8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007
DISEÑO DE UNA MÁQUINA TORTILLADORA COMPACTA Mendoza Razo J. A.*, Pérez Villegas A. A.º, Valero Lozano J.º, García Zugastí P. J.°° *º Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. Manuel Nava No. 8 Zona Universitaria CP 78290, San Luis Potosí, S.L.P. México; °º División de Estudios de Posgrado e Investigación, ITSLP, Av. Tecnológico s/n, Col. UPA CP 78437, San Luis Potosí, S.L.P, México. *e-mail:
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RESUMEN El consumo diario de tortilla en México se estimó para el año 2005 de 300 millones de kilogramos, en ello se incluye el consumo en restaurantes. La adquisición de tortilla por parte de los restaurantes es mediante compra de éstas a tortillerías, las cuales surten al restaurante una vez al día. Ello genera que se almacene la tortilla y se caliente cuando sea requerida, lo que provoca pérdida en la textura del producto e insatisfacción en el cliente. Una solución para ofrecer el producto recién elaborado al cliente sería la adquisición de máquinas tortilladoras; sin embargo, las máquinas comerciales tienen un costo que alcanza valores de 7500 dólares americanos, además el tamaño de las mismas impide su instalación en cocinas de restaurantes. Para cubrir el potencial mercado que representan los restaurantes en México se desarrolló un prototipo de una máquina tortilladora compacta, que utilice piezas comerciales y evite la necesidad de almacenar tortillas y después calentarlas para su consumo. Su tamaño no excede un metro cúbico, el horno trabaja mediante gas y el accionamiento de los elementos se realiza mediante electricidad. Como exigencia un cliente en particular estableció la producción mínima de cuatro kilogramos por hora.
PALABRAS CLAVE: Tortilladora, compacta, producción.
INTRODUCCIÓN En 1904 se instaló en México la primer máquina tortilladora y fue el Sr. Everardo Rodríguez Arce quién la inventó. Actualmente existen en México más de 45 mil tortillerías y aproximadamente 14 millones de personas hacen contacto con ellas diariamente. Para el año 2005 el consumo diario de tortillas en México era de aproximadamente 300 millones de Kg. En México el consumo de tortilla de maíz en varios restaurantes se hace con este producto como acompañamiento del menú que se ofrece y la obtención de las mismas es por encargo a alguna tortillería. Las tortillerías las distribuyen usualmente una vez al día y esto genera que los restaurantes deban almacenar tortillasy que éstas se deban calentar para servirlas; con lo que se obtiene una textura diferente a la que inicialmente se logra al momento de producirla. Por ello es que este proyecto se enfoca a la generación de una máquina tortilladora compacta, que pueda ser ubicada en la cocina de algún restaurante y que produzca a una velocidad adecuada las tortillas necesarias para los clientes de los restaurantes. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Las máquinas tortilladoras actuales en México requieren de un espacio amplio para instalarse, lo cual limita su implementación dentro de una cocina de algún restaurante [1, 2]. El consumo de tortilla de maíz en México es elevado y el costo actual de una máquina tortilladora estándar varía alrededor de 7500 USD. El objetivo del proyecto desarrollado consistió en elaborar una máquina tortilladora compacta que cumpla las siguientes exigencias [3, 4, 5]. 1. La dimensión máxima de la tortilladora será de 1 metro cúbico, 2. La producción mínima deberá ser de 4 Kg por hr, 3. La materia prima a utilizar será masa de maíz nixtamalado, 4. El tamaño de la tortilla será del número 12, que es el diámetro en centímetros, 5. Los elementos utilizados deberán ser en su mayoría comerciales, 6. Una vez encendida la máquina tortilladora, la intervención de personas para la producción de tortillas será en dos ocasiones solamente; la primera para alimentar la máquina tortilladora con la materia prima y la segunda para retirar el producto terminado, 7. El consumo de energía eléctrica y gas deberá ser reducido y 8. Se requerirá de mínimo mantenimiento. DEFINICIÓN DEL PRINCIPIO DEL FUNCIONAMIENTO Y PONDERACIÓN DE SOLUCIONES La tarea principal del prototipo será producir tortillas de maíz nixtamalado y para conseguir realizar la tarea principal, se requiere de la identificación de varias tareas parciales, de la estructura y principio físico con el cual se cumplirá cada una de ellas [6]. Enseguida se presentan de la tabla 1 a la 9 las diferentes estructuras que puedan satisfacer la tarea parcial, algunas de ellas con un valor en porcentaje; el cual de manera representativa se detalla mas adelante como se obtuvo. Aquellas estructuras que no presentan porcentaje se debe a que no se encontró alguna otra estructura que satisficiera la función y la presentada se considera como única solución factible.
Tabla 1: Estructura para satisfacer la generación de potencia Palanca
¾ ¾
40%
Motor eléctrico
No cumple con las especificaciones del proyecto Requiere esfuerzo físico del operario
¾ ¾
100%
Mayor eficiencia mecánica Automatización del sistema
Tabla 2: Estructura para transformar el par al cabezal Catarina y cadena 100% ¾ Buena eficiencia ¾ Facilidad de adaptación
Poleas y bandas 40% Transmisión de engranes ¾ Ocupan más espacio ¾ Buena eficiencia ¾ Menor eficiencia ¾ Mayor potencia ¾ Dificultad para controlar la velocidad
80%
Tabla 3: Estructura para el suministro de materia prima Gravedad
¾ ¾ ¾
40%
Sinfín
Mayor disponibilidad ¾ No requiere mecanismos de ¾ adaptación No es muy eficiente ¾
70%
Resorte
Mayor eficiencia mecánica Mayor dificultad de adaptación Mayor costo
¾ ¾ ¾ ¾
80%
Buena disponibilidad Fácil adaptación Buena eficiencia Costo asequible
Tabla 4: Estructura para reducir la velocidad Poleas y bandas
¾ ¾
80%
Catarina y cadena
Se requiere maquinado ¾ para adaptación Buena eficiencia ¾
60%
Transmisión de engranes
100%
Se requiere maquinado ¾ Fácil adaptación para adaptación ¾ Disponibilidad y costo asequible Menor eficiencia
Tabla 5: Estructura para transmitir el movimiento hacia los comales Catarina y cadena 100% Poleas y bandas 40% Transmisión de engranes 60% ¾ Mayor eficiencia ¾ Deformación de las ¾ Pérdida de eficiencia a altas ¾ Facilidad de adaptación sin bandas por altas temperaturas verse afectado por la temperaturas ¾ Mayor complejidad de temperatura mecanismos ¾ Mayor capacidad de ¾ Costo accesible transmisión de par de tracción
Tabla 6: Estructura para la recepción de la tortilla Recepción del producto terminado Manual 60% Contenedor 80% ¾ Requiere mayor atención del operador ya ¾ No es 100% eficiente por que aún con el que existe la posibilidad de que se caigan contenedor se requiere retirar manualmente ¾ Se reduce el trabajo del operador
Tabla 7: Estructura para el proceso de modelado Laminación
98%
Extrusión
72%
Tabla 8: Estructura para el proceso de cocción Proceso de cocción Platos giratorios
65%
Bandas
88%
Tabla 9: Estructura para satisfacer el enfriamiento de la tortilla Malla de enfriamiento
Con la finalidad de exponer el procedimiento utilizado para la ponderación de las propuestas generadas, se presenta enseguida el caso del sistema de cocción. Aquí inicialmente se aclaró el funcionamiento de los sistemas propuestos [6]. Proceso de cocción de tortilla Opción 1: Uso de bandas metálicas Sistema utilizado comúnmente en las máquinas tortilladoras para tortillas de maíz que consiste en hacer pasar las tortillas sobre unas bandas metálicas. Usualmente se requieren por lo menos tres niveles; en cada nivel, las bandas reciben el calor generado por la flama de uno a varios quemadores y por medio de conducción lo transmiten a las tortillas [7, 8]. Las tortillas caen de un nivel a otro por efecto de la gravedad. Opción 2: Platos giratorios Sistema utilizado por las máquinas tortilladoras para tortillas de harina que consiste en una serie de platos concéntricos y de iguales dimensiones. La transferencia de calor se lleva a cabo de la misma manera que en el caso anterior: los platos reciben el calor generado por la flama de uno a varios quemadores y por medio de conducción lo transmiten a las tortillas [5, 7]. Los platos giran mediante la acción de una flecha acoplada a ellos en el centro. Por medio de un tope las tortillas caen de un nivel a otro y una estructura plana ubicada con una pendiente. Una vez que se conoce el funcionamiento de los sistemas analizados, se procede a determinar características relevantes de su funcionamiento. A cada una de estas características se les define un porcentaje y se toma en consideración que la suma de estos porcentajes sea el 100%; así se obtiene una base numérica para clarificar la razón de la selección de la propuesta a utilizar. Enseguida se presenta las características analizadas. 1. Manipulación del producto (25%). Gran importancia en la manipulación del producto se refleja en la sencillez para esta operación, debido a que esto influye en la calidad del producto. 2. Eficiencia en la transferencia de calor (30%). Misma importancia que en la propuesta anterior ya que es fundamental que el proceso de cocción se realice de manera eficiente. 3. Disponibilidad de partes (15%). Se refiere a que las piezas sean fácilmente intercambiables, así como un asequible costo y su aportación para la versatilidad de la máquina. 4. Simplicidad de los mecanismos y principios de funcionamiento (20%). Este aspecto es de gran importancia, sin embargo, no representa una limitante considerable con respecto a la eficiencia.
5. Costos de fabricación, operación y mantenimiento (5%). Por que la rentabilidad siempre es un criterio a evaluar en una máquina o en un proceso. El valor de 5 se otorga a la propuesta mas económica y el de 0 ala mas costosa. 6. Dimensiones (5%). No se considero un aspecto fundamental en el diseño por estar en función de las especificaciones y de otras características como son el proceso y el volumen de fabricación. En la Tabla 1 se presentan los porcentajes asignados para las características analizadas en la propuesta de cocción. Con los resultados del análisis anterior se opta por la propuesta cocción mediante el empleo de bandas metálicas.
Tabla 10: Ponderación de características del sistema para cocción de tortilla
Facilidad en la manipulación del producto Eficiencia en la transferencia de calor Disponibilidad de partes Simplicidad de los mecanismos y principios de funcionamiento Costos de fabricación, operación y mantenimiento Dimensiones Total
Bandas metálicas 25 30 15 15 5 5 95
Platos giratorios 10 30 12 20 3 2 77
BOSQUEJOS Y DIMENSIONAMIENTO DE ELEMENTOS El siguiente paso en la elaboración del proyecto fue establecer la disposición de los elementos y el dimensionamiento de los mismos; para ello se elaboraron bosquejos que permitan determinar la distribución de los elementos [6], uno de estos bosquejos se muestra en la figura 1.
Fig. 1. Disposición de elementos
Enseguida se procedió a la realización de cálculos, para lo que fue necesario utilizar las masas y momentos de inercia de los elementos que se habrán de accionar para el funcionamiento de la máquina [3, 4, 9]. Inicialmente se pasa la masa de maíz por un sistema de rodillo para formar la tortilla, ver figura 2; la velocidad a la que estará operando el sistema fue determinada en base a las propiedades y cocimiento de la masa y las tortillas de maíz, además se verificó de manera experimental obteniendo coincidencia con el valor utilizado. Una vez realizados los cálculos, se procedió al diseño y comprobación de elementos utilizados, así como a la selección de elementos comerciales que pudieran utilizarse; de esta manera existe ahorro en la producción individual de partes y se cumple el objetivo del uso de piezas comerciales promoviendo la flexibilidad de partes. Entre las piezas comerciales se seleccionó un sistema de rodillo empleado en tortilladoras manuales, estos se muestran en la figura 2. Por las limitaciones de espacio fue necesario establecer tres bandas metálicas donde se realizará la cocción y una cuarta banda para el enfriamiento del producto [5, 7, 8], ver figura 3.
Fig. 2. Rodillos seleccionados para formar la tortilla
a) Vista lateral
a) Vista frontal
Fig. 3. Disposición de bandas y quemadores
RESULTADOS El diseño final muestra se presenta en la figura 4, este diseño a manera de prototipo cubre los objetivos establecidos inicialmente y algunas de sus características son: Dimensiones: 101 x 198 x 50 cm. Producción: Cumple con el objetivo, al ofrecer una producción de 960 tortillas o 27 Kg por hora. Consumo eléctrico: B = 0.16 Kw/hr. Motor utilizado: monofásico con P = 1/2 hp. Relación de la mezcla estequiométrica: i = 1/1 (lb de gas/lb de aire). Velocidad de operación del sistema: v = 10 m/s.
Fig. 4. Diseño final de la tortilladora
Las ventajas que ofrece este diseño con respecto a las máquinas comerciales son: Ahorro de gas y energía eléctrica, Ahorro de mano de obra y espacio, Bajos costos de operación y mantenimiento, Empleo de un solo motor y un reductor, Elementos comerciales compatibles con dos marcas de fabricantes de máquinas tortilladoras. CONCLUSIONES La inversión en espacio y en la adquisición de una máquina tortilladora comercial se justifica cuando se requiera un volumen de producción elevado, para los restaurantes y fondas no es justificable esta inversión y dependen de que una Tortillería les provea las tortillas. Con el prototipo desarrollado se cumplen las necesidades de producción y el espacio necesario es mucho menor que el utilizado por las máquinas totilladoras comerciales, lo mismo que el costo de inversión. El costo en material y equipo para la fabricación del prototipo fue de 1500 USD. Los elementos y materiales necesarios para la construcción del prototipo son comerciales y no de fabricación especial, lo cual facilita la adquisición de refacciones. Con lo anterior es factible la inserción del la tortilladora diseñada en el mercado mexicano. RECONOCIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo a la Facultad de Ingeniería de la UASLP, al ITSLP, a los alumnos que participaron en la realización del mismo. BIBLIOGRAFIA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Catálogo de fabricante. Máquinas Tortilladoras Celorio.http://www.tortilladoras.com/esp/sobnos.php, Septiembre 24 de 2006, 12:00 hrs. Catálogo de fabricante. Manufaturas Lenin, http://www.eiiasacv.com.mx/1028/index.htm, Septiembre 24 de 2006, 10:00 hrs. Norton Robert L., Design of machinery: an introduction to the synthesis and analysis of mechanisms and machines, 3rd ed., New York McGraw-Hill, 2004. Mott Robert L., Machine elements in mechanical design, 4th ed., Upper Saddle River, N.J. Pearson/Prentice Hall, 2004. Kays W. M., Convective heat and mass transfer. 3a ed. Nueva Cork, McGraw-Hill, 1993. Paul Beitz. Konstruktionslehrer. Springer Verlag Berlín 2000. H. Lienhard John, A Heat Transfer Textbook, 3th. Edition, 2000-2006. Janna William S., Engineering Heat Transfer, 2000 CRC Press Editor. Hall Allens S., Teoría y problemas de diseño de máquinas, México: McGraw-Hill, 1971.
NOMENCLATURA P Potencia (Hp) B Consumo eléctrico (kW/hr) v Velocidad (m/s) i Relación de mezcla estequiométrica (lb de gas/lb de aire) Kg Kilogramo USD Dólares americanos % Porcentaje lb Libras cm Centímetro Hp Caballos de potencia kW Kilowatts m Metro s segundo
