón vegetal y del método usado. Además, a la

briqueta se le pueden agregar otros elementos como aserrín de madera para introducir el

sabor ahumado a las carnes asadas, aceite vegetal o mineral para facilitar el encendido,

arcilla plástica para evitar la formación de llamas, entre otros.

Además de los aglutinantes, se puede aplicar algún aditivo a la mezcla que se utiliza

en la fabricación de briquetas de carbón vegetal, a fin de mejorar el valor del carbón vegetal

como medio de cocción. A la mezcla se pueden agregar materiales de poco valor como el

aserrín y astillas, a fin de dar el aroma de “madera” a los usos culinarios del carbón vegetal.

Otros aditivos útiles son las ceras, que aseguran una rápida ignición. (Earl, 1975).

La granulometría de las partículas finas, que serán empleadas como materia prima

para la producción de briquetas de carbón vegetal, influye directamente en la proporción de

carbón vegetal, aglutinante y agua que deberá componer la mezcla para las briquetas. De

igual forma, la granulometría determina la resistencia mecánica y la calidad de la briqueta.

(Prudente, 1989).



3.2.5.- Proceso de producción

El proceso de fabricación de las briquetas puede ser con o sin adhesivo en la

prensa briqueteadora. Si el proceso de producción es con adhesivo, este debe mezclarse

con las partículas del cisco o carbón vegetal antes del prensado. El proceso de fabricación

sin adhesivo requiere presiones más altas en la prensa y eventualmente un calentamiento

adicional. (Carreón y Von, 1989). En referencia a lo anterior, Andrade (1982), menciona que

los métodos para producir briquetas de carbón vegetal puede llevarse a cabo utilizando un

aglutinante orgánico, un aglutinante inorgánico o sin utilizar aglutinante.

Recepción y preparación de la materia prima.

Para iniciar con las actividades de una planta briqueteadora de carbón vegetal se

debe seleccionar el sistema de abastecimiento de la materia prima. Una vez en la planta, se

reciben los finos de carbón vegetal en un lugar de almacén general, de donde se procederá

a clasificar y separar el carbón vegetal y/o cisco, en función de la calidad de briquetas que se

pretenda elaborar (figura 15). Del lugar de almacenamiento se traslada el cisco a una tolva

para que se proceda a su molido. (SARH, 1978).

Figura 15. Recepción y preparación del carbón vegetal. Fuente: Aeroglide Corporation, 2001

El material empleado para la fabricación de briquetas puede ser el carbón

proveniente de maderas suaves y los finos que se generan durante el proceso de

producción, manejo y empaque de carbón vegetal. (Vásquez, 1952).

Molido.

El molido se realiza con un molino de martillo (figura 16). El molino cuenta con

varias mallas, que se utilizan para que al momento de triturar el carbón vegetal salga de tres

tamaños diferente, con la finalidad de producir una briqueta más compacta, de mayor

duración y mejor encendido (SARH, 1978; Prudente, 1989).



Figura 16. Trituración o molido del carbón vegetal. Fuente: Aeroglide Corporation, 2001

La trituración del carbón puede realizarse a una granulación, por lo general, de no

más de 10 mm y con un contenido de humedad de hasta 20%. El cisco o partículas de

carbón vegetal se clasifican por su tamaño por medio de cribas o tamices. Las partículas con

una granulación superior a la deseada, deben triturarse para alcanzar el tamaño requerido; al

igual que el material muy húmedo, requiere de un secado posterior, utilizando en la mayoría

de los casos el procedimiento de aire caliente. (Carreón y Von, 1989). De acuerdo con

Aeroglide Corporation (2001), las partículas de carbón vegetal deben molerse hasta alcanzar

un tamaño de ⅛” o tamizado con malla de 200 hilos por pulg2, para obtener el mayor

rendimiento de energía a obtener de la briqueta.

Alimentación y mezclado.

Según Vásquez (1952), esta fase del proceso de producción consiste en mezclar el

polvo de carbón con algún aglutinante.

En esta etapa el carbón vegetal molido pasa a una mezcladora a través de un

transportador tipo sinfín (figura 17). El aglutinante se agrega en seco al carbón molido, por

medio de otro transportador tipo sinfín. En la mezcladora se adiciona agua caliente, a una

temperatura de 55 a 65°C, por medio de un sistema de rociado uniforme. Una vez que la

mezcla es homogénea, se transporta a la tolva de la prensa. (SARH, 1978).

Debido al flujo periódico o intermitente de material, antes de prensarlo en la

briqueteadora se deposita el material preparado en un silo intermedio, cuya capacidad

depende del volumen a procesar. (Carreón y Von, 1989). Con relación a lo anterior, Andrade

(1982), menciona que por medio de un alimentador que suministra la cantidad exacta que se

requiere de carbón vegetal, el carbón molido pasa de la tolva de almacenamiento a un

mezclador horizontal de paletas.



Figura 17. Alimentación de carbón vegetal a la mezcladora. Fuente: Aeroglide Corporation, 2001

En el mezclador, el carbón pulverizado se mezcla con el agente aglutinante

necesario para formar posteriormente las briquetas (figura 18). Como agente aglutinante se

puede utilizar almidón, que se agrega en forma de pasta al 15% en agua. Esta pasta se

prepara en un tanque provisto de un agitador y se introduce calor, ya que el almidón debe

calentarse a 70°C, para que gelatinice, pues en ese estado desarrolla sus propiedades

aglutinantes. La pasta se agrega en proporción de 6 partes de almidón por 100 de carbón

vegetal molido o cisco. (Andrade, 1982). De acuerdo con Prudente (1989), algunos

aglutinantes, como los almidones, requieren un tratamiento de “pre-gelatinización”, el cual

puede ser inducido por álcalis o calentando el aglutinante a una temperatura inferior a 60°C.

Figura 18. Mezclado del carbón vegetal con el aglutinante. Fuente: Aeroglide Corporation, 2001



Prensado y moldeado.

En esta fase del proceso se prensa y se da forma a la briqueta de carbón vegetal, la

cual sale húmeda de la prensa (figura 19). A través de una malla transportadora, la briqueta

húmeda, ya moldeada, es trasladada a la fase de secado. (SARH, 1978).

En el mezclador se obtendrá una pasta de la siguiente composición, basada en 100

partes de briquetas: carbón 71.5%, almidón 4.3% y agua en 24.2%. La proporción anterior,

bien mezclada, de modo que todas las partículas de carbón vegetal estén cubiertas por la

pasta de almidón, pasa a la prensa rotatoria que forma las briquetas, necesitándose para el

efecto una presión de 500 lb/pulg2. (Andrade, 1982). La prensa puede ser rotatoria o de

platos o placas planas. Respecto a lo anterior, Carreón y Von (1989), mencionan que del silo

o tolva se transporta el material directamente a la prensa de briquetas, eventualmente con

inclusión de una instalación de transporte, mismo que regula la cantidad de material de

entrada a la prensa. La prensa trabaja ya sea mecánica o hidráulicamente; el émbolo de la

prensa mecánica puede ser accionado por medio de un volante pesado. En la prensa

hidráulica se produce la compresión por medio de aceite hidráulico. Según Prudente (1989),

la presión de briquetado debe ser de alrededor de 55.7 a 85 kg/cm2.

Figura 19. Prensado y moldeado de la briqueta de carbón vegetal. Fuente: Aeroglide Corporation, 2001

De acuerdo con Vásquez (1952), si el cisco o finos de carbón vegetal se prensó con

aglutinantes inorgánicos se realiza un troquelado después del prensado.



Secado.

El secado se realiza en un horno de paredes aisladas, quemadores, ciclones y malla

o banda transportadora a una velocidad de 5 m/seg (figura 20). La malla transporta a la

briqueta por el horno y los ciclones; el horno trabaja con quemadores en dos secciones, la

primera a una temperatura de 115 a 120°C y la segunda de 155 a 165°C; en una tercera

sección del horno se encuentran los ciclones, con los cuales se realiza el enfriado de la

briqueta. (SARH, 1978).

Figura 20. Briquetas transportadas en malla o banda. Fuente: Aeroglide Corporation, 2001

Las briquetas que salen de la prensa contienen alrededor de un 24% de agua y

deben pasar a un secador con circulación de aire caliente, para eliminar el agua hasta un

contenido máximo de 4%. Es muy importante mantener un estricto control de la temperatura

del secador. Una baja temperatura no seca debidamente las briquetas y no permite que sean

separadas con facilidad de la malla transportadora; por el contrario, una alta temperatura

puede provocar la combustión de la briqueta. La temperatura de la zona de secado no debe

exceder de 120°C. (Andrade, 1982).

Las briquetas de carbón vegetal fabricadas sin tratamiento térmico tienen que

conservarse secas, para que no se desintegren. (Earl, 1975). De acuerdo con Prudente

(1989), el tratamiento térmico ayuda a disminuir el desmoronamiento de la briqueta, además

de minimizar la higroscopicidad de la misma.

En conclusión tenemos que el proceso de producción de briquetas de carbón

vegetal es el que se ilustra en la figura 21.

Almacenamiento y empacado.

Esta fase del proceso se describirá en el punto 3.1.8.



Figura 21. Proceso de producción de briquetas de carbón vegetal.

3.2.6.- Normas y especificaciones de calidad

Los estándares de calidad requeridos para el mercado internacional se muestran en

el cuadro 9. Las especificaciones de calidad para las briquetas de carbón vegetal para la

industria metalúrgica se muestran en el cuadro 10.



Cuadro 9 Estándares de calidad de las briquetas para exportación.

Composición Europa Estados UnidosCarbono fijo (%) 53 50 Material volátil (%) 26 30 Cenizas (%) 16 20 Sulfuros(%) 0.5 0.5 Almidón (%) 3.5 3.5

Fuente: SARH, 1978

Cuadro 10. Estándares de calidad de las briquetas para la industria metalúrgica.

Composición Proporción Límite Carbono fijo (%) 73 MínimoMaterial volátil (%) 15 MáximoCenizas (%) 12 MáximoSulfuros(%) 0.5

Fuente: Prudente, 1989

Además de la composición de las briquetas de carbón vegetal mostrada en el

cuadro 10, la industria metalúrgica requiere que la resistencia mecánica a la compresión sea

mayor 70 kg/cm2. (Prudente, 1989).

3.2.7.- Usos

El uso principal que se le da a las briquetas de carbón vegetal es para uso

doméstico. (Patiño, 1989; Prudente, 1989). Earl (1975), menciona que los principales usos

de las briquetas de carbón vegetal son recreativo y culinario.

El uso de las briquetas de carbón vegetal es principalmente como un combustible de

uso doméstico. El uso doméstico es variado, ya sea para cocina en el patio de la casa o para

preparar carnes en un día de campo. (SARH, 1978).

Las briquetas pueden ser utilizadas en la industria siderúrgica, gracias a que la

reactividad que presenta la briqueta es menor que la del carbón vegetal, lo que las hace

apropiadas para ser utilizadas en los altos hornos. (Patiño, 1989; Prudente, 1989).

Las briquetas fueron utilizadas inicialmente en el precalentamiento de chatarra, en

sustitución del coque; se han obtenido resultados satisfactorios para sustituir al carbón

vegetal hasta en un 20% en altos hornos. (Patiño,1989). Por su parte Prudente (1989),

menciona que las briquetas son un combustible capaz de sustituir en forma parcial o total al

coque fino.



3.2.8.- Producción y comercialización

Las briquetas de carbón vegetal tienen un buen mercado en Estados Unidos y

Europa, a causa de la demanda de carbón vegetal para cocinar en el campo. (SARH, 1978).

La empresa BRIMEX mandaba su producto al mercado exterior, puesto que el

mercado nacional no se encontraba debidamente establecido. Por otra parte, el mercado

internacional para la briqueta ha tenido gran potencialidad, ya que este producto ha ido

creciendo en popularidad, especialmente en Estados Unidos y Europa. (SARH, 1978).

Los indicadores económicos referentes a la exportación e importación de briquetas

de carbón vegetal en México, así como a los países con quienes realiza las transacciones de

compra-venta, se muestran en los cuadros 11, 12 y 13:

Cuadro 11. Balanza Comercial para briquetas de carbón vegetal: Valor acumulado de enero a julio de 2001 en dólares americanos.

Año Exportaciones Importaciones Balanza comercial Comercio Total 2001 $ 3,806,427 $ 94,711 $ 3,711,716 $ 3,901,138


Cuadro 12. Principales países importadores de briquetas de carbón vegetal: Valor acumulado de enero a julio de 2001 en dólares americanos.

País Importaciones % Estados Unidos de América $ 87,057 91.9185 Francia $ 5,899 6.2284 Italia $ 1,592 1.6809 Canadá $ 163 0.1721 Total importado $ 94,711 100.000


Cuadro 13. Principales países exportadores de briquetas de carbón vegetal: Valor acumulado de enero a julio de 2001 en dólares americanos.

País Exportaciones % Estados Unidos de América $ 3,805,886 99.9857 España (Reino de) $ 450 0.0118 Guam (EUA) $ 91 0.0023 Total exportado $ 3,806,427 100.0000




3.2.9.- Manejo, envase, transporte y almacenamiento

La densidad del carbón en las briquetas aumenta cuatro veces, lográndose una

mayor facilidad y limpieza en su manejo, permitiendo también un mejor aprovechamiento de

la producción, ya que se pueden utilizar los finos, que de otro modo no tienen valor comercial

y que siempre se producen en la fabricación y manejo del carbón. (Andrade, 1982).

Al salir del horno secador, la briqueta se transporta hacia unas tolvas de

almacenamiento. (SARH, 1978).

Es indispensable que las briquetas estén frías, y antes de ser empacadas,

permanezcan por lo menos 48 horas almacenadas antes de ser empacadas, tiempo

suficiente para alcanzar un equilibrio entre la humedad ambiental y las briquetas,

disminuyendo el peligro de combustión espontánea que existe antes de alcanzar dicho

equilibrio. (Andrade, 1982).

El empaque puede ser manual o mecanizado (figuras 22 y 23), aunque las briquetas

son entregadas en bolsas con un peso estándar (figura 24). El envasado de las briquetas de

carbón vegetal se puede realizar en bolsas de papel de diferente pesos, dependiendo de los

requerimentos del cliente. Una vez que se envasa, se empaca en palets (figuras 25 y 26).

Figuras 22 y 23. Empacadoras de briquetas. Fuente: Aeroglide Corporation, 2001

3.2.10.- Ventajas sobre el carbón vegetal

La ventaja de llevar el carbón vegetal a la forma de briquetas se pone de manifiesto

si se considera que el carbón en su forma original presenta una gran porosidad llegando a

utilizar hasta diez veces el volumen que ocuparía al estar completamente compacto.

(Andrade, 1982).



Figura 24. Diferentes presentaciones del empaque de briquetas Fuente: Aeroglide Corporation, 2001

Figuras 25 y 26. Empaque de bolsas de briquetas en palets. Fuente: Aeroglide Corporation, 2001

El proceso de briquetado de carbón vegetal, con el uso de aglutinantes, es una

técnica que permite aprovechar los finos del carbón, al transformarlos en un combustible de

mejores características. En la briqueta mejora las siguientes características del carbón

vegetal: densidad, homogeneidad, granulometría, resistencia mecánica y baja generación de

finos, manteniendo las características energéticas del carbón vegetal, facilitando su manejo y

permitiendo su transporte a mayores distancias. (Prudente, 1989).

Las briquetas presentan menor desperdicio, ya que puede utilizarse el contenido

total de carbón vegetal, incluso los finos. (Earl, 1975).



El material (cisco) se comprime hasta un 10% de su volumen original. De esta

reducción resultan bajos costos de almacenamiento y transporte. (Carreón y Von, 1989).

En las briquetas se reduce el peligro de incendio espontáneo, además de mejorar

las propiedades de combustión del carbón vegetal. (Carreón y Von, 1989).

Patiño (1989) hace referencia a que la homogeneidad de la forma y composición de

las briquetas, mejora la irregularidad durante la combustión. Las briquetas son menos

higroscópicas que el carbón vegetal, factor importante en la época de lluvias. Debido a su

resistencia mecánica, se producen menos finos en la manipulación o manejo del producto.

Por su parte, Earl (1975) menciona que la calidad de combustión de las briquetas de carbón

vegetal puede modificarse con el aditivo y adhesivo que se utilice en la fabricación de las

briquetas.

Los gastos generados por el manejo del material, necesarios en la protección de la

salud y el medio ambiente, se reducen por la ganancia de energía y producto (Carreón y

Von, 1989).

Metodología


4.- METODOLOGÍA

4.1.- Análisis de las briquetadoras de carbón vegetal disponibles en el mercado internacional

Para analizar las máquinas briquetadoras para carbón vegetal existentes, se realizó

una revisión bibliográfica a fin de establecer de cuantas y de que tipo de máquinas

briquetadoras se tiene conocimiento en el País. Así mismo, se investigó el funcionamiento,

las partes o piezas principales y otras características generales de los tipos de briquetadoras

de las que se encontró referencias en la literatura.

Además, antes de iniciar con el proceso de diseño de la máquina, al realizar la

revisión de literatura, se buscó información referente a los antecedentes de prototipos de

briquetadoras realizados en el País. De la misma manera, se realizó una investigación con

fabricantes, vendedores y/o distribuidores de maquinaría forestal para conocer que modelos

de briquetadoras de carbón vegetal existen en el mercado internacional, a fin de indagar y

analizar las especificaciones de los equipos ofertados, dando prioridad a las características

de capacidad y costos de producción, así como a los costos de adquisición de dichos

equipos, para posteriormente compararles con los que son demandados por los pequeños y

medianos productores de carbón vegetal en México.

La información necesaria para desarrollar este apartado fue solicitada por medio de

correo electrónico. Dicha información se obtuvo de la siguiente manera: primero se

localizaron páginas WEB de empresas fabricantes y/o distribuidoras de maquinaria y equipo

para el briquetado de carbón vegetal, para posteriormente hacer contacto con la persona

responsable del portal en internet de la empresa; una vez que se tuvo identificado un

contacto en la empresa en turno, se procedió a establecer comunicación enviando un

mensaje vía correo electrónico, en el cual se solicitó la información antes descrita.

Con la información recibida, se realizó una estimación de la capacidad de

producción por hora (kg/hr), por turno (ton/turno) y por año (ton/año). Lo anterior con el

objeto de estandarizar la información y así tener un parámetro de comparación entre los

diferentes tipos de briquetadoras encontradas con las empresas que enviaron la información.

Metodología


4.2.- Requerimientos del producto

El tema abordado en este capítulo consistió en desarrollar la oportunidad derivada

de una necesidad de los pequeños y medianos productores de carbón vegetal en México.

Para ello se compiló información, mediante una serie de consideraciones convenientes para

tener congruencia al dar solución a dicha necesidad. Por lo anterior, dichas consideraciones

se convierten en requerimientos del producto.

Para aterrizar la oportunidad de dar la mejor solución a la necesidad previamente

identificada, los requerimientos del producto tuvieron que ser evaluados. De dicha evaluación

se obtuvo el fundamento técnico, científico y socioeconómico del prospecto o prototipo de

solución. La evaluación de los requerimientos, referentes al equipo de briquetado para

carbón vegetal, se realizó por medio de un procedimiento que consta de cuatro pasos; cada

paso desarrolla la información para cumplir con una función determinada. El procedimiento

con el que se determinó el curso a seguir para definir los requerimiento del producto fue el

siguiente (Haynes, 1998; Torres y Molina 1999):

1.- Identificar, estudiar y analizar la necesidad que justifique el proyecto. -Desarrollar la oportunidad derivada de una necesidad. 2.- Definir las características del producto que satisfaga la necesidad. -Requerimientos del cliente. 3.- Especificar lo que se espera del prototipo. -Traducción de los requerimientos del cliente a términos mensurables. 4.- Diferenciar lo obligatorio y lo deseable. -Ponderación de los requerimientos del cliente. -Establecer metas para el diseño del prototipo.

El desarrollo de la oportunidad derivada de una necesidad consistió en caracterizar

dicha necesidad o problema. Este procedimiento se estructuró estableciendo las causas del

problema y la opción global con que se puede solucionar. De la solución global se identificó

la mejor alternativa existente para satisfacer la necesidad en cuestión; con base en las

ventajas y/o desventajas de dicha alternativa, se especificó la aptitud de la misma para

solventar el problema y determinar la viabilidad de otra propuesta de solución al problema.

Los requerimientos del producto se establecieron de acuerdo a las necesidades del

cliente, interpretando los planteamientos como necesidades y traduciéndolos en los

problemas de ingeniería de detalle a resolver, con el propósito de que el prototipo cumpliera

las expectativas requeridas para solucionar el problema. Esto es, las necesidades o

requerimientos del cliente son las especificaciones utilizadas en el diseño del producto.

Metodología


Dichos requerimientos del cliente se agrupan en los puntos siguientes:

a).- Económicos: costo de adquisición, operación y mantenimiento. b).- Aspectos técnicos: rendimiento, productividad y calidad del producto. c).- Operación: grado de mecanización, ergonomía y seguridad industrial. d).- Energía: fuente de energía y eficiencia en el consumo. e).- Restricciones: tamaño, peso, apariencia y forma. f).- Construcción: elementos, materiales, máquinas y herramientas requeridas. g).- Durabilidad del equipo: resistencia de materiales y refacciones. h).- Normatividad: leyes, normas y procedimientos de diseño. i).- Ecología: contaminación por ruido, vibración, desechos.

Para especificar lo que se espera del producto desarrollado, fue necesario traducir

los requerimientos del cliente a términos mensurables, es decir, convertirlos de un lenguaje

subjetivo a términos descriptivos.

Para determinar la importancia relativa de los requerimientos del cliente se realizó la

separación entre los que son necesarios u obligatorios y los opcionales o deseables. Dicha

separación se realizó con base a criterio, analizando cuáles de estos, son imprescindibles

para el desarrollo del producto, es decir, que si una de estas condicionantes no se cumple, el

diseño presentaría deficiencias, obteniéndose como obligatorias a todas las que presentaron

dicha característica o importancia. De esta manera, los requerimientos que pudiesen omitirse

o no cumplirse plenamente, se convirtieron en los requisitos deseables, mismos que

debieron ordenarse en una secuencia de importancia relativa para que una vez cubiertos los

que son obligados, se proceda a cumplir los deseables en la medida que el diseño del

prototipo lo permita.

Para llevar a cabo la comparación de los requerimientos deseables, estos, se

ordenaron mediante una matriz que los confrontó uno a uno entre sí, a fin de establecer una

secuencia de importancia, misma que fue el orden de prioridad a satisfacer, que como ya se

mencionó, se realizó posterior al cumplimiento de los que son obligatorios.

Con la descripción de las condicionantes en términos mensurables y con el

establecimiento de la importancia relativa de las mismas, se habilitó la opción de convertir

dichos términos en metas de diseño, pudiendo reunir las exigencias de varios requerimientos

en una meta, sin ser obligatoria una meta por cada uno de ellos. Las metas de diseño deben

cumplir dos requisitos: satisfacer las expectativas del cliente y ser realizables.

La importancia de cada meta de diseño corresponde a la importancia del

requerimiento, o requerimientos si es el caso, del cual se obtuvo u originó.

Metodología


4.3.- Diseño conceptual

En esta fase, no fue imprescindible resolver todas las variables del diseño,

obteniéndose la posibilidad de conseguir que el prototipo alcance una adecuada

productividad, con bajos costos de operación. El desarrollo del producto debe proporcionar

beneficios importantes al cliente potencial, esta condición llevó a realizar una simplificación

del proyecto, a estandarizar los componentes utilizando piezas o elementos de fácil

adquisición o fabricación, además, se debió realizar el diseño tratando de favorecer y

simplificar las operaciones necesarias para el proceso de fabricación del equipo.

La metodología de diseño, se basó en la relación existente desde el desarrollo de la

oportunidad derivada de una necesidad y en la definición del problema que ocasiona dicha

necesidad, hasta llegar a sus respectivas evaluaciones. Para ello se desarrollaron un

conjunto de fases que señalaron los procedimientos, conceptos y principios básicos

necesarios para llevar a cabo los cálculos preliminares y detallados del sistema. La

evaluación del prototipo se analizó por medio de un procedimiento que consta de cuatro

pasos; cada uno agrupa la información para cumplir con una función determinada. El

procedimiento con el que se determinaron las características del diseño conceptual fue el

siguiente (Haynes, 1998; Torres y Molina 1999):

1.- Identificar, estudiar y analizar el problema que se pretende resolver. -Comprensión del problema. 2.- Definir las alternativas del producto que satisfaga la necesidad identificada. -Definir opciones de cada alternativa (Árbol de funciones). 3.- Generar y evaluar alternativas. -Exposición de alternativas. 4.- Elegir la alternativa que mejor satisfaga la necesidad. -Selección de la mejor alternativa. -Caracterizar el concepto.

Por lo anterior, el diseño conceptual se estableció considerando los antecedentes, a

fin de aprovechar los esfuerzos realizados por quienes ya han trabajado en la solución del

problema referente al briquetado de carbón vegetal en México. Durante el desarrollo del

proyecto, fueron consideradas las características generales del cliente o beneficiario

potencial, haciendo un análisis comparativo de las diferentes especificaciones que puede

tener el prototipo de máquina en cuestión para resolver cada una de las variables que

intervienen en el proceso de diseño, esto es, atendiendo a las necesidades o requerimientos

propios de los pequeños y medianos productores de carbón vegetal en México.

Metodología


En el diseño conceptual es donde se desarrollaron las ideas fundamentales para la

máquina briquetadora, decidiéndose también los principios físicos en los que se basó el

prototipo prospecto de solución: la arquitectura, la idea general de la apariencia y los

principios de su funcionamiento.

Para el desarrollo del diseño conceptual, fue necesario establecer variables de

entrada, variables de salida y restricciones, mismas que se resolvieron utilizando el concepto

de la caja negra de Eduard V. Erick (1992), citado por Torres y Molina ( 1999). Con base en

los resultados de la caja negra, se construyó un árbol de funciones, en el cual se determinó

la manera de convertir a las variables de entrada en variables de salida, con el objeto de

separar las funciones que debe realizar la briquetadora en operación. Una vez determinadas

dichas funciones se procedió a definir la alternativa o alternativas factibles para poder

resolver adecuadamente cada una de las funciones.

Una vez que se definieron las funciones y se presentaron las alternativas de

solución para cada una de ellas, se realizó la generación de varios conceptos del prototipo

de máquina briquetadora mediante la combinación de dichas alternativas; dichos conceptos

se consideraron como prospectos viables para dar solución al problema previamente

planteado. Posteriormente se determinó cual de los conceptos ofreció la mejor solución. Para

dicha determinación se realizó una evaluación relativa de cada uno de los conceptos o de las

características definidas para cada posible prototipo, tomando como criterios de selección los

costos, calidad del producto elaborado, seguridad al operario, facilidad para realizar las

operaciones necesarias para la producción y la sencillez del diseño. Cada criterio presentó

un puntaje diferencial, dependiendo de la importancia de cada uno de ellos.

La valoración de los conceptos se realizó por una evaluación comparativa entre

ellos, utilizando una matriz que enfrentó al concepto con los criterios considerados, en la que

se asignó un puntaje para cada intercepción entre dicho criterio y el concepto en turno, en

función de una escala generada a partir de los requerimientos del cliente considerados como

obligatorios. Posteriormente se ponderó dicho puntaje con base en el valor diferencial

correspondiente a cada criterio, obteniéndose la calificación definitiva para cada concepto.

Una vez definido el concepto, se procedió a caracterizarlo, es decir, a describir los

principios generales referentes al funcionamiento del prototipo, así como sus partes o

componentes principales y las características globales del equipo.

Finalmente, para concluir el diseño conceptual, se construyó un plano o esquema en

el que se representa la arquitectura y apariencia general de la máquina.

Metodología


4.4.- Diseño detallado

Es la fase en la que se desarrolló el prototipo en forma definitiva, por lo que fue

necesario resolver todas las variables del proyecto, desarrollándose el concepto obtenido en

el diseño conceptual, transformando los requisitos de cada solución, de las funciones

precursoras de una máquina briquetadora, en especificaciones, mediante cálculos, planos y

modelos de los componentes del prototipo, representando dichos componentes en forma

individual y en conjunto, de tal forma que al finalizar esta etapa, el proyecto del prototipo

debe tener la facilidad de ser transmitido y comprendido durante las fases del modelo

industrial y posteriormente en su construcción o manufactura.

La manera de resolver las variables de diseño fue mediante la transformación de los

requisitos de cada solución en especificaciones para cada componente del prototipo. Esta

etapa del proyecto se realizó como sigue:

Para el diseño de la batería de moldes o matriz de briquetado primero fue necesario

determinar las dimensiones de los moldes en forma individual, considerando el volumen de

mezcla necesaria para el llenado y el volumen adicional a comprimir. Posteriormente, se

determinó la productividad requerida, debido a que con base en ésta, se estableció el

número de moldes que debe tener dicha matriz.

Por su parte, las dimensiones del aro de contención de la mezcla se establecieron

con base en las dimensiones exteriores de la matriz de briquetado.

La potencia del dispositivo para aplicación de presión se determinó en función de la

fuerza unitaria (kg/cm2) necesaria para obtener la densidad requerida en la briqueta,

multiplicada por el área de la matriz de briquetado.

En el caso del chasis del prototipo, fue necesario determinar las cargas que actúan

sobre el mismo, mediante el uso de diagramas de cuerpo libre y posterior determinación de

momentos máximos que debe soportar el material requerido para su construcción.

Para asegurar un correcto prensado, fue necesario diseñar un sistema de guías,

atendiendo a la restricción de agregar el menor peso posible al equipo.

La determinación de las uniones generales del equipo se realizó considerando la

magnitud y sentido de las cargas que actúan en el chasis, ya que con dichas cargas se

obtiene el tipo de esfuerzo a que será sometida la unión en el chasis. Los tipos de uniones

utilizadas en el prototipo son soldadas y atornilladas.

Metodología


La selección de los materiales apropiados para cada componente del prototipo se

realizó con base en el tipo, magnitud y sentido de los esfuerzos que deben soportar cada

uno de dichos componentes.

4.5.- Construcción de un modelo industrial a escala real

Una vez concluido el diseño detallado, y antes de su construcción, se elaboró un

modelo a escala real, con materiales de fácil moldeado o de alta trabajabilidad, para detectar

posible fallas o problemas en el ensamblado o funcionamiento de la máquina antes de

proceder con la construcción del prototipo.

Este modelo ayudó a corregir o determinar si se cometió algún error al desarrollar el

diseño en el papel, debido a que no se tiene la percepción del tamaño real de las piezas en

sus tres dimensiones a la vez.

La construcción del modelo industrial consistió en manufacturar con madera

aserrada y triplay un prototipo a escala real, para lo cual se requirió del uso de canteador,

cepillo industrial, sierra cinta tabletera, sierra radial o cabeceadora, taladro, desarmadores,

tornillería, baleros, pijas y adhesivos.

El proceso de manufactura del modelo industrial consistió en habilitado y

dimensionado de la madera, para un posterior ensamble de las piezas que lo conforman.

Para el presente trabajo se realizaron dos modelos de este tipo. El primer modelo

fue revisado detenidamente por los asesores de UPIICSA, IPN7 y personal8 del Taller

Mecánico Industrial CIDES, con lo que se determinaron algunas modificaciones

principalmente en las dimensiones de algunos elementos y sistema de guías, para proceder

a la construcción de un segundo modelo corregido. Dicho modelo corregido no presentó

aparentes dificultades, por lo que fue la base para la manufactura del prototipo real de

máquina briquetadora objeto del presente proyecto.

7 Ing. Pompeyo Montiel Ramírez. Profesor investigador de Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias Sociales y Administrativas (UPIICSA) del Instituto Politécnico Nacional (IPN). Calle Té No. 950. Col Granjas México. C.P. 08400 D.F.

8 T.M.I. Eduardo Solórzano Ángeles. Técnico en Mecánica Industrial. Jefe del área de ensamble y sueldadura del Taller Mecánico Industrial CIDES. Carretera Tulancingo – Acatlán km 1.8. C.P. 43770, Tulancingo de Bravo, Hgo.

Metodología


4.6.- Construcción de la briquetadora

Con base en el diseño detallado, para la construcción de la máquina briquetadora se

cotizó el costo de esta operación en diferentes talleres especializados, después de lo cual se

eligió el más conveniente en precio, calidad del trabajo, y la posibilidad de poder dar

seguimiento a las etapas en el proceso de construcción del equipo.

La primera etapa en la construcción del prototipo consistió en la manufactura de la

matriz de briquetado, para lo que fue necesario construir un molde de madera con las

dimensiones reales del diseño más un refuerzo, requerido para la manufactura del molde

metálico de fundición gris.

Debido a las dimensiones y características en la forma del molde, fue necesario

diseñar una fresa para rauter, manufacturada en “Industria Nacional de Corte9”, con la cual

fue posible maquinar la moldura requerida para la construcción del molde de madera.

Una vez manufacturados los moldes metálicos, se procedió a pulir y calibrar dichos

moldes, para ajustarlos a las dimensiones especificadas en el diseño detallado, y poder

realizar las perforaciones requeridas para su fijación y ajuste en la placa base

correspondiente, ya sea móvil o superior.

Por su parte, para las placas base fue necesario, además del dimensionado, un

maquinado que consistió en realizar las perforaciones necesarias en cada placa y

machuelado (hacer rosca para entrada de tornillo) de las que lo requirieron. Finalmente se

pulieron las superficies de dichas placa.

El gato hidráulico fue perforado en su base, cuidando no dañar el sistema hidráulico,

para poder fijarlo a la placa base inferior.

La manufactura del chasis del prototipo consistió en dimensionar los perfiles que

conforman la estructura del equipo, para su posterior unión por medio de sueldadura. El tipo

de sueldadura se eligió con base en las características de resistencia que ofrece, según la

clasificación AWS para sueldaduras.

Finalmente, una vez ensamblada la máquina, se procedió a la aplicación de pintura

y acabados para su mejor preservación en el medio de trabajo.

9 INC. Industria Nacional de Corte S.A. de C.V. Domicilio en Roberto Fierro No. 13.

Ampliación las Colonias. Atizapan de Zaragoza. Estado de México. C.P. 52953. Tel (55) 53 78 10 13 pagina web: http://www.inctools.profesionales.org e-mail: [email protected]

Desarrollo y Resultados Briquetadoras disponibles en el mercado internacional


5.- DESARROLLO Y RESULTADOS

5.1.- Análisis de las briquetadoras de carbón vegetal disponibles en el mercado internacional

Este análisis se realizó a través de un estudio comparativo, en el cual se

determinaron las características que favorecen y desfavorecen a los equipos que se ofrecen

en el mercado internacional.

En México se tiene conocimiento de muy pocas máquinas briquetadoras, y todas

ellas son de procedencia extranjera.

De manera general se conocen tres tipos de equipos para el briquetado de carbón

vegetal, las cuales son: de prensa cilíndrica rotativa, de prensa hidráulica plana y de matriz

de extrusado.

5.1.1.- Briquetadora de prensa cilíndrica rotativa

La ilustración de este tipo de briquetadoras se muestra en la figura 27.

Partes principales:

1.- Banda de alimentación

2.- Trampa para metales

3.- Tolva de alimentación

4.- Cilindros prensadores

5.- Engranes de sincronización y

transformación de potencia

6.- Banda transportadora de briquetas

Figura 27. Esquema de una briquetadora de

prensa cilíndrica rotativa Fuente: Walter, 1985



Funcionamiento:

El principio de funcionamiento de la máquina es relativamente sencillo. La materia

prima (mezcla de aglutinante con cisco) es transportada por la banda superior hasta la tolva

de alimentación; la tolva tiene abertura graduada para realizar la dosificación hacia el área

de contacto entre las dos ruedas o cilindros compactadores. Dichos cilindros, giran en

sentido contrario de forma sincronizada y a una misma velocidad, haciendo coincidir la matriz

de briquetado, de tal forma que el material a briquetar se conjunta entre ambas cavidades a

la vez que es comprimido conforme se reduce la distancia entre las partes del molde. La

briqueta obtenida cae, tras la separación de las partes del molde, sobre la banda inferior, la

cual le transporta hasta la sección de secado. Finalmente, la única función de la trampa para

metales es librar a los cilindros compactadores de algún metal, con el fin de evitar

sobrepresiones a los cilindros.

Características:

Ejerce presiones de briquetado de alrededor de 40 kg/cm2.

El diámetro de los cilindros oscila de 495 a 600 mm.

El ancho de los cilindros puede ser de 150 a 320 mm.

La capacidad de briquetado en promedio es de 1.5t/h (8,600 t/año).

La densidad del producto en promedio es de 0.85 gr/cm3.

Todo el proceso de briquetado se realiza de forma altamente mecanizada y contínua.

Se obtienen briquetas de forma de almohadilla principalmente.

Se producen alrededor de 90 piezas (como máximo) por revolución, dependiendo del modelo o prototipo.

Requiere al menos 7.5 hp de potencia.

Velocidad de giro para los cilindros de 3 a 12 rpm.

5.1.2.- Briquetadora de prensa hidráulica plana

Este tipo de briquetadora no está desarrollado al mismo nivel que las de prensa de

cilindro rotativo o las de matriz de extrusado, debido a que el proceso de producción es

intermitente, a diferencia de las otras briquetadoras en las que se tiene un flujo continuo en

la fabricación de briquetas.



La briquetadora se muestra en la figura 28.

Partes principales:

1.- Plato superior de presión.

2.- Bloque de molde.

3.- Placa de pistón.

4.- Pistón.

5.- Cilindro hidráulico.

6.- Mesa estándar.

7.- Partes del molde.

Figura 28. Esquema de una briquetadora de

prensa hidráulica de moldes en bloque. Fuente: Walter, 1985

Funcionamiento:

Al igual que el caso anterior, este prototipo de máquina briquetadora necesita que la

alimentación se realice en forma manual.

Una vez que se ha llenado el bloque de moldes, se desliza la placa superior de

presión hasta tapar la sección del mismo. Después se acciona el pistón hidráulico que

suministra la presión necesaria para el comprimido y consecuente formado de las briquetas;

la presión se distribuye en todos los moldes para briquetado. Las piezas obtenidas en cada

prensada son retiradas de los moldes por el operador.

Características:


La densidad de las briquetas es en promedio de 0.80 gr/cm3.

El proceso de briquetado se realiza de forma semimecanizada e intermitente.

Se obtienen briquetas de forma de almohadilla principalmente.



5.1.3.- Briquetadora de matriz de extrusado

Existen dos prototipos de briquetadoras de matriz de extrusado: las de pistón

hidráulico y las de sinfín (figura 29). Este proceso es muy similar al utilizado por las industrias

de cerámica de alta presión.

Partes principales:

1.- Cilindro.

2.-. Matriz de extrusado.

3.- Tolva de alimentación.

4.- Pistón de presión.

5.- Sinfín de presión.

Figura 29. Esquema de una briquetadora de matriz de extrusado

Fuente: Walter, 1985

Funcionamiento:

Ambos prototipos de máquinas briquetadoras tienen un principio de funcionamiento

muy similar. La diferencia puede apreciarse en la figura 29.

La mezcla de material es alimentada y dosificada a través de la tolva o sinfín según

corresponda, los cuales suministran una presión que obliga al material a salir por los orificios

de la matriz de extrusado; finalmente, el producto obtenido es troceado en dimensiones

homogéneas, teniendo como resultado briquetas de forma cilíndricas.

Características:

Trabaja con presiones de briquetado que van de 55 a 87 kg/cm2.

Es más barata que otros tipos de briquetadoras.

Produce briquetas cilíndricas con diámetro de 3 cm y longitud de 4 cm, o bien, briquetas tubulares con diámetro exterior y longitud igual a 4 cm.

Se obtienen briquetas con densidades de 0.80 a 0.99 t/m3.

Es de tecnología simple.

Se basa en el proceso extrusivo de la cerámica de alta producción.



5.1.4.- Equipos para briquetado disponibles en el mercado internacional

La información recabada vía correo electrónico se obtuvo de la siguiente manera:

primero se localizó la página WEB de empresas fabricantes y/o distribuidoras de máquinas

briquetadoras para carbón vegetal; posteriormente se envió un mensaje solicitando

cotizaciones e información sobre dichos equipos vía e-mail, a lo cual accedieron varias

empresas (ver anexo 2).

El objetivo de analizar el tipo de máquinas briquetadoras para carbón vegetal que

ofrece el mercado internacional, es conocer los costos de adquisición y el volumen de

producción de dichas máquinas, para poder evaluar en que medida satisfacen las

expectativas de los pequeños y medianos productores de carbón vegetal de México.

De acuerdo con “AEROGLIDE Corporation”, para garantizar la rentabilidad en la

instalación de una planta para briquetado de carbón vegetal, del tamaño que dicha

corporación diseña, fabrica y comercializa, se debe tener un volumen de producción mínimo

de 11,000 toneladas de briquetas por año para justificar la inversión.

La empresa “SIMALE MAQUINARIA”, comercializa máquinas briquetadoras para

carbón vegetal, marca “COMAFER”, del tipo matriz de extrusado. Los modelos y

especificaciones de dichas máquinas se muestran en el cuadro 14.

Cuadro 14. Características y especificaciones de máquinas briquetadoras para carbón vegetal, tipo matriz de extrusado.

Modelo

60N

85N

110N

140N

250N 250N Super

350N 350N Super

Producción (kg/hr)

30 a 60

40 a 85

50 a 110

70 a 140

100 a 250

100 a 250

200 a 350

200 a 350

Motor de la bomba (HP)

7.5

7.5

10

12.5

15

20 15 (X2)

15 (X2)

Diámetro de briqueta (mm)

55

60

65

70

75

75

75

75

Diámetro de cilindro (mm)

1000 a 900

1000 a 900

1000 a 900

1000 a 900

1200 1200 1200 1200

Largo (mm) 1450 1650 1730 1800 2100 2100 2400 2400 Ancho (mm) 1120 1160 1250 1200 1350 1350 1420 1420 Altura (mm) 1405 1460 1470 1480 1540 1540 1590 1590 Peso (kg) 660 850 960 1180 1400 1500 1800 1900

Fuente: SIMALE MAQUINARIA



Las briquetadoras para carbón vegetal ofrecidas por SIMALE MAQUINARIA de tipo

matriz de extrusado, son como se muestra en la figura 30.

Figura 30.- Briquetadora tipo matriz de extrusado, marca COMAFER Fuente: SIMALE MAQUINARIA

La producción de las máquinas briquetadoras para carbón vegetal disponibles en

SIMALE MAQUINARIA, se presenta en el cuadro 15. El cálculo de la producción en

toneladas por año se realizó con los datos de producción del cuadro 14. En el cuadro 14 se

presenta un rango en la producción, por lo que se calculó la producción máxima y mínima

con base en los valores de dicho rango. Con los datos de producción en kg/hr se obtuvo la

producción por turno, considerando un turno o jornal de 8 horas, el resultado se convirtió a

toneladas para tener un valor con mejor referencia. Para la producción por año se consideró

un total de 300 jornales, equivalentes a 2400 horas por año. El cálculo consistió en

multiplicar la producción por hora por el número de horas que se trabaja en el año.

Cuadro 15. Productividad de los diferentes modelos de máquinas briquetadoras para carbón vegetal, mostradas en el cuadro 14

Modelo 60N 85N 110N 140N 250N 250N Super 350N 350N

Super

30.00 40.00 50.00 70.00 100.00 100.00 200.00 200.00kg/hr 60.00 85.00 110.00 140.00 250.00 250.00 350.00 350.00

0.24 0.32 0.40 0.56 0.80 0.80 1.60 1.60ton/turno (8hrs) 0.48 0.68 0.88 1.12 2.00 2.00 2.80 2.80

72.00 96.00 120.00 168.00 240.00 240.00 480.00 480.00ton/año (300 turnos) 144.00 204.00 264.00 336.00 600.00 600.00 840.00 840.00

Valores calculados con base a los datos de producción del cuadro 14



De los equipos analizados en el cuadro 15, se puede apreciar que el modelo 60 N,

es el que mejor se ajusta a los requerimientos de producción demandados por los pequeños

y medianos productores de carbón vegetal en México. En contraparte, el principal

inconveniente de éste equipo es su costo de adquisición, ya que se encuentra muy por

encima de la capacidad de compra de los potenciales clientes nacionales. Debido a la

magnitud de su peso, no es factible realizar maniobras, en forma manual, para su instalación

y transporte. Además, las características del producto, briquetas manufacturadas por el

proceso de extrusión, son las de menor demanda en el mercado. Aunado a lo anterior, se

deben considerar las desventajas implícitas al adquirir un equipo de importación, en

aspectos relacionados con mantenimiento preventivo y correctivo, refacciones, reparaciones

específicas, capacitación y asistencia técnica para un adecuado funcionamiento del equipo.

El Grupo ACETEC, aportó la cotización de una maquina briquetadora de prensa

hidráulica con matriz de briquetado igual en los dos platos de la prensa (figura 31). La

capacidad de producción de dicho equipo es de 250 toneladas de briquetas por año.

31.- Briquetadora para carbón vegetal de presa hidráulica Fuente: Grupo ACETEC

En lo referente a los costos de adquisición de los diferentes equipos para briquetado

de carbón vegetal, disponibles en el mercado internacional, se recibieron cotizaciones de

tres maquinas (ver anexo 1).



La empresa SIMALE MAQUINARIA cotizó dos de los equipos descritos en el cuadro

14, con fecha del 15 de Octubre de 2001. Los costos de adquisición son:

Equipo Nuevo. Briquetadora de matriz de extrusado.

Marca COMAFER

Mod. Dinamic 85 N

Serie "Millenium"

Precio en pesos mexicanos: $ 102,180 + IVA (LAB Puerto de Veracruz)

Equipo Nuevo. Briquetadora de matriz de extrusado.

Marca COMAFER

Mod. Dinamic 110 N

Serie "Millenium"

Precio en pesos mexicanos: $ 114,232 + IVA (LAB Puerto de Veracruz)

El Grupo ACETEC cotizó el equipo mostrado en la figura 31, con fecha del 18 de

Octubre de 2001. El costo de adquisición es el siguiente:

Equipo Usado. Briquetadora de prensa hidráulica.

Marca BLISS Duplex

Número de Serie: CN1612.

Manufacturado en 1951.

Precio en pesos mexicanos: $ 318,469.50 + IVA (LAB Toledo, Ohio, E.U.A.)

La empresa Aeroglide Corporation, no realizó cotización de algún equipo, debido a

que la misma empresa consideró que la maquinaria que comercializa no es adecuada para

las condiciones de los productores mexicanos, sobre todo en los costos de adquisición y

producción anual del equipo, mencionando que la producción mínima para hacer rentable la

adquisición, instalación y operación de una línea de producción y envase de briquetas, con la

maquinaria que ellos manufacturan, debe ser de por lo menos 11,000 toneladas por año.

Retomando la caracterización de los productores nacionales, tendríamos que reunir la

producción de por lo menos 10 productores grandes para mantener operando una línea de

producción de dicha empresa.

Desarrollo y Resultados Requerimientos del Producto


5.2.- Requerimientos del producto

Este capítulo consistió en desarrollar la oportunidad derivada de una necesidad, de

los pequeños y medianos productores de carbón vegetal en México, y compilar información,

mediante una serie de consideraciones convenientes para dar solución a dicha necesidad,

con la posterior generación de un objeto físico o nuevo producto que la satisfaga.

Para determinar los requerimientos del producto, primero fue necesario dejar claro

el proyecto y decidir las estrategias necesarias para llevarlo acabo, existiendo un proceso

ordenado para definir el perfil de las especificaciones del prototipo, proceso que ya fue

descrito en la metodología, de los autores Haynes, 1998; Torres y Molina 1999.

5.2.1.- Desarrollo de una oportunidad derivada de una necesidad El carbón vegetal es un producto forestal no maderable que tiene gran demanda en

México y el extranjero. De acuerdo con FAO (citada por Sánchez 1997b), dicho producto

presenta una producción estimada, para 1995, de115,000 toneladas métricas (TM) por año,

del cual, según Prudente (1989), se calcula que hasta un 25% no tiene valor comercial

debido a que su tamaño no es aceptado en el mercado.

Ante la situación anterior surgió la necesidad de proponer alternativas que

permitieran incorporar dicho carbón no comercial al volumen de producción, encontrando la

opción más viable en la fabricación de briquetas de carbón vegetal.

El mercado internacional ofrece maquinaria y equipo complementario para el

briquetado de carbón vegetal, con el inconveniente de que la producción y costos de dicha

maquinaria son muy elevados para las necesidades de los pequeños y medianos

productores mexicanos, los cuales demandan un equipo cuya capacidad de producción sea

menor a 20 ton/año, para pequeños, y de 20 a 50 ton/año, para medianos (ver

requerimientos del cliente); el mercado internacional ofrece algunas alternativas para cubrir

dicha capacidad, pero el costo del equipo se encuentra muy por encima del poder adquisitivo

del productor. Aunado a esta situación, el mantenimiento del equipo resulta ser muy costoso

debido a que todos los equipos para briquetado de carbón vegetal son de fabricación

extranjera.

Ante tal panorama, se planteó la necesidad de diseñar y construir un prototipo de

máquina briqueteadora de carbón vegetal adecuada para pequeños y medianos productores

de México. Este equipo debe ser apropiado a la capacidad de producción de estos, así como

un precio de adquisición y costos de operación acordes a las necesidades de los mismos.



5.2.2.- Requerimientos del cliente

El cliente es el individuo que necesita el satisfactor, decide su compra y será el

usuario, por lo que será quién imponga las restricciones referentes al desarrollo del producto.

De manera general, el concepto de cliente involucra a todas aquellas personas

encargadas de comprar, utilizar, comercializar, financiar, fabricar y ensamblar el equipo por

diseñar, por ello se establecieron, mantuvieron y vigilaron las restricciones a que se sometió

el producto durante su diseño y construcción. En este caso, el cliente se refiere a los

productores, personal operativo, profesores, investigadores, ingenieros, técnicos en

mecánica industrial, así como las demás personas que tienen influencia directa o indirecta en

las características del producto en cuestión.

De las personas que influyen en el desarrollo del producto, el “cliente potencial” o

usuario directo, es quién explote los beneficios del equipo, y en este caso son los medianos

productores mexicanos, quienes aseguran una producción de 200 a 500 TM de carbón

vegetal, y los pequeños productores con menos de 200 TM, con la consecuente producción

de 20 a 50 ton anuales de finos de carbón, disponibles para su incorporación en el volumen

de producción, una vez que sean transformados en briquetas.

Los requerimientos del cliente son los que definen las características o

especificaciones que debe tener el producto, en este caso el prototipo de máquina

briqueteadora de carbón vegetal, atendiendo a las necesidades propias de los clientes

potenciales (pequeños y medianos productores de carbón vegetal en México), es decir,

dichos requerimientos proporcionan el fundamento técnico, científico y socioeconómico del

prospecto de solución.

Los requerimientos del cliente son los siguientes:

a).- Económicos: Bajo costo de adquisición.

Bajo costo de operación.

Bajo costo de mantenimiento preventivo y correctivo.

Rentabilidad.



b).- Aspectos técnicos: Producción menor de 20 y hasta 50 ton/año (8.33 a 20.8 kg/hr).

Producto de calidad comercial.

No dañar física o mecánicamente el producto elaborado.

Fácil instalación y desinstalación sin personal capacitado.

Diseño ergonómico.

Posibilidad de crecimiento de la planta (utilizar dos o más máquinas). c).- Operación:

Fácil alimentación de la mezcla.

Facilidad en la descarga del producto.

Buena confiabilidad.

Prensado automático.

Seguridad para el operario. d).- Energía:

Bajo consumo de energía eléctrica.

Energía eléctrica monofásica. e).- Aspectos físicos:

Lo más compacta posible.

Lo más ligera posible.

Apariencia estética. f).- Construcción:

Construida con elementos de fabricación nacional.

Procesos de maquinado sencillos.

Uso de herramientas y máquinas convencionales. g).- Durabilidad de la máquina:

Uso de materiales durables y resistentes.

Refacciones disponibles en el mercado nacional.

Mecanismos de seguridad y protección de la máquina.

Facilidad de mantenimiento preventivo y correctivo sin personal capacitado.

Posibilidad de resguardo. h).- Normativos:

Atención a normas y leyes de diseño y operación. i).- Ecológicos:

Nula o baja contaminación por ruido, vibración y residuos tóxicos, entre otros.



5.2.3.- Traducción de los requerimientos del cliente a términos mensurables Esta es una de las etapas decisivas en el proceso de diseño. Aquí se trata de

convertir un lenguaje subjetivo en expresiones mucha más concretas; el objeto de esto, es

encontrar la manera de medir o controlar los requerimientos del cliente. Para conseguir lo

que se plantea en esta fase del diseño, fue necesario analizar en forma ordenada cada uno

de los requerimientos del cliente. El análisis y descripción de estos, se muestra a

continuación:

1.- Bajo costo de adquisición.

Este requerimiento se tradujo como el precio máximo que debe tener la máquina en

el mercado, incluyendo los costos por transporte e impuestos por pagar.

2.- Bajo costo de operación.

Se refiere a los costos de la mano de obra, consumo de energía y otros insumos

necesarios para su funcionamiento.

3.- Bajo costo de mantenimiento preventivo y correctivo.

Se relaciona con los gastos por concepto de mano de obra, herramientas,

refacciones o repuestos e insumos, como lubricantes, necesarios para el mantenimiento

preventivo y otras reparaciones o ajustes que requiera la máquina durante su operación.

4.- Rentabilidad.

Se buscó un buen margen de utilidad o ganancia. Esto significa que la máquina

debe tener la capacidad de trabajar en forma continua durante todo el año, produciendo

utilidades netas satisfactorias.

5.- Producción menor de 20 y hasta 50 ton/año (8.33 a 20.8 kg/hr).

La máquina debe tener la capacidad de transformar desde menos de 20 toneladas

de cisco en briquetas por año para los pequeños productores, hasta un rango de 20 a 50 ton

anuales para los productores medianos. El volumen anterior representa entre un 10 y un

20% del volumen total de producción de un pequeño o mediano productor de carbón vegetal

en México, esto es de 100 a 500 ton de carbón vegetal por año, las cuales producen cisco

durante las operaciones de manejo, transporte y envasado.

6.- Producto de calidad comercial.

Las briquetas deben producirse con forma y acabado que garantice su aceptación

en el mercado. Dadas las condiciones del mercado, se consideró que la forma de la briqueta

fuera la almohadilla con dimensiones estándar, a la cual se aplicará una presión que permita

obtener la densidad deseada en el producto.



7.- No dañar física o mecánicamente el producto elaborado.

La briqueta debe presentar su forma limpia, es decir, libre de alteraciones tales

como “costillas”, fracturas, protuberancias o hendiduras. La presión debe ser apropiada y de

fácil control, para evitar que se aplique en forma excesiva, alterando la densidad del

producto, lo cual dificultaría su ignición.

8.- Fácil instalación y desinstalación sin personal capacitado.

La instalación del equipo podrá realizarla cualquier persona con conocimiento

básico sobre las características del prototipo. La desinstalación del equipo para reparación o

cambio de domicilio también debe poder realizarse de manera sencilla.

9.- Diseño ergonómico.

Dado que las operaciones de carga y descarga de la matriz de prensado son

manuales, se consideró la ergonomía para la altura de trabajo, posturas y esfuerzos físicos,

para así poder garantizar las mejores condiciones de trabajo para el encargado del

mantenimiento, reparaciones, transporte y para la instalación. Para esto último, se debe

acondicionar un lugar en el sitio de instalación, para maniobras durante la operación y

mantenimiento del equipo.

10.- Posibilidad de crecimiento de la planta (utilizar dos o más máquinas).

Se traduce en la posible adquisición de dos o más de estos prototipos de

briquetadora, previniendo un posible incremento en la producción de carbón vegetal, en

forma paulatina.

11.- Fácil alimentación de la mezcla.

Debido a que el costo de adquisición es reducido, puesto que los clientes son

pequeños o medianos productores cuyo poder adquisitivo es limitado. El precio máximo de

adquisición impide pensar en el uso de un sistema de carga de materia prima con

determinado grado de mecanización, ya que representa un incremento considerable en dicho

costo. Por lo anterior se considera adecuado que para esta parte del proceso se diseñe un

sistema manual para cargar la mezcla en la briquetadora en forma manual.

12.- Facilidad en la descarga del producto.

Este requerimiento se traduce de la misma forma que el anterior, ya que un sistema

de descarga del producto con determinado grado de mecanización implica un incremento

considerable en el precio de adquisición. Por lo anterior se considera adecuado que esta

parte del proceso de realice en forma manual.



13.- Buena confiabilidad.

El mantenimiento preventivo y correctivo bajo condiciones de trabajo normales, no

debe requerirse en demasía, esto es que la garantía del equipo debe ser alta.

14.- Prensado automático.

La compresión del carbón vegetal debe realizarse mecánicamente (no

necesariamente automatizado), con el fin de eliminar la posibilidad de accidente del operario

en esta fase del proceso de briquetado.

15.- Seguridad para el operario.

El diseño de la máquina debe ser amigable con el usuario, esto es que, la

probabilidad de que ocurra un accidente durante la operación o mantenimiento de la

máquina debe ser mínima.

16.- Bajo consumo de energía.

Se enfoca a reducir distancias de los movimientos, del prototipo y del operario,

necesarios para la operación del equipo, con el objeto de que las pérdidas de energía

durante el proceso de producción de briquetas de carbón vegetal se minimicen lo más que

sea posible. Este requerimiento se relaciona con los costos de operación, puesto que si

consigue un uso eficiente de energía, se obtiene un menor costo de operación.

17.- Energía eléctrica monofásica.

Se traduce como la necesidad de que la máquina funcione con energía monofásica

de 110 o 220 V, a fin de que no se requiera de instalaciones especiales para la operación del

equipo, siempre y cuando la capacidad del motor sea suficiente para accionar la prensa.

18.- Lo más compacta posible.

Las dimensiones exteriores del equipo deberán ser lo más reducidas posibles, a fin

de facilitar transporte e instalación. Asimismo, al tener las dimensiones mínimas que los

requerimientos del diseño permitan, se discierne que se está realizando un uso adecuado y

racional de materiales, que a su vez se verá reflejado en el costo del prototipo.

19.- Lo más ligera posible.

El peso de máquina es importante para su transporte e instalación, ya que se

pretende que el equipo sea transportado por dos personas, a su vez, éste, es relevante para

el diseño en cuanto al costo de los materiales, debido a que la comercialización de estos, se

calcula por peso, de tal manera que un menor peso del equipo implica menor uso y costo de

materiales y por añadidura un menor costo del prototipo.



20.- Apariencia estética.

La estética no es importante en el funcionamiento del prototipo, sin embargo, influye

en la psicología de la persona que la utilice, ya que puede proyectar cierto agrado o

seguridad para su uso. Por lo anterior es recomendable proporcionar un aspecto agradable o

amigable al prototipo.

21.- Construida con elementos de fabricación nacional.

Es necesario que la mayor cantidad de elementos que compongan la máquina sean

de origen nacional o provenientes de la industria mexicana. Esto se considera previendo la

necesidad de reemplazar algún elemento desgastado en el equipo, puesto que si se utilizan

elementos procedentes de otro país, no se podrían conseguir fácilmente.

22.- Procesos de maquinado sencillos.

El proceso de manufactura o construcción del prototipo se compone de procesos de

maquinado, soldadura y fundición. Para ello no es necesario capacitar personal para

procesos especiales en la construcción, y se habilita la opción de construir el prototipo

prácticamente en cualquier taller especializado que cuente con equipo y herramientas

convencionales para trabajar con metales.

23.- Uso de herramientas y máquinas convencionales.

La manufactura del prototipo debe ser posible en cualquier taller especializado, con

máquinas y herramientas convencionales, tales como equipo de soldadura y fundición, torno,

fresadora, herramientas y elementos de corte para metales, entre otras máquinas y

herramientas adicionales y afines a las anteriores.

24.- Uso de materiales durables y resistentes.

Se traduce en que todos los materiales empleados en la construcción del prototipo

sean seleccionados de tal forma que se asegure un buen desempeño y prolongada vida útil,

bajo las condiciones de trabajo que implica el proceso de briquetado de carbón vegetal.

25.- Refacciones disponibles en el mercado nacional.

Todas las refacciones propias del nuevo prototipo podrán encontrarse en el

mercado nacional, o en su defecto se podrán manufacturar en talleres convencionales.

26.- Mecanismos de seguridad y protección de la máquina.

Es necesario utilizar un tamiz o criba para que la materia prima no presente agentes

extraños (piedras, metales, entre otros), que pueden dañar el molde o matriz de prensado,

con lo que se pueden generar malformaciones en el producto.



27.- Facilidad de mantenimiento preventivo y correctivo sin personal capacitado.

La práctica de estas actividades debe ser lo más sencilla posible, de tal forma que

pueda realizarla cualquier persona con un mínimo conocimiento sobre las características

funcionales y de construcción del prototipo. El esfuerzo requerido para su ejecución debe ser

mínimo y las herramientas necesarias para su cumplimiento deben ser convencionales o de

fácil adquisición, económicas y deben tener disponibilidad en comercios tradicionales

(ferreterías, tlapalerías, entre otros), en su totalidad.

28.- Posibilidad de resguardo.

Este requerimiento se contempla debido a que es necesario que el prototipo trabaje

dentro de una nave o bajo techo, para no tener problemas por los efectos de los factores de

intemperización y sus nocivas consecuencias.

29.- Atención a normas y leyes de diseño y operación.

El diseño de todos los componentes del prototipo se debe realizar con base en las

condiciones establecidas en el Sistema Internacional de Unidades (SI).

30.- Nula o baja contaminación por ruido, vibración y residuos tóxicos, entre otros.

Este parámetro implica a todas los factores que alteran la armonía del medio

ambiente, tales como: residuos tóxicos, gases, ruido, vibraciones, interferencia de ondas,

entre otros, se reduzcan o eliminen tanto como sea posible.

5.2.4.- Ponderación de los requerimientos del cliente La ponderación de los requerimientos del cliente consistió en analizar y establecer la

importancia relativa entre ellos, ordenándolos primero en requerimientos obligatorios o

necesarios y en deseables u opcionales.

La determinación de la importancia relativa que permitió separar los requerimientos

del cliente, en obligatorios y deseables, se hizo considerando como requerimientos

obligatorios a todos aquellos que de no cumplirse, afectarían la funcionalidad y viabilidad del

prototipo, haciéndolo incosteable y deficiente.

De esta manera, los requerimientos, cuyas especificaciones pudieron no cumplirse

plenamente, se convirtieron en requerimientos deseables, mismos que se ordenaron en una

secuencia de importancia relativa para que una vez satisfechas las características

demandadas por los requerimientos obligados, se procediera a cumplir con los deseables en

la medida que el diseño del prototipo lo permitió, es decir, que el cumplimiento de estos

últimos, no fue necesario hacerlo plenamente.



i).- Requerimientos obligatorios: Los requerimientos obligatorios tienen el mismo grado de importancia entre sí; por lo

que si alguno de ellos no se satisface plenamente, el diseño será deficiente, ya que todos

ellos son indispensables para obtener un prototipo diseñado correctamente.

a).- Económicos: Bajo costo de adquisición.

Bajo costo de operación.

Bajo costo de mantenimiento preventivo y correctivo.

Rentabilidad.

Se consideran como obligatorios debido a que si dichos costos resultan por encima

del poder económico del cliente, esté, no tendrá la posibilidad de adquirir el producto. La

operación o funcionamiento implica desgaste del equipo, por lo que es preciso que el costo

por mantenimiento sea reducido, a fin de que la rentabilidad del prototipo no resulte afectada.

b).- Aspectos técnicos: Producción menor de 20 y hasta a 50 ton/año (8.33 a 20.8 kg/hr).

Producto de calidad comercial.

Técnicamente, los aspectos invariablemente necesarios para el prototipo, implican

que éste, satisfaga el volumen de producción adecuado para el cliente, asimismo, el

producto elaborado debe presentar las características que el mercado considera como

aceptables, evitando problemas en la comercialización.

c).- Operación: Fácil alimentación de la mezcla.

Facilidad en la descarga del producto.

Buena confiabilidad.

Seguridad para el operario.

Los aspectos relacionados con la seguridad del operario son necesarios, debido a

que se pretende diseñar un prototipo confiable, de funcionamiento seguro. Asimismo, la

facilidad en la alimentación del equipo, al igual que la descarga del producto, son obligatorios

para cumplir con la producción requerida.

d).- Energía: Bajo consumo de energía.

Este requerimiento es complementario a los costos de operación, por lo que es

ineludible que sea considerado como obligatorio, puesto que su adecuada aplicación al

diseño repercute en un menor costo en la producción de briquetas.



e).- Aspectos físicos: Lo más compacta posible.

Lo más ligera posible.

Estos requerimientos son imprescindibles, sobre todo por las condiciones de los

pequeños productores de carbón vegetal en México, puesto que diseñar con las dimensiones

y peso mínimos, adecuados para el prototipo, implican facilidad para el transporte e

instalación de éste. Dicha importancia radica en el hecho de que no todos los productores

de carbón vegetal, cuentan con instalaciones fijas para la producción, por lo que en estos

casos será necesario trasladar el equipo al lugar de la producción, es decir, éste, tendría que

moverse cada vez que el productor cambie la ubicación de su campamento en el bosque.

f).- Construcción: Construida con elementos de fabricación nacional.

Procesos de maquinado sencillos.

Estos aspectos son destacables por el hecho de que los materiales con que se

construya el prototipo deben tener disponibilidad en establecimientos convencionales, tales

como las distribuidoras de aceros y perfiles, que es común encontrar en casi cualquier

ciudad del País. Asimismo, es conveniente que los procesos de maquinado puedan

realizarse en cualquier taller especializado, sin necesidad de equipo sofisticado.

g).- Durabilidad de la máquina: Uso de materiales durables y resistentes.

Se considera que los materiales utilizados en la manufactura del equipo resistan la

acción de ciertos agentes dañinos, como los causales de la intemperización, con un mínimo

de mantenimiento, con el objeto de alargar la vida útil del prototipo.

h).- Normativos: Atención a normas y leyes de diseño y operación.

Es necesario considerar que son la referencia para asegurar la correcta ejecución

del diseño, puesto que con la estandarización de medidas permite que las piezas u

elementos del prototipo sean de fácil comprensión al momento de su manufactura.

i).- Ecológicos: Nula o baja contaminación por ruido, vibración y residuos tóxicos, entre otros.

Es necesario reducir o eliminar la posibilidad de que la operación del equipo resulte

agresiva para el medio ambiente, ya que ello, además, implicaría posibles daños en la salud

del operario y trabajadores aledaños a ésta, incluyendo las consecuencias sociales,

económicas y ecológicas implícitas en afectar el ambiente.



ii).- Requerimientos deseables: Los requerimientos deseables son los que complementan a la función sustantiva del

producto por diseñar, pero que tienen menos influencia en su desempeño.

b).- Aspectos técnicos: No dañar física o mecánicamente el producto elaborado.

Fácil instalación y desinstalación sin personal capacitado.

Diseño ergonómico.

Posibilidad de crecimiento de la planta (utilizar dos o más máquinas).

Técnicamente, puede permitirse algún defecto o daño físico, que no altere

sustancialmente las propiedades de la briqueta, siempre y cuando el producto pueda

comercializarse adecuadamente. En lo que al diseño ergonómico se refiere, la altura de

trabajo puede adecuarse al instalar la máquina. Asimismo, la posibilidad de instalar dos o

más equipos no resulta indispensable en el diseño del equipo.

c).- Operación: Prensado automático.

El prensado automático implica el uso de aditamentos especializados, cuyo costo

puede afectar considerablemente el precio final del prototipo. Por lo anterior, se consideró

como posibilidad o alternativa para el prensado, dando cabida a otros mecanismos menos

sofisticados, prácticos y menos costosos.

d).- Energía: Energía alterna a la electricidad.

Dado que se considera la posibilidad de que el prototipo necesite ser transportado

para trabajar en el cuartel del productor de carbón vegetal, se da prioridad al uso de otro tipo

de energía alterna a la electricidad.

e).- Aspectos físicos: Apariencia estética.

Este requerimiento no tiene gran influencia en el diseño y funcionamiento del

prototipo. Lo anterior debido a que la apariencia del equipo se determina por las dimensiones

y peso del mismo.

f).- Construcción: Uso de herramientas y máquinas convencionales.

La construcción del prototipo puede o no realizarse con herramientas y máquinas

convencionales, ya que se plantea la posibilidad de que un taller especializado puede estar

provisto de equipo propio o construido en el mismo taller.



g).- Durabilidad de la máquina: Refacciones disponibles en el mercado nacional.

Mecanismos de seguridad y protección de la máquina.

Facilidad de mantenimiento preventivo y correctivo sin personal capacitado.

Posibilidad de resguardo.

Los anteriores requerimientos deseables referentes a la durabilidad de la máquina,

pueden omitirse si se considera que las refacciones o elementos del prototipo pueden

manufacturarse en cualquier taller especializado, y considerando que los elementos de que

se compone el equipo son de origen nacional, no representa inconvenientes. Los

mecanismos para protección y resguardo del equipo no son relevantes si se considera que el

prototipo puede operar en un lugar fijo o en el lugar de producción de carbón vegetal o

cuarteles en el bosque.

iii).-Ponderación de los requerimientos deseables:

La ponderación es una ordenación de los requerimientos deseables, para ello se

elaboró una matriz con la que se realizó una comparación de todos entre si. Dicha

comparación se realizó en pares, permitiendo decidir cual de los dos elementos del par es

más importante. De esta ponderación se obtuvo una secuencia de importancia relativa, entre

los requerimientos deseables, con la cual se estableció la prioridad en que se podrían

satisfacer una vez que se cumplieron los requerimientos obligatorios (cuadro 16).

Los requerimientos del cliente, considerados como deseables u opcionales para el

diseño y construcción del prototipo son los siguientes:

1.- No dañar física o mecánicamente el producto elaborado. 2.- Fácil instalación y desinstalación sin personal capacitado. 3.- Diseño ergonómico. 4.- Posibilidad de crecimiento de la planta (utilizar dos o más máquinas). 5.- Prensado automático. 6.- Energía eléctrica monofásica. 7- Apariencia estética. 8- Uso de herramientas y máquinas convencionales para su construcción. 9- Refacciones disponibles en el mercado nacional. 10.- Facilidad de mantenimiento preventivo y correctivo sin personal capacitado. 11.- Mecanismos de seguridad y protección de la máquina. 12.- Posibilidad de resguardo.



Cuadro 16. Matriz comparativa de los requerimientos deseables.

Requerimientos Deseables 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (+) (%)

1 - - + + + + - - - - + 5 7.582 + + + + + + + - - + + 9 13.643 + - + + + + - - - + + 7 10.614 - - - - + - - - - - - 1 1.525 - - - + + + - - - - + 4 6.066 - - - - - + - - - + + 3 4.557 - - - + - - - - - - - 1 1.528 + - + + + + + - - + + 8 12.129 + + + + + + + + - + +- 10 15.15

10 + + + + + + + + + + + 11 16.6711 + - - + + - + - - - + 5 7.5812 - - - + - - + - - - - 2 3.03

Totales 66 100.00

Ordenando los resultados de la matriz comparativa mostrada en el cuadro 16, los

requerimientos deseables quedaron de la siguiente manera:

1.- Facilidad de mantenimiento preventivo y correctivo sin personal capacitado. 2.- Refacciones disponibles en el mercado nacional. 3.- Fácil instalación y desinstalación sin personal capacitado. 4.- Uso de herramientas y máquinas convencionales. 5.- Diseño ergonómico. 6.- No dañar física o mecánicamente el producto elaborado. 7.- Mecanismos de seguridad y protección de la máquina. 8.- Prensado automático. 9.- Energía eléctrica monofásica. 10.- Posibilidad de resguardo. 11.- Posibilidad de crecimiento de la planta (utilizar dos o más máquinas). 12.- Apariencia estética.

5.2.5.- Metas para el diseño

Con base en la traducción de los requerimientos del cliente a términos mensurables,

se preestablecieron las principales especificaciones de la máquina briquetadora. Las metas

de diseño planteadas para el diseño y construcción del prototipo deben cumplir dos

requisitos: satisfacer las expectativas del cliente y ser realizables.



La secuencia, por simple orden, de las metas de diseño corresponde a la

importancia del requerimiento, o requerimientos si es el caso, del cual se obtuvo u originó.

Las metas de diseño son las siguientes:

1.- Costo de adquisición inferior a $15,000.00. 2.- Relación beneficio costo por lo menos de 1.5. 3.- Producción menor a 20 y hasta 50 toneladas de briquetas por año. 4.- Briquetas con forma de almohadilla y bordes redondeados. 5.- Briqueta de 50 mm de largo, 50 mm de ancho y 30 mm de grosor. 6.- Densidad promedio de las briquetas de 0.85 gr/cm3. 7.- Presión de briquetado promedio de 30 a 35 kg/cm2. 8.- Mecanismo sencillo para la alimentación de mezcla y descarga del producto. 9.- Dimensiones exteriores máximas del prototipo:

1.00 m altura, 0.80 m largo y 0.60 m ancho. 10.- El 100% de elementos constitutivos de fabricación nacional. 11.- Vida útil esperada de al menos 10 años. 12.- Estricto apego en el diseño al Sistema Internacional (SI). 13.- Briqueta libre de fracturas, protuberancias o hendiduras. 14.- Procesos de maquinado convencionales para su manufactura. 15.- Mantenimiento factible de ser proporcionado con herramientas convencionales. 16.- Herramientas y maquinaria convencionales para la manufactura del prototipo. 17.- Construcción con elementos estandarizados de fácil adquisición o manufactura. 18.- Refacciones de fácil adquisición o manufacturable en talleres convencionales. 19.- Instalación del equipo con herramientas convencionales o de fácil adquisición. 20.- Altura de trabajo ajustable. 21.- Acabados generales: pintura, placa de especificaciones, etc.

Desarrollo y Resultados Diseño Conceptual


5.3.- Diseño conceptual

En esta fase del diseño de la máquina briquetadora para carbón vegetal se enfoca a

conseguir que el prototipo proporcione beneficios importantes al cliente potencial, a través de

una simplificación en el diseño.

En el diseño conceptual es donde se desarrollaron las ideas fundamentales para la

máquina briquetadora; en esta fase también se decidieron los principios físicos en los que se

basará el prototipo prospecto de solución: la arquitectura, la idea general de la apariencia y

los principios de su funcionamiento.

El diseño conceptual parte de los requerimientos del cliente, desarrollando

procedimientos, conceptos y principios básicos necesarios para llevar a cabo los cálculos

preliminares y detallados del prototipo. Para realizar una adecuada evaluación del prototipo,

se utilizó el procedimiento ya descrito en la metodología de los autores Haynes, 1998; Torres

y Molina 1999.

El diseño conceptual adquiere su importancia al proporcionar la posibilidad de tomar

una decisión referente al prototipo que se propone para dar solución al problema detectado,

además de ayudar a predecir la relación del proceso de diseño sobre el costo de fabricación

o manufactura de dicho prototipo.

5.3.1.- Comprensión del problema

Para conseguir una adecuada comprensión del problema que se presenta al diseñar

el concepto del prototipo, fue necesario plantear el problema de una forma descriptiva, clara

y precisa; para conseguirlo se utilizó el concepto de la “caja negra” (figura 32), de Eduard V.

Erick (1992), citado por Torres y Molina (1999), el concepto involucra parámetros

identificados como: variables de entrada, variables de salida y restricciones, que determinan

el curso a seguir en el el diseño y construcción del prototipo en cuestión.



Figura 32. Concepto de la “caja negra” Fuente: Eduard V. Erick, 1992

La aplicación del concepto de la “caja negra” al diseño del prototipo de máquina

briquetadora para carbón vegetal, se muestra en la figura 33.

Figura 33. Aplicación del concepto de la “caja negra” Fuente: Eduard V. Erick, 1992

La aplicación del concepto de la caja negra permite identificar las variables de

entrada y de salida, así como las restricciones propias para el diseño, de una manera

descriptiva, sencilla y precisa. La mensura de los parámetros ilustrados por la caja negra es

la siguiente:

Variables de entrada:

Estas variables se refieren a las características de la mezcla o materia prima,

compuesta por finos de carbón vegetal, agua y aglutinante. Las características de la mezcla

son las siguientes:

1.- Densidad de la mezcla húmeda (0.5 a 0.7 gr/cm3). 2.- Contenido de humedad de la mezcla (20 a 25%). 3.- Cierto grado de corrosividad.

Variables de entrada

Variables de salida

Caja negra

Restricciones

Briquetas

Prototipo de máquina

briquetadora

Metas de diseño

Mezcla de finos de carbón vegetal con aglutinante



Variables de salida:

Este parámetro se refiere a las características del producto a obtener del prototipo,

en este caso briquetas de carbón vegetal.

1.- Densidad de la briqueta igual a 0.85 gr/cm3. 2.- Contenido de humedad de la briqueta sin secar (20 a 25%). 3.- Contenido de humedad de la briqueta seca (5 a 8%). 4.- Cierto grado de corrosividad. 5.- Briqueta con forma de almohadilla, de bordes redondeados. Largo: 50 mm Ancho: 50 mm Espesor: 30 mm

Restricciones:

En lo referente a las restricciones para el diseño del prototipo de máquina

briquetadora para carbón vegetal, de acuerdo con el cliente a quién se dirige el producto

(pequeños y medianos productores de carbón vegetal en México), y con base en los tipos de

máquinas briquetadoras existentes en el mercado internacional, se aprecia que el tipo de

máquina a que se debe parecer el prototipo a diseñar en este apartado, corresponde a un

sistema de briquetado por medio de prensa hidráulica, principalmente por los costos de

adquisición y la productividad tan elevados que presentan el resto de los equipos analizados.

Además, se tiene el antecedente de Torres y Molina (1999) con el diseño de una máquina

briquetadora de cilindros rotativos la cual, debido a su productividad, sólo se recomienda

para los grandes productores de carbón vegetal en México.

Otras restricciones a considerar para el diseño del prototipo, corresponden a lo

estipulado en las metas de diseño, mencionadas en el capítulo correspondiente a los

requerimientos del producto.

5.3.2.- Definir opciones de cada alternativa (Árbol de funciones)

El árbol de funciones es una representación esquemática en la que se ilustra el

orden lógico y el tipo de funciones que debe realizar el prototipo, es decir, de que manera se

convierten las variables de entrada en variables de salida.

El prototipo de máquina briquetadora para carbón vegetal cumple con una función

global (briquetado de carbón vegetal), con las siguientes funciones u operaciones

precursoras o primarias y funciones secundarias. Las funciones precursoras se ilustran a

continuación:

Dosificación >> Prensado – Moldeado >> Vaciado de matriz de briquetado



Desglosando las funciones primarias anteriores, a partir de una función global, se

tiene el árbol de funciones que se ilustra en la figura 34.

Figura 34. Árbol de funciones de la máquina de briquetado.

5.3.3.- Exposición de alternativas

Cada función precursora presenta varias funciones secundarias y terciarias, las

cuales pueden tener una o más alternativas para su solución.

Las funciones precursoras o primarias desglosadas, con sus respectivas propuestas

de solución, son las siguientes:

A).- Alternativas para la dosificación de materia prima a la máquina.

1.- Contener la mezcla a).- Aro alrededor del cuerpo de la matriz de briquetado inferior. 2.- Medir mezcla a).- Adición de un volumen y/o peso determinado de mezcla. b).- Aro calibrado en altura para un volumen de mezcla con densidad determinada. 3.- Separar mezcla a).- Desplazamiento descendente por gravedad.

B).- Alternativas para el moldeado y prensado.

1.- Llenar moldes a).- Dispositivo conductor y razador. b).- Por volumen de mezcla determinado. 2.- Hermetizado a).- Moldes en baterías.

Función Función Función Global Precursora Secundaria Contener la mezcla Dosificación Medir mezcla Separar mezcla Desplazar

(separa las briquetas)

Llenar moldes Moldeado y Hermetizado Briquetado de prensado Prensado carbón vegetal Dimensionado Formado

Vaciado Destapar moldes Desplazar moldes de moldes Vaciar moldes Invertir moldes Desprender briquetas



3.- Sistema de aplicación de presión para el Prensado a).- Pistón hidráulico. b).- Pistón neumático. c).- Sistema combinado, hidráulico y neumático. d).- Gato hidráulico convencional. e).- Torque. 4.- Dimensionado a).- Moldes predimensionados.

C).- Alternativas para el vaciado de la matriz de briquetado.

1.- Destapar moldes a).- Alejamiento de la plancha o molde inferior. 2.- Vaciar moldes a).- Invertir o sacudir moldes.

b).- Tomar la briqueta en forma manual.

Una vez presentadas las alternativas de solución, se realizó una combinación de las

mismas, a fin de generar diferentes conceptos o alternativas globales del prototipo, en este

caso 40 posibles combinaciones.

5.3.4.- Selección de la mejor alternativa

De las combinaciones anteriores se eligió al concepto u alternativa que ofreció las

mejores ventajas para el proceso de briquetado de carbón vegetal.

Para la evaluación de los conceptos se tomaron como base los requerimientos que

debe satisfacer el prototipo, siendo estos, el patrón de comparación.

Para simplificar el proceso de selección y caracterización general de los conceptos

generados, se realizó una descripción referente a lo que significa cada una de las soluciones

propuestas en el diseño del prototipo.

A).- Alternativas para la dosificación de materia prima a la máquina.

1.- Contener la mezcla a).- Aro alrededor del cuerpo de la matriz de briquetado inferior: indica que la contención de la mezcla se realizará con un aro dispuesto alrededor del cuerpo del molde o matriz de briquetado inferior. 2.- Medir mezcla a).- Adición de un volumen y/o peso determinado de mezcla: Se refiere a que se graduará un recipiente con un determinado volumen y/o peso de mezcla que asegure un adecuado llenado de los moldes. b).- Aro calibrado en altura para un volumen de mezcla con densidad determinada: Significa que la manera de medir la mezcla necesaria para los molde, se realizará con un aro con altura calibrada para un cierto volumen de mezcla con densidad determinada.



3.- Separar mezcla a).- Desplazamiento descendente por gravedad: La separación de la mezcla en el molde inferior se realizará automáticamente por desplazamiento descendente por acción de la fuerza de gravedad.

B).- Alternativas para el moldeado y prensado.

1.- Llenar moldes a).- Dispositivo razador: El llenado de los moldes se realizará con razador o rasero, de tal forma que la mezcla se distribuya uniformemente en la matriz de prensado inferior. b).- Por volumen de mezcla determinado: Se refiere a que para asegurar un correcto llenado de los moldes se adicionará un volumen determinado de mezcla, el cual debe ser calculado durante el desarrollo del diseño detallado. 2.- Hermetizado a).- Moldes en baterías: El hermetizado o unión de los moldes se realizará con moldes iguales pero opuestos, de tal forma que al acercarse los moldes entre sí a una distancia determinada, se genera el hermetismo necesario para el proceso de briquetado. 3.- Sistema de aplicación de presión para el Prensado a).- Pistón hidráulico: El mecanismo utilizado para aplicar la presión necesaria para el briquetado, se realizará automáticamente con un pistón hidráulico automático, accionado por pedal o botones, y auxiliado por una bomba de presión. b).- Pistón neumático: El sistema que aplicará la presión requerida en el briquetado, es automático y funciona con un pistón neumático, accionado por pedal o botones, y auxiliado con equipo complementario para la compresión de aire. c).- Sistema combinado, hidráulico y neumático: Se refiere a que la presión para el briquetado, será suministrada en forma automática por un sistema hidroneumático, accionado por pedal o botones, y auxiliado por una bomba de presión y equipo complementario para la compresión de aire. d).- Gato hidráulico convencional: El prensado de la mezcla que producirá la briqueta, será mediante la aplicación de presión en forma mecánica con un gato hidráulico convencional, cuya capacidad mínima deberá ser de 20 ton. e).- Torque: La presión de briquetado se aplicará por un mecanismo con el principio básico del torque, que será accionado por una palanca desplazada en sentido circular, cuya longitud, combinada con la fuerza que aplique el operario, proporcionarán dicha presión. 4.- Dimensionado a).- Moldes predimensionados. La dimensión de la briqueta se obtiene de manera automática con los moldes predimensionados, debido a que al realizarse el prensado la mezcla adquiere la forma y dimensiones del molde.

C).- Alternativas para el vaciado de la matriz de briquetado.

1.- Destapar moldes a).- Alejamiento de la plancha o molde inferior: El destape de los moldes o matrices de prensado se realizará al momento en que se aleja o descienda el molde inferior. 2.- Vaciar moldes a).- Invertir o sacudir moldes: Significa que la descarga de la briqueta se realizará invirtiendo o volteando el molde inferior.

b).- Tomar la briqueta en forma manual: Se refiere a que la descarga de la briqueta se realizará agarrando la pieza contenida en el molde en forma manual.



Para definir concretamente a los conceptos derivados de las alternativas anteriores,

se utilizó una nomenclatura, en la que los elementos que la constituyen están conformados

por tres componentes, para definir cada una de las funciones y la solución correspondiente

para cada caso, de tal forma que el primer componente es una vocal mayúscula (A, B, C), y

corresponde a la función primordial del prototipo; el segundo componente es un número, y se

refiere a la función secundaria del prototipo; y el tercer componente es una vocal minúscula

(a, b, c, d, e), y corresponde a la alternativa de solución para la función secundaria. De esta

manera, cada concepto se compone por 9 elementos.

Con las posibles soluciones a las alternativas expuestas y descritas anteriormente, y

utilizando la nomenclatura ya descrita, se generaron los conceptos que se muestran a

continuación. Para simplificar su análisis se agruparon con base en el sistema de aplicación

de la presión de briquetado.

Pistón hidráulico Pistón neumático 1.- A1a A2a A3a B1a B2a B3a B4a C1a C2a 9.- A1a A2a A3a B1a B2a B3b B4a C1a C2a 2.- A1a A2b A3a B1a B2a B3a B4a C1a C2a 10.- A1a A2b A3a B1a B2a B3b B4a C1a C2a 3.- A1a A2a A3a B1b B2a B3a B4a C1a C2a 11.- A1a A2a A3a B1b B2a B3b B4a C1a C2a 4.- A1a A2a A3a B1a B2a B3a B4a C1a C2b 12.- A1a A2a A3a B1a B2a B3b B4a C1a C2b 5.- A1a A2b A3a B1b B2a B3a B4a C1a C2a 13.- A1a A2b A3a B1b B2a B3b B4a C1a C2a 6.- A1a A2b A3a B1a B2a B3a B4a C1a C2b 14.- A1a A2b A3a B1a B2a B3b B4a C1a C2b 7.- A1a A2a A3a B1b B2a B3a B4a C1a C2b 15.- A1a A2a A3a B1b B2a B3b B4a C1a C2b 8.- A1a A2b A3a B1b B2a B3a B4a C1a C2b 16.- A1a A2b A3a B1b B2a B3b B4a C1a C2b

Pistón hidroneumático Gato hidráulico convencional 17.- A1a A2a A3a B1a B2a B3c B4a C1a C2a 25.- A1a A2a A3a B1a B2a B3d B4a C1a C2a 18.- A1a A2b A3a B1a B2a B3c B4a C1a C2a 26.- A1a A2b A3a B1a B2a B3d B4a C1a C2a 19.- A1a A2a A3a B1b B2a B3c B4a C1a C2a 27.- A1a A2a A3a B1b B2a B3d B4a C1a C2a 20.- A1a A2a A3a B1a B2a B3c B4a C1a C2b 28.- A1a A2a A3a B1a B2a B3d B4a C1a C2b 21.- A1a A2b A3a B1b B2a B3c B4a C1a C2a 29.- A1a A2b A3a B1b B2a B3d B4a C1a C2a 22.- A1a A2b A3a B1a B2a B3c B4a C1a C2b 30.- A1a A2b A3a B1a B2a B3d B4a C1a C2b 23.- A1a A2a A3a B1b B2a B3c B4a C1a C2b 31.- A1a A2a A3a B1b B2a B3d B4a C1a C2b 24.- A1a A2b A3a B1b B2a B3c B4a C1a C2b 32.- A1a A2b A3a B1b B2a B3d B4a C1a C2b

Sistema de torque 33.- A1a A2a A3a B1a B2a B3e B4a C1a C2a 34.- A1a A2b A3a B1a B2a B3e B4a C1a C2a 35.- A1a A2a A3a B1b B2a B3e B4a C1a C2a 36.- A1a A2a A3a B1a B2a B3e B4a C1a C2b 37.- A1a A2b A3a B1b B2a B3e B4a C1a C2a 38.- A1a A2b A3a B1a B2a B3e B4a C1a C2b 39.- A1a A2a A3a B1b B2a B3e B4a C1a C2b 40.- A1a A2b A3a B1b B2a B3e B4a C1a C2b



Los parámetros necesarios para el análisis comparativo de los conceptos anteriores,

se establecieron con base en los requerimientos del producto. De está forma, los criterios o

parámetros evaluados son los relacionados con los costos, calidad del producto, seguridad,

facilidad operativa en la producción y la sencillez del diseño; dichos criterios fueron

ponderados ofreciendo un puntaje o valor diferencial, dependiendo de la importancia o

relevancia de cada uno de ellos. Los parámetros de evaluación, así como su justificación y

ponderación se presentan en el cuadro 17.

Cuadro 17. Ponderación de los parámetros generales de diseño.

Parámetro Puntaje Razonamiento

Costos 0.9 Los costos totales del prototipo, tal y como lo indica la meta de diseño correspondiente a este parámetro, deben ser como máximo de $15,000.00.

Calidad 1.0 Es necesario asegurar un estándar adecuado para la calidad del producto elaborado, ya que la calidad del mismo influye directamente en su aceptación en el mercado.

Seguridad 1.0 El riesgo de accidentes debe ser prácticamente nulo, reduciendo o eliminando las posibles situaciones de riesgo durante la operación y mantenimiento del prototipo.

Operación 0.9 El número de operaciones o movimientos requeridos en el proceso de briquetado, deben reducirse al mínimo, para asegurar una adecuada producción del prototipo y productividad del operario.

Sencillez 0.8 Es referido a la complejidad de los procesos de manufactura que se requieren para construir el prototipo, así como a los mecanismos necesarios para el funcionamiento del mismo.

Valores asignados con información de Torres y Molina, 1999.

La evaluación comparativa de los conceptos se realizó asignando una calificación,

con base a 100, en función del grado de satisfacción de los parámetros del cuadro 17. Los

resultados de la evaluación se muestran en los cuadros 18, 19 y 20.

Cuadro 18. Evaluación comparativa entre conceptos –de 0 a 100- (primera parte).

Conceptos 1 a 8 (pistón hidráulico) Parámetro 1 2 3 4 5 6 7 8

Costos 80.0 81.1 77.8 80.0 78.9 81.1 77.8 78.9Calidad 85.6 84.4 85.6 85.6 84.4 84.4 85.6 84.4Seguridad 98.9 98.9 98.9 100.0 98.9 100.0 100.0 100.0Operación 82.2 81.1 81.1 83.3 80.0 82.2 82.2 81.1Sencillez 84.4 86.7 83.3 84.4 85.6 86.7 83.3 85.6Promedio 86.2 86.4 85.3 86.7 85.6 86.9 85.8 86.0



Cuadro 18. Evaluación comparativa entre conceptos –de 0 a 100- (segunda parte –continuación- ).

Conceptos 9 a 16 (pistón neumático) Parámetro 9 10 11 12 13 14 15 16


Cuadro 18. Evaluación comparativa entre conceptos –de 0 a 100- (tercera parte –continuación-).

Conceptos 17 a 24 (pistón hidroneumático) Parámetro 17 18 19 20 21 22 23 24


Cuadro 18. Evaluación comparativa entre conceptos –de 0 a 100- (cuarta parte –continuación-).

Conceptos 25 a 32 (gato hidráulico convencional) Parámetro 25 26 27 28 29 30 31 32


Cuadro 18. Evaluación comparativa entre conceptos –de 0 a 100- (quinta parte –continuación-).

Conceptos 33 a 40 (sistema de torque) Parámetro 33 34 35 36 37 38 39 40




La ponderación de valores se realizó únicamente para los conceptos que resultaron

con mayor promedio. Dicha ponderación se hizo con base en el puntaje asignado a cada

parámetro del cuadro 17 y, los resultados de la misma se muestran en el cuadro 19.

Cuadro 19. Ponderación de los mejores conceptos.

Conceptos Parámetro 4 6 12 14 25 26 28 30 31 32

Costos 72.0 73.0 72.0 73.0 76.0 77.0 76.0 77.0 74.0 75.0Calidad 85.6 84.4 85.6 84.4 85.6 84.4 85.6 84.4 85.6 84.4Seguridad 100.0 100.0 100.0 100.0 98.9 98.9 100.0 100.0 100.0 100.0Operación 75.0 74.0 75.0 74.0 72.0 71.0 73.0 72.0 72.0 71.0Sencillez 67.6 69.3 67.6 69.3 70.2 72.0 70.2 72.0 69.3 71.1

Promedio 80.0 80.2 80.0 80.2 80.5 80.7 81.0 81.1 80.2 80.3

En los resultados promedio del cuadro 19 se observa que el concepto 30 es el de

mayor puntaje, por lo tanto se le considera como el prospecto más adecuado para el

prototipo de máquina briquetadora para carbón vegetal, siendo su nomenclatura la siguiente:

Concepto número 30: A1a A2b A3a B1a B2a B3d B4a C1a C2b

5.3.5.- Caracterización del concepto

Los principios generales referentes al funcionamiento de la máquina, así como las

características y representación esquemática de sus partes se describen a continuación:

Funcionamiento:

De manera general, el proceso de producción de este tipo de briquetadora es

intermitente, puesto que necesita que la alimentación de la materia prima se realice en forma

manual. Una vez que se ha llenado el molde, se acciona el gato hidráulico para deslizar la

placa con el molde o matriz de prensado inferior para acercarla al molde superior. Después

se suministra la presión necesaria para el comprimido y consecuente formado de las

briquetas; la presión se distribuye en los moldes con ayuda de las placas que los soportan.

Las briquetas obtenidas en cada prensada son retiradas del molde por el operador.

De manera particular, tenemos que el funcionamiento del prototipo es el siguiente:

Dosificación de la materia prima (A1a A2b A3a): La contención de la mezcla se

realiza con un aro dispuesto alrededor del cuerpo de la matriz de briquetado inferior. La

medición de la mezcla se hace por medio del aro de contención, calibrado en altura para un



cierto volumen de mezcla con densidad determinada. La separación de la mezcla en el

molde inferior se ejecuta automáticamente por desplazamiento descendente por acción de la

fuerza gravedad.

Moldeado y prensado (B1a B2a B3d B4a): El llenado de los moldes se realiza con

razador o rasero, de tal forma que la mezcla se distribuya uniformemente en la matriz de

prensado inferior. El hermetizado o unión de los moldes se ejecuta por los mismos moldes,

de tal forma que al acercarse los moldes a una distancia determinada, se genera el

hermetismo necesario para el proceso de briquetado. El prensado de la mezcla que

producirá la briqueta, se lleva a cabo aplicando presión en forma mecánica con un gato

hidráulico convencional, cuya capacidad mínima deberá ser de 20 ton. La dimensión de la

briqueta se obtiene de manera automática con los moldes predimensionados, debido a que

al realizarse el prensado la mezcla adquiere la forma y dimensiones del molde.

Vaciado de la matriz de briquetado (C1a C2b): El destape de los moldes se realiza

al momento en que se aleja o descienda el molde inferior. La descarga de la briqueta se

efectúa tomando las piezas contenidas en el molde en forma manual.

Características:

Las características más importantes del prototipo son las siguientes:


La capacidad de briquetado se estima de 19.5 a 39 kg/hr (20 a 40 ton/año).

La densidad de las briquetas es en promedio de 0.85 gr/cm3.

Se obtienen briquetas con forma de almohadilla y bordes redondeados

Briqueta de 50 mm de largo, 50 mm de ancho y 30 mm de grosor.

Se producen 25 piezas por prensada.

El proceso de briquetado se realiza de forma semimecanizada e intermitente.

Es de tecnología simple.

Los detalles y precisiones concernientes a las características anteriores, se

presentan de manera extensa en el capítulo referido al diseño detallado del prototipo.

Para concluir con la fase del diseño conceptual, en las figuras 35, 36 y 37 se

presenta la arquitectura o apariencia general de la máquina, las características físicas de la

matriz de prensado, así como los principales componentes del prototipo respectivamente.



Figura 35. Arquitectura general del prototipo



Figura 36. Molde o matriz de briquetado –superior e inferior-



Figura 37. Diagrama de las partes principales del prototipo.

Desarrollo y Resultados Diseño Detallado


5.4.- Diseño detallado

En esta fase del diseño se desarrolló el concepto obtenido en el diseño conceptual,

transformando los requisitos de cada solución, de las funciones precursoras de una máquina

briquetadora, en especificaciones, mediante cálculos, planos y modelos de los componentes

del prototipo, representando dichos componentes en forma individual y en conjunto.

Al final de esta etapa es cuando el lenguaje del diseñador alcanza su máximo

refinamiento para que pueda ser transmitido a otras áreas del proceso productivo como

fabricación o ensamble de los componentes del prototipo.

5.4.1.- Diseño de la matriz de briquetado

El diseño de la batería de moldes o matriz de briquetado consistió en determinar las

dimensiones de los moldes individuales, considerando el volumen de mezcla necesaria para

el llenado y el volumen adicional a comprimir. Asimismo, se requirió determinar la

productividad, debido a que con base en ésta, se establece el número de moldes que debe

tener dicha matriz.

Dimensiones de los moldes individuales

Para el diseño de los moldes individuales se consideraron las características de la

briqueta, definidas en la meta de diseño correspondiente a forma y dimensiones del

producto. En dicha meta se estableció que la briqueta debe tener sus bordes redondeados y

las dimensiones siguientes:

Longitud de la briqueta (lb): 50 mm. Ancho de la briqueta (ab): 50 mm. Espesor de la briqueta (eb): 30 mm.

Atendiendo la función de moldeado y prensado (B) del diseño conceptual, se tomó

en cuenta la necesidad de “cortar” o separar a las briquetas durante el prensado de la

mezcla, para lo cual se requirió diseñar un perfil de corte para ejecutar dicha operación.

El perfil de corte resultante para realizar el desplazamiento del material hacia los

moldes, evita la acumulación de mezcla en la cresta, que reduce la posibilidad de que se

formen “costillas” o protuberancias en los costados de la briqueta.

La forma del perfil de corte en el molde, más apropiada para cumplir con los

requerimientos anteriores, fue de ½” circunferencia entre moldes y ¼” para los moldes de los

extremos (ver figuras 39 y 40).



Una de las metas de diseño hace referencia a un proceso de manufactura sencillo

para el prototipo, en este caso para la construcción de la matriz de briquetado, se eligió el

proceso de fundición gris. Ésta meta de diseño, influyó decisivamente en la selección del

perfil de corte, ya que por especificaciones del proceso de manufactura, el espesor mínimo

que puede tener la sección o perfil del molde debió ser de 4 mm. Atendiendo a dicha

restricción se eligió el perfil de corte con la cresta en forma de circunferencia, por presentar

una contracción poco drástica del material en sentido del espesor del perfil, con respecto a la

que se puede presentar con un plano inclinado. Además, un perfil de corte de plano inclinado

presenta deficiencias en el proceso de manufactura durante el moldeado de la punta

conforme se va agudizando o reduciendo su espesor.

Por otro lado, la distribución de la presión aplicada para el prensado de la mezcla de

carbón vegetal, se reparte mejor con el perfil de corte de circunferencia que con el de plano

inclinado (ver figura 38), asimismo, la resistencia a la compresión en el perfil, como reacción

de la presión aplicada, se recibe de manera uniforme en la porción con forma de

circunferencia, efecto que no se presenta en el perfil de plano inclinado, debido a que la

resistencia a la compresión en la punta, tiende a redondearla o incluso puede llegar a

fracturar el molde en dicha sección debido a que la magnitud del esfuerzo es la misma en

toda la superficie del plano, a diferencia del espesor del perfil, que presenta cada vez menor

grosor conforme se acerca a la punta, y por consiguiente menor resistencia.

Figura 38. Distribución de la presión aplicada para el prensado de la mezcla con dos perfiles.



Considerando el grosor mínimo del perfil de corte requerido para el proceso de

manufactura, las dimensiones del perfil con forma de ½ circunferencia de la sección del

molde que realiza la función de separar a las briquetas es el que se muestra en la figura 39.

Figura 39. Dimensiones del perfil con forma de circunferencia (acotaciones en cm).

Considerando que en los moldes de los extremos el perfil de corte tiene sólo la

mitad del espesor, con respecto a los moldes interiores, se diseño el extremo de dichos

moldes con un refuerzo de 2 mm, que posteriormente será maquinado para ajustarlo a las

dimensiones requeridas para su funcionamiento (figura 40).

Figura 40. Perfil de los extremos de los moldes exteriores de la matriz de briquetado (acotaciones en cm).



Para determinar el tamaño de los moldes individuales se toman en cuenta las

dimensiones de la briqueta y las medidas del perfil de corte. También se consideró la

especificación referida a los bordes redondeados y forma cuadrada de la briqueta. Con base

en lo anterior, las dimensiones de los moldes individuales son las siguientes:

a).- Dimensiones de los moldes individuales sin considerar el perfil de corte: Longitud (lmi) : 50 mm. Ancho (lmi) : 50 mm. Espesor (emi) : 15 mm.

b).- Dimensiones de los moldes individuales considerando el perfil de corte: Longitud (lmp) : 55 mm. Ancho (lmp) : 55 mm. Espesor (emi) : 15 mm.

La forma del molde, así como las dimensiones anteriores, se representan en las

figuras 41 y 42.

Figura 41. Corte de sección de los moldes de briquetado.

Figura 42. Vista isométrica de los moldes de briquetado.

emi

lmp lmi

2.5 mm

lmp

lmi

lmi

lmp



Volumen de los moldes individuales.

Con base en la forma y dimensiones de los moldes individuales, el volumen de la

cavidad de los mismos se calculó considerando cuatro tipos de elementos o porciones del

molde, ilustrados en las figuras 43 y 44.

Figura 43. Vista lateral de los elementos de un molde individual (acotaciones en cm).

Figura 44. Vista superior de los elementos de un molde individual.

V2 V2 V1

V3

V4 V4

V 2 V 2 V1

V3

V4

V4

V4

V4

V3

V3 V3

V2

V2



El volumen de cada uno de los tipos de elementos se presenta a continuación:

a).- El elemento V1 es una sola porción del molde, presenta forma de cubo y sus

dimensiones son las siguientes:

Longitud : 2.50 cm. Ancho : 2.50 cm. Espesor : 1.25 cm.

El volumen del elemento V1 es: 38125.725.15.25.21 cmcmcmcmV =××=

38125.71 cmV = b).- El elemento V2 se compone de cuatro porciones, las cuales presentan la forma

de ¼ de cilindro, limitado a 45° en sus dos extremos. Debido a la proporción geométrica

originada por el corte a 45°, se considera una longitud media para realizar el cálculo de su

volumen, es decir, a la longitud de la sección anterior a los cortes a 45° se le adiciona

solamente 1.25 cm que corresponde a la distancia de una sección de corte. Las dimensiones

de este elemento son:

Diámetro : 2.50 cm. Longitud mayor : 5.00 cm. Longitud menor : 2.50 cm. Longitud media : 3.75 cm.

El volumen de una porción del elemento V2 es:

( ) 32

6019.44

75.37854.05.22 cmcmcmV =××

=

Dado que este elemento se compone de cuatro porciones, el volumen del elemento V2 es el siguiente:

33 4078.1846019.42 cmcmV =×= 34078.182 cmV =

c).- El elemento V3 es una sola porción del molde, presenta forma de cubo y sus

dimensiones son las siguientes:

Longitud : 5 cm. Ancho : 5 cm. Espesor : 0.25 cm.

El volumen del elemento V3 es:

325.625.0553 cmcmcmcmV =××= 325.63 cmV =



d).- El elemento V4 se compone de cuatro porciones, las cuales se presentan en un

prisma con forma de trapecio regular limitado por ¼ de cilindro con cortes a 45° en sus dos

extremos. La diferencia entre el volumen del trapecio y el ¼ de circunferencia es el volumen

que corresponde al elemento V4. Debido a la proporción originada por el corte de 45° en el

¼ de circunferencia, se considera una longitud media para realizar el cálculo de su volumen.

Las dimensiones del prisma con forma de trapecio son:

Longitud mayor : 5.50 cm. Longitud menor : 5.00 cm. Longitud media : 5.25 cm Ancho : 0.25 cm. Espesor : 0.25 cm. Ángulo lateral : 45°

El volumen del prisma trapezoidal del elemento V4 es: 33281.025.025.025.5a4 cmcmcmcmV =××=

Las dimensiones del ¼ de circunferencia son:

Diámetro : 0.50 cm. Longitud mayor : 5.50 cm. Longitud menor : 5.00 cm. Longitud media : 5.25 cm.

El volumen del ¼ de circunferencia elemento V4 es:

( ) 32

2577.04

25.57854.050.0b4 cmcmcmV =××

=

La diferencia entre el volumen V4a y V4b es el volumen de una porción del

elemento V4.

333 0704.025577.03281.04 cmcmcmV =−= Dado que este elemento se compone de cuatro porciones, el volumen del elemento

V4 es el siguiente: 33 2816.040704.04 cmcmV =×=

32816.04 cmV =

Sumando los valores obtenidos, el volumen de un molde individual (Vm) es:

4321 VVVVVm +++= 33333 7519.322816.025.64078.188125.7 cmcmcmcmcmVm =+++=

375.32 cmVm =



Volumen y/o cantidad de mezcla necesario para llenado de los moldes.

Con base en los datos del volumen de los moldes individuales, el volumen requerido

para el llenado de un juego o par de moldes (superior e inferior) es el siguiente:

2×=VmVmn Donde: Vmn : Volumen de mezcla necesario para el llenado de un juego de moldes Vm : Volumen de un molde individual Datos: Vmn : incógnita Vm : 32.75 cm3

33 5.65275.32 cmcmVmn =×= 35.65 cmVmn =

De acuerdo con los datos de las pruebas sobre compresión de la mezcla de carbón

con agua y almidón, realizados por Torres y Molina (1999), tenemos que la densidad anhidra

de la mezcla es de 0.56 gr/cm3. Según Andrade (1982) el contenido de humedad en la

mezcla debe ser de alrededor de 25%: La densidad de la mezcla húmeda a dicho contenido

de humedad se determina a continuación:

100×−

=Dam

DamDhmCHm

Donde: CHm : Contenido de humedad de la mezcla Dhm : Densidad de la mezcla húmeda Dam : Densidad de la mezcla anhidra Datos: CHm : 25% Dhm : incógnita Dam : 0.56 gr/cm3

Despejando la incógnita de la ecuación anterior:

DamDamCHmDhm +

×

=

100

Resolviendo la nueva ecuación:

333 70.056.056.010025

cmgr

cmgr

cmgrDhm =+

×

=



370.0cmgrDhm =

La densidad de la mezcla a un contenido de humedad del 25% es de 0.70 gr/cm3.

La cantidad o peso de mezcla requerida para el llenado de los moldes se determina

a continuación:

DhmVmnPmz ×= Donde:

Pmz : Peso de mezcla requerida para llenado de juego de moldes individuales, al 25% de contenido de humedad

Vmn : Volumen de mezcla necesario para el llenado de un juego de moldes Dhm : Densidad de la mezcla húmeda Datos:

Pmz : incógnita Vmn : 65.5 cm3 Dhm : 0.70 cm3

grcmgrcmPmz 85.4570.05.65 3

3 =×=

grPmz 85.45=

Para el llenado de un juego de moldes se requiere de un volumen de 65.5 cm3 y/o

de un cantidad de mezcla, al 25% de contenido de humedad, de 45.85 gr.

Volumen adicional a comprimir

De acuerdo con Prudente (1989), Patiño (1989) y Andrade (1982), el contenido de

humedad natural de una briqueta es de alrededor del 5%. Atendiendo a la meta de diseño

referida a que la densidad de la briqueta, ésta, debe ser de 0.85 gr/cm3.

La densidad anhidra de la briqueta es:

100×−

=Dab

DabDhbCHb

Donde: CHb : Contenido de humedad de la briqueta Dhb : Densidad de la briqueta húmeda Dab : Densidad de la briqueta anhidra Datos: CHb : 5% Dhb : 0.85 gr/cm3 Dab : incógnita




+

=

1001 CHb

DhbDab


3

381.0

10051

85.0

cmgrcm

gr

Dab =

+

=

381.0cmgrDab =

La densidad anhidra de la briqueta es de 0.81 gr/cm3.

La densidad de la briqueta al 25% de contenido de humedad es:

100×−

=Dab

DabDhbCHb

Donde: CHb : Contenido de humedad de la briqueta Dhb : Densidad de la briqueta húmeda Dab : Densidad de la briqueta anhidra Datos: CHb : 25% Dhb : incógnita Dab : 0.81 gr/cm3


DabDabCHbDhb +

×

=

100


333 0125.181.081.010025

cmgr

cmgr

cmgrDhb =+

×

=

30125.1cmgrDhb =

La densidad de la briqueta al 25% de contenido de humedad es de 1.0125 gr/cm3.



El volumen de la briqueta es el mismo que el del juego de moldes individuales

(superior e inferior). La cantidad o peso de mezcla requerida para obtener la briqueta con la

densidad requerida se determina a continuación:

DhbVbPmb ×= Donde:

Pmb : Peso de mezcla necesaria para obtener briquetas con la densidad requerida, al 25% de contenido de humedad

Vb : Volumen de la briqueta Dhb : Densidad de la briqueta húmeda Datos:

Pmb : incógnita Vb : 65.5 cm3 Dhb : 1.0125 gr/cm3

grcmgrcmPmb 32.660125.15.65 3

3 =×=

grPmb 32.66=

La cantidad o peso de mezcla, al 25% de contenido de humedad, necesaria para

obtener la briqueta con la densidad requerida es de 66.32 gr.

Con base en lo anterior, la cantidad de mezcla adicional a comprimir (figura 45) es:

PmzPmbPac −= Donde:

Pac : Peso de mezcla adicional a comprimir Pmz : Peso de mezcla requerida para llenado de juego de moldes

individuales, al 25% de contenido de humedad Pmb : Peso de mezcla necesaria para obtener briquetas con la densidad

requerida, al 25% de contenido de humedad Datos:

Pac : incógnita Pmz : 45.85 gr Pmb : 66.32 gr

grgrgrPac 47.2085.4532.66 =−=

grPac 47.20=

La cantidad de mezcla adicional a comprimir en un juego de moldes individuales es

de 20.47 gr.



Figura 45. Ilustración del Volumen y/o Peso Adicional a Comprimir –Vac y/o Pac-

El volumen de mezcla requerida para obtener briquetas con la densidad requerida

es el siguiente:

DhmPmbVmb =

Donde:

Vmb : Volumen de mezcla necesario para obtener briqueta de 0.85 gr/cm3


Dhm : Densidad de la mezcla húmeda

Datos: Vmb : Incógnita Pmb : 66.32 gr Dhm : 0.70 gr/cm3

3

3

74.9470.0

32.66 cm

cmgrgrVmb ==

374.94 cmVmb =

El volumen de mezcla requerida para obtener briquetas con la densidad requerida

es de 94.74 cm3.



Con base en los anterior, el volumen adicional a comprimir es:

VmnVmbVac −= Donde: Vac : Volumen adicional a comprimir Vmn : Volumen de mezcla necesario para el llenado de un juego de moldes Vmb : Volumen de mezcla necesario para obtener briqueta de 0.85 gr/cm3 Datos: Vac : incógnita Vmn : 65.5 cm3

Vmb : 94.74 cm3

333 24.295.6574.94 cmcmcmVac =−= 324.29 cmVac =

El volumen de mezcla adicional a comprimir en un juego de moldes individuales es

de 29.24 cm3.

Productividad requerida.

Se requiere una producción de menos de 20 a 50 toneladas de briquetas por año.

Se consideran jornadas de 8 hrs, laborando 300 días / año. La producción diaria es de:

dtpapd =

Donde: pd : Producción diaria (ton/día = t/d) pa : Producción anual (ton/año = t/a) dt : Días laborales al año (días/año = d/a) Sustituyendo valores para 20 toneladas anuales:

dkg

dt

adat

pd 66.66066.0300

20===

Sustituyendo valores para 50 toneladas anuales:

dkg

dt

adat

pd 66.1661666.0300

50===

La productividad requerida por día oscila de 66.66 kg a 166.66 kg.



El peso de la briqueta a 5% de contenido de humedad se determinó de la siguiente

manera:

VbDbPb ×= Donde:

Pb : Peso de la briqueta Db : Densidad de la briqueta Vb : Volumen de la briqueta

Datos: Pb : incógnita Db : 0.85 gr/cm3 Vb : 65.5 cm3

grcmcmgrPb 675.555.6585.0 3

3 =×=

grPb 675.55=

kgPb 0556.0=

El número de briquetas necesarias para cumplir con la productividad requerida es:

PbpdNb =

Donde: Nb : Número de briquetas pd : Productividad diaria Pb : Peso de la briqueta

Datos: Nb : incógnita pd : 66.66 a 166.66 kg Pb : 0.0556 kg

9.11980556.0

66.661 ==kgkgNb

11991=Nb

48.29970556.0

66.1662 ==kgkgNb

29982 =Nb El número de briquetas necesario para cumplir con el requerimiento diario de

productividad va de 1,199 a 2,998 piezas.



Presión de briquetado requerida por briqueta.

De acuerdo con los datos sobre la compresión de finos de carbón vegetal,

realizadas por Torres y Molina (1999), la presión de briquetado requerida para obtener

briquetas con densidad aproximada de 0.85 kg/cm3 debe ser de 30 a 35 kg/cm2. Con base en

lo anterior, la presión de briquetado requerida por briqueta debe ser la siguiente:

AbPbrPbb ×=

Donde: Pbb : Presión de briquetado requerida por briqueta Pbr : Presión unitaria de briquetado Ab : Área de la sección transversal de la briqueta

Datos: Pbb : incógnita Pbr : 30 kg/cm2 Ab : 25 cm2

kgcmcmkgPbb 7502530 2

2 =×=

kgPbb 750=

La presión de briquetado requerida por briqueta es de 750 kg (figura 46).

Figura 46. Presión de briquetado requerida por briqueta.



Dimensiones de la matriz de briquetado.

Considerando que la aplicación de la presión se realizará a partir de una fuerza

concentrada, es necesario que el conjunto de moldes individuales se distribuyan en forma

regular, es decir que la matriz de briquetado sea cuadrada, con el mismo número de moldes

en filas e hileras (3X3, 4X4, 5X5, etc..), para asegurar que la presión se distribuya de manera

uniforme en todas las cavidades de dicha matriz.

Para la determinación del número de cavidades que debe tener el molde o matriz de

briquetado, fue necesario atender las especificaciones referidas a la productividad del

prototipo, y tomar en cuenta el tiempo requerido para la ejecución de las operaciones de

briquetado, considerando que la preparación de la mezcla es simultánea a la operación del

equipo. La información requerida sobre tiempos y productividad se presenta en los cuadros

20 y 21 respectivamente.

Cuadro 20. Tiempos estimados para realizar las operaciones de briquetado.

Tiempo (seg) Operación

Tipo (ideal esperado) Lento Medio

Llenar molde 30 90 60

Acoplar molde 30 60 60

Prensado 90 180 120

Apertura 30 60 30

Vaciado 60 90 90

Total en seg 240 480 360

Total en min 4 8 6

Las operaciones mencionadas en el cuadro 20 engloban de manera general el

proceso de briquetado bajo este sistema de prensa, quedando de la siguiente manera:

Llenar moldes: se refiere a que se vierte el volumen de mezcla necesario para el

llenado de los moldes y el volumen adicional a comprimir.

Acoplar molde: se refiere a que el molde móvil se coloca sobre la placa base que le

corresponde, ajustándolo o centrándolo con balines guía fijados sobre la placa.

Prensado: se refiere a realizar la preparación necesaria para accionar el gato

hidráulico hasta aplicar la presión requerida.

Apertura: se refiere a liberar la presión ejercida por el gato hidráulico y hacer

descender la placa base móvil a una altura en la que sea posible extraer el molde móvil.



Vaciado: se refiere a la extracción o separación de la briquetas del molde.

La estimación de los tiempos se realizó midiendo el tiempo a diferentes personas al

realizar actividades similares a las descritas anteriormente, tratando de igualar las

condiciones de tamaño y peso de los materiales que se van a manejar en el prototipo.

Cuadro 21. Indicadores de productividad en el proceso de briquetado.

Según Tiempo Indicador Tipo Lento Medio

Número de prensadas / hr 15 7.5 10.0

Número de prensadas / turno 105 52.5 70.0

Número de briquetas /turno con molde de 25 cavidades 2625 1312.5 1750.0

Número de briquetas /turno con molde de 16 cavidades 1680 840 1120.0

El número de prensadas por turno se estimó considerando un jornal de 420 minutos.

Considerando que la producción mínima requerida es de 1,200 briquetas por turno,

y que el tiempo tipo se logra conociendo plenamente las operaciones o todo proceso de

briquetado, se espera que al iniciar el funcionamiento del prototipo no sea posible alcanzar

los tiempos tipo estimados, aunque tampoco se puede esperar que se mantenga operando

con los tiempos más lentos, por lo que se considera adecuado pensar en que se va a

trabajar con los tiempos medios estimados. De lo anterior se obtiene que el molde o matriz

de briquetado debe contener 25 cavidades para asegurar la producción de briquetas mínima

requerida por turno.

Con base en lo anterior, las dimensiones exteriores de la matriz de briquetado se

obtienen de la siguiente manera:

5×= dmidmb Donde:

dmb : Dimensiones de la matriz de briquetado dmi : Dimensiones de los moldes individuales

Datos: dmb : incógnita dmi : 5.5 cm

cmcmcmdmb 5.27525.5 =×= cmdmb 5.27=



Las dimensiones exteriores de la matriz de briquetado son 27.5 cm X 27.5 cm.

Atendiendo a las recomendaciones expresadas por los asesores de UPIICSA, IPN10

referentes a la resistencia de materiales, se considera que el espesor de la matriz de

briquetado, en función de la resistencia del material (fundición gris) y tomando en cuenta que

para sujetar el molde a la placa base (molde superior) y para unir el aro de contención

(molde inferior o móvil) es necesario barrenar el material (aproximadamente de 3/8” ó 9 mm),

se considera necesario un espesor exterior del molde de 32 mm, y descontando la mitad del

espesor de una briqueta un espesor sólido de 17 mm.

Volumen y/o cantidad de mezcla necesaria para llenado de la matriz de briquetado.

Con base en los datos del volumen de los moldes individuales, el volumen requerido

para el llenados de la matriz de briquetado (superior e inferior) es el siguiente:

25×=VmnVmnb

Donde: Vmnb : Volumen de mezcla necesario para el llenado de las matrices de

briquetado (superior e inferior) Vmn : Volumen de mezcla necesario para el llenado de un juego de moldes

Datos: Vmnb : incógnita Vmn : 65.5 cm3

33 5.1637255.65 cmcmVmnb =×= 35.637,1 cmVmnb =

El volumen de mezcla necesario para el llenado de las matrices de briquetado

(superior e inferior) es de 1,637.5 cm3. La representación de dicho volumen se muestra en

la figura 47.




La cantidad o peso de mezcla requerida para el llenado de la matriz de briquetado

(superior e inferior) se determina a continuación:

25×= PmzPmzb

Donde: Pmzb : Peso de mezcla requerida para llenado de las matrices de briquetado

(superior e inferior), al 25% de contenido de humedad Pmz : Peso de mezcla requerida para llenado de juego de moldes

individuales, al 25% de contenido de humedad Datos:

Pmzb : incógnita Pmz : 45.85 gr

grcmPmzb 25.146,12585.45 3 =×=

grPmzb 25.146,1=

Para el llenado de las matrices de briquetado (superior e inferior) se requiere de un

volumen de 1,637.5 cm3 y/o de un cantidad de mezcla, al 25% de contenido de humedad, de

1,146.25 gr.

Figura 47. Ilustración del volumen para el llenado y adicional a comprimir en las matrices de briquetado.

Volumen adicional a comprimir con las matrices de briquetado

Con base en los valores previamente calculados, la cantidad o peso de mezcla

requerida para obtener briquetas con la densidad requerida se determina a continuación:

25×= PmbPmbb Donde:

Pmbb : Peso de mezcla necesaria para obtener 25 briquetas con la densidad requerida, al 25% de contenido de humedad




Datos: Pmbb : incógnita Pmb : 66.32 gr

grcmPmbb 658,12532.66 3 =×=

grPmbb 658,1=

La cantidad o peso de mezcla, al 25% de contenido de humedad, necesaria para

obtener la briqueta con la densidad requerida es de 1,658 gr.

Con base en lo anterior, la cantidad de mezcla adicional a comprimir es:

PmzbPmbbPacb −= Donde:

Pacb : Peso de mezcla adicional a comprimir en las matrices de briquetado Pmzb : Peso de mezcla requerida para llenado de las matrices de briquetado

(superior e inferior), al 25% de contenido de humedad Pmbb : Peso de mezcla necesaria para obtener 25 briquetas con la densidad

requerida, al 25% de contenido de humedad

Datos: Pacb : incógnita Pmzb : 1,146.25 gr Pmbb : 1,657.97 gr

grgrgrPacb 72.51125.146,197.657,1 =−=

grPacb 72.511=

La cantidad de mezcla adicional a comprimir en ambas matrices de briquetado es de

511.75 gr.

El volumen de mezcla requerida para obtener 25 briquetas con la densidad

requerida es el siguiente:

25×=VmbVmbb Donde:

Vmbb : Volumen de mezcla necesario para obtener 25 briquetas con una densidad promedio de 0.85 gr/cm3

Vmb : Volumen de mezcla necesario para obtener briqueta de 0.85 gr/cm3



Datos: Vmbb : incógnita

Vmb : 94.74 cm3

35.23682574.94 cmVmbb =×= 35.368,2 cmVmbb =

El volumen de mezcla requerida para obtener 25 briquetas con la densidad

requerida es de 2,368.5 cm3.

Con base en los anterior, el volumen adicional a comprimir es:

VmnbVmbbVacb −= Donde: Vacb : Volumen adicional a comprimir

Vmbb : Volumen de mezcla necesario para obtener 25 briquetas con una

densidad promedio de 0.85 gr/cm3

Vmnb : Volumen de mezcla necesario para el llenado de las matrices de briquetado (superior e inferior)

Datos: Vacb : incógnita Vmbb: 2,368.5 cm3 Vmnb: 1,637.5 cm3

333 7315.637,15.368,2 cmcmcmVacb =−= 3731cmVacb =

El volumen de mezcla adicional a comprimir en un juego de moldes individuales es

de 731 cm3.

Presión de briquetado requerida por la matriz de briquetado.

Tomando en consideración los valores previamente calculados, la presión de

briquetado requerida para obtener briquetas con densidad aproximada de 0.85 kg/cm3 debe

ser de 30 a 35 kg/cm2. Con base en lo anterior, la presión de briquetado requerida por la

matriz de briquetado debe ser la siguiente:

25×= PbbPtb



Donde: Ptb : Presión de briquetado requerida por matriz de briquetado Pbb : Presión de briquetado requerida por briqueta

Datos: Ptb : incógnita Pbb : 750 kg

kgPtb 1875025750 =×=

kgPtb 750,18=

La presión de briquetado requerida por el prototipo es de 18,750 kg, y se ilustra en

la figura 48.

Figura 48. Ilustración de la aplicación de la presión de briquetado en las matrices de briquetado

5.4.2.- Diseño del aro de contención de la mezcla

El diseño del aro de contención de la mezcla consiste en determinar las

dimensiones interiores y exteriores en largo y ancho del mismo, así como la altura y demás

especificaciones requeridas para su acople con la matriz de briquetado inferior.



Las dimensiones interiores en largo y ancho del aro de contención de la mezcla son

establecidas con base en las dimensiones exteriores de la matriz de briquetado (27.5 cm X

27.5 cm), ya que dicha matriz y el aro de contención se acoplan para acaparar la mezcla

requerida para el llenado de ambas matrices de briquetado (Vmnb) además de l volumen

adicional a comprimir (Vacb).

Las dimensiones exteriores sólo incrementan por efecto del grosor del material con

que esta construido. La justificación de limitar las dimensiones del aro de contención es la de

reducir al mínimo los requerimientos de materiales, y por añadidura el costo y el peso del

prototipo.

La altura del aro de contención se determinó con base en el volumen necesario para

llenar una de las matrices de briquetado (superior) y el volumen adicional a comprimir, ya

que el volumen de la matriz de briquetado inferior se deposita en la propia matriz. La altura

interior del aro de contención de la mezcla se determinó de la siguiente manera:

Determinación del volumen de mezcla que debe contener el aro:

VacbVmnbVmca +=2

Donde:

Vmca : Volumen de mezcla contenida por el aro Vmnb : Volumen de mezcla necesario para el llenado de las matrices de

briquetado (superior e inferior) Vacb : Volumen adicional a comprimir

Datos: Vmca : incógnita Vmbb: 1,637.5 cm3 Vacb : 731 cm3

333

75.154973125.1637 cmcmcmVmca =+=

375.549,1 cmVmca =



Determinación del área que cubre el aro de contención:

LmbAmbAac ×= Donde: Aac : Área del aro de contención de la mezcla

Amb : Ancho de la matriz de briquetado Lmb : Largo de la matriz de briquetado

Datos: Aac : incógnita Amb: 27.5 cm

Lmb: 27.5 cm

225.7565.275.27 cmcmcmAac =×= 225.756 cmAac =

Determinación de la altura del aro de contención de la mezcla:

AacVmcaAicm =

Donde: Aicm : Altura del aro de contención de la mezcla

Vmca : Volumen de mezcla contenida por el aro Aac : Área del aro de contención de la mezcla Datos: Aicm : incógnita Vmca: 1,549.75 cm3 Aac: 756.25 cm3

cmcmcmAicm 049.2

25.75675.1549

2

3

==

cmAicm 05.2=

La altura interior del aro de contención es de 2.05 cm, y su representación

esquemática se muestra en la figura 49.

La altura total del aro de contención se determina a continuación:

HmbAicmAtcm += Donde:

Atcm : Altura total del aro de contención de la mezcla Aicm : Altura del aro de contención de la mezcla Hmb : Altura de la matriz de briquetado inferior



Datos: Atcm : incógnita Aicm : 2.05 cm Hmb: 3.2 cm

cmcmcmAtcm 25.52.305.2 =+= cmAtcm 25.5=

La altura total del aro de contención es de 5.25 cm, y su representación se ilustra en

la figura 49.

Figura 49. Representación de un costado del aro de contención de la mezcla (acotaciones en centímetros)

Considerando que el aro de contención de la mezcla no realizará esfuerzos

significativos, el espesor del material (en este caso un perfil de acero con forma de ángulo a

90°) es de 3 mm ó 1/8” , y para obtener la altura - Atcm – se requiere que el ancho del perfil

sea de por lo menos 2 1/16” aunque la medida comercial más cercana es de 2 ¼ “, por lo que

es necesario maquinar el perfil hasta obtener las dimensiones requeridas.

Para fijar o unir el aro de contención a la matriz de briquetado inferior es necesario

realizar cuatro perforaciones y posesionar un tornillo en cada una, para asegurar una

correcta unión de estos dos elementos del prototipo. Asimismo, se requiere que el aro de

contención este provisto de un par de asas o manijas para facilitar la operación de descarga

de las briquetas.

Las dimensiones y el diseño del aro de contención, en vista superior, se ilustran en

la figura 50.



Figura 50. Dimensiones del aro de contención en plano vertical (acotaciones en centímetros)

5.4.3.- Diseño de las placas base, sistema de guías y chasis del prototipo

La vista superior, en la cual se ilustra la distribución de las uniones, y otros detalles

del diseño de la placa base móvil, así como las modificaciones o arreglos requeridos en la

matriz de briquetado inferior se muestran en la figura 51.

Figura 51. Vista superior del aro de contención y la matriz de briquetado inferior (acotaciones en centímetros)



Para asegurar un correcto prensado, fue necesario diseñar un sistema guía que

impida cualquier movimiento no programado o diseñado, atendiendo a la restricción de

agregar el menor peso posible al equipo. Para conseguir tal efecto se decidió utilizar un buje

en la parte inferior central de la placa base móvil, cuyo diámetro interior corresponde al

diámetro exterior del pistón del gato hidráulico (5 cm) , con una longitud máxima de 5 cm,

para evitar que las dimensiones del chasis incrementen en demasía. El buje se coloca

envolviendo el pistón del gato hidráulico, tal y como se ilustra en la figuras 52, 53 y 54. Para

complementar la función del buje guía, fue necesario el diseño de un sistema de 4 guías

laterales, las cuales se disponen en la parte inferior de la placa base móvil, como se ilustra

en las figuras 52 y 53, específicamente en la figura 54. Las características de las guías

laterales se presentan en las figuras 55 y 56. Para evitar que los moldes choquen entre sí, al

aplicar la presión de briquetado, en los costados de la placa base móvil se colocaron topes.

Figura 52. Vista de un corte frontal de la placa base móvil (acotaciones en centímetros)

Con base en lo anterior, la placa base móvil es diseñada en función de los

requerimientos de la matriz de briquetado inferior, del aro de contención de la mezcla y el

sistema guía que se requiere para que el prototipo funcione correctamente. Las principales

características de dicha placa se muestran en las figuras 51 52, 53 y 54.



Figura 53. Vista de un corte lateral de la placa base móvil (acotaciones en centímetros)

Figura 54. Vista inferior de la placa base móvil, mostrando la disposición de las cuatro guías laterales (acotaciones en centímetros)



Figura 55. Vistas de sección de los elementos del sistema de guías laterales (acotaciones en centímetros)

Figura 56. Vista de sección ilustrando una guía lateral completa

Por su parte, la placa base superior se diseñó en función de los requerimientos de la

matriz de briquetado superior, refiriéndose a cuatro puntos de unión mediante perforaciones

de 6.5 mm de diámetro, por medio de las cuales se inserta el tornillo que aprisiona a dicha

matriz contra la placa base superior. Asimismo, la unión requerida para fijar dicha placa en el

chasis del prototipo se cubrió con la aplicación de sueldadura en todo el contorno de los

extremos de la placa que se unen al chasis. En las figuras 57 58 y 59 se muestran cortes de

sección en los que se ilustran las características principales de la placa base superior.



Figura 57 Vista superior mostrando el chasis y contorno de la placa base superior (acotaciones en centímetros)

La unión entre los bastidores del chasis, denominada “soporte medio” consiste en

una barra de acero estructural adherida a dos soleras del chasis por medio de sueldadura,

cuya función es la de mantener unidos los dos marcos o secciones laterales del chasis del

prototipo. El prototipo cuneta con 4 soportes medios, dos en la parte superior y dos en la

inferior. Las dimensiones de dicho soporte se pueden apreciar en las figuras 57 a 62.

Figura 58. Vista de un corte de sección lateral mostrando la placa base superior (acotaciones en centímetros)



Figura 59. Vista de un corte de sección frontal mostrando la placa base superior (acotaciones en centímetros)

Por otra parte, la placa base inferior, cuya función es la de soportar y mantener fijo

al sistema con que se aplica la presión requerida, en este caso un gato hidráulico

convencional, con el objeto de asegurar una adecuada distribución de la presión aplicada en

la placa base móvil. La fijación de la placa con el chasis del prototipo se realiza utilizando

sueldadura, de la misma manera que para la placa base superior. Respecto a la fijación del

dispositivo que aplica la presión requerida en el procesos productivo, tenemos que la

posición, tipo y dimensiones de las estructuras necesarias para este fin, varían en función de

la marca y otras especificaciones que pueden presentar las diferentes dispositivos

susceptibles de ser utilizados para operar el prototipo de máquina en cuestión. Las

especificaciones correspondientes al uso de un gato hidráulico marca MIKEL´S, de 20 ton,

se ilustran en la figura 60, 61 y 62.

La elección del gato hidráulico de la marca MIKEL´S, obedece a que dicha empresa

distribuye sus productos a casi todo el País, lo cual reduce la posibilidad de requerir ajustar

las dimensiones del prototipo por utilizar otro dispositivo similar. Aunado a lo anterior,

MIKEL´S produce un sistema hidroneumático con características mecánicas idénticas (20

toneladas de capacidad) y rasgos físicos muy similares al dispositivo hidráulico utilizado para

el presente prototipo de máquina briquetadora, con lo que se habilita la posibilidad de utilizar

en el mismo chasis dos dispositivos 100% compatibles. El costo del sistema hidroneumático

es de aproximadamente 6 veces el costo del gato hidráulico, de acuerdo a los precios de

venta que manejan los distribuidores finales.



Figura 60. Vista superior mostrando la placa base inferior (acotaciones en centímetros)

Figura 61. Vista de un corte lateral mostrando la placa base inferior (acotaciones en centímetros)



Figura 62. Vista de un corte frontal mostrando la placa base inferior (acotaciones en centímetros)

5.4.4.- Cálculo de esfuerzos del chasis

En el caso del chasis del prototipo, fue necesario determinar las cargas que actúan

sobre el mismo, mediante el uso de diagramas de cuerpo libre y posterior determinación de

momentos máximos que debe soportar el material requerido para su construcción.

El análisis de los esfuerzos a que se somete la estructura o chasis del prototipo, se

realizó considerando que el esfuerzo en la base inferior, así como en el soporte superior, es

de la misma magnitud y sentido, sólo que en direcciones opuestas, por lo que los esfuerzos

resultantes mismos para estas dos secciones del prototipo es en la misma proporción.

Para el planteamiento del sistema de fuerzas se consideró como fuerza o carga, en

tres dimensiones o espacio geométrico tridimensional, a la presión de briquetado requerida

para la matriz de briquetado, distribuido equitativamente en dos secciones del chasis –9.375

toneladas por sección del chasis-. En el diseño del prototipo se contemplan cuatro perfiles

metálicos tipo soleras para soportar el trabajo del sistema hidráulico de presión, dos por

sección del chasis, tal y como se ilustra en la figura 63.



Figura 63. Sistema de aplicación de fuerzas del prototipo

La determinación de la magnitud y la localización de la resultante de las cargas

distribuidas que actúan sobre el soporte superior e inferior del chasis se estableció en el

centro geométrico de dichos soportes, y equivale a 9.375 tons (según los cálculos de la

presión de briquetado, entre dos secciones del chasis).

Para la determinación de las condiciones de equilibrio del prototipo, fue necesario

trazar un diagrama de cuerpo libre (figura 64) para definir las componentes horizontal y

vertical de las fuerzas de reacción.

Figura 64. Diagrama de Cuerpo Libre del sistema de aplicación de fuerzas del prototipo

9.375 ton

39.4 cm

9.375 ton

C 9,375.00 kg

Ay By

19.7 cm 19.7 cm

70 cm



Aplicando las ecuaciones de equilibrio para obtener los esfuerzos que deberá

soportar el chasis del prototipo, tenemos lo siguiente:

Sumatoria de fuerzas en X

0=∑ XF

Para obtener una solución directa para By es necesario aplicar la ecuación de

momentos en el punto A ( ∑MA = 0 ), de la que se obtiene lo siguiente:

[ ] [ ] 0394.0197.000.3759

0

=×−×=

=

∑

∑

mBmkgM

M

yA

A

Despejando By

kgB

mmkgB

y

y

5.6874

394.0875.8461

=

•=

=

=

Realizando la sumatoria de fuerzas en Y, utilizando el resultado anterior, tenemos

que la fuerza resultante en Ay es:

kgBAF

F

yyY

Y

00.3759

0

−+=

=

∑

∑

Despejando Ay

kgA

kgkgBkgA

y

yy

50.6874

50.687400.375900.3759

=

−=−=

Finalmente, la determinación de las funciones de momento y fuerza cortante, se

realizan considerando a los soportes inferior o superior como si estuviese seccionado a una

distancia arbitraria X a partir del punto A, que se extiende dentro de la región AC, y el

Diagrama de Cuerpo Libre del segmento izquierdo se muestra en la figura 65.

250.6874;0

1.50.6874;0

mkgXMM

kgVFY

•==

==

∑

∑



0 ≤ x < 0.197 m 0.197 m < x ≤ 0.394 m

Figura 65. Diagrama de Cuerpo Libre para momentos y fuerza cortante

En el DCL de la figura 65 se muestra, en el sector derecho, que el segmento del

soporte inferior del chasis del prototipo se extiende una distancia X dentro de la región BC.

Aplicando las ecuaciones de equilibrio tenemos que:

( )( ) 450.6874875.8461

0)(50.6874197.000.3759;0

350.6874000.375950.6874;0

mkgXMXkgmXkgMM

kgVVkgkgFY

•−=

=−−+=

−=

=−−=

∑

∑

Graficando las ecuaciones uno a cuatro dentro de las regiones en las que son

válidas, se obtienen los diagramas de fuerza cortante y de momento de flexión, mostrados en

la figura 66.

El diagrama de fuerza cortante indica que la fuerza cortante interna es positiva a lo

largo del segmento AC: Justo a la derecha del punto C, la fuerza cortante cambia de signo

y conserva un valor constante para el segmento CB.

EL diagrama de momento de flexión parte de cero, se incrementa linealmente hasta

el punto C en x = 2 m, donde el momento M alcanza su valor máximo, para después

decrecer hasta cero.

9,375.00 kg Ay

19.7 cm

X

Ay

C

V

M

VM

X



X

M = (1 846.875-4687.50X) Mmáx = 9 375.00

M = 4 687.50 X

X

Figura 66. Diagramas de fuerza cortante y momento de flexión

5.4.5.- Determinación de uniones del chasis

La determinación de las uniones generales del equipo se realizó considerando la

magnitud y sentido de las cargas que actúan en el chasis, ya que con dichas cargas se

obtiene el tipo de esfuerzo a que será sometida la unión en el chasis. Los tipo de uniones

utilizadas en el prototipo son soldadas y atornilladas.

Considerando el riesgo que implica el trabajo de una prensa, es conveniente que la

unión entre las piezas que van a soportar los esfuerzos que genere el sistema de presión

(gato hidráulico), se realice por medio de sueldadura, tomando en cuenta las características

de resistencia requeridas en el prototipo con respecto a las que son proporcionadas por las

uniones soldadas. Las uniones soldadas se muestran en la figura 67.

C 9 375.00 kg

4 687.50 kg

19.7 cm 19.7 cm

4 687.50 kg

V = 4 687.50 kg

V = - 4 687.5 kg



Figura 67. Uniones con sueldadura

Dichas uniones se realizaron con sueldadura 6013, según la clasificación AWS para

este tipo de materiales. La resistencia de la sueldadura 6013 corresponde a:

RT = 74,000.00 LB/PULG2 5,208.68 KG/CM2 (Resistencia a la Tensión)

LE = 63,500.00 LB/PULG2 4,469.61 KG/CM2 (Limite de Elasticidad)

Cuadro 22. Corrientes óptimas de aplicación de la sueldadura 6013 (amperes)

Diámetro de la varilla de sueldadura

3/32 1/8 5/32 3/16 ¼

Amperes 75 130 170 210 320

Fuente: ESAB MÉXICO S.A. de C.V.

A pesar de la resistencia de la unión soldada es muy superior al esfuerzo que debe

soportar, no se considera que la resistencia de la unión esté sobrada, debido a que dicho

holgura en resistencia repercute en seguridad al operario y para el prototipo.

La uniones que se consideraron para realizarse atornilladas no soportan esfuerzos

significativos, su función principal es la de mantener una unión que permita ajustar la

posición de las piezas que entrelaza. Para solventar los requerimientos de resistencia a

esfuerzos y a los efectos del medio, deben utilizarse tornillo de grado 3 o superior.



5.4.6.- Selección de los materiales apropiados

De los cálculos anteriores tenemos que cada solera o soporte lateral del chasis, así

como las uniones entre soportes en las esquinas, deberán resistir un esfuerzo de 4,687.50

kg, y considerando que la solera tiene un área de sección transversal de 9.67 cm2 (3” X ½”),

el material debe soportar al menos 484.37 kg/cm2.. Tomando en cuenta la resistencia que

debe presentar el material que conformará el chasis del prototipo, se considera que cualquier

perfil de acero estructural, con las dimensiones requeridas por el diseño, es apropiado para

manufacturar el chasis del prototipo.

En lo que a las matrices de briquetado, se considera apropiado manufacturarlos de

fundición gris, ya que serán sometidos a esfuerzos de compresión, por lo que no representan

un riesgo de falla en la operación del prototipo.

Las placas base, por resistencia del material (acero estructura), pueden ser de un

espesor hasta de 1/8” , pero por el proceso de manufactura no son adecuadas, ya que es

necesario que la placa soporte el calor requerido para cortar dicho material. Las placas muy

delgadas tienden a deformarse, por lo que el espesor de dichas placas es de ½” (12.7 mm).

El objeto de realizar una descripción lo más detallada posible, durante el desarrollo

de esta fase del diseño del prototipo de máquina briquetadora para carbón vegetal, fue

transmitir y hacer comprensible las especificaciones a utilizar durante las pasos posteriores,

en los que figura le elaboración del modelo industrial y posteriormente en una etapa práctica

y crítica, que es la construcción o manufactura del dicho prototipo.

Desarrollo y Resultados Construcción de un Modelo Industrial a Escala Real


5.5.- Construcción de un modelo industrial a escala real

Una vez concluido el diseño detallado, y antes de manufacturar el prototipo, se

construyeron un par de modelos industriales, que son modelos a escala real, hechos de

materiales como la madera aserrada y tableros contrachapados, cuyo costo es muy inferior

al de los perfiles de acero con que se construirá el prototipo. Este tipo de modelo tiene la

finalidad de encontrar posible fallas o problemas de manufactura, errores en el ensamblado o

defectos en el funcionamiento de la máquina, antes de proceder con la construcción del

prototipo con los materiales especificados en el diseño detallado.

El procedimiento para la construcción del modelo industrial consistió en cantear una

pieza de madera aserrada, para posteriormente pasar dicha pieza en un cepillo industrial

para calibrar el espesor de la madera y proporcionar un mejor acabado. En seguida se

requirió de una sierra cinta tabletera para dimensionar el ancho de las piezas, después de lo

cual se procedió a dimensionar en longitud las diferentes piezas del modelo industrial con

una sierra radial. Para el caso del triplay solamente se requirió de una sierra radial o de

banco para su dimensionado.

Una vez habilitados los componentes de madera, se procedió a perforar, con un

taladro, las diferentes piezas que por diseño lo requerían. Para el ensamble del modelo

industrial se utilizaron desarmadores, tornillería, baleros, pijas y adhesivos.

Una vez terminado el modelo industrial fue revisado detenidamente por los asesores

de UPIICSA, IPN11 y personal12 del Taller Mecánico Industrial CIDES, con lo que se

determinaron algunas modificaciones principalmente en las dimensiones de algunos

elementos y sistema de guías, para analizar la necesidad de construir un segundo modelo.

El sistema de guías fue el principal problema que se detectó en el modelo industrial,

debido a que no mantenía estable a la placa base móvil, por lo que se discutió sobre el

detalle y se consensó la idea de incluir un buje como guía maestra. El buje sería ubicado en


12 T.M.I. Eduardo Solórzano Ángeles. Técnico en Mecánica Industrial. Jefe del área de ensamble y sueldadura del Taller Mecánico Industrial CIDES. Carretera Tulancingo – Acatlán km 1.8. C.P. 43770, Tulancingo de Bravo, Hgo.



la parte inferior de la placa base móvil, tiene la función de evitar cualquier movimiento en el

plano horizontal, ya que ingresa una parte del pistón del gato hidráulico que restringe los

movimientos de la mencionada placa. A manera de complemento, se decidió mantener el

sistema de guías laterales, necesario para restringir los movimientos en el plano vertical,

complementando al sistema guía del buje. El antecedente del sistema de guías laterales se

muestra en la figura 68.

Figura 68. Prueba de diferentes sistemas para las guías laterales.

Atendiendo a la meta de diseño referente a que el prototipo debe tener el menor

peso posible, se decidió reducir las dimensiones de los soportes superiores e inferiores así

como de las placas base, a una longitud mínima, teniendo el cuidado en mantener una

tolerancia para el correcto desplazamiento de la placa base móvil.

Finalmente se decidió incluir cuatro soportes para unir las dos secciones del chasis,

logrando que dicha estructura quedará en una sola pieza, consiguiendo una mayor

resistencia del equipo, además de acceder a la posibilidad de transportar el prototipo por

partes, es decir, que las placas base se unan al chasis por medio de tornillería, permitiendo

distribuir mejor el peso del equipo al momento de trasladarse de un campamento o área de

producción a otra.

Para comprobar la funcionalidad de las modificaciones propuestas con el modelo

industrial, se optó por construir un segundo modelo industrial, en el que se incluyeron dichas

modificaciones o correcciones.



El segundo modelo industrial, se revisó por personal del taller CIDES y se consideró

que las modificaciones propuestas son adecuadas y compensan las aparentes dificultades

por las que se propusieron. Finalmente, posterior a la revisión se consideró que dicho

modelo industrial estaba listo para constituirse como base en la manufactura del prototipo

real de máquina briquetadora objeto del presente proyecto. La estructura o chasis del

modelo industrial, así como algunos elementos del prototipo real (gato hidráulico y molde

móvil con aro de contención) se ilustran en las figuras 69 a 71.

Figura 69. Vista frontal del modelo industrial 2.

Figura 70. Vista isométrica frontal del modelo industrial 2.



Figura 71. Vista isométrica posterior del modelo industrial 2.

Desarrollo y Resultados Construcción del Prototipo de Briquetadora


5.6.- Construcción del prototipo de briquetadora

La manufactura del prototipo de máquina briquetadora para carbón vegetal, se

realizó con base en el diseño detallado y en el segundo modelo industrial. Para la elección

del lugar en que se construiría el prototipo se cotizó el costo de esta operación en diferentes

talleres especializados, después de lo cual se decidió por el Taller CIDES como el más

conveniente en precio, calidad del trabajo, y la posibilidad de poder dar seguimiento a las

etapas en el proceso de construcción del equipo.

La primera etapa en la construcción del prototipo consistió en la manufactura de la

matriz de briquetado, para lo que fue necesario construir un molde de madera con las

dimensiones reales del diseño más un refuerzo, requerido para la elaboración del molde

metálico de fundición gris.

Debido a las dimensiones y características en la forma del molde, se diseñó una

fresa para rauter, con la cual se maquinó la moldura requerida para la construcción del molde

de madera. Las características de la fresa se muestran en la figura 72.

72. Diseño de fresa para rauter (acotaciones en cm)

La manufactura de la fresa fue realizada por “Industria Nacional de Corte13”.

Con la fresa se habilitó la moldura requerida en la manufactura del molde de

madera. La elaboración del molde de madera consistió en habilitar una pieza de madera

13 INC. Industria Nacional de Corte S.A. de C.V. Domicilio en Roberto Fierro No. 13. Ampliación las Colonias. Atizapan de Zaragoza. Estado de México. C.P. 52953. Tel (55) 53 78 10 13 pagina web: http://www.inctools.profesionales.org e-mail: [email protected]



aserrada para utilizarla como base o soporte de la moldura que daría forma a las cavidades o

moldes individuales.

La necesidad del molde de madera obedece a que en el proceso de la fundición gris

emplea moldes de arena para moldear la forma de la pieza que se pretende fabricar. Para

elaborar los moldes de arena es requerido un modelo de madera u otro material de buena

trabajabilidad para realizar un trabajo de “copiado” con arena.

Una vez manufacturados los moldes metálicos, se procedió a pulirlos con el uso de

diferentes tipos de cardas, tal y como se muestra en la figura 73. Posteriormente se

calibraron en el espesor exterior con esmeril y en un torno, para ajustarlos a las dimensiones

especificadas en el diseño detallado, y poder realizar adecuadamente las perforaciones

requeridas para su fijación y ajuste en la placa base correspondiente, ya sea móvil o

superior. Una vez que se realizaron las perforaciones en la matriz de briquetado se marcó o

habilitó la rosca en dichas perforaciones con un muchuelo.

73. Molde de fundición gris

Por otra parte, para las placas base fue necesario, además del dimensionado con

soplete, un maquinado que consistió en realizar las perforaciones necesarias en cada placa,

a la superior para permitir la entrada de tornillos y en la inferior para colocar un balín guía, tal

y como se muestra en la figura 74. Posteriormente se pulieron y nivelaron las superficies de

dichas placas con el uso de cardas y esmeril.

El gato hidráulico fue perforado en su base en un torno, poniendo especial atención

en no dañar el sistema hidráulico. Esta operación es necesaria para poder fijar el gato

hidráulico a la placa base inferior con un par de tornillos.



74. Corte de las placas base

La manufactura del chasis del prototipo consistió en dimensionar los perfiles que

conforman la estructura del equipo, con el uso de sierras para metal, para preparar las

piezas para su posterior unión por medio sueldadura. El proceso anterior se ilustra en las

figuras 75 a 79. El tipo de sueldadura se eligió en base a las características de resistencia

que ofrece, según la clasificación AWS para estos materiales, y atendiendo a que las

características del equipo necesario para aplicar este tipo de productos, son comunes en

cualquier taller mecánico industrial.

75. Dimensionado del canal para soporte superior e inferior



76. Dimensionado del redondo o barra para soportes entre el chasis

77. Perforación del canal para la unión con el redondo



78. Ensamble del chasis

79. Chasis ensamblado

Para el sistema de guías laterales, se manufacturaron los cuatro elementos y se

unieron a la placa base móvil por medio de sueldadura. El corte y maquinado de estas

piezas se realizó con soplete y torno respectivamente, según la figura 80. Los baleros

empleados para dichas guías son muy comerciales y de fácil adquisición en cualquier

ferretería o refaccionaria, ya que este tipo de elementos es empleado en los alternadores de

un sinnúmero de automotores, teniendo su mejor referencia de su resistencia, calidad y

precio en el buen servicio que proporcionan en los elementos antes mencionados.



80. Biselado de un soporte de guía lateral

Por su parte, el buje que cumple como guía maestra, fue cortado y biselado en un

torno. El bisel es necesario para la aplicación adecuada de un cordón de sueldadura,

mecanismo que mantiene asegurado dicho buje en la placa base móvil. El proceso de

manufactura del buje guía se muestra en la figura 81 y 82, y la placa base móvil pre armada,

sin baleros, se presenta en la figura 83.

81. Corte del buje guía central



82. Torneado del buje guía

83. Placa base móvil con guías laterales y buje guía central

Una vez que se tuvieron todos los componentes del prototipo se procedió a realizar

una revisión previa de cada uno de ellos para detectar posibles defectos en la manufactura o

en las características y/o propiedades de los materiales.

Con todos los elementos del prototipo revisados se procedió a realizar la aplicación

de la sueldadura en las uniones que lo requieren para conformar el chasis, dichas uniones se

ilustran en la figura 67.

Posteriormente se ensamblaron las placas base con los elementos

correspondientes a cada una de ellas (placa base superior con matriz de briquetado, placa

base móvil con matriz de briquetado y buje guía, placa base inferior con gato hidráulico). El

molde móvil con su aro de contención se muestra en la figura 84.



84. Molde móvil con aro de contención

Enseguida se procedió a realizar el ensamble de los componentes del prototipo,

para lo que fue necesario fijar y ajustar las placas base en el chasis.

Por otra parte, una vez ensamblado el prototipo, se procedió a la aplicación de

pintura y otros acabados o aditivos necesarios para asegurar una mejor preservación del

equipo en el medio de trabajo. La aplicación de los acabados consistió en lijar levemente

las piezas del prototipo –excepto en las cavidades de las matrices de briquetado-, para tener

lista la superficie para la aplicación de un “primer” antioxidante, que además funge como

base para retener adecuadamente la pintura. La pintura se aplicó en todo el chasis, en las

placas base, guías, aro de contención de la mezcla y en las superficies planas de las

matrices de briquetado. El proceso de ensamble o armado del prototipo se ilustra en la

secuencia de las figuras 85 a 89.

85. Vistas del chasis del prototipo



86. Vistas del chasis con placa base móvil y gato hidráulico

87. Prototipo de máquina briquetadora para carbón vegetal en vista frontal



88. Prototipo de máquina briquetadora para carbón vegetal en vista lateral

89. Prototipo de máquina briquetadora para carbón vegetal en vista isométrica frontal

Conclusiones


6.- CONCLUSIONES

Se realizó el diseño y construyó un prototipo de máquina briquetadora para carbón

vegetal, con capacidad de producción 25 toneladas por año, apropiada para

productores pequeños y medianos, de menos de 20 y hasta 50 toneladas de

briquetas por año, atendiendo a las normas generales de diseño y a las

especificaciones del proceso de briquetado.

El presente prototipo es parte de un sistema de briquetado, por lo que se requiere

que sea complementado con herramientas, accesorios y otros equipos

complementarios para un adecuado procesamiento del cisco.

El uso de este prototipo en las áreas productoras ayudará a reducir el riesgo de

contaminación del medio ambiente por cisco.

Es posible incorporar los desperdicios de carbón al volumen de producción, el cisco y

el carbón que no cumple con los requisitos de tamaño son susceptibles de

aprovecharse mediante el proceso de briquetado.

El prototipo construido presenta como principales ventajas un reducido precio de

adquisición y bajos costos de producción.

El prototipo construido tiene la facilidad de ser transportado en partes, para llevarse

hasta las áreas de producción en campo.

Utilizando un gato hidráulico convencional para 20 toneladas, este equipo no requiere

del uso de energía eléctrica para su funcionamiento.

En trabajos similares al presente, en los que sea necesario construir un prototipo, es

indispensable apoyar el diseño con un modelo industrial, puesto que en el es posible

realizar correcciones y modificaciones, con ahorro en tiempo, dinero y esfuerzo.

Conclusiones


El costo total, por concepto de construcción del prototipo fue inferior a $15,000.00

Fresa para rauter (1) $ 450.00

Moldes de madera (1) $ 3,000.00

Matriz de briquetado (fundición y ajuste) $ 1,300.00

Chasis del prototipo $ 3,600.00

Gato hidráulico $ 900.00

TOTAL $ 9,250.00

Con base en pruebas preeliminares sobre el funcionamiento del prototipo, se

concluyó que es necesaria la validación del prototipo para ayudar a resolver lo siguiente:

Encontrar las características de la mezcla más apropiadas al sistema de briquetado

en prensa hidráulica, incluyendo pruebas con diferentes proporciones de cisco,

harina, contenido de humedad, tamaño de partículas en el cisco, temperatura del

agua y de la mezcla, etc.

Realizar ensayos para determinar la presión de briquetado más adecuada al sistema,

misma que se indica por los ensayos preeliminares, debe ser superior a la del

prototipo construido en el presente proyecto.

Probar otro sistema para la aplicación de presión, más eficiente, rápido y de mayor

capacidad, aun cuando ello implique mayor costo en el equipo.

Revisar, y de ser necesario modificar el sistema de guías laterales, ya que se probó

que el actual presenta dificultades para calibrarse.

Revisar, y de ser necesario modificar el sistema de ajuste de la matriz de briquetado

inferior (de balines guías), ya que el esfuerzo requerido para la operación de carga y

descarga del molde es considerable.

Continuar con el desarrollo de toda la línea de producción de briquetas, ya que tanto

la preparación de la mezcla como el secado de la briqueta, resultan de gran

importancia para obtener buenos resultados con los productos que se obtengan del

prototipo en operación.

Recomendaciones


7.- RECOMENDACIONES

Para las industrias productoras de carbón vegetal, establecidas en forma permanente

en un área específica, es recomendable utilizar un sistema alternativo para la

aplicación de presión, se propone un sistema hidroneumático de 20 toneladas de

capacidad, con ello se incrementará la productividad del prototipo, a costa de

incrementar el precio de compra del equipo y de la necesidad de energía eléctrica.

Se recomienda practicar el mantenimiento diario del equipo, principalmente el

aspecto de limpieza, para aminorar el deterioro del prototipo por los efectos

corrosivos del carbón vegetal.

Se recomienda validar la funcionalidad del presente prototipo en diferentes

condiciones de trabajo, con material con marcadas diferencias en las dimensiones

del material a briquetar, manejar mezcla con diferentes contenidos de humedad y

probar el comportamiento del equipo y del producto con diferentes cantidades y tipos

de aglutinantes.

Se recomienda continuar investigando acerca de las características del proceso de

producción de briquetas de carbón vegetal, considerando la importancia de esta

actividad en el desarrollo económico de las zonas marginadas del País, además del

inapelable compromiso de dar respuesta al consecuente problema de esta actividad,

la contaminación de suelo y agua por la generación de cisco.

Finalmente, se recomienda desarrollar un sistema completo para la producción de

briquetas de carbón vegetal, lo que involucra molinos, tamices, mezcladora,

briquetadora, secador y empacadora. Todo el paquete debe diseñarse adecuado a

los volúmenes de producción y a la capacidad de compra de los productores de

carbón vegetal en México. Lo anterior tendiendo en consideración el resultado de

las cotizaciones recibidas de diferentes proveedores (Anexo 2), en los que los precios

de dichos productos, así como sus capacidades, se encuentran muy por encima de

las posibilidades de los productores nacionales.

Bibliografía Citada


8.- BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA

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Anexos Cotizaciones de Equipos para Briquetado de Carbón Vegetal


9.- ANEXOS

9.1.- Anexo 1:

Cotizaciones de equipos para briquetado de carbón vegetal

Presupuesto 1: (LAB Puerto de Veracruz)

PROVEEDOR 2

Equipo Nuevo. –Matriz de Extrusado-

Marca COMAFER

Mod. Dinamic 85 N

Serie "Millenium"

Características:

Cuadro eléctrico de mandos.

Tolva cónica para evitar que la carbonilla o finos de carbón hagan puente.

Producción de 40 a 80 Kg / h.

Motor de la bomba hidráulica de 7,5 hp.

8 ciclos al min.

Potencia de empuje 800 Kg/cm2

3 Cilindros.

Mordaza redonda autocentrante en una pieza sólida sin tirantes e indestructible.

∅ del cilindro 130 mm.

∅ de la briqueta 60 mm.

Dispositivo de puesta en marcha en frío de la máquina situado en el cuadro eléctrico de la máquina (mordaza abierta-mordaza cerrada) permite la puesta en marcha progresiva de la máquina en ambientes con climas muy fríos.

Termostato de control de la temperatura del aceite.

Multiplicador de potencia para maderas duras especial para obtener briquetas largas.

Cortabriquetas para obtener briquetas de largo 25/30/35/40 aproximadamente

Precio en pesetas españolas (LAB Puerto de Veracruz)................ 1,950,000 + IVA

Precio en pesos mexicanos ($)..................................................$ 102,180 + IVA

Tipo de cambio del 19-Octubre-2001.(Fuente: Banxico). 0.0524 pesos por peseta - 19.084 pesetas por peso



Presupuesto 2: (LAB Puerto de Veracruz)

PROVEEDOR 2

Equipo Nuevo. –Matriz de Extrusado-

Marca COMAFER

Mod. Dinamic 110 N

Serie "Millenium"

Características:

Cuadro eléctrico de mandos.

Tolva cónica para evitar que la carbonilla o finos de carbón hagan puente.

Producción de 50 a 110 Kg / h.

Motor de la bomba hidráulica de 10 hp.

10 ciclos al min.

Potencia de empuje 900 Kg/cm2

Mordaza redonda autocentrante en una pieza sólida sin tirantes e indestructible.

∅ del cilindro 150 mm.

∅ de la briqueta 65 mm.

Dispositivo de puesta en marcha en frío de la máquina situado en el cuadro eléctrico de la máquina (mordaza abierta-mordaza cerrada) permite la puesta en marcha progresiva de la máquina en ambientes con climas muy fríos.

Termostato de control de la temperatura del aceite.

Multiplicador de potencia para maderas duras especial para obtener briquetas largas.

Cortabriquetas para obtener briquetas de 25, 30, 35, 40 cm. de longitud aproximadamente.

Sistema de enfriamiento por medio de agua de su instalación la cual se pierde.

Sistema de enfriamiento del aceite en circuito cerrado por medio de agua y aire.

Sonda de nivel para puesta en marcha y stop de la maquina.

Precio en pesetas españolas (LAB Puerto de Veracruz)................ 2,180,000 + IVA

Precio en pesos mexicanos ($)...................................................$ 114,232 + IVA

Tipo de cambio del 19-Octubre-2001.(Fuente: Banxico). 0.0524 pesos por peseta - 19.084 pesetas por peso



Presupuesto 3: (LAB Toledo, Ohio, EUA)

PROVEEDOR 3

Equipo Usado.

Marca BLISS Duplex

Número de Serie: CN1612.

Manufacturado en 1951.

Características:

Producción: 250 toneladas de briquetas por año.

Sistema de presión por medio de pistón hidráulico.

Briquetado por medio de prensa de platos.

Profundidad máxima del molde o matriz: ............. 12"

Profundidad mínima del molde o matriz: ............. 6"

Diámetro del pistón de presado: .............. 14.250"

Velocidad de cierre de la prensa: ......... 400 IPM

Velocidad de apertura de la prensa: .......... 400 IPM

Velocidad de prensado: .............. 51 IPM

Área del molde o matriz completa: .................. 25" FB x 25" RL Overall

Dos motores para la bomba hidráulica de presión de 50 HP y 35 GMP.

Dimensiones: 95" ancho x 97" largo x 218" altura

Peso: 32,000 libras

Precio en dólares norteamericanos (∃) (LAB Toledo, Ohio, EUA).......∃ 34,500.00 +IVA

Precio en pesos mexicanos ($).............................................................$ 318,469.50 +IVA

Tipo de cambio del 22-Octubre-2001.(Fuente: Banxico). 9.231 pesos por dólar - 0.1083 dólares por peso



9.2.- Anexo 2:

Fabricantes, proveedores y/o distribuidores de equipo para briquetado de carbón vegetal

Proveedor 1:

AEROGLIDE Corporation PO Box 29505 Raleigh, NC 27626-0505 USA Tel. (+1) 919-851-2000 Fax: (+1) 919-851-6029 Contacto: Archie Jones Jr.

Gerente Regional – Latinoamérica Regional Export Manager e-mail: [email protected]

Página WEB: http://www.aeroglide.com

Proveedor 2:

SIMALE MAQUINARIA, S.L. Maquinaria y Herramienta para Trabajar la Madera C.Arqtos.Alamo Ceballos 5 bajo 26006 LOGROÑO Tel. 941 261367 Fax 941 234420 E-MAIL: [email protected] Página Web: http://www.islamaher.com

Proveedor 3:

Grupo ACETEC. S.A. de C.V. Equipo disponible en Toledo, Ohio, Estados Unidos. Contacto: Miguel Zavala Cotización No. 157465/691/01 Tel: 5534 0070 Fax: 5524 0313

“Diseño y construcción de un prototipo de máquina...

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