INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y HUMEDAD DEL AIRE EN UN PROCESO DE PINTURA BICAPA

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1 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y HUMEDAD DEL AIRE EN UN PROCESO DE PINTURA BICAPA Rodríguez E.*, Jiménez A., Collado M **, Suárez D. Grupo de Investigación en Aplicaciones Mecánicas (GIAM). Coordinador Líneas de Investigación Fluidos y Térmica Universidad de Oriente. Núcleo de Anzoátegui. Venezuela. Apdo Fax: * rmedgar5@cantv.net, * rmedgar5@gmail.com **mariacolladoc@cantv.net RESUMEN El objetivo del presente estudio es mostrar la influencia de las condiciones del aire en el interior de una cabina durante un proceso de pintura bicapa (esmalte y abrillantador), donde las condiciones de temperatura y humedad no cumplen con los valores recomendados por el fabricante de la pintura y en consecuencia las superficies que son pintadas presentan defectos que obligan a ser reprocesadas. Para lograr el objetivo planteado, se estudio el acondicionamiento del aire de una cabina donde se realiza un proceso de pintura bicapa, mediante la implementación de un sistema de enfriamiento del aire por agua helada Este acondicionamiento del interior de la cabina tiene como finalidad lograr que las condiciones de temperatura y humedad del aire, cumplan con el rango de valores que recomienda el fabricante de pintura. Para determinar la capacidad térmica del sistema de enfriamiento a utilizar, primero se estudio la carga térmica generada en el interior de la cabina y transferida a ella a través de las paredes y ventanas, así como la suministrada por el aire que presuriza la cabina. Luego mediante un análisis sicrométrico, se cálculo el flujo de aire que cumple con los requerimientos del flujo recomendado para una eficiente aplicación de la pintura. Después en base a los resultados obtenidos se seleccionaron los equipos que se deberán usar para el buen funcionamiento del sistema. Posteriormente se realizó una estimación de los costos necesarios para la instalación de este sistema. Con las mejoras en las condiciones de temperatura y humedad a los rangos recomendados por el fabricante de pintura, se espera reducir el número de unidades reprocesadas en un 8%, lo cual representaría un ahorro significativo de tiempo y dinero para la proceso. PALABRAS CLAVES: Temperatura, Humedad, Cabina de Pintura, Ventilación

2 INTRODUCCIÓN La presente investigación se llevó a cabo en la empresa M.M.C. AUTOMOTRIZ, S.A, la cual cuenta con un sistema de pintura compuesto por cinco líneas de producción: fosfato, fondo, PVC y sello de costura, esmalte y reparación final. Una de las líneas más importante es la de esmalte, debido a que en ésta se aplica la última capa de pintura a los vehículos (pintura bicapa), la cual da el acabado final en cuanto a pintura se refiere, por ello es recomendable que la aplicación sea hecha bajo condiciones adecuadas de temperatura y humedad del aire. Según investigaciones hechas por PPG Industries Corporate (Corporación que aporta su tecnología a Pinturas Montana), se ha determinado que al aplicar el esmalte con temperaturas superiores a los 29 ºC e inferiores a los 19 ºC y/o porcentajes de humedad relativa superiores al 72% e inferiores al 41,5 %, pueden crearse defectos sobre la pintura. Partiendo de esta premisa la empresa PPG recomienda un rango de valores en los cuales la aplicación del esmalte es óptima entre 22 ºC - 26 ºC y 52% - 62% de humedad relativa y es aceptable entre 19ºC - 28ºC y 42% - 72% de humedad relativa. Actualmente en la Cabina de esmalte se trabaja fuera de los valores recomendados, ocasionando defectos en la pintura de los vehículos que son corregidos en la línea de reparación final y las unidades que no se pueden ser corregidas son reprocesadas, ocasionando retrasos y costos adicionales al proceso. De lograr establecerse las condiciones recomendadas por PPG dentro de la Cabina, adicional a obtener un producto de mejor calidad, según PPG se reduciría el número de vehículos reprocesados En la figura 1 se muestra un esquema de la Cabina de Esmalte y sus componentes. Chimenea T int Ductería de suministro Filtros tipo bolsa Ventilador Filtros tipo manta Rejillas Nivel del piso Cascada de agua Ductería de extracción Fig.1. Cabina de esmalte METODOLOGÍA Condiciones interiores para la eficiente aplicación de la pintura bicapa en la cabina de esmalte. Los rangos de las condiciones requeridas en el interior de la Cabina de Esmalte, para la aplicación de la pintura, según la empresa fabricante de pinturas [1], se observan en la Figura 2, en la que muestra un área óptima y un área límite referidas a los rangos antes mencionados. 2

3 : 2 5 a. m. 8 : 5 a. m. 1 : 4 5 a. m. 1 2 : 3 1 : 5 1 : : : : TEMPERATURA C PPG DEFECTOS: D.O.I. BAJO. OVER SPRAY. VELO EN EL BRILLO. COLOR CLARO. TEMPERATURA - HUMEDAD RELATIVA ÁREA ÓPTIMA ÁREA LIMITE % HUMEDAD RELATIVA DEFECTOS: D.O.I. BAJO. MANCHAS. COLOR OSCURO. RECHUPE. Fig. 2. Temperaturas y humedades relativas para la eficiente aplicación del esmalte. Actualmente las condiciones de temperatura y humedad en el interior de la cabina se encuentra fuera de los valores recomendados, tal como puede observarse en la Figura 3, donde se muestran los valores de temperatura y humedad registrados por ejemplo el 13/1/4. C O N T R O L D E C A L I D A D T E M P E R A T U R A H U M E D A D C A B I N A D E E S M A L T E S i g u ie n te P á g. 1 d e 2 TEMPERATURA c D E F E C T O : 4 8 D. O. I B A J O : M I É R C O L E S 1 3 / 1 / O V E R S P R A Y : 4 6 V E L O E N E L B R I L L O : 4 5 C O L O R C L A R O : Á R E A D E T R A B A J O Á R E A O P T I M A D E F E C T O : Á R E A L I M I T E D. O. I B A J O : 19 M A N C H A S : 18 C O L O R O S C U R O : 17 R E C H U P E : P P G % H U M E D A D R E L A T I V A Fig. 3. Gráfica Temperatura Humedad de la Cabina de Esmalte del día 13/1/4. Fuente: Empresa MMC AUTOMOTRIZ, S.A Temperatura C H O R A Humedad % Determinación de la carga térmica en el interior de la cabina de esmalte La carga térmica en la cabina de esmalte se determinó considerando el calor generado por las personas que laboran dentro de ella, la iluminación, los equipos, infiltraciones de aire y la transferencia de calor a través de las paredes, ventanas, cortina de aire y techo de la misma, [2]. Calor Generado por Ocupación Humana. El calor generado por los ocupantes se obtuvo mediante las siguientes expresiones: ( q + q FCP) QHTA = n pl ps QHS = q ps n FCP (1) (2) 3

4 QHL = q pl n (3) Donde: Q HTA = Calor total generado por ocupación humana (Btu/h). Q HS = Calor sensible por todas las personas dentro de la cabina (Btu/h). q ps = Calor sensible generado por persona según su actividad (Btu/h/pers). q pl = Calor latente generado por persona según su actividad (Btu/h/pers). n = Número de personas dentro de la cabina. FCP = Factor de carga sensible por persona Q HL = Calor latente por todas las personas dentro de la cabina (Btu/h). Calor Generado por los Equipos Calor generado por las pistolas de pintura: Para el cálculo de la carga aportada por las pistolas utilizadas en el proceso de pintura, se considera el calor generado por el aire de suministro de las mismas, el cual tiene unas condiciones exteriores de 35 ºC y 68 % de humedad relativa y las condiciones de diseño interior son de 24 ºC y 57 % humedad relativa, que es el punto medio del área óptima recomendada por el fabricante de pinturas [1]. Usando las siguientes expresiones, se determinaron los valores de calor sensible y calor latente de las ocho (8) pistolas de pintura utilizadas en el proceso: QSp = QLp = flujo v flujo v Cp ( T ) ext1 T int ( w ) hh 2O ext w int Donde: Q Sp = Calor sensible total generado por pistolas de pintura (Btu/h). Q Lp = Calor latente total generado por pistolas de pintura (Btu/h). T ext 1 - T int.= Diferencial de temperatura entre el aire exterior e interior ( F). W ext 1 - W int.= Diferencial de humedad entre el aire exterior e interior ( (4) (5) Calor generado por el estanque de agua: Como se puede observar en la Figura 1 existe un estanque de agua debajo del nivel del piso de la cabina, el cual representa una ganancia de calor latente aportada al espacio interior. Este estanque tiene una superficie de 12 m 2 y una temperatura máxima medida durante el periodo de estudio, de 24 ºC. Para el cálculo del calor latente que aporta éste estanque, se toma el valor del calor correspondiente a la temperatura del agua, mostrado en la referencia y se multiplica por la superficie del agua teniendo así el calor latente aportado por el mismo, [3]. Calor Generado por la iluminación La zona de aplicación cuenta con 18 tubos de luz fluorescente de 75 W c/u, que se encuentran en el exterior de la cabina e inciden en la misma a través de 3 ventanas de 2 m,97 m x,1 m de vidrio común. Para calcular el calor disipado por la luminaria a la zona de aplicación en primer lugar se plantean las siguientes hipótesis: Existe conducción de calor unidimensional. Existen condiciones de estado estacionario. El material que constituye las ventanas tiene conductividad térmica constante. El coeficiente convectivo de transferencia de calor es constante. La temperatura de diseño dentro de la Cabina es de 24 ºC y la temperatura del vidrio en la parte exterior, donde se encuentran las luces, es de 45 ºC, la cual fue medida con un pirómetro. 4

5 Calor Transferido a Través de las barreras de la cabina El calor transferido a través del las paredes, ventanas, cortina de aire y el techo que constituyen la Cabina, forma parte de la carga térmica que debe vencer el sistema de acondicionamiento de aire a diseñar. Para determinar el calor transferido por las barreras mencionadas, se tomaron en consideración las mismas hipótesis utilizadas en el cálculo de la carga por iluminación. Cálculo de la carga térmica del serpentín de enfriamiento Se consideró en el estudio de la carga térmica de enfriamiento además de la carga interna del espacio, el flujo de aire de 78 m 3 /s disponible para presurizar la cabina de esmalte y que cumple con los requerimientos de flujo para una buena aplicación de la pintura, Figura m 3 /seg m 3 /seg. 1 2 Espacio a acondicionar Serpentín Fig.4. Diagrama esquemático utilizado para el análisis sicrométrico. Se determinó la carga térmica del serpentín de enfriamiento, considerando que la temperatura del aire suministrado será de 14 ºC, condiciones del punto 2 que se obtiene a través del diferencial de temperatura entre la temperatura interior de diseño y la temperatura del aire suministrado al interior de la cabina, diferencial recomendado por las normas venezolanas [6]. TBS = 24 ºC 1 ºC = 14 ºC. Usando las siguientes expresiones, se obtiene el calor sensible y el calor latente del serpentín de enfriamiento necesario para mantener la temperatura y humedad de diseño interior de la cabina de esmalte, [4]: Q S = flujo v ( ) Cp T 1 T 2 (6) QL = flujo hh 2O 1 w2 v ( w ) (7) RESULTADOS Las tablas 3 y 4 muestran el resumen de la carga térmica generada en la cabina de esmalte. Calor generado en el espacio interno de la cabina. Tabla 3. Resumen Calor generado en el espacio interno de la cabina. Zona Calor por Personas(W)(BTU/h) Calor por Equipos(W)(BTU/h) Sensible Latente Sensible Latente Aplicación 155, , , , ,52 Evaporación Total 155, , , , ,52 5

6 Tabla 4. Resumen Calor generado en el espacio interno de la cabina. Zona Calor por Luminaria (W) (BTU/h) Calor Transferido (W) (BTU/h) Calor Total en el Espacio (W) (BTU/h) Sensible Latente Sensible Latente Sensible Latente Aplicación 1117, , , , ,26 123, , ,76 Evaporación 9783, , , ,28 Total 1117, , , , , , , ,76 Selección del sistema de acondicionamiento de aire mejor adaptado a las necesidades de la planta. Se seleccionó un sistema de enfriamiento por agua helada (Chiller) para lograr las condiciones ambientales recomendadas PPG Industries Corporate. El sistema Chiller enviará agua helada a tres serpentines de enfriamiento que estarán dispuesto a la salida de los ventiladores que suministran aire a la cabina, y de esta forma se enfriará el aire de suministro, sin tener que inyectarle más aire al sistema. Serán usados tres chiller de igual capacidad, para completar la carga nominal calculada, estos equipos serán conectados a cada uno de los serpentines de enfriamiento, formando así tres sistemas de igual capacidad independientes uno del otro, de tal manera de obtener un mejor mantenimiento y al momento de que ocurra una falla en alguno de los sistema, los otros dos mantengan en funcionamiento la línea de producción, con condiciones de temperatura y humedad del aire muy cercanas a las óptimas, mientras es puesto en funcionamiento el otro sistema. Selección de los equipos de acondicionamiento de aire Se seleccionó un sistema de Agua Helada, [5], conformado por tres chillers que puedan vencer como mínimo la carga térmica calculada para el serpentín de enfriamiento; el requerimiento del flujo de aire en la cabina de esmalte y la capacidad de enfriamiento calculada, indican que el sistema de Agua Helada, deberá poseer la siguiente potencia nominal de 191,4321 kw 543 TR. Evaluación de la Factibilidad de la Implementación del Sistema de Agua Helada Se estudió la factibilidad económica del proyecto sin que se involucren los ingresos, es decir, se plantea una situación económica donde sólo existen costos. El costo de inversión del nuevo sistema de acondicionamiento de aire se estima en aproximadamente en Bs Los costos a considerar para el análisis son aquellos costos generados debido a las actividades extras de retoques realizados a las unidades, es decir, no incluye los costos de retrabajos por defectos generados por otras condiciones. Por estos defectos se ven afectadas la totalidad de las unidades producidas diariamente. Según información de planta, se estima un costo neto promedio de Bs. 3. por cada unidad diaria retrabajada (incluye costos de operación, mano de obra, mantenimiento y otros). Por lo tanto, los costos actuales (CA) son; considerando 24 días laborables por año: CA = 8 unidades día Bs. * 3. unidad (8) CA = 2.4. Bs. / día = Bs. / año Se estima que si se alcanzan las condiciones recomendadas por el fabricante de pintura, el número de unidades retocadas por los defectos ocasionados por las condiciones dentro de la Cabina se reducirá en un 8%, es decir, las unidades reprocesadas se reducirán de 8 unidades diarias a 16 unidades diarias, por lo tanto los costos reales (CR) serian: 6

7 CR = 16 unidades día Bs. * 3. unidad (9) CR = 48. Bs. / día = Bs. / año La disminución o reducción de los costos actuales a los costos reales representa para la empresa un ahorro o ganancia en relación a las actividades realizadas a las unidades diariamente. AHORRO = CA CR = (1) El propósito del análisis económico es determinar el período de reembolso o recuperación de capital, el cual se define como el tiempo requerido para que las ganancias u otros beneficios sobre una inversión igualen, cuando menos, los costos de esa inversión. El método seleccionado para determinar este período es el de valor presente neto (VPN), donde se establecen las siguientes condiciones: Con el estudio de la factibilidad económica se estima que la inversión se recuperará en un período mínimo de 22 meses para una TMAR* de 26,83 %. CONCLUSIONES AHORRO = Bs. / año Se determinó que las condiciones de temperatura y humedad en la cabina estudiada se encuentran actualmente fuera de los valores óptimos y límites establecidos por PPG Industries Corporate, para la aplicación del esmalte, creando diversos defectos en la pintura de los vehículos, que deben ser arreglados en la línea de reparación final, lo cual generan un costo adicional a la empresa de 3. Bs por cada unidad. Para lograr que los parámetros ambientales dentro de la cabina cumplan con los valores establecidos por PPG Industries Corporate, se determinó que la capacidad mínima que debe tener el serpentín de enfriamiento es de 191,4321 kw 543 TR,. Con las mejoras a las condiciones de temperatura y humedad relativa se espera reducir un 8 % de las unidades reprocesadas diariamente, lo cual repercutirá en un ahorro de Bs para la Empresa, ya que se reducirá de 8 a 16 las unidades defectuosas, las cuales deben ser reparadas, lo cual representa un ahorro económico significativo para la empresa. A través del análisis económico, utilizando el método de valor presente neto (VPN), se determinó que el costo de inversión del sistema de acondicionamiento de aire propuesto, será recuperado en 22 meses, que lo convierte en una inversión factible. Con ésta investigación se demuestra la influencia de la temperatura y la humedad relativa en el proceso de pintura realizado en una Cabina de Esmalte de una planta ensambladora de vehículos. REFERENCIAS [1] FLÄKT. (1986).Manual Spray Booths. [2] B. Karlekar y Desmond, (1985). Transferencia de Calor, Editorial Interamericana, segunda edición, México. 3] Carrier Air Conditioning Company. (1983). Manual de Aire Acondicionado, Editorial McGraw-Hill, España. [4] R. Estaba. (22). Estudio y Selección de un Sistema de Ventilación Mecánica para Presurizar un Galpón de Pintura de una Planta Ensambladora de Vehículos, Universidad de Oriente, Núcleo Anzoátegui, Venezuela.. [5] L. Miranda. (1996). Enciclopedia de la Climatización Aire Acondicionado, Grupo Editorial Ceac S.A, Tercera Edición, España. [6] Norma Venezolana COVENIN 225-2, Ventilación en Lugares de Trabajo. NOMENCLATURA Q HTA = Calor total generado por ocupación humana (Btu/h). Q HS = Calor sensible por todas las personas dentro de la cabina (Btu/h). 7

8 q ps = Calor sensible generado por persona según su actividad (Btu/h/pers). q pl = Calor latente generado por persona según su actividad (Btu/h/pers). n = Número de personas dentro de la cabina. FCP = Factor de carga sensible por persona Q HL = Calor latente por todas las personas dentro de la cabina (Btu/h). Q Sp = Calor sensible total generado por pistolas de pintura (Btu/h). Q Lp = Calor latente total generado por pistolas de pintura (Btu/h). T ext 1 - T int.= Diferencial de temperatura entre el aire exterior e interior ( F). W ext 1 - W int.= Diferencial de humedad entre el aire exterior e interior ( CA= Costos anuales CR= Costos reales VPN= Valor presente neto TMAR* = Tasa mínima atractiva de rendimiento TR= Toneladas de refrigeración. 8