IMPORTANCIA DE LA FISICA EN EL PROCESO INDUSTRIAL DE LA FABRICACION DE HIELO José Manuel Ventura Carranza Universidad Católica Santo Toribio de Mogrovejo Chiclayo-Perú
MARCO METODÓLOGICO: 1. Empresa: FABRICA DE HIELO SARITA COLONIA S.A.CCARRETERA PANAMERICANA NORTE #777 – LAMBAYEQUE
2. Objetivos de la investigación: 2.1 Objetivo general: Demostrar la importancia de la física en cada proceso para la ejecución de funciones en una industria.
2.2 Objetivos específicos: Mencionar teorías centrales de la física aplicadas en un proceso industrial. Describir un proceso industrial (fabricac (fabricación ión del hielo). Indicar como como aporta aporta la física para otorgarle características determinad determinadas as a un producto. Identificar leyes fundamentales de la física para el control de fluidos. Explicar la importancia importancia de la aplicación de principios básicos de la física en el manejo de la maquinaria industrial.
3. Justificación El presente trabajo de investigación tiene como finalidad explicar por qué la física es tan importante en el sector industrial debido a su aplicación en los distintos procesos que la elaboración de un producto requiere.
4. Importancia Este trabajo centra su importancia en hacer saber por qué la física es tan importante y base fundamental de cualquier rama de las ciencias que su solicite su aplicación, ya que nos ayuda a determinar con mucha precisión tiempos, temperatura, medidas, etc., que tienen como fin contribuir y servir al bienestar humano.
MARCO TEORICO: 1. Definición de Términos Básicos: Agua Potable: Se denomina al agua "bebible" en el sentido que puede ser consumida por personas y animales sin riesgo de contraer enfermedades. El término se aplica al agua que ha sido tratada para su consumo humano según unas normas de calidad promulgadas por las autoridades locales e internacionales. Procesos: Es un conjunto de actividades o eventos (coordinados u organizados) que se realizan o suceden (alternativa o simultáneamente) con un fin determinado. Agua Bruta: Es el agua que ha de ser tratada antes de convertirse en agua potable. También llamada agua cruda. Agua Dura: Es aquella que posee una dureza superior a 120 mg CaCO3/l. Es decir que contiene un alto nivel de minerales, en particular sales de magnesio y calcio. Son éstas las causantes de la dureza del agua, y el grado de dureza es directamente proporcional a la concentración de sales metálicas. Agua Blanda: Es el agua que no es agua dura. Siempre es dulce, y de diferentes colores, en función de las partículas en suspensión. Esta se caracteriza por tener una concentración de cloruro de sodio ínfima y una baja cantidad de iones de calcio y magnesio. 2.
Definición del Hielo:
Real Academia de la Lengua Española, señala que el hielo es agua convertida en cuerpo sólido y cristalino por un descenso suficiente de temperatura. Gálvez González, Oscar. Instituto de la Estructura de la Materia (2008), es una fase sólida, normalmente cristalina, de una sustancia no metálica, que se presenta en estado líquido o gas a temperatura ambiente. Sin embargo la palabra “hielo” normalmente se refiere al “hielo de agua”, más correctamente a una de sus 15 fases cristalinas conocidas.
3. Propiedades Físicas del Hielo: Iriondo. H. Martín. “Introducción a la Geología” (2007), nos dice que el hielo es una agua congelada, su temperatura es siempre inferior a 0 ºC a una presión atmosférica. A presiones mayores, el punto o temperatura de congelación disminuye levemente, así como también cuando el agua contiene sales en la solución. La dureza del hielo es muy baja, tiene un valor de 1,5 a 5 ºC bajo cero. La densidad de hielo es 0.9 g/cm3; esto le permite flotar en el agua, aunque la mayoría de sólidos no tienen esta propiedad.
4. Composición del Agua: Según Gerhard Wildbrett (2000), la composición del agua varía dentro de amplios límites. La diferenciación entre las cifras de composiciones convenientes e inconvenientes no solo se refiere al agua potable (Consumo Humano), sino también al agua industrial.
Los componentes en negrita de la Tabla 01 son los integrantes principales del agua. Los iones de calcio y magnesio determinan la dureza de ésta.
5. Descripción del Producto: Se producirá un promedio de 20 toneladas diarias de bloques de hielo, dependiendo de la demanda. El producto es el Hielo, que resulta de la solidificación del agua tratada a bajas temperaturas, las dimensiones de los bloques son de 450x300x150mm y tienen un peso de 15kg cada uno. Adicionalmente, al requerir el cliente un hielo de menores dimensiones, los bloques de hielo pasan por una operación unitaria de trituración, donde el hielo es convertido a tipo escamas, con igual capacidad refrigerante.
6. Materiales: La materia prima es el agua, los materiales secundarios que se utilizan son el Hidróxido de calcio, Carbonato de sodio y el Cloro; también están los depósitos, bolsas para hielo y etiquetas para su distribución. Entre los materiales auxiliares podemos encontrar lubricantes como aceites para los equipos, facilitando y acelerando la operación aunque no aparezca en el producto final (hielo).
7. Proceso industrial Almacenado: El agua extraída del pozo subterráneo, se almacenada en una cisterna con capacidad de 200 cm3. Para aguas con concentraciones de sólidos en suspensión superiores a 50 mg/l, el almacenamiento es necesario para permitir la sedimentación de la materia particulada.
Aireado: En esta etapa se bombea aire comprimido dentro y a través del agua, agitando así la superficie del estanque. A medida que el agua se va moviendo por toda la superficie, esta toma el oxígeno del aire a la vez que libera los gases dañinos. También se incrementa significativamente la calidad del agua, especialmente el sabor, se reducen ciertos olores desagradables y la corrosividad del agua por la eliminación de cualquier gas de dióxido de carbono presente. La aireación oxida las “sales de metales solubles” (Hierro y Manganeso) a “hidróxidos de metales insolubles”, y así es como estas sales pueden ser
retiradas en la siguiente etapa con mayor facilidad.
Procesado de Cal – Soda: Para reducir o eliminar la dureza del agua depende de los siguientes factores. Sí es dureza temporal, entonces se calienta el agua hasta descomponer todos los bicarbonatos, se le agrega al agua una cantidad calculada de hidróxido de Calcio, llamado también Cal Apagada, que reacciona con los bicarbonatos de calcio y de
magnesio, convirtiéndolos en precipitados insolubles, que se separan fácilmente por filtración. Con el bicarbonato de calcio: Ca (HCO3)2 + Ca (OH)22CaCO3 + 2H2O Con el bicarbonato de Magnesio: Mg (HCO3)2 + 2Ca (OH)2 2CaCO3 + Mg (OH)2 + 2H2O Si es dureza permanente, se le agrega carbonato de sodio al agua. Este compuesto convertirá en “carbonato de calcio insoluble” todas las “sales de calcio solubles” que hay
en el agua. CaCl2 + Na2 CO3 CaCO3 + 2NaCl CaSO4 + Na2 CO3 CaCO3 + Na2SO4 MgSO4 + Na2 CO3 + Ca (OH)2Mg (OH)2 + CaCO3 + Na2 SO4
Filtrado: El agua con sales insolubles pasa a través de un filtro rápido de arena con un caudal de 10 m3 /m2/ h, las partículas (sales insolubles de Hierro, Manganeso, carbonato de calcio, bicarbonato de calcio y bicarbonato de Magnesio) son retenidas por la arena, poco a poco van bloqueando la superficie y reduciendo el caudal de agua a través del filtro, por lo que el filtro debe ser limpiado intermitentemente.
Clorado: El agua filtrada debe ser clorada para eliminar al máximo la cantidad de bacterias, microbios, malos olores y sabores que pueden producir efectos indeseables, se adiciona hipoclorito de sodio al agua. En la adición de cloro queda un residuo de cloro activo en el agua que ayuda a evitar una posterior contaminación. Cuando el Cloro gas (Cl2) se añade al agua tienen lugar dos reacciones: hidrólisis e ionización.
Congelado: En esta etapa se llena la maquina generadora de hielo con agua tratada. El agua se comienza a congelar a 0 ºC en celdas (450x300x150 mm) formadas por placas de aluminio con circuito interno.
Desmoldeado: Tras la congelación, mediante un sistema de desescarche y circulación de agua desde el tanque inferior de la maquina generadora de hielo, los bloques comienzan a flotar y así pueden ser fácilmente retirados.
Triturado: Dependiendo a la demanda, el bloque de hielo será triturado o si no pasara de frente a su distribución.
Distribuido: Una vez terminado el hielo para consumo humano, entero o triturado, este pasara a ser vendido y distribuido en supermercados, bodegas, pollerías, farmacias, hospitales, etc.
8. Diagrama de flujo del proceso del hielo
9. Equipos y principios físicos Motobomba: Usada para succionar agua del pozo. Dentro de la bomba está el émbolo, que se adapta estrechamente a las paredes de ella; al levantar este émbolo, se reduce la presión en el interior de la bomba y el líquido es aspirado, o sea, empujado hacia dentro por la presión atmosférica. Una vez introducido el líquido en el aparato, sólo es cuestión de detalle el expulsarlo por donde ha entrado o hacerlo salir, como sucede en las bombas, por algún otro conducto. Principios físicos: Energía cinética, energía potencia, principios hidráulicos y presión.
El Tanque Cisterna: Usado para almacenar el agua extraída del subsuelo. Principios físicos: Mecánica de fluidos, presión volumen.
Equipo aireador: es de tipo radial. Su sistema de aireación es extremadamente flexible, versátil y eficiente para el tratamiento de aguas y para cualquier tipo de mezclado con aportación de aire. El tamaño de la máquina favorece la instalación y el mantenimiento sin vaciar los depósitos ni parar las plantas. Principios físicos: Dinámica, cinemática, presión y volumen.
Tanque para el procesado de cal – soda: En este tanque se agregaran el Hidróxido de calcio y el Carbonato de sodio para que posteriormente se den las reacciones. Principios físicos: Mecánica de fluidos, presión, densidad y volumen.
Filtro de arena: este equipo contiene un cuerpo poroso, que retiene material en suspensión. Se utiliza como material filtrante: gravilla, arena clasificada y antracita. Principios físicos: Mecánica de fluidos, presión, densidad y volumen
Tanque de clorado: dentro del tanque se agregara el cloro al agua, y dará lugar a una desinfección contra microorganismos patógenos. 10. Descripción de procesos físicos A continuación se presenta una descripción de los principales principios físicos identificados en el proceso de elaboración de hielo en la Fábrica de hielo
10.1Volumen Es la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo. El volumen es una magnitud física derivada. La unidad para medir volúmenes en el Sistema Internacional es el metro cúbico (m3) que corresponde al espacio que hay en el interior de un cubo de 1 m de lado. Sin embargo, se utilizan más sus submúltiplos, el decímetro cúbico (dm3) y el centímetro cúbico (cm3). Sus equivalencias con el metro cúbico son: 1 m3= 1 000 dm3 1 m3= 1 000 000 cm3
Para medir el volumen de los líquidos y los gases también podemos fijarnos en la capacidad del recipiente que los contiene, utilizando las unidades de capacidad, especialmente el litro (l) y el mililitro (ml). Existe una equivalencia entre las unidades de volumen y las de capacidad: 1 l = 1 dm3
1 ml = 1 cm
10.2 Densidad La densidad es una propiedad característica, ya que nos permite identificar distintas sustancias. Por ejemplo, muestras de cobre de diferentes pesos 1,00 g, 10,5 g, 264 g, todas tienen la misma densidad, 8,96 g/cm3. La densidad se puede calcular de forma directa midiendo, independientemente, la masa y el volumen de una muestra.
10.3 Energía cinética Es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su velocidad. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética. Suele abreviarse con letra Ec o Ek (a veces también K). Cuando un cuerpo está en movimiento posee energía cinética ya que al chocar contra otro puede moverlo y, por lo tanto, producir un trabajo. Para que un cuerpo adquiera energía cinética o de movimiento; es decir, para ponerlo en movimiento, es necesario aplicarle una fuerza. Cuanto mayor sea el tiempo que esté actuando dicha fuerza, mayor será la velocidad del cuerpo y, por lo tanto, su energía cinética será también mayor. Otro factor que influye en la energía cinética es la masa del cuerpo. Por ejemplo, si una bolita de vidrio de 5 gramos de masa avanza hacia nosotros a una velocidad de 2 km / h no se hará ningún esfuerzo por esquivarla. Sin embargo, si con esa misma velocidad avanza hacia nosotros un camión, no se podrá evitar la colisión. La fórmula que representa la Energía Cinética es la siguiente: Ec=1/2•m • v 2 Ec= Energía cinética m = masa v =velocidad Cuando un cuerpo de masa m se mueve con una velocidad v posee una energía cinética que está dada por la fórmula escrita más arriba. En esta ecuación, debe haber concordancia entre las unidades empleadas. Todas ellas deben pertenecer al mismo sistema. En el Sistema Internacional (SI), la masa m se mide en kilogramo (kg) y la velocidad v en metros partido por segundo (m / s), con lo cual la energía cinética resulta medida en Joule (J).
10.4 Energía potencial Es energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración. Puede pensarse como la energía almacenada en el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Suele abreviarse con la letra oEp. La energía potencial puede presentarse como energía potencial gravitatoria, energía potencial electrostática, y energía potencial elástica. Más rigurosamente, la energía potencial es una magnitud escalar asociada a un campo de fuerzas(o como en elasticidad un campo tensorial de tensiones). Cuando la energía potencial está asociada a un campo de fuerzas, la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier recorrido entre B y A. Todo cuerpo que se ubicado a cierta altura del suelo posee energía potencial. Esta afirmación se comprueba cuando un objeto cae al suelo, siendo capaz de mover o deformar objetos que se encuentren a su paso. El movimiento o deformación será tanto mayor cuanto mayor sea la altura desde la cual cae el objeto. Otra forma de energía potencial es la que está almacenada en los alimentos, bajo la forma de energía química. Cuando estos alimentos son procesados por nuestro organismo, liberan la energía que tenían almacenada. Para una misma altura, la energía del cuerpo dependerá de su masa. Aplicando una fuerza, esta energía puede ser transferida de un cuerpo a otro y aparecer como energía cinética o de deformación. Sin embargo, mientras el cuerpo no descienda, la energía no se manifiesta: es energía potencial. Todos los cuerpos tienen energía potencial que será tanto mayor cuanto mayor sea su altura. Como la existencia de esta energía potencial se debe a la gravitación (fuerza de gravedad), su nombre más completo es energía potencial gravitatoria.
10.5 Mecánica de fluidos Es la rama de la mecánica de medios continuos (que a su vez es una rama de la física) que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan.1 La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita. La hipótesis fundamental en la que se basa toda la mecánica de fluidos es la hipótesis del medio continuo
10.6 Termodinámica Es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden ser tratadas por medio de la termodinámica.
Es importante recalcar que la termodinámica ofrece un aparato formal aplicable únicamente a estados de equilibrio, definidos como aquel estado hacia «el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas». Tales estados terminales de equilibrio son, por definición, independientes del tiempo, y todo el aparato formal de la termodinámica --todas las leyes y variables termodinámicas--, se definen de tal modo que podría decirse que un sistema está en equilibrio si sus propiedades pueden ser descritas consistentemente empleando la teoría termodinámica. Los estados de equilibrio son necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las restricciones a las que esté sometido. Por medio de los cambios producidos en estas restricciones (esto es, al retirar limitaciones tales como impedir la expansión del volumen del sistema, impedir el flujo de calor, etc.), el sistema tenderá a evolucionar de un estado de equilibrio a otro; comparando ambos estados de equilibrio, la termodinámica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y energía térmica entre sistemas térmicos diferentes. Para tener un mayor manejo se especifica que calor significa «energía en tránsito» y dinámica se refiere al «movimiento», por lo que, en esencia, la termodinámica estudia la circulación de la energía y cómo la energía infunde movimiento. Históricamente, la termodinámica se desarrolló a partir de la necesidad de aumentar la eficiencia de las primeras máquinas de vapor. BIBLIOGRÁFÍA MONTENEGRO, Aldana y otros. “Propuesta para el Tratamiento de Agua en el Procesamiento de Hielo para el Consumo Humano.”
Páginas de internet http://www.escolar.com/lecturas/ciencia/la-atmosfera-que-nos-envuelve-2/por-que-saleagua.html http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/default.htm
