UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL Extensión Santo Domingo
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENERIA CARRERA DE INGENIERIA ELECTROMECANICA
Tesis de grado previa la obtención del título de: INGENIEROS ELECTROMECÁNICOS
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PARA DETERMINAR EL NÚMERO DE REYNOLDS
Estudiantes: FERNANDO ROBERTO RIVERA MARTÍNEZ ANDERSON GERMAN MANTILLA BURBANO
Director de tesis ING. JAVIER DÍAZ, MsC
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PARA DETERMINAR EL NÚMERO DE REYNOLDS
Ing. Javier Díaz
DIRECTOR _______________
APROBADO
Ing. Nilo Ortega
PRESIDENTE DEL TRIBUNAL _______________
Ing. Holger Zapata
MIEMBRO DEL TRIBUNAL _______________
Ing. Jorge Terán
MIEMBRO DEL TRIBUNAL _______________
El contenido del presente trabajo, esta bajo la responsabilidad del autor/a.
El contenido del presente trabajo, está bajo la responsabilidad de los autores.
_________________________________ Fernando Roberto Rivera Martínez C.I. 1714049267
_________________________________ Anderson German Mantilla Burbano C.I.1719547075
Autores: FERNANDO ROBERTO RIVERA MARTÍNEZ
ANDERSON GERMAN MANTILLA BURBANO Institución: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL. Título de Tesis: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO . . PARA DETERMINAR EL NÚMERO DE REYNOLDS
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL Extensión Santo Domingo
INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS
Santo Domingo…....de………del 2013.
Ing. Nilo Ortega
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECANICA
Estimado Ingeniero
Mediante la presente tengo a bien informar que el trabajo investigativo realizado por los señores: Fernando Roberto Rivera Martínez y Anderson German Mantilla Burbano, cuyo tema es: “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PARA DETERMINAR EL NÚMERO DE REYNOLDS”, ha sido elaborado bajo mi supervisión y revisado en todas sus partes, por lo cual autorizo su respectiva presentación.
Particular que informo para fines pertinentes
Atentamente.
____________________________ Ing. Javier Díaz.
DEDICATORIA
Agradezco a Dios por protegerme durante todo mi camino y darme fuerzas para superar obstáculos y dificultades a lo largo de toda mi vida.
A mis padres, German Mantilla y Alicia Burbano, que con su demostración de padres ejemplares me han enseñado a no desfallecer ni rendirme ante nada y
siempre perseverar a través de sus sabios consejos.
A mi esposa, Estefanía Erazo, por ser quien ha sabido apoyarme para continuar y nunca renunciar, gracias por su amor incondicional y por su
ayuda en mi proyecto.
A mi hija Amalia por ser mi inspiración para seguir adelante en todos mis objetivos.
Al Ing. Javier Díaz, director de tesis, por su valiosa guía y asesoramiento a la realización de la misma.
Gracias a todas las personas que ayudaron directa e indirectamente en la realización de este proyecto.
DEDICATORIA
En la vida hay muchas metas por lograr y no fuera posible si no existiera un Dios y hoy mi meta fue esta llegar aquí a mi proyecto, gracias Dios por darme
todo el valor necesario para lograrlo.
Agradezco a mis padres, María Martínez y José Rivera por a verme dado el mejor regalo el estudio y las ganas de superarme.
A mis hermanos que siempre tuvieron esa voz de aliento para brindarme y poder reflejarme en ellos como ejemplo a seguir.
Al Ing. Javier Díaz, director de tesis, por su inmenso apoyo y paciencia a lo largo del camino.
Finalmente agradezco a todas las personas que estuvieron en los momentos q más quise de ellos para la elaboración de mi proyecto gracias.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a los profesionales, que a lo largo de nuestra vida universitaria supieron compartir sus conocimientos y experiencias prácticas, para hacer de cada uno de nosotros unos excelentes profesionales y más que profesionales unos excelentes seres humanos.
ÍNDICE DE CONTENIDO
TEMA PAG.
Portada………...i
Sustentación y Aprobación de los Integrantes del Tribunal….………..…..……...ii
Responsabilidad del Autor………..………..………….……...….iii
Aprobación del Director de Tesis……….……….iv
Dedicatoria……….……….………...……....…v Agradecimiento………....vii Índice………...viii Resumen Ejecutivo.………...………...….….xvii Executive Summary………...……...…xviii CAPITULO I INTRODUCCIÓN 1.1. Planteamiento del problema. ---1
1.1.1. Diagnóstico. ---1
1.1.2. Pronóstico. ---1
1.1.3. Control del pronóstico. ---1
1.1.4. Formulación del problema. ---2
1.1.5. Sistematización del problema. ---2
1.2. Objetivos. ---2
1.2.1. Objetivo general. ---2
1.2.2. Objetivos específicos. ---2
1.3. Justificación. ---2
1.3.1. Justificación teórica. ---3
1.3.2 Justificación metodológica. ---3
1.3.3. Justificación práctica.---4
1.4. Hipótesis o idea a defender. ---4
1.5. Variables e indicadores. ---4
1.5.2. Variable Dependiente ---4
1.5.3. Indicadores. ---5
1.6. Metodología. ---5
1.6.1. Unidad de análisis o de estudio. ---5
1.6.2. La población de estudio y sus características. ---5
1.6.3. Tipo y nivel de la investigación. ---5
1.6.4. La muestra, tipo, cálculo y tamaño. ---5
1.6.5. Diseño Estadístico para la Prueba de Hipótesis o Idea a Defender. ---5
1.7. Métodos de investigación. ---6
1.8. Fuentes y técnicas de investigación ---6
1.8.1. Fuentes Primarias. ---6
1.8.2. Fuentes Secundarias. ---6
CAPITULO II MARCO REFERENCIAL 2.1. Mecánica de fluidos. ---7
2.1.1. Definición de fluido. ---8
2.1.2. Propiedades de los fluidos. ---9
2.1.2.1. Masa especifica.---9
2.1.2.2. Peso específico. --- 10
2.1.2.3. Densidad. --- 10
2.1.2.4. Viscosidad. --- 11
2.1.2.5. Tensión superficial. --- 12
2.1.3. Temperaturas en función de viscosidad --- 13
2.1.4. Presión en un fluido. --- 13
2.1.5. Caudal. --- 14
2.1.6. Flujo --- 14
2.1.6.1. Flujo Laminar.--- 14
2.1.6.2. Flujo turbulento. --- 15
2.1.6. Ecuación de Bernoulli. --- 16
2.2.1 Historia de Osborne Reynolds. --- 17
2.2.2 Vida. --- 17
2.2.3 Contribuciones a la mecánica fluidos. --- 18
2.2.4. Contribuciones en otras áreas de la ciencia y de la ingeniería. --- 19
2.2.5. Diagrama de Moody: --- 21
2.3. Sensores de presión. --- 22
2.4. Sensor de caudal. --- 24
2.5. Sensor de flujo. --- 25
2.6. PLC (Controlador Lógico Programable). --- 26
2.7. HMI (Interfaz Hombre Máquina). --- 27
2.8. Pantalla táctil. --- 28
2.9. Sensor de temperatura por resistencia PT-100 --- 30
2.10 Tuberías: --- 33
2.11. Termocuplas --- 41
2.12 Bancos de Reynolds --- 45
2.12.1. Banco De Reynolds. (Universidad Politécnica Salesiana) --- 45
2.12.2 Aparato de Osborne Reynolds --- 46
2.12.3. Número y experimento de Reynolds--- 48
2.12.4 Numero de Reynolds (Instituto Tecnológico Mexicali) --- 49
2.13. Ponderación de Bancos de Reynolds. --- 51
CAPITULO III CÁLCULOS 3.1 Cálculos de la selección de bomba --- 55
3.1.1 Calculo de caudal --- 55
3.1.2 Cabeza dinámica --- 56
3.1.3 Calculo de potencia --- 56
3.2 Dimensión de tanques --- 57
3.2.1 Peso especifico --- ¡Error! Marcador no definido. 3.2.2 Según teoría de pared delgada --- ¡Error! Marcador no definido. 3.3. Cálculos hidráulicos --- 63
3.3.1 Tensiones --- 68
3.3.2 Desplazamientos --- 69
3.3.3 Deformaciones unitarias --- 70
3.3.4 Verificación de diseño--- 71
CAPITULO IV CONSTRUCCIÓN DE LA MAQUINA 4.1 Construcción de la estructura --- 72
4.2 Construcción del sistema hidráulico --- 74
4.3 Instalación del sistema eléctrico de control. --- 79
4.4 Cuadro de costos --- 83
4.4.1 Análisis de gastos por construcción de la estructura. --- 87
4.4.2 Análisis de gastos por construcción hidráulica. --- 88
4.4.3. Análisis de gastos por construcción eléctrica. --- 89
4.4.4. Análisis de gastos por laboratorio. --- 90
4.4.5 Análisis de gastos totales por construcción de la mesa de práctica del número . de . Reynolds. --- 91
4.4.6 Análisis de gastos totales por procesos construcción de la mesa de práctica del . . número de Reynolds. --- 92
CAPITULO V MANUAL DE OPERACIONES 5.1 Protocolo de pruebas:--- 93
5.2. Manual De Funcionamiento --- 95
5.3 Pruebas de laboratorio --- 103
5.3.1 Pruebas de laboratorio del agua --- 103
5.3.2 Pruebas con Leche --- 112
5.3.3 Pruebas de la cerveza --- 116
5.4 Instrucciones de seguridad. --- 120
5.5 Consecuencias derivadas al no acatar la información del manual. --- 121
5.7 Identificación de problemas. --- 121
CAPÍTULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 CONCLUSIONES --- 123
6.2 RECOMENDACIONES. --- 124
BIBLIOGRAFÍA. --- 125
ANEXOS --- 127
INDICE DE FIGURAS TEMA PAG. Figura N°1: FLUJO LAMINAR --- 15
Figura N°2: FLUJO TURBULENTO --- 16
Figura N°3: DIAGRAMA DE MOODY --- 22
Figura N°4: ESQUEMA DEL INTERIOR DE SENSORES DE PRESIÓN--- 24
Figura N°5: SENSOR DE FLUJO. --- 26
Figura N°6: PLC --- 27
Figura N°7:DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PLC --- 28
Figura N°8: PANTALLA TACTIL --- 30
Figura N°9: PT 100 --- 31
Figura N°10: FUNCIÓN DE LA TERMOCUPLAS--- 41
Figura N°11:FUNCIÓN DE LA TERMOCUPLAS --- 42
Figura N°12: FUNCIÓN DE LA TERMOCUPLAS--- 42
Figura N°13:TIPOS DE TERMOCUPLAS --- 44
Figura N°14: TIPOS DE TERMOCUPLAS --- 44
Figura N°16:APARATO DE OSBORNE REYNOLDS --- 47
Figura N°17:NÚMERO Y EXPERIMENTO DE REYNOLDS --- 49
Figura N°18: MESA DE HIDRODINÁMICA QUE DETERMINA EL NÚMERO DE REYNOLDS --- 498
Figura N°19:NÚMERO DE REYNOLDS --- 50
Figura Nº20:FLUJOMETRO ANALÓGICO --- 52
Figura Nº21: PT-100 ANALOGICO --- 52
Figura Nº22: SENSOR DE PRESION --- 53
Figura Nº23: FUNCIONAMIENTO DE PLC --- 53
Figura Nº24:FUNCIONAMIENTO DE PLC--- 54
Figura Nº25: DIAGRAMA DE PROCESO --- 63
Figura Nº26:TENCIONES --- 68
Figura Nº27:TENCIONES --- 68
Figura Nº28:DESPLAZAMIENTOS --- 69
Figura Nº29:DESPLAZAMIENTOS --- 69
Figura Nº30:DEFORMACIONES UNITARIAS --- 70
Figura Nº31: DEFORMACIONES UNITARIAS --- 70
Figura Nº32: VERIFICACIÓN DE DISEÑO --- 71
Figura Nº33: VERIFICACIÓN DE DISEÑO --- 71
Figura Nº34:CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA --- 72
Figura Nº35: FONDEANDO DE LA ESTRUCTURA --- 73
Figura Nº36:CUBRIENDO LA ESTRUCTURA --- 73
Figura Nº37:CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA HIDRÁULICO --- 74
Figura Nº38:CUBRIENDO LA ESTRUCTURA --- 74
Figura Nº39: ACCESORIOS --- 75
Figura Nº40:ADCCESORIO --- 75
Figura Nº41:UNIÓN DE ACCESORIOS EN LOS TANQUES --- 76
Figura Nº42: ARMADO DE LA ESTRUCTURA CON LOS TUBOS --- 76
Figura Nº43:ARMADO DE LA ESTRUCTURA CON LOS TUBOS --- 77
Figura Nº44: PINTADO INTERIOR DE TANQUES --- 77
Figura Nº45: PINTADO EXTERIOR DE TANQUES --- 78
Figura Nº47: SISTEMA ELÉCTRICO --- 79
Figura Nº48: INSTALACIÓN DE PANTALLA --- 79
Figura Nº49: DISTRIBUCIÓN DE CABLEADO EN TABLERO --- 80
Figura Nº50:DISTRIBUCIÓN DE CABLEADO EN PANTALLA --- 80
Figura Nº51: PROBANDO EL TABLERO ENERGIZADO --- 81
Figura Nº52: DISTRIBUCIÓN DE CABLEADO EN PANTALLA --- 81
Figura Nº53: ARMADO DE LA MAQUINA --- 82
Figura Nº54: MAQUINA FINALIZADA --- 82
Figura Nº55: ANÁLISIS DE GASTOS POR CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA --- 87
Figura Nº56: ANÁLISIS DE GASTOS POR CONSTRUCCIÓN HIDRÁULICA ---- 88
Figura Nº57: ANÁLISIS DE GASTOS POR CONSTRUCCIÓN ELÉCTRICA --- 89
Figura Nº58: ANÁLISIS DE GASTOS POR LABORATORIO --- 90
Figura Nº59: ANÁLISIS DE GASTOS TOTALES POR CONSTRUCCIÓN DE LA MESA DE PRÁCTICA DEL NÚMERO DE REYNOLDS --- 91
Figura Nº60: ANÁLISIS DE GASTOS TOTALES POR PROCESOS CONSTRUCCIÓN DE LA MESA DE PRÁCTICA DEL NÚMERO DE REYNOLDS --- 92
Figura Nº61:ACTIVACIÓN DEL SISTEMA --- 96
Figura Nº62: PANTALLA DE INICIO --- 96
Figura Nº63: TANQUES INSTALADOS --- 97
Figura Nº64: ENCENDIDO DE BOMBAS--- 98
Figura Nº65: TANQUE DE TINTA --- 99
Figura Nº66: ACTIVACIÓN DE LA TERMOCUPLA --- 100
Figura Nº67: SELECCIÓN DE TEMPERATURAS --- 101
Figura Nº68: COMO INGRESAR DATOS --- 102
Figura Nº69: LAS LLAVES DE APERTURA --- 103
Figura Nº70:VISUALIZADOR E VALORES--- 104
Figura Nº71: FLUJO LAMINAR DEL AGUA--- 105
Figura Nº72: CURVAS DEL FLUJO LAMINAR DEL AGUA --- 105
Figura Nº73: FLUJO EN TRANSICIÓN DEL AGUA --- 106
Figura Nº75: FLUJO TURBULENTO DEL AGUA --- 107
Figura Nº76: CURVAS DEL FLUJO TURBULENTO DEL AGUA --- 107
Figura Nº77: FLUJO LAMINAR DE LA LECHE --- 112
Figura Nº78: CURVAS DEL FLUJO LAMINAR DE LA LECHE --- 112
Figura Nº79: FLUJO EN TRANSICIÓN DE LA LECHE --- 113
Figura Nº80: CURVAS DEL FLUJO EN TRANSICIÓN DE LA LECHE --- 113
Figura Nº81: FLUJO TURBULENTO DE LA LECHE --- 114
Figura Nº82: CURVAS DEL FLUJO TURBULENTO DE LA LECHE --- 114
Figura Nº83: FLUJO LAMINAR DE LA CERVEZA --- 116
Figura Nº84: CURVAS DEL FLUJO LAMINAR DE LA CERVEZA --- 116
Figura Nº85: FLUJO EN TRANSICIÓN DE LA CERVEZA --- 117
Figura Nº86: CURVAS DEL FLUJO EN TRANSICIÓN DE LA CERVEZA --- 117
Figura Nº87: FLUJO TURBULENTO DE LA CERVEZA --- 118
Figura Nº88: CURVAS DEL FLUJO TURBULENTO DE LA CERVEZA --- 118
ÍNDICE DE TABLAS Tabla N°1: CARACTERISTICAS --- 32
Tabla N°2:TERMOCUPLAS METALICAS --- 43
Tabla N°3:PONDERACIÓN DE BANCOS DE REYNOLDS --- 51
Tabla Nº4: CALCULO DE LA ESTRUCTURA --- 6769
Tabla Nº5: CUADRO DE COSTOS --- 83
Tabla Nº6: CUADRO DE COSTOS --- 84
Tabla Nº7: CUADRO DE COSTOS --- 86
Tabla Nº8: COMPARATIVA --- 120
RESUMEN EJECUTIVO
Inicialmente se realiza un análisis general de la forma en la que se desarrollara el presente proyecto, mediante el estudio de la necesidad presente en la Universidad Tecnológica Equinoccial de un laboratorio, para la materia de mecánica de fluidos sobre todo en lo referente a poder determinar el número de Reynolds, por ser este un tema muy aplicable al entorno académico ya que se puede comparar datos de cálculo con los datos que nos da como resultados en el equipo de Reynolds y este pueden ser visualizados como incremento o disminuye físicamente el número de Reynolds.
Posteriormente se realiza una recapitulación teórica de toda la fundamentación científica necesaria y relacionada para la elaboración del presente proyecto, en los aspectos hidráulico, mecánico, eléctrico, para la familiarización del lector con las pruebas a ser realizadas. Adicionalmente se hace una breve reseña de los equipos similares ofertados en el mercado internacional, como referencia para el lector del presente proyecto.
A continuación se realiza el análisis del diseño del banco de pruebas, dividido en los aspectos hidráulico, mecánico y eléctrico. Se realiza un estudio matemático de la formulación necesaria para la realización de las prácticas a ser desarrolladas en el mismo.
Luego de proceso de diseño, se realiza un detalle de la construcción física del banco de pruebas, detallando los procesos seguidos en cada una de las etapas: mecánica, hidráulica y eléctrica, posteriormente se realiza un detallado análisis de costos, tanto directos como indirectos de cada procesos.
También se diseña un protocolo de pruebas que serán a futuro desarrolladas por los estudiantes que utilizaran el banco de pruebas; así como para probar su eficiencia, funcionalidad y operatividad del presente proyecto.
Executive Summary
The thesis begins with an overview of the way in which this project was developed through the study of present necessity at the Equinoctial Technological University such as a laboratory to the fluid mechanics subject especially regarding to determine the Reynolds number, as this is a very applicable to the academic environment because of data calculation can be compared with another data which gives us results in the Reynolds team and this can be viewed how the Reynolds number increase or decrease physically.
Subsequently, It is performed a theoretical summary of all necessary and related scientific basis for the development of this project. In hydraulic, mechanical, and electric issues, the reader starts to familiarize with the tests. Additionally, it is performed a brief review of similar equipment offered in the international market as a reference for the reader in this project.
Then, an analysis of test design is performed; it is divided into hydraulic, mechanical and electrical issues. It is carried out a mathematical study of the development which is necessary for the implementation of training into the project.
After the design process, it is performed a specification of the physical construction of the tests, given details of the processes followed in each of the stages: mechanical, hydraulic and electrical; later a detailed analysis of costs is done , both direct and indirect in each process
It is also designed a testing protocol to be developed by future students who will use the tests as well as to test their efficiency, functionality and operation of this project.
CAPITULO I INTRODUCCIÓN
1.1.Planteamiento del problema.
1.1.1. Diagnóstico.
Frente al desarrollo científico y tecnológico del país, en la ciudad de Santo Domingo de los Tsáchilas no existe un equipo práctico que nos ayude a determinar el número de Reynolds, debido a la falta de un dispositivo no podemos comparar y visualizar los cálculos manuales con los de laboratorio por tal motivo los profesionales no se puedan desenvolver eficientemente en el ámbito académico. Por consiguiente en este proyecto se plantea realizar un prototipo experimental para cumplir el objetivo propuesto en la UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL, proyecto que se implementará para realizar las prácticas de laboratorio de Mecánica de fluidos en la facultad de Ing. Electromecánica, logrando así incrementar nuestros conocimientos sobre los tipos flujos que poseen los fluidos.
1.1.2. Pronóstico.
En el caso de que no se ejecute este proyecto, la relación de los estudiantes en el ámbito académico tiende a que no se pueda desenvolver eficientemente en sus estudio académico ya que no sabría cómo se desenvuelve el número de Reynolds en las tuberías.
1.1.3. Control del pronóstico.
1.1.4. Formulación del problema.
¿Cómo se puede diferenciar si el flujo es Laminar o Turbulento?
1.1.5. Sistematización del problema.
¿Qué se debe de hacer para construir el equipo? ¿Cómo determinamos el número de Reynolds?
¿Cómo se puede implementar el estudio del número de Reynolds? ¿De qué manera se puede comprobar el equipo?
1.2.Objetivos.
1.2.1. Objetivo general.
Diseñar y construir un equipo para determinar el número de Reynolds.
1.2.2. Objetivos específicos.
Determinar las características técnicas para diseñar y construir el equipo.
Determinar los parámetros técnicos del número de Reynolds.
Realizar el diseño y construcción del equipo.
Comprobar y realizar pruebas técnicas.
1.3.Justificación.
materias técnicas que lo ameriten complementando eficientemente el conocimiento intelectual del profesional en formación. Por lo cual el tema a investigar nos ayuda con el conocimiento científico en lo que se relaciona con mecánica de fluidos.
En este proyecto se plantea investigar sobre el número de Reynolds, el cual nos ayuda a determinar los tipos de flujos que existen en los estudios de caudal, para lo cual por medio de nuestra investigación daremos a conocer cómo funciona y como determinar el número de Reynolds.
También se elaborara un equipo que nos ayudara a fundamentar nuestro estudio que será parte didáctica para la universidad.
1.3.1. Justificación teórica.
Mediante el estudio de este proyecto podremos desarrollar el conocimiento sobre los fluidos y sus habituales cambios de flujo que existen en las tuberías y siendo un estudio relacionado con los fluidos se elaborara un equipo que nos ayude a demostrar el concepto de cómo determinar el número de Reynolds.
Por lo cual al implementar el estudio científico, con la construcción del equipo pondremos en práctica los conocimientos teóricos. Y estaremos aportando con un equipo para el laboratorio de mecánica de fluidos en la universidad, el cual ampliara el conocimiento de los estudiantes.
1.3.2 Justificación metodológica.
También pondremos formularios que nos ayude a basar nuestros datos y poder verificar su funcionamiento.
1.3.3. Justificación práctica.
Con el estudio e implementación del proyecto podremos decir que la UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL estará beneficiando a los estudiantes, ya que se va a implementar dicho equipo en el laboratorio de mecánica de fluidos de la universidad para un mejor conocimiento científico e intelectual, porque el estudiante no solo recibirá conocimientos teóricos también lo complementaran con la práctica de laboratorio.
1.4. Hipótesis o idea a defender.
Mediante la implementación del prototipo determinador del número de Reynolds, se podrá determinar el flujo laminar o turbulento y se podrá comparar las deferencias de cálculos que existen entre la práctica de laboratorio y los cálculos manuales y se podrá visualizar su efecto mediante gráficas y físicamente al incrementar la temperatura.
1.5. Variables e indicadores.
1.5.1. Variable Independiente.
Número de Reynolds para que se puedan desarrollar diferentes tipos de pruebas determinando el tipo de flujo.
1.5.2. Variable Dependiente
1.5.3. Indicadores.
Viscosidad
Velocidad
Presión
1.6. Metodología.
1.6.1. Unidad de análisis o de estudio.
En este proyecto se va a analizar el equipo determinador del número de Reynolds.
1.6.2. La población de estudio y sus características.
Estudio del equipo determinador del número del Reynolds.
1.6.3. Tipo y nivel de la investigación.
La investigación será de tipo aplicada, exploratoria y observacional.
1.6.4. La muestra, tipo, cálculo y tamaño.
En el presente proyecto no se establecerá una muestra ya que el tipo de investigación será exploratorio.
1.6.5. Diseño Estadístico para la Prueba de Hipótesis o Idea a Defender.
1.7. Métodos de investigación.
Para la realización este diseño y construcción se utilizarán métodos observación, experimentación, entre otros, además de métodos teóricos como análisis, de estudio, histórico, además de otros métodos que sean necesarios en el trascurso del desarrollo de la tesis.
1.8. Fuentes y técnicas de investigación
1.8.1. Fuentes Primarias.
Mediciones Experimentales.
Observación.
Pruebas.
1.8.2. Fuentes Secundarias.
Bibliografía Técnica.
Internet.
Normas para la Seguridad industrial.
Universidad Tecnológica Equinoccial.
CAPITULO II
MARCO DE REFERENCIA
2.1. Mecánica de fluidos.
“La mecánica de fluidos podría aparecer solamente como un nombre nuevo para una ciencia antigua en origen y realizaciones, pero es más que eso, corresponde a un enfoque especial para estudiar el comportamiento de los líquidos y los gases.
Los principios básicos del movimiento de los fluidos se desarrollaron lentamente a través de los siglos XVI al XIX como resultado del trabajo de muchos científicos como Da Vinci, Galileo, Torricelli, Pascal, Bernoulli, Euler, Navier, Stokes, Kelvin, Reynolds y otros que hicieron interesantes aportes teóricos a lo que se denomina hidrodinámica.
También en el campo de hidráulica experimental hicieron importantes contribuciones Chezy, Ventura, Hagen, Manning, Pouseuille, Darcy, Froude y otros, fundamentalmente durante el siglo XIX.
Hacia finales del siglo XIX la hidrodinámica y la hidráulica experimental presentaban una cierta rivalidad. Por una parte, la hidrodinámica clásica aplicaba con rigurosidad principios matemáticos para modelar el comportamiento de los fluidos, para lo cual debía recurrir a simplificar las propiedades de estos. Así se hablaba de un fluido real.
Esto hizo que los resultados no fueran siempre aplicables a casos reales. Por otra parte, la hidráulica experimental acumulaba antecedentes sobre el comportamiento de fluidos reales sin dar importancia a la formulación de una teoría rigurosa.
Esta es una ciencia relativamente joven a la cual aún hoy se están haciendo importantes contribuciones.
La referencia que da el autor Vernard J.K acerca de los antecedentes de la mecánica de fluidos como un estudio científico datan según sus investigaciones de la antigua Grecia en el año 420 a.C. hechos por Tales de Mileto y Anaximenes; que después continuarían los romanos y se siguiera continuando el estudio hasta el siglo XVII.”1
Parte de la física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos.
Puede subdividirse en dos campos principales: la estática de fluidos, o hidrostática, que es ocupada en los fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos, que trata de los fluidos en movimiento. El término de hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodinámica, o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son lo suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de la compresibilidad.
Algunas de las aplicaciones de la mecánica de fluidos son, la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas. La hidráulica estudia la utilización en ingeniería de la presión del agua o del aceite.
2.1.1. Definición de fluido.
Es una sustancia que sufre deformaciones continuamente cuando está sometida a un esfuerzo de corte o tangencial. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas que componen un líquido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas. El volumen de un líquido contenido en un recipiente hermético
1
permanece constante, y el líquido tiene una superficie límite definida. Un gas no tiene límite natural, y se expande y difunde en el aire disminuyendo su densidad. Resulta difícil distinguir entre sólidos y fluidos, porque los sólidos pueden fluir muy lentamente cuando están sometidos a presión, como en los glaciares.
2.1.2. Propiedades de los fluidos.
Los fluidos tienen propiedades físicas que podemos caracterizar y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son típicas de todas las sustancias.
Constan de características como la viscosidad, tensión superficial y presión de vapor solo se pueden definir en los líquidos y gases. Sin embargo la masa específica, el peso específico y la densidad son atributos de cualquier materia.
2.1.2.1. Masa especifica.
Magnitud que mide la masa de una sustancia en relación con su volumen. En la que la definición de la unidad de masa (kg) se ha hecho a partir de una unidad de volumen (m3) de agua, la masa específica también es llamada densidad. Sus unidades dimensionales son kg/m3 en el Sistema Internacional de Unidades (SI).
ρ=m
V
V > 0
2.1.2.2. Peso específico.
El peso específico corresponde a la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen. Se designa por ß. La masa y el peso específico están relacionados por:
β= gP
Donde g representa la intensidad del campo gravitacional.
2.1.2.3. Densidad.
“Se denomina densidad a la relación que exista entre la masa específica de una sustancia cualquiera y una sustancia de referencia. Para los líquidos se utiliza la masa especifica del agua a 4°C como referencia, que corresponde a 1g/cm3 y para los gases se utiliza al aire con masa específica a 20°C 1 1,013 bar de presión es 1,204 kg/m3. La expresión para su cálculo es:
ρ= (Ecuación 2.1)
Dónde:
: Densidad de la sustancia, Kg/m3 m: masa de la sustancia, Kg
V: volumen de la sustancia, m3
La densidad de una sustancia varía con la temperatura y la presión; al resolver cualquier problema debe considerarse la temperatura y la presión a la que se encuentra el fluido.”2
2.1.2.4. Viscosidad.
“La viscosidad es una propiedad distintiva de los fluidos. Está ligada a la resistencia que opone un fluido a deformarse continuamente cuando se le somete a un esfuerzo de corte. Esta propiedad es utilizada para distinguir el comportamiento entre fluidos y sólidos. Además los fluidos pueden ser en general clasificados de acuerdo a la relación que exista entre el esfuerzo de corte aplicado y la velocidad de deformación.
Supóngase que se tiene un fluido entre dos placas paralelas separada a una distancia pequeña entre ellas, una de las cuales se mueve con respecto de la otra.
Esto es lo que ocurre aproximadamente en un descanso lubricado. Para que la palca superior se mantenga en movimiento con respecto a la inferior, con una diferencia de velocidades V, es necesario aplicar una fuerza F, que por unidad se traduce en un esfuerzo de corte, ŋ = F / A, siendo A el área de la palca en contacto con el fluido.
Se puede constatar además que el fluido en contacto con la placa inferior, que está en reposo, se mantiene adherido a ella y por lo tanto no se mueve.
Por otra parte, el fluido en contacto con la placa superior se mueve a la misma velocidad que ella. Si el espesor del fluido entre ambas placas es pequeño, se puede suponer que la variación de velocidades en su interior es lineal, de modo que se mantiene la proporción:”3
2
http://www.monografias.com/trabajos35/hidrostatica-hidrodinamica/hidrostatica-hidrodinamica.shtml
3
2.1.2.5. Tensión superficial.
“Condición existente en la superficie libre de un líquido, semejante a las propiedades de una membrana elástica bajo tensión.
La tensión es el resultado de las fuerzas moleculares, que ejercen una atracción no compensada hacia el interior del líquido sobre las moléculas individuales de la superficie; esto se refleja en la considerable curvatura en los bordes donde el líquido está en contacto con la pared del recipiente.
Concretamente, la tensión superficial es la fuerza por unidad de longitud de cualquier línea recta de la superficie líquida que las capas superficiales situadas en los lados opuestos de la línea ejercen una sobre otra.
La tendencia de cualquier superficie líquida es hacerse lo más reducida posible como resultado de esta tensión, como ocurre con el mercurio, que forma una bola casi redonda cuando se deposita una cantidad pequeña sobre una superficie horizontal.
La forma casi perfectamente esférica de una burbuja de jabón, que se debe a la distribución de la tensión sobre la delgada película de jabón, es otro ejemplo de esta fuerza.
La tensión superficial es suficiente para sostener una aguja colocada horizontalmente sobre el agua.
La tensión superficial es importante en condiciones de ingravidez; en los vuelos espaciales, los líquidos no pueden guardarse en recipientes abiertos porque ascienden por las paredes de los recipientes.”4
4
2.1.3. Temperaturas en función de viscosidad
En un líquido habrá intercambio molecular similar a esos desarrollados en un gas, pero hay un atractivo sustancial adicional, las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido (las cuales están mucho más juntas que en un gas). Tanto, intercambio molecular y cohesión, contribuyen a la viscosidad de los líquidos, el efecto formador tiende a causar una disminución en el esfuerzo cortante, mientras que el ultimo causa que él aumente. El resultado principal es que los líquidos muestran una reducción en la viscosidad mientras se incrementa la temperatura. Ahora imagina una esfera con un radio R fluyendo a una velocidad U a través de un fluido con una viscosidad n
2.1.4. Presión en un fluido.
“La presión de un fluido se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y actúa normalmente a cualquier superficie plana. En el mismo plano horizontal, el valor de la presión en un líquido es igual en cualquier punto.”5
La presión viene dada con la siguiente fórmula:
P = F
A (Ecuacion2.2)
Dónde:
F = Fuerza (Kg) A = Área (m )
5
2.1.5. Caudal.
Denominado también como gasto volumétrico es el volumen de agua que pasa a través de una sección de tubería por unidad de tiempo.
Se expresa en m3/s, Lt/s, Pie3/s dependiendo del sistema de unidades en que se trabaje.
Q = vA (Ecuación 2.3)
Dónde:
Q: caudal, m3/s
v: velocidad promedia del fluido en la sección transversal de estudio, m/s
A: superficie de la sección transversal, m2
t: tiempo en que circula en volumen V a través de la sección de estudio, s
V: volumen que atraviesa la sección transversal, m3
2.1.6. Flujo
Existen dos tipos de flujos permanentes en el caso de los fluidos reales, se los conoce como flujo laminar y flujo turbulento.
2.1.6.1. Flujo Laminar.
Las capas de fluido se desplazan paralelamente a sí mismas.
velocidad es parabólico y que la velocidad media del fluido es aproximadamente 0,5 veces la velocidad máxima existente en el centro de la conducción”.6
Figura N° 1 FLUJO LAMINAR
Fuente: http://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Reynold/Laminar.htm
2.1.6.2. Flujo turbulento.
Las capas de fluido se desplazan entremezclándose. Es el tipo de derrame que se da prácticamente en la totalidad de los casos de circulación de agua.
“Cuando el flujo másico en una tubería aumenta hasta valores del número de Reynolds superiores a 2100 el flujo dentro de la tubería se vuelve errático y se produce la mezcla transversal del líquido.
La intensidad de dicha mezcla aumenta conforme aumenta el número de Reynolds desde 4000 hasta 10 000.
A valores superiores del Número de Reynolds la turbulencia está totalmente desarrollada, de tal manera que el perfil de velocidad es prácticamente plano, siendo la velocidad media del flujo aproximadamente o,8 veces la velocidad máxima.”7
6
http://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Reynold/Laminar.htm 7
Las capas de fluido se desplazan entremezclándose. Es el tipo de derrame que se da prácticamente en la totalidad de los casos de circulación de agua.
Figura N° 2
FLUJO TURBULENTO
Fuente: http://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Reynold/Turbulento.htm
2.1.6. Ecuación de Bernoulli.
De la primera ley de la termodinámica se puede concluir una ecuación estéticamente parecida a la ecuación de Bernoulli anteriormente señalada, pero conceptualmente distinta. La diferencia fundamental yace en los límites de funcionamiento y en la formulación de cada fórmula.
La ecuación de Bernoulli es un balance de fuerzas sobre una partícula de fluido que se mueve a través de una línea de corriente, mientras que la primera ley de la termodinámica consiste en un balance de energía entre los límites de un volumen de control dado, por lo cual es más general ya que permite expresar los intercambios energéticos a lo largo de una corriente de fluido, como lo son las pérdidas por fricción que restan energía, y las bombas o ventiladores que suman energía al fluido.
La forma general de esta, llamémosla, "forma energética de la ecuación de Bernoulli" es:
2.2. Número de Reynolds.
2.2.1 Historia de Osborne Reynolds.
“Osborne Reynolds (23 de agosto 1842–21 de febrero 1912) era un innovador prominente en la comprensión de dinámica fluida. Por separado, sus estudios del traspaso térmico entre los sólidos y los líquidos traídos mejoras en caldera y condensador diseñan.
2.2.2 Vida.
Osborne Reynolds nació adentro Belfast y movido con sus padres pronto luego a Dedham, Essex. Su padre trabajado como un director y clérigo de la escuela, pero era también matemático muy capaz con un interés afilado en mecánicos. El padre llevó hacia fuera un número de patentes para las mejoras el equipo agrícola, y el hijo lo acredita con ser su principal profesor como muchacho. Osborne Reynolds atendido Universidad de Cambridge y graduado adentro 1867 con altos honores adentro matemáticas. En 1868 lo designaron un profesor de ingeniería en Universidad de Owens en Manchester, convirtiéndose en ese año uno de los primeros profesores en historia BRITÁNICA de la universidad para llevar a cabo el título del “profesor de la ingeniería”. Este profesorship había sido creado recientemente y financiado por un grupo de industriales de la fabricación en el área de Manchester, y también tenían un papel principal en seleccionar los 25 años Reynolds para llenar la posición.
ingeniero civil practicante en el Londres (Croydon) sistema del transporte de las aguas residuales. Él había elegido estudiar matemáticas en Cambridge porque, en sus propias palabras en su uso 1868 para el professorship, “de mi recuerdo más temprano he tenido tener gusto irresistible para los mecánicos y los leyes físicos en quienes basan a los mecánicos como ciencia…. mi atención dibujada a los varios fenómenos mecánicos, para la explicación de los cuales descubrí que un conocimiento de las matemáticas era esencial.
Reynolds permanecía en la universidad de Owens para el resto de su carrera - en 1880 la universidad fue retitulada universidad de Manchester. Lo eligieron a Compañero de la sociedad real en 1877 y concedido Medalla real en 1888. Él se retiró adentro 1905.
Los conceptos siguientes de la física fueron originados cerca, o bien nombrados en honor de, Osborne Reynolds:
Número de Reynolds
Analogía de Reynolds
Teorema del transporte de Reynolds
Descomposición de Reynolds
Tensiones de Reynolds
Reynolds-hecho un promedio Navier-Alimenta ecuaciones
Dilatancy de Reynolds
2.2.3 Contribuciones a la mecánica fluidos.
velocidad se expresan como la suma de medio y de componentes que fluctúan. El tal hacer un promedio permite la descripción “a granel” del flujo turbulento, por ejemplo el usar Reynolds-hecho un promedio Navier-Alimenta ecuaciones.
Sus publicaciones en las dinámicas fluidas comenzaron en el 1870s temprano. Su modelo teórico final publicado en el 1890s mediados de sigue siendo el marco matemático estándar usado hoy. Los ejemplos de títulos de su groundbreaking divulgan: Una investigación experimental de las circunstancias que se determinan si el movimiento del agua en canales paralelos será directo o sinuous y de la ley de la resistencia en canales paralelos. (1883).
En la teoría dinámica de líquidos viscosos incompresibles y la determinación del criterio. (1895).
Las contribuciones de Reynolds a los mecánicos fluidos no fueron perdidas en los diseñadores de la nave (“arquitectos navales”). La capacidad de hacer un modelo de la escala pequeña de una nave, y de extraer datos proféticos útiles con respecto a una nave del mismo tamaño, depende directamente del experimentalist que aplica los principios de la turbulencia de Reynolds a los cómputos de la fricción de la fricción, junto con un uso apropiado de Guillermo Froudelas 'teorías de s de la gravedad agitan energía y la propagación. Reynolds mismo tenía un número de papeles referentes al diseño de la nave publicado adentro Transacciones de la institución de arquitectos navales.
2.2.4. Contribuciones en otras áreas de la ciencia y de la ingeniería.
Reynolds publicó informes de la investigación de la ciencia cerca de setenta y de ingeniería.
de gases, de la condensación del vapor, del tornillo-propulsor-tipo propulsión de la nave, del turbina-tipo propulsión de la nave, de los frenos hidráulicos, de la lubricación hidrodinámica, y del aparato de laboratorio para una medida mejor de Julio equivalente mecánico de s del calor.”8
Definición del número de Reynolds
El Número de Reynolds permite caracterizar la naturaleza del flujo, es decir, si se trata de un flujo laminar o de un flujo turbulento, además, indica la importancia relativa de la tendencia del flujo hacia un régimen turbulento respecto de uno laminar y la posición relativa de este estado dentro de una longitud determinada.
“El número de Reynolds es un número adimensional que se utiliza en la mecánica de fluidos para estudiar el movimiento de un fluido en el interior de una tubería, o alrededor de un obstáculo sólido. Se representa por R. El número de Reynolds puede ser calculado para cada conducción recorrida por un determinado fluido y es el producto de la velocidad, la densidad del fluido y el diámetro de la tubería dividido entre la viscosidad del fluido.
Para un mismo valor de este número el flujo posee idénticas características cualquiera que sea la tubería o el fluido que circule por ella. Si R es menor de 2.100 el flujo a través de la tubería es siempre laminar; cuando los valores son superiores a 2.100 el flujo es turbulento.
De acuerdo con la expresión del número de Reynolds, cuanto más elevada sea la viscosidad de un fluido mayor podrá ser el diámetro de la tubería sin que el flujo deje de ser laminar, puesto que las densidades de los líquidos son casi todas del mismo orden de magnitud.
8
Por este motivo los oleoductos, en régimen laminar, pueden tener secciones superiores a las conducciones de agua, ya que la viscosidad de los fluidos que circulan por aquéllos es mayor que la del agua.”9
N = ∗ ∗ (Ecuación 2.5)
Dónde:
: Número de Reynolds, a dimensional
υ: velocidad media del fluido, m/s
: densidad media del fluido, Kg/m3
D: diámetro interno de la tubería, m
: viscosidad absoluta del fluido, N.s/m2
2.2.5 Diagrama de Moody:
“Es una representación gráfica del factor de fricción en función del número de Reynoldsy la rugosidad relativa de una tubería. Para flujos laminar el factor de fricción está en función del número de Reynolds únicamente, el caso no es igual para flujo turbulento ya que aquí el factor de fricción depende del número de Reynolds como de la rugosidad relativa de la tubería. Este diagrama es muy práctico para cálculos donde no se requiera precisión en las perdidas en las tuberías.”10
En el caso de flujo laminar el factor de fricción depende únicamente del número de Reynolds. Para flujo turbulento, el factor de fricción depende tanto del número de Reynolds como de la rugosidad relativa de la tubería, por eso en este caso se representa mediante una familia de curvas, una para cada valor del parámetro k/D, donde k es el
9Teoría básica y problemas propuestos de Hidrostática e Hidrodinámica,Resnick 10
valor de la rugosidad absoluta, es decir la longitud (habitualmente en milímetros) de la rugosidad directamente medible en la tubería.
Figura N° 3
DIAGRAMA DE MOODY
Fuente:http://www.uclm.es/area/amf/gonzalo/IngFluidosFiles/ApendiceD.pdf
2.3. Sensores de presión.
“En la industria hay un amplísimo rango de sensores de presión, la mayoría orientados a medir la presión de un fluido sobre una membrana.
En robótica puede ser necesario realizar mediciones sobre fluidos hidráulicos (por dar un ejemplo), aunque es más probable que los medidores de presión disponibles resulten útiles como sensores de fuerza (el esfuerzo que realiza una parte mecánica, como por ejemplo un brazo robótico), con la debida adaptación.
Proporcionan una variación de tensión exacta y directamente proporcional a la presión que se les aplica. El sensor consta de un diafragma monolítico de silicio para medir el esfuerzo y una fina película con una red de resistencias integradas en un chip.
En los sensores electrónicos en general, la presión actúa sobre una membrana elástica, midiéndose la flexión. Para detectarla pueden aprovecharse diversos principios físicos, tales como inductivos, capacitivos, piezorresistivos, ópticos, monolíticos (con módulos electrónicos extremadamente pequeños, totalmente unidos) u óhmicos (mediante cintas extensométricas).
En los sensores de presión con elemento por efecto Hall, un imán permanente pequeño (que está unido a una membrana) provoca un cambio del potencial Hall.
El sensor de presión piezorresistivo tiene un elemento de medición en forma de placa con resistencias obtenidas por difusión o implantación de iones. Si estas placas se someten a una carga, cambia su resistencia eléctrica.
Lo mismo se aplica en el caso de los sensores de presión monolíticos, obtenidos mediante la cauterización gradual de silicio.”11
Para detectarla pueden aprovecharse diversos principios físicos, tales como inductivos, capacitivos, piezorresistivos, ópticos, monolíticos (con módulos electrónicos extremadamente pequeños, totalmente unidos) u óhmicos (mediante cintas extenso métricas).
En los sensores de presión con elemento por efecto Hall, un imán permanente pequeño (que está unido a una membrana) provoca un cambio del potencial Hall.
11
Figura N°4
ESQUEMA DEL INTERIOR DE SENSORES DE PRESIÓN
Fuente: http://robots-argentina.com.ar/Sensores_presion.htm
2.4. Sensor de caudal.
“El sensor de caudal se compone de un transductor y un rodete apoyado sobre rodamientos cerámicos.
El eje giratorio, también cerámico, se sitúa en el extremo de un alojamiento de inserción de PVDF. El transductor va montado en el interior de dicho alojamiento. En el sistema de 3 hilos, la señal puede visualizarse o procesarse directamente. La señal de salida se emite a través de un conector conforme con EN 175301-803.
La tensión inducida, con modulación de frecuencia, es proporcional a la velocidad de caudal del fluido. Esta frecuencia se puede transformar en un valor de velocidad de caudal mediante un coeficiente de conversión (factor K, disponible en el manual de instrucciones del fitting) específico de cada tubería (tamaño y material).
Se encuentran disponibles dos versiones de módulo electrónico con salida de frecuencia:
Con salida de impulsos (salida de transistor NPN o PNP). Requiere una fuente de alimentación externa de 12-36 V CC. Puede conectarse cualquier sistema de colector abierto con entrada de frecuencia NPN o PNP.
Con salida de impulsos “LowPower” (salida de transistor NPN). Requiere una fuente de alimentación externa de 12-36 V CC. Sólo puede conectarse a transmisores de caudal Bürkert Tipo 8025/8032.”12
2.5. Sensor de flujo.
“El sensor de flujo es un dispositivo que, instalado en línea con una tubería, permite determinar cuándo está circulando un líquido o un gas.
Estos son del tipo apagado/encendido; determinan cuándo está o no circulando un fluido, pero no miden el caudal. Para medir el caudal se requiere un caudalímetro.”13
Consiste en un pistón que cambia de posición, empujado por el flujo circulante.
El pistón puede regresar a su posición inicial por gravedad o por medio de un resorte.
12
Catalogo censor de caudal 13
Figura N° 5 SENSOR DE FLUJO.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor_de_flujo
2.6. PLC (Controlador Lógico Programable).
El PLC es un instrumento electrónico que sirve de herramienta para dar solución a problemas de automatización (es el caso industrial) o de simulación de automatización en el laboratorio (es el caso de este proyecto).
En la figura se muestra de forma general todos los componentes que intervienen en éste proyecto.
Utilizamos un micro controlador PIC de 40 pines que en su estructura consta de 4 puertos de los cuales usamos uno (puerto B),que consta de 8 pines distribuidos de la siguiente forma:
Figura N° 6 PLC
Fuente: http://www.electronicaenlapractica.blogspot.com
Diagrama en bloques PLC Las bases principales del proyecto son dos; en primer lugar la programación y como parte complementaria pero no menos importante la construcción de la tarjeta.”14
2.7. HMI (Interfaz Hombre Máquina).
“La sigla HMI es la abreviación en ingles de Interfaz Hombre Maquina. Los sistemas HMI podemos pensarlos como una "ventana" de un proceso.
Esta ventana puede estar en dispositivos especiales como paneles de operador o en una computadora.
Los sistemas HMI en computadoras se los conoce también como software HMI (en adelante HMI) o de monitoreo y control de supervisión.
14
Las señales del procesos son conducidas al HMI por medio de dispositivos como tarjetas de entrada/salida en la computadora, PLC's (Controladores lógicos programables), RTU (Unidades remotas de I/O ) o DRIVE's (Variadores de velocidad de motores).
Todos estos dispositivos deben tener una comunicación que entienda el HMI.”15
Figura N° 7
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PLC
Fuente: HMIhttp://iaci.unq.edu.ar/materias/laboratorio2/HMI%5CIntroduccion%20HMI.pdf
2.8. Pantalla táctil.
“Una pantalla táctil (touchscreen en inglés) es una pantalla que mediante un toque directo sobre su superficie permite la entrada de datos y órdenes al dispositivo. A su vez, actúa como periférico de salida, mostrándonos los resultados introducidos previamente.
Este contacto también se puede realizar con lápiz u otras herramientas similares. Actualmente hay pantallas táctiles que pueden instalarse sobre una pantalla normal.
15
Así pues, la pantalla táctil puede actuar como periférico de entrada y periférico de salida de datos, así como emulador de datos interinos erróneos al no tocarse efectivamente
Las pantallas táctiles se han ido haciendo populares desde la invención de la interfaz electrónica táctil en 1971 por el Dr. Samuel C. Hurst. Han llegado a ser comunes en TPVs, en cajeros automáticos y en PDAs donde se suele emplear un estilete para manipular la interfaz gráfica de usuario y para introducir datos.
La popularidad de los teléfonos inteligentes, PDAs, del vídeo consolas portátiles o de los navegadores de automóviles está generando la demanda y la aceptación de las pantallas táctiles.
La interacción efectuada por tal objeto permitió que en 1993 se integraran al mercado varios productos interactivos para niños tales como los libros gráficos de la Matel.
En realidad no tenía una pantalla táctil en el sentido propiamente dicho, sino una pantalla de tubo Sony de 9 pulgadas rodeada de transmisores y receptores infrarrojos que detectaban la posición de cualquier objeto no-transparente sobre la pantalla.
Las pantallas táctiles de última generación consisten en un cristal transparente donde se sitúa una lámina que permite al usuario interactuar directamente sobre esta superficie, utilizando un proyector para lanzar la imagen sobre la pantalla de cristal.
Las pantallas táctiles son populares en la industria pesada y en otras situaciones, tales como exposiciones de museos donde los teclados y los ratones no permiten una interacción satisfactoria, intuitiva, rápida, o exacta del usuario con el contenido de la exposición.”16
16
Figura N° 8 PANTALLA TACTIL
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Pantalla_t%C3%A1ctil
2.9. Sensor de temperatura por resistencia PT-100
Resistencia de Platino
Resistencia 100Ω a 0°C Vaina EN SS316
Aplicación en procesos de producción de
Alimentos, medición ambiental e industrial
Dimensiones a pedido
Figura N° 9 PT 100
Fuente: http://www.ingecozs.com/pt100.pdf
El sensor PT-100 es un sensor de temperatura que basa su funcionamiento en la variación de resistencia a cambios de temperatura del medio.
El material que forma el conductor (platino), posee un coeficiente de temperatura de resistencia a, el cual determina la variación de la resistencia del conductor por cada grado que cambia su temperatura según la siguiente ecuación:
Rt = Ro(1 + αt)
Dónde:
Ro= resistencia en Ω(ohms) a 0°C
Rt = resistencia en Ω(ohms) a t°C
t = temperatura actual
α= coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0°C y 100°C es de0.003850 Ωx(l/Ω)x(1/°C) en la escala Práctica de Temperaturas
Internacionales(IPTS-68).
Tabla N° 1 CARACTERISTICAS Metal Resistivi
dad µΩ/cm
Coeficiente de tº Ω/Ω, ºC
Intervalo útil del tempºC
Resist a Ω
Precisión ºC
Platino 9.83 0.003850 -200 a 950 25,100,13
0
0.01
Niquel 6.38 0.0063 a 0.0066 -15 a 300 100 0.50
Cobre 1.56 0.00425 -200 a 120 10 0.10
Fuente: catálogos de PT 100
Datos de catalogo
El platino es el elemento más indicado para la fabricación de sensores de temperatura por resistencia, ya que, como se desprende de la tabla anterior posee:
Alto coeficiente de temperatura.
Alta resistividad, lo que permite una mayor variación de resistencia por °C.
Relación lineal resistencia-temperatura.
Rigidez y ductilidad lo que facilita el proceso de fabricación de la sonda de . resistencia
Estabilidad de sus características durante su vida útil.
Los sensores PT100 de Andean Instruments pueden ser fabricados en 2 materiales de Vaina:
2.10 Tuberías:
Es muy importante el conocimiento de tuberías porque muchas de las ocasiones se utilizan en la construcción tanto de tipo civil como mecánico. La tubería que encontramos en el comercio viene diseñada según su función y su material de fabricación.
Las tuberías que podemos encontrar dentro del mercado ecuatoriano son muy diversas, y las podemos clasificar en función del material del que se en encuentran fabricadas así:
Tubería de fibrocemento:
Utilizada comúnmente para la distribución de agua y redes de desagües, entre las características de este tipo de tuberías tenemos:
Previene la contaminación.
Hermeticidad
Flexibilidad
Curado en autoclave para brindar una gran resistencia química y . mecánica.
Facilidad de instalación.
Resistencia a la corrosión
Resistencia a la abrasión
Tuberías de polietileno de alta y baja densidad:
Tubería de alta densidad: conocidos como ¨tubos roscables¨ tienden a presentar poca flexibilidad y mayor rigidez se fabrican en diámetros que van desde 12.7mm hasta50.80mm
Tubería de baja densidad: Conocida en medio con el nombre de ¨manguera¨
Presenta una alta flexibilidad, se fabrican en diámetros que van desde 12.7mm hasta127mm.
Tuberías de acero:
Utilizada para transporte de fluidos tales como agua, vapor, gas y aire a presión. También es utilizada para la construcción de estructuras carpinterías metálicas, muebles, trefiladas y calibradas, postes y pilotes, ventilación y cerca.
Tuberías de fundición:
Es tubería de fundición gris de grandes capacidades, entre sus aplicaciones más importantes tenemos:
• Aprovechamientos hidroeléctricos • Conducciones de agua a presión • Transporte de nieve artificial
• Perforación dirigida horizontal (PHD)
Tuberías de cloruro de polivinilo (PVC):
Resistente a los ácidos.
Resistente a la corrosión.
Es saldable.
Es pagable.
Pierde sus propiedades con el envejecimiento.
Soporta presiones de hasta 16Kg/cm2.
Pérdidas Secundarias:
Este tipo de pérdidas se originan por estrechamientos o expansiones de corrientes originadas por cambios de sección, toda clase de accesorios y válvulas que intervienen en el circuito de tubería para el transporte del fluido.
El análisis de este tipo de pérdidas lo podemos realizar de acuerdo a lo que produce la pérdida así:
Calculo de pérdidas en accesorios o válvulas:
En este caso se aplica la fórmula de “altura de velocidad”:
ℎ = (Ecuación 2.7)
Dónde:
= Altura de velocidad (perdida por accesorios o válvulas) V=velocidad mediana del agua (m/s)
Tipos de accesorios:
Son una gran variedad de piezas que pueden ser moldeadas o fabricadas de forma mecánica de acuerdo al material del que se encuentran fabricadas, la función que van a desempeñar y que unidas a la tubería pueden formar sistemas completos de distribución de fluidos en diferentes tipos de plantas, edificaciones, maquinarias, entre otros.
Los accesorios más comunes que se pueden encontrar en el mercado son:
Bridas
Codos
Tés
Reducciones
Cuellos o acoples
Válvulas
Empacaduras
Tornillos y niples
Bridas:
Son elementos mecánicos que nos permiten la sujeción de tuberías y accesorios a los equipos en los que operan, una de sus características importantes es que por realizarse uniones mecánicas, su montaje y desmontaje son muy rápidos los tipos más importantes son (Para detalle de gráficos véase anexo):
Brida roscada:
Brida loca con tubo rebordeado:
Esta nos permite mucha facilidad en su instalación ya que posee un cuello sobre el cual gira el borde la brida lo que permite que se puedan colocar los tornillos de sujeción sin necesidad de ser alineados.
Brida ciega:
Este tipo son muy utilizado para sellar tuberías o al final de una línea de distribución, debido a que la misma no posee orificio, se sujeta mediante tornillos.
Brida orificio:
Son bridas que presenta un orificio en medio, muy utilizadas en el acople de tuberías, su sujeción puede ser por soldadura o por tornillos.
Brida embutible:
El método de acople solo puede ser soldadura, y posee una parte que va embutida en la cara a acoplar esta debe tener una tolerancia de 1/8 y solo va soldada la cara exterior de la misma.
Brida con cuello para soldar:
Codos:
Accesorios muy utilizados en la construcción de sistemas de transporte de fluidos, de forma curva, sirven para cambiar la dirección del fluido transportado cuantos grados sea necesario según las especificaciones del diseño, también existen codos de reducción.
Las tres clases que podemos encontrar en el mercado son (Para detalle de gráficos véase anexo):
Codos estándar de 45°.
Codos estándar de 90°.
Codos estándar de 180°.
Te:
Es un accesorio utilizado para generar derivaciones en una línea de transporte de fluido (Para detalle de gráficos véase anexo).
Los tipos que se puede encontrar en el mercado nacional tenemos:
Te de diámetros iguales.
Te de reducción con dos orificios con diámetros iguales y uno desigual.
Reducción:
Utilizado para disminuir el volumen del fluido a través de las líneas de transporte de fluidos.
Los tipos existentes son los siguientes:
Reducción estándar concéntrica.
Reducción estándar excéntrica.
Válvula:
Es un mecanismo que nos permite regular la cantidad de flujo de un fluido que circula entro de un sistema hidráulico.
Los tipos de válvulas que se pueden encontrar en el mercado nacional tenemos (Para detalle de gráficos véase anexo):
Válvula de Globo:
Se utilizan normalmente para regulación del flujo del fluido dentro del sistema, cuando los niveles de presión de trabajo son bajos y se requiere que las fugas sean mínimas en posición de cierre.
Se utilizan normalmente para regulación del flujo del fluido dentro del sistema, cuando los niveles de presión de trabajo son bajos y se requiere que las fugas sean mínimas en posición de cierre.
Tenemos tres tipos de válvulas de globo de acuerdo a su forma de cerrado así:
De simple asiento
De doble asiento.
Válvula de tres vías:
Entre sus usos más comunes tenemos el de servir de mezclador para fluidos o bien el caso contrario servir de derivación en un sistema hidráulico.
Válvula mariposa:
Es una válvula de las del tipo de cuarto de vuelta (giro de apertura-cierre 90o), la cual consta con un embolo que posee un anillo de goma lo que nos garantiza un cierre hermético. Se puede ejercer un control continuo del caudal hasta 60o a partir del cierre, ya que los últimos 30o de giro son muy inestables. Sus características más importantes tenemos:
Mínimo mantenimiento
Alta capacidad.
Flujo lineal.
Es auto limpiable
Altos caudales
Manejo de bajas presiones
Válvula de bola:
Consiste en un obturador de forma de bola que posee un orificio que atraviesa la esfera, este es el que al girar el obturador y colocar el orificio en forma paralela a la dirección de la tubería permita la circulación del fluido.
Alta capacidad.
Corte bidireccional.
Bajo índice de fugas.
Ofrece resistencia mínima al flujo.
2.11. Termocuplas
El principio de medición de temperatura utilizando Termocuplas se basa en tres principios físicos, que son:
Efecto Thomson (1851): un gradiente de temperatura en un conductor metálico está acompañado por un gradiente de voltaje, cuya magnitud y signo depende del metal que se esté utilizando.
Figura N° 10
FUNCIÓN DE LA TERMOCUPLAS
Fuente: Elaborado por Fernando Rivera y Anderson Mantilla
Efecto Peltier (1834)
Figura N° 11
FUNCIÓN DE LA TERMOCUPLAS
Fuente: Elaborado por Fernando Rivera y Anderson Mantilla
Efecto Seebeck (1821):
Al unir dos alambres de materiales diferentes formando un circuito, se presenta una corriente eléctrica cuando las junturas se encuentran a diferente temperatura. Esto es debido a la combinación de los dos efectos anteriores.
Figura N°12
FUNCIÓN DE LA TERMOCUPLAS
Los Valores “E” de la ecuación son valores de tensión en voltios. Esta es una gran ventaja que poseen las Termocuplas ya que tenemos una traducción (transducción) directa de grados centígrados a voltios lo cual es sumamente importante a Tablas de Características principales de las Termocuplas industriales más utilizadas:
Tabla N° 2
TERMOCUPLAS METALICAS
Fuente: Elaborado por Fernando Rivera y Anderson Mantilla
El valor que en la tabla figura como “sensibilidad” es un parámetro importantísimo ya que nos dice cuántos mili voltios se pueden obtener por cada grado centígrado (en la tabla lo especifican cada 100°C). Esto presupone que podemos pensar al comportamiento de la Termocuplas como una línea recta dentro de su rango de operación o trabajo (ver curvas en la página siguiente).
Hay mucha disparidad en la información de los rangos publicados ya que se puede tratar de:
El rango límite de temperaturas: aquellas que garantizan que no altera la integridad de la Termocuplas.
