Diseño de un sistema de monitoreo de temperaturas en una rotomoldeadora

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(1)DISEÑO DE UN SISTEMA DE MONITOREO DE TEMPERATURAS EN UNA ROTOMOLDEADORA.. POR: RICARDO ANDRES OLIER TARAZONA.. Proyecto de Grado para optar al título de Ingeniero Mecánico.. ASESOR JORGE ALBERTO MEDINA PERILLA Ph. D.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE MECANICA. BOGOTA, JULIO DE 2003.

(2) IM-2003-I-31. INTRODUCCION. ............................................................................................................................. 5. 1. OBJETIVO. ..................................................................................................................................... 7 1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS................................................................................................................ 7. 2. GENERALIDADES DEL MOLDEO ROTACIONAL. ....................................................... 8 2.1ETAPAS DEL PROCESO [1]............................................................................................................... 8 2.2 FASES DE LA MATERIA PRIMA [1]................................................................................................ 10 2.3 VENTAJAS DEL MOLDEO ROTACIONAL [1]. ................................................................................. 12 2.4 LIMITACIONES DEL MOLDEO ROTACIONAL [1]............................................................................ 13 2.5 MOLDE. ....................................................................................................................................... 14 2.6 MATERIALES COMUNES EN MOLDEO ROTACIONAL Y RANGOS DE OPERACIÓN [1]...................... 16 2.7 TIPOS DE ROTOMOLDEADORA [1]................................................................................................ 17 2.7.1 Rock and Roll. ..................................................................................................................... 17 2.7.2 Tipo SHUTTLE. .................................................................................................................. 18 2.7.3 Carousel.............................................................................................................................. 19. 3. POR QUE MONITOREAR EL PROCESO. ........................................................................ 20 3.1 VARIABLES RELEVANTES EN UN PROCESO DE ROTOMOLDEO...................................................... 21 3.2 MEDICIONES DE TEMPERATURA. ................................................................................................. 23 3.2.1 Aire interno del molde......................................................................................................... 23 3.2.2 Temperatura externa del molde. ......................................................................................... 24 3.2.3 Temperatura del Horno....................................................................................................... 24 3.2.4 Temperatura de la Materia Prima. ..................................................................................... 25 4.DISEÑO............................................................................................................................................. 26 4.1 CONDICIONES GENERALES. ......................................................................................................... 26 4.2 DISEÑO ESQUEMÁTICO. ............................................................................................................... 27 4.2.1 Sistema de Transmisión....................................................................................................... 29 4.2.2 Recepción y Procesamiento de Señales............................................................................... 30 4.3 SELECCIÓN DE EQUIPOS............................................................................................................... 30 4.3.1 Sensores. ............................................................................................................................. 30 4.3.2 Adquisición de datos. .......................................................................................................... 32 4.3.3 Radiotelemetría................................................................................................................... 34 4.3.4 Dispositivos de Soporte....................................................................................................... 36 4.4 DISEÑO DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO TÉRMICO....................................................................... 36 4.4.1 Análisis de Transferencia de Calor por Métodos Analíticos. ............................................. 38 4.4.2 Cálculo de la Resistencia Térmica...................................................................................... 40. 4.4.2.1 Suposiciones. .................................................................................................................. 42 4.4.2.2 Selección de Materiales y Dimensiones del Sistema Aislante............... 44 4.4.3 Análisis de Transferencia de Calor por Métodos Numéricos. ............................................ 50 4.4.4 Valoración del Sistema de Aislamiento Térmico................................................................. 55. 4.4.4.1 Experimentación. ........................................................................................................... 58 4.4.4.2 Análisis de Resultados. .............................................................................................. 60 4.4.4.2.1 Análisis de Error. .................................................................................................. 62 4.4.5 Conclusiones. ...................................................................................................................... 65 4.4.6 Ensamble del Sistema.......................................................................................................... 67 4.5 COSTOS ....................................................................................................................................... 68 4.5.1 Cotización de Termopares. ................................................................................................. 68. 1.

(3) IM-2003-I-31 4.5.2 Cotización de dispositivos de telemetría. ............................................................................ 69 4.5.3 Cotización General. ............................................................................................................ 71 5 RECOMENDACIÓN DE MONTAJE............................................................................................ 72 5.1 MONTAJE GENERAL. ................................................................................................................... 72 5.2 MONTAJE DE LOS TERMOPARES. .................................................................................................. 73 5.2.1 Temperatura del Aire Interno del Molde. ........................................................................... 73 5.2.2 Temperatura del horno. ...................................................................................................... 74 5.2.3 Temperatura de la Superficie Externa del Molde. .............................................................. 74 6 CONCLUSIONES. ........................................................................................................................... 77 7 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 78. ANEXOS................................................................................................................................ 79 ANEXO A1 CALCULOS.................................................................................................................... 80 A1.1 PRIMER ESTIMATIVO DE DIMENSIONES PARA EL SISTEMA AISLANTE....................................... 80 A1.1.1 Cálculo del Coeficiente de Convección y Radiación. ....................................................... 81 A1.1.2 Análisis de Transferencia de Calor. ................................................................................. 82 A1.2 SIMULACIONES EN ANSYS. ................................................................................................... 88 A1.3 RESULTADOS EXPERIMENTALES. ....................................................................................... 93 A1.4 CÁLCULOS PARA ENSAMBLE DEL SISTEMA AL FRAMEWORK ................................... 98 A2. CATALOGOS..............................................................................................................................100 A2.1 DATALOGGER......................................................................................................................101 A2.2 TRANSMISOR –RECEPTOR................................................................................................102 A2.3 INSULQUICK.........................................................................................................................105 A2.4 MANTA CERÁMICA............................................................................................................109 A3. PLANOS........................................................................................................................................111 A3.1 CAJA GRANDE.....................................................................................................................112 A3.2 CAJA PEQUEÑA ...................................................................................................113 A3.3 ADITAMENTO SISTEMA AISLANTE................................................................................114. LISTADO DE FIGURAS.. 2.

(4) IM-2003-I-31 Figura 1. Etapas del Moldeo Rotacional. Figura 2. Fases de la Materia Prima. Figura 3. Partes de un Molde Tìpico. Figura 4. Partes de un Molde Tìpico. Figura 5. Diseño Esquemático. Figura 6. Simetría en transferencia de calor. Figura 7. Modelaje por semejanza a un Circuito Eléctrico. Figura 8. Modelo geométrico del Sistema Aislante en ANSYS. Figura 9. Puntos de máxima temperatura en la caja interna. Figura 10 (a). Prototipo de Sistema Aislante para experimentación. Figura 10 (b).Prototipo de Sistema Aislante para experimentación. Figura 11. Instalación de los termopares Figura 12. Montaje dentro del horno. Figura 13. Medición Aire Interno del Molde. Figura 14. Sello de Asbesto. Figura 15. Medición de la Superficie Externa del Molde. Figura A.1.0. Carta de Conductividad-Difusividad Térmica. Figura A1.1(a) Modelo Geométrico del Sistema Aislante en ANSYS. Figura A1.1(b) Modelo Geométrico del Sistema Aislante en ANSYS. Figura A1.2. Mallado en Detalle. Figura A1.3. Temperaturas a los 30 min en simulación a 400°C. LISTADO DE GRAFICOS. Gráfica 1. Temperaturas críticas en simulación a 673K (400°C). Gráfica 2 (a). Pruebas a 102°C. Gráfica 2 (b). Pruebas a 160°C. Gráfica 2 (c). Pruebas a 190°C. Gráfica 2 (d). Pruebas a 245°C. Gráfica 3 (a). Error en el Punto 2 de medición. Gráfica 3 (b). Error en el Punto 6 de medición. Gráfica 4. Comportamiento a 330°C (Extrapolación).. LISTADO DE TABLAS. Tabla #1. Propiedades Termofísicas algunos Polímeros Rígidos. Tabla # 2. Propiedades Termofísicas de algunos Polímeros Espumados. Tabla # 3. Propiedades Termofísicas de algunos Cerámicos Refractarios. Tabla # 4 .Posibles diseños (Lana de Fibra de Vidrio, como aislante). Tabla # 5. Temperaturas críticas en simulación a 673K (400°C). Tabla # 6. Extrapolación del comportamiento del Sistema Aislante a 400°C. Tabla # 7. Cotización completa del Proyecto. Tabla A1.1. Resultados Simulación en Excel. Tabla A1.2 .Posibles diseños (Lana de Fibra de Vidrio, como aislante). Tabla A1.3. Propiedades Termofísicas de la Lana de Fibra de Vidrio. Tabla A1.4. Propiedades Termofísicas del Aire. Tabla A1.5 Prueba a 102°C. Tabla A1.6. Prueba a 160 °C.. 3.

(5) IM-2003-I-31 Tabla A.1.7. Prueba a 190°C. Tabla A.1.8. Prueba a 245°C. Tabla A.1.9. Errores presentados en la medición del Punto 2. Tabla A.1.10. Extrapolación a 330°C.. 4.

(6) IM-2003-I-31. INTRODUCCION. La retroalimentación es una operación que debe estar presente. en todos los. procesos de carácter variable y en la cual se puedan medir parámetros. La finalidad de toda persona que ejecuta un proceso es poder describirlo enteramente para tener la posibilidad de corregirlo, dominarlo y emplearlo a sus requerimientos. El moldeo rotacional, es un proceso relativamente reciente. Aunque se haya venido trabajando desde hace décadas, el moldeo rotacional no es un proceso sofisticado en comparación de otros procesos de moldeo de plásticos como la inyección y el soplado. EL rotomoldeo tradicionalmente se ha venido trabajando de una manera muy “artesanal”. Una vez que el molde se cierra no se sabe nada acerca del polímero que se trabaja solo que se funde y luego se enfría para poder ser retirado. No se sabe nada acerca del desarrollo que tiene el polímero a través del proceso. En las últimas dos décadas, se han venido desarrollando tecnologías para mejorar este proceso. Ya se. dispone de tecnologías (muchos lugares del mundo,. principalmente Estados Unidos y El Reino Unido) que hacen mediciones y arroja retroalimentación necesaria acerca del proceso. Este es el caso del ROTOLOG (desarrollado por FERRY INDUSTRIES) [6], sistema que describe el ciclo de rotomoldeo a través de la medición de temperaturas que ofrecen información importante para la toma de decisiones sobre el proceso.. En Colombia, desafortunadamente el proceso sigue funcionando de lazo abierto, lo cual dificulta el realizar mejoras y desarrollar nuevos productos.. 5.

(7) IM-2003-I-31 Con este trabajo se sienta un precedente para iniciar la conversión del moldeo rotacional a un proceso de lazo cerrado en Colombia. Se especifican los dispositivos necesarios para poder implementar el sistema de monitoreo teniendo en cuenta las condiciones de operación. Se realiza un diseño completo utilizando herramientas analíticas y numéricas del sistema de protección térmica para el funcionamiento de los dispositivos de medición, adquisición y transmisión de datos. Este diseño presenta su validación experimental que garantiza su utilización.. 6.

(8) IM-2003-I-31. 1. OBJETIVO.. Diseñar y especificar un sistema que mida temperaturas en un proceso de Moldeo Rotacional, el cual pueda describirse enteramente para controlarlo, optimizarlo y desarrollar nuevos productos.. 1.1 Objetivos Específicos.. •. Establecer las variables relevantes a medir en el proceso que permitan una correcta retroalimentación, de tal modo que puedan describir enteramente el proceso creando la posibilidad de mejorarlo.. •. Definir los requerimientos necesarios para la selección de los equipos o dispositivos.. •. Realizar un diseño completo que abarque desde el proceso de medición de datos hasta la validación térmica.. •. Dar un paso a la conversión del moldeo rotacional en Colombia en un proceso de lazo cerrado.. 7.

(9) IM-2003-I-31. 2. GENERALIDADES DEL MOLDEO ROTACIONAL.. El moldeo rotacional es un proceso simple el cual es usado para fabricar productos en plástico. Se utilizan altas temperaturas, rotación biaxial en dos ejes perpendiculares y como materia prima polímeros pulverizados o líquido. El proceso presenta las siguientes etapas:. 2.1 Etapas del Proceso [1].. En la figura No. 1 se muestra las distintas etapas que comprende el moldeo rotacional.. A) Carga. Una cantidad pre-pesada de polímero pulverizado es colocada en una de las mitades de un molde metálico hueco el cual es montado en el brazo de la máquina de moldeo.. B) Calentamiento. Llevado a cabo en un horno de convección forzada. Empieza la rotación biaxial sobre ejes perpendiculares. Las velocidades de rotación típicas manejadas en este proceso se encuentran en un rango de 1 a 15 rpm (revoluciones por minuto) para materiales como el Polietileno, Polipropileno,. 8.

(10) IM-2003-I-31 Nylon y PVC, exceptuando procesos con Policarbonato donde se presentan velocidades hasta de 50 rpm.. En esta etapa las principales metas son: -. Elevar la temperatura interior del molde hasta el punto en que la materia prima empiece a adherirse a éste (Sticking Point) lo más rápido posible.. -. Calentar uniformemente durante la fusión.. -. Controlar la velocidad de calentamiento para prevenir que la materia prima se degrade por exceso de calentamiento.. C) Enfriamiento. Llevado a cabo en un espacio cerrado donde puede o no contener ventiladores. a. Enfriar uniformemente el molde. b. Controlar la velocidad de enfriamiento para obtener buenas propiedades y estabilidad dimensional. c. Reducir la temperatura para que el producto pueda ser sacado del molde de una manera segura. D) Descarga. a. Remover el producto terminado y cargar eficientemente el molde de materia prima. Esta etapa es a menudo la más demorada del ciclo de rotomoldeo. .. 9.

(11) IM-2003-I-31. Figura 1. Etapas del proceso de Moldeo Rotacional [1].. 2.2 Fases de la Materia Prima [1].. El ciclo de rotomoldeo generalmente presenta las siguientes fases, mostradas en la figura 2, donde relaciona temperatura del aire interno y tiempo.. 10.

(12) IM-2003-I-31. Figura 2. Fases de la materia prima [1].. 1) Inducción: Donde el polvo del polímero empieza a calentarse a través de las paredes del molde, pero permanece sin adherirse hasta el punto A.. 2) Fusión: El polvo alcanza una temperatura donde empieza a adherirse al molde, disminuyendo la velocidad de calentamiento del aire interno en el mismo.. 3) Consolidación: El polvo se adhiere completamente, se funde y se consolida como una masa homogénea.. 11.

(13) IM-2003-I-31 4) Enfriamiento Fase Fundida: El polímero es fundido completamente y debe seguir moviéndose para prevenir la caída de la materia prima de las paredes del molde.. 5) Cristalización: Una vez enfriado el polímero a su punto de cristalización, energía latente es liberada disminuyendo la velocidad de enfriamiento. Esta fase no se presenta cuando se emplea materiales amorfos.. 6) Enfriamiento Fase Sólida: Luego se sigue enfriando hasta el punto en que la parte se pueda sacar del molde.. 2.3 Ventajas del Moldeo Rotacional [1].. Las principales ventajas del moldeo rotacional están resumidas en las siguientes:. •. Es idealmente ajustado para fabricar piezas huecas, de forma complicada, con una gran versatilidad de tamaños.. •. Los moldes y las máquinas son relativamente baratas y simples.. •. Tasas de producción bajas a bajo costo.. 12.

(14) •. IM-2003-I-31 Las partes tienen buena distribución de espesor de pared comparadas con procesos como el termoformado y soplado.. •. Las partes pueden tener espesores delgados comparados con su tamaño y volumen.. 2.4 Limitaciones del Moldeo Rotacional [1].. Las principales limitaciones del proceso son las siguientes:. •. No es conveniente para altos niveles de producción, sobre todo para partes pequeñas.. •. El número de materiales con que puede trabajar es limitado respecto a otros procesos.. •. Los costos de material son más altos debido a la necesidad de pulverizar el polímero.. •. Los ciclos son más largos.. •. La carga y la descarga de las partes son labores intensivas en comparación a otros procesos.. •. Superficies planas extensas son difíciles de producir.. •. Poca precisión dimensional.. 13.

(15) IM-2003-I-31 2.5 Molde.. El molde es la parte principal de este sistema, y una pieza clave para el diseño a realizar, como se verá mas adelante.. Las figuras 3 y 4 muestran un molde típico de aluminio hecho por fundición, mostrando las partes principales,. 1) Base de Montaje. Para ensamblar el molde a la máquina. 2) Marco. Para soportar el molde. 3) Postes que conectan el molde. 4) Conectores línea divisoria. 5) Cavidad. 6) Mecanismos de ajuste. 7) Puntos de ensamble. 8) Respiradero. Regula la presión interna del molde. 9) Levantadores.. 14.

(16) IM-2003-I-31. Figura 3 y Figura 4. Molde Típico [1].. 15.

(17) IM-2003-I-31. 2.6 Materiales Comunes en Moldeo rotacional y Rangos de Operación [1].. a) Polietileno de Alta Densidad (HDPE). Peak Internal Air Temperature (PIAT) : 182°C. El PIAT es la temperatura pico que llega el aire que se encuentra contenido en el molde. Temp. Horno: 375°C. Tiempo de Ciclo: 31 min. Espesores: 3-12mm.. b) XLPE (Cross linked). PIAT: 215°C. Temp. Horno: 285-315°C. Tiempo de Ciclo: 30 min.. c) Polipropileno (PP). PIAT: 250°C.. d) Nylon. PIAT: 250°C aprox. Tiempo de Ciclo: 40 min. Temp. Horno: 330-360°C.. 16.

(18) IM-2003-I-31 Espesores: 2-10 Mm. Necesidad de atmósfera inerte y seca.. e) Policarbonato. PIAT: 300°C. Temp. Horno 315-400°C.. El tamaño de grano típico utilizado es el polvo de malla 35 [8].. 2.7 Tipos de Rotomoldeadora [1].. Los tipos de rotomoldeadoras más utilizadas son la ”Rock and Roll”, la tipo “Shuttle” y la de torre fija o “Carousel”.. 2.7.1 Rock and Roll.. Es la que tiene la forma más simple de rotación. El mecanismo consiste de un brazo que rota a 360° montado en otro brazo que se balancea. 17. 45° a 90° en dos.

(19) IM-2003-I-31 direcciones. Rotación uniaxial puede ser utilizada para moldear partes con tapa abierta.. Hay dos clases de máquinas Rock and Roll:. -Llama Directa. Se usa típicamente para partes muy simples y usa como fuente principal de calor quemadores a gas que hacen contacto con el molde. Este método presenta dificultades para moldear partes complejas porque los quemadores no pueden alcanzar partes profundas o intrincadas.. -Horno. Funciona como las demás rotomoldeadoras pero conserva el movimiento descrito anteriormente .. 2.7.2 Tipo SHUTTLE.. Las rotomoldeadoras tipo “shuttle” son ideales para bajos volúmenes de producción de partes grandes. La ventaja de esta máquina es que se le pueden adicionar mas brazos, los cuales sostienen los moldes, para aumentar la producción. Con la utilización de un mismo horno se pueden ingresar los brazos por distintos lados del horno, pero requiere una cámara de enfriamiento independiente para cada brazo. Esto permite el moldeo de productos independientes, es decir, que requieran distintos tiempos de ciclo.. 18.

(20) IM-2003-I-31 Este tipo de máquina presenta gran adaptabilidad para usar distintos productos en un mismo lote de producción.. 2.7.3 Carousel.. Consiste en una torre fija de tres brazos que gira como un carousel infantil, donde cada brazo pasa por las distintas etapas del proceso, calentamiento, enfriamiento y desmontaje. Los moldes que se montan en esta máquina deben tener ciclos de tiempo compatibles, es decir, que los tiempos que demoran cada etapa del ciclo deben ser similares. Sin embargo, esta compatibilidad puede lograrse con la variación de las temperaturas del horno, velocidades de enfriamiento, velocidades de rotación, etc.. 19.

(21) IM-2003-I-31. 3. POR QUE MONITOREAR EL PROCESO.. El proceso de moldeo rotacional, ha venido llevándose a cabo en Colombia como un proceso de lazo abierto, donde la retroalimentación se da luego que se haya terminado un ciclo de moldeo. Se analiza el estado final del producto, se cambian las condiciones del proceso, temperaturas, velocidades de rotación y tiempo de ciclo para mejorar y optimizar la producción. Este tipo de práctica es ineficiente y no facilita la obtención de productos de calidad.. Para evitar lo expresado anteriormente, se requiere convertir el moldeo rotacional en un proceso de lazo cerrado donde haya constante información durante el desarrollo del mismo con el fin de detectar las fallas y tener la posibilidad de retroalimentación. Pudiendo así establecer condiciones óptimas de operación y una estandarización del ciclo para un producto dado.. Centrándose en el ciclo de moldeo rotacional, las ventajas que se podrían obtener al volverlo de lazo cerrado son las siguientes: •. Minimizar tiempos de ciclo. Estos incurren principalmente en los costos de operación, ya que minimiza la energía necesaria para llevar a cabo el proceso, logrando eficiencias en el horno (uso de quemadores) y en la cámara de enfriamiento (ventiladores).. 20.

(22) •. IM-2003-I-31 Control de Calidad. Previniendo degradación en las propiedades de la materia prima, maximizando el desempeño del producto final.. •. Desarrollo de nuevos productos y moldes. Con una constante retroalimentación se podría ir relacionando las variables del proceso con las propiedades del material para el diseño de un producto específico.. •. Troubleshooting. Cambios a tiempo durante el ciclo si las variables de control no se encuentran en sus niveles apropiados.. 3.1 Variables Relevantes en un Proceso de Rotomoldeo.. Sabiendo la importancia y el valor agregado asociado a que el moldeo rotacional sea monitoreado, vale la pena responder la siguiente pregunta, ¿cuales son las variables relevantes a medir? ¿Porque son necesarias esas variables para controlar en un futuro el proceso de moldeo rotacional?. En el moldeo rotacional la materia prima sufre una serie de cambios físicos y posee propiedades finales las cuales están fuertemente relacionadas con los cambios de temperatura que se dan en el proceso y con el tiempo de exposición a dichos cambios.. 21.

(23) IM-2003-I-31 También depende de otros factores como la presión de trabajo dentro del molde, influyendo en la adherencia de la materia prima a las paredes de éste. La velocidad de rotación del molde es otro factor en cuanto a la adherencia se trata.. Pero, ¿Cuál monitorear?, en general los procesos de moldeo rotacional trabajan a bajas presiones (cerca de la atmosférica). La velocidad de rotación se relaciona principalmente con el tamaño del producto y su valor es constante durante todo el ciclo. La temperatura y el tiempo de ciclo son las variables más importantes pues, como se había expresado anteriormente, se relacionan de una manera estrecha con los cambios físicos de la materia prima y con las propiedades finales del producto.. Al saber la temperatura en cada instante del proceso, se puede identificar por cual etapa está pasando la materia prima. Además esta tarea se llevaría de forma conjunta con la medición del tiempo la cual ayudaría a precisar la duración de los ciclos. Las propiedades finales del producto como el nivel de curado, resistencia al impacto y resistencia a la tensión dependen mucho del manejo del tiempo a temperaturas apropiadas.. 22.

(24) IM-2003-I-31. 3.2 Mediciones de Temperatura.. Definida la variable temperatura como la variable a monitorear en un proceso de rotomoldeo se establece a qué se le mide la temperatura para que entregue información relevante y ayude a controlar el proceso.. 3.2.1 Aire interno del molde.. En estudios realizados en el área de moldeo rotacional se ha demostrado que los cambios de temperatura que tiene el aire que se encuentra dentro del molde están relacionados con cada uno de los cambios que sufre la materia prima durante el proceso, gracias al intercambio de calor que existe entre ésta y el aire interno. Un dato importante obtenido del monitoreo de la temperatura del aire interno del molde es la temperatura pico, pues ésta depende de la temperatura del horno, el tiempo en el horno, el espesor del molde. y el espesor de la pared del producto. La. temperatura pico puede ser un excelente indicador del grado de curado de la parte producida. “Estudios realizados por Majurey han usado estas temperaturas para tratar y establecer tiempos de procesamientos estandarizados. para varios. materiales. Sin embargo, el moldeo rotacional es un proceso de estado transitorio, de calentamiento y enfriamiento y esto debe ser tomado en cuenta cuando se interpreta datos de temperatura interna” [1].. 23.

(25) IM-2003-I-31. 3.2.2 Temperatura externa del molde.. La intención de medir esta variable es para saber que tan uniforme está la temperatura a través de toda la superficie del molde. En el proceso se requiere que la transferencia de calor sea uniforme para garantizar que la materia prima se caliente uniformemente. Al no realizarse de ese modo puede presentarse distorsiones térmicas en el producto final.. Esta medición se puede realizar en los puntos del molde donde haya deficiencias en la transferencia de calor y así tomar decisión sobre ello.. 3.2.3 Temperatura del Horno.. La temperatura del horno es otra variable importante a considerar, ya que refleja las condiciones externas del proceso. Considerando que el horno es un sistema que ocupa gran espacio respecto al que ocupa molde, generalmente, es mandatorio tomar la temperatura del aire circundante al molde, ya que éste es el que realmente influye en la velocidad de transferencia de calor hacia y desde el molde.. 24.

(26) IM-2003-I-31 3.2.4 Temperatura de la Materia Prima.. Sería de gran ayuda medir directamente la temperatura del material, pero se corre un riesgo altísimo en ocasionar daños al producto final.. 25.

(27) IM-2003-I-31. 4.DISEÑO.. 4.1 Condiciones Generales.. El diseño tiene que basarse en las condiciones del proceso de moldeo rotacional y en la información que se desea obtener. Los parámetros cuantitativos a tomar en cuenta para el diseño son las siguientes, a saber: •. Temperatura. de Operación. En el proceso de rotomoldeo se dan. temperaturas hasta de 400° C [1]. En Colombia los procesos de moldeo rotacional tienen temperaturas máximas de 330º C. y como mínimas. temperaturas entre 20 y 25°C (temperatura ambiente). •. Puntos de Medición. Se necesitan tres (3) puntos de medición como mínimo, para poder describir el proceso, estos son la temperatura del horno, la temperatura del aire interno del molde y la temperatura superficial del molde.. •. Información en tiempo real. Se desea obtener la retroalimentación durante el proceso, así que debe garantizar la información en tiempo real. Además la frecuencia de toma de datos no tiene que ser muy frecuente ya que los cambios de temperatura del proceso no son altos.. 26.

(28) IM-2003-I-31 De esta forma se podría estimar una frecuencia de dos datos por segundo para garantizar una secuencia continua del proceso. •. Rotación Continua. Restricción muy importante, quizá la más importante, ya que el movimiento constante del sistema implica que el sistema de transferencia de información debe realizarse inalambricamente. Las velocidades típicas de rotación oscilan entre 3 y 15 RPM.. 4.2 Diseño esquemático.. Una restricción determinante para el diseño es la rotación del sistema dentro del proceso implicando el uso de un sistema inalámbrico que permita la adquisición de los datos y su transferencia a algún dispositivo de procesamiento. El esquema general para el diseño es el mostrado en la figura 5:. 27.

(29) IM-2003-I-31. Figura 5. Diseño Esquemático. Para cada etapa del esquema se utiliza dispositivos electrónicos, su selección debe cumplir con todos los requisitos de compatibilidad para poder establecer la secuencia.. El diseño sigue con la resolución de cómo transferir los datos. La manera de hacerlo es por medio de telemetría, siendo las mas comunes y conocidas la radiofrecuencia y la transferencia vía microondas. Pero ¿por que hay que pensar en esto en primer lugar? Porque de estos dependen fuertemente los demás equipos que irán en juego en el diseño. Por ejemplo las especificaciones de un dispositivo de adquisición de datos pueden cambiar si se usa con un dispositivo que emita frecuencias de radio o si es usado con uno que funcione con la tecnología microondas. Cabe aclarar que la tecnología microondas es mucho más costosa que la radiofrecuencia.. 28.

(30) IM-2003-I-31. 4.2.1. Sistema de Transmisión.. Este se encarga de la toma, adquisición y transmisión de datos. Debe ir montado en el molde, que es donde se realizan las mediciones pertinentes.. Está conformado por los termopares, el dispositivo que adquiere los datos de los termopares y el radiotransmisor que es el encargado de enviar la información inalambricamente.. Características del Sistema de transmisión. Las cualidades que debe tener el sistema de transmisión para este proyecto se explican a continuación: 1- Potenciado con Batería: Como este irá montado en el molde, es imposible pensar en el cableado a tierra por consideraciones dinámicas (proceso rotacional) y de ubicación espacial (estará dentro de un horno). 2- Tamaño pequeño y peso liviano: así evitará mayores complicaciones en la instalación. 3- Aislamiento Térmico: Como este sistema está compuesto por dispositivos electrónicos, no resisten altas temperaturas la cual obliga a diseñar un mecanismo de asilamiento térmico. 4- Protección al Ruido Eléctrico: Característica del equipo.. 29.

(31) IM-2003-I-31. 4.2.2. Recepción y Procesamiento de Señales.. Conformados por la base receptora la cual tiene que ser compatible con el transmisor. El procesamiento se lleva a cabo en un PC con especificaciones dependientes de los equipos restantes. Estos estarán en condiciones ambiente a diferencia del sistema de transmisión.. 4.3 Selección de Equipos.. 4.3.1. Sensores.. Para medir las temperaturas pertinentes, los sensores más versátiles para la medición de esta variable son los termopares de junta expuesta. Gracias a su pequeño tamaño son de rápida respuesta, presentan facilidad de instalación y alcance a distancias variables del punto de medición al punto de análisis de los datos. Los termopares se escogen de acuerdo a las siguientes especificaciones: •. Rango de medición. Se necesita que puedan medir temperaturas entre 20 y 400°C.. •. Resistencia térmica del recubrimiento. Como los termopares estarán expuestos a las condiciones en que trabaja el moldeo rotacional, estos. 30.

(32) IM-2003-I-31 deben resistir la condición extrema de temperatura. Como factor de seguridad, los termopares se especifican para resistir a 600° C. •. Atmósfera a la que estará expuesta. Variable importante porque se tiene que proteger la integridad de los sensores. El proceso de rotomoldeo se da en un ambiente no corrosivo.. •. Largo del cable. Se debe garantizar la longitud del cable de cada termopar para que se pueda usar en varios procesos donde cambie la dimensión del molde. De acuerdo a la literatura encontrada sobre los moldes en moldeo rotacional [1], cables de 1.5m de longitud garantiza la versatilidad de su uso.. •. Precisión. La operación de rotomoldeo presenta un rango de temperaturas de 300° C aproximadamente. Sumado a lo anterior las temperaturas que se tomarán son puntuales que pretenden reflejar el estado de un volumen (aire interno del molde y horno) y un área (superficie del molde), permitiendo que la precisión no sea muy exigente. Como parámetro de diseño se tomará una precisión de 0.5° C.. •. Costo. Analizar las opciones que cumplan los parámetros anteriores y escoger la más económica.. De acuerdo con los puntos analizados previamente y con ayuda de una convención internacional para la selección de termopares (Ver ANEXO A2.3), la especificación necesaria para el diseño es la siguiente,. •. Termopar tipo K, con límite de error del 0.4%. 31.

(33) IM-2003-I-31 •. Recubrimiento de PFA Teflón.. •. Junta expuesta.. 4.3.2. Adquisición de datos.. La adquisición de las mediciones de temperaturas debe almacenarse en un dispositivo, es decir que tenga memoria no-volátil, que capture la señal enviada por los termopares y sea capaz de enviarlas al sistema de radiotelemetría.. Este dispositivo electrónico es el “DATALOGGER”, el cual graba los datos que salen de los sensores.. Las especificaciones pertinentes para la selección de este equipo son las siguientes, •. Compatibilidad con los sensores. Se requiere que tenga compatibilidad con la señal enviada por un termopar.. •. Entrada análoga de la señal. Se requiere que acepte señales análogas, pues es el tipo de señal que estará produciendo el proceso.. •. Entradas diferenciales. La razón de esta especificación es porque la señal a recibir proviene de un termopar, en la cual basa su funcionamiento en diferenciales de voltaje.. •. Número de Canales. Se requieren como mínimo 6 canales, refiriéndose a las entradas de los termopares, pues se realizarán tres (3) tipos de medición y. 32.

(34) IM-2003-I-31 es conveniente tomar dos puntos de cada tipo. Además que el dispositivo pueda tener la capacidad de expandirse en número de canales con la ayuda de un multiplexor, si se requiere la expansión en cuanto al número de puntos a medir. •. Capacidad de Memoria. Un ciclo entero de moldeo rotacional puede demorar hasta 45 minutos, si para garantizar la condición de diseño de tener la información en tiempo real se estima la toma de dos datos por segundo entonces se necesita una capacidad de memoria por cada canal de 32,400 datos.. No. de Datos/Canal = (2 tomas/segundos)*(60 segundos/minutos)*45 minutos. No. de datos/Canal = 5,400. Capacidad. de. Memoria. Requerida. =. (5,400datos/canal)*6. Canales. =32,400datos.. •. Temperaturas de Operación. Este requerimiento no es muy versátil pues la mayoría de los dispositivos electrónicos no son resistentes a altas temperaturas. Debe diseñarse conjuntamente un sistema de aislamiento térmico.. •. Opciones de Comunicación. Que se pueda conectar con dispositivos de radiotelemetría.. •. Peso y tamaño reducido. Debe seleccionarse con las dimensiones de tamaño y peso mínimas posibles.. 33.

(35) •. IM-2003-I-31 Requerimientos de Potencia. Debe poder ser suministrado con una fuente de energía portátil y por ende recargable.. •. Manipulación de datos. Chequeador automático de errores, para asegurar precisión en la transferencia de datos.. De acuerdo a los requerimientos anteriores el dispositivo seleccionado es el datalogger proveído por CAMPBELL SCIENTIFIC (ver ANEXO A2.1) con referencia CR10X.. 4.3.3. Radiotelemetría.. Conformado por un radiotransmisor y radiorreceptor. La selección fue realizada con base a las siguientes especificaciones,. •. Amplio espectro. Que puedan transmitir y recibir en banda ancha, para no interferir con las UHF y VHF porque habría que solicitar permiso especial al Ministerio de Comunicaciones, además minimiza interferencias.. •. Antena Omnidireccional. El transmisor estará montado en el molde, la cual gira constantemente incurriendo a la necesidad de omnidireccionalidad de transmisión de la información para que la base receptora la pueda captar donde esté situada en todo momento.. •. Protección contra Transientes. Minimiza ruido eléctrico.. 34.

(36) •. IM-2003-I-31 Antena Cubierta. Los dispositivos electrónicos que irán montados en el molde tendrán la necesidad de estar cubiertos por un mecanismo aislante, por eso es indispensable que la antena trabaje óptimamente en condiciones de cobertura.. •. Requerimiento de Potencia. Debe poder ser suministrado con una fuente de energía portátil y por ende recargable.. •. Tamaño y peso reducido.. •. Temperaturas de Operación. Este requerimiento no es muy versátil pues la mayoría de los dispositivos electrónicos no son resistentes a altas temperaturas. Debe diseñarse conjuntamente un sistema de aislamiento térmico.. El dispositivo seleccionado según los requerimientos previamente descritos es el radiotransceptor RF 400 proveído por CAMPBELL SCIENTIFIC (ver Anexo A2.2). Se necesitan dos de estos dispositivos, uno como transmisor y otro como receptor, aunque cada uno puede cumplir cualquiera de las dos funciones.. 35.

(37) IM-2003-I-31 4.3.4. •. Dispositivos de Soporte.. Software.: Generalmente viene con el datalogger, pues tiene que usar su mismo lenguaje de comunicación.. •. Interfase Receptor-PC. Es el puerto de comunicación que permite transferir los datos del receptor al PC para que pueda se analizados. Para los equipos escogidos el dispositivo requerido es el RS 232. Este dispositivo puede ser conseguido fácilmente en el mercado, además el mismo proveedor de los equipos de telemetría lo provee.. •. Batería. Batería recargable, suministra de 12-26V (DC o AC), este rango de potencial cumple con los requisitos de potencia de los equipos electrónicos especificados anteriormente.. 4.4 Diseño del Sistema de Aislamiento Térmico.. Este sistema de aislamiento térmico tiene dos funciones principales, a saber : •. Contener los equipos de medición, adquisición y transmisión ya que deben estar ubicados en el molde. Estos deben estar montados de una forma segura y estable.. 36.

(38) •. IM-2003-I-31 Protección. Debido a las altas temperaturas que se dan en el proceso, los dispositivos electrónicos deben estar aislados del calor y de condiciones de humedad (etapa de enfriamiento).. Este sistema debe procurar ser de las mínimas dimensiones posibles en volumen como en peso, pero considerando en primer lugar el límite máximo de temperatura de resistencia que se conoce del fabricante que es de 50° C.. El diseño se hizo de una forma sobredimensionada, queriendo decir esto que se hace en condiciones que son extremas y se hacen suposiciones que lo “sobreasegura”.. La forma más fácil de implementar el sistema en la rotomoldeadora es un ensamblaje mecánico en el marco de trabajo del molde.. Con base en lo anterior, el diseño para el sistema aislante, consiste en una caja metálica en Acero Inoxidable 304, cuya geometría es un paralelepípedo (ver ANEXO A3), siendo conveniente para la manufactura, con una caja interna metálica de igual forma y material cuya función es guardar los dispositivos electrónicos y el espacio entre ellas relleno de un material aislante térmico. Es escogido el Acero Inoxidable 304 por su baja conductividad térmica relativa a los demás aceros, además porque el sistema estará expuesto a condiciones húmedas en la etapa de enfriamiento. La caja interna estará sostenida por el relleno aislante.. 37.

(39) IM-2003-I-31 Las dimensiones restantes por especificar serán halladas de acuerdo al análisis de transferencia de calor.. 4.4.1. Análisis de Transferencia de Calor por Métodos Analíticos.. Este análisis es necesario para la correcta especificación de los materiales a usar y las dimensiones del diseño.. El volumen de control a analizar es la carcaza donde se encontrarán los dispositivos electrónicos. Este tiene la forma de paralelepípedo pues así se acomodan de manera óptima los dispositivos. Nuestro objetivo es que dichos dispositivos no alcancen una temperatura de 50°C, la cual afecta su integridad. En primer lugar se busca una solución analítica como primer estimativo para poder realizar un mejor y mas completo análisis por medios de métodos numéricos.. Como el sistema presenta simetría en forma y además en condiciones, pues el calor se transfiere a todas las caras de la carcaza, se puede usar como volumen de control una octava parte de la carcazaa, teniendo tres caras de transferencias a causa que las otras se comportan de manera adiabática, como se muestra en la figura 6.. 38.

(40) IM-2003-I-31. Figura 6. Simetría en transferencia de calor.. La transferencia de calor se considera transitoria, donde el calor transferido al sistema no se transfiere a ningún sumidero de calor sino es usado para aumentar su energía interna. Se usará el modelo de resistencias térmicas, sin considerar las etapas intermedias. No es relevante conocer el perfil de temperaturas sino la temperatura al final del circuito (en la pared de la carcaza interior).. Usando la ecuación de balance de energía,. Q = AT × (T∞ − Ts (t )) / Rt = m × C p × (Ts (t ) − Tso ) / ∆t 39. Ecuación 4.1.

(41) IM-2003-I-31. donde,. Q. : Calor transferido al sistema [W].. At. : Área total de transferencia (por las tres caras) [m2].. Rt. : Resistencia térmica total del circuito [m2*K/W].. Tinfinito: Temperatura del ambiente exterior (horno) [K]. Ts. : Temperatura de la superficie de la carcasa, depende del tiempo [K].. m. : Masa de la carcasa [kg].. Cp. : Calor específico para el material de la carcasa [J/(kg*K)].. Tso. : Temperatura superficial inicial de la carcasa [K].. t. : tiempo [s].. 4.4.2. Cálculo de la Resistencia Térmica.. Se necesita primero armar el circuito, en la figura 7 se puede observar el modelo. Se tienen el diferencial principal de temperaturas Tinfinito y Tsur con Ts donde Tinfinito es la temperatura exterior que participa en la convección y Tsur es la que participa en la radiación. El aire del horno está generalmente en movimiento causado por el uso de ventiladores.. 40.

(42) IM-2003-I-31 Se presentan dos tipos de resistencias, a saber, la de convección (hc) y la de radiación (hr). La primera causada por el movimiento del aire en el horno, la segunda por el intercambio radiativo entre las paredes del horno con la superficie de la carcaza exterior. Luego de la superficie de la carcaza exterior, el circuito continúa con dos resistencias en serie de conducción, la primera por el espesor de la carcaza exterior, la segunda por el material aislante.. Figura 7. Modelaje por semejanza a un Circuito Eléctrico.. Teniendo en cuenta lo anterior, el cálculo de la resistencia térmica total es el siguiente[2],. 41.

(43) IM-2003-I-31. Rt = (. 1 ) + ( Lm / k m ) + ( L A / k A ) hr + hc. Ecuación 4.2. Donde Lm y LA son los espesores de la pared metálica y del aislamiento respectivamente.. 4.4.2.1 Suposiciones. El anterior modelo contiene las siguientes suposiciones, a) El coeficiente de convección típico para un proceso de moldeo rotacional oscila en los valores de 30-50 [W/(m2*K)] (ver ANEXO A1), usándose en el cálculo el valor máximo. b) El coeficiente radiativo es estimado con la siguiente fórmula [2] (ya que el factor de forma es igual a 1), 2. 2. hr = εσ (Tsur + Ts )(Tsur + Ts ). Ecuación 4.3. donde ε es la emisividad, σ es la constante de Boltzman. Este valor es máximo cuando la diferencia de temperaturas entre las paredes del horno y la superficie de la carcaza exterior es cero, es decir en estado estable. Aunque aquí el coeficiente radiativo se maximiza, cabe aclarar que la mayor transferencia de calor se da cuando es máximo el diferencial de temperatura. En este caso se halló cuando dicha diferencia es cero.. 42.

(44) IM-2003-I-31 c) Los valores de las propiedades termofísicas de los materiales se estimaron para un rango de temperaturas entre 600 y 800K [2].. d) En el modelo la temperatura de diseño no es la alcanzada por los dispositivos electrónicos, sino la de la pared de la carcaza, asegurando la integridad térmica.. e) La masa del sistema es la de la carcasa sumado a las de los dispositivos electrónicos, en el modelo se usó solo la de la carcaza por las siguientes dos razones: •. Simplicidad del modelo usando un valor de Cp constante.. •. Sobredimensionamiento del diseño, pues claramente se observa en la ecuación del balance de energía que para una misma rata de transferencia de calor la masa y la diferencia de temperatura tienen una relación inversamente proporcional.. f). Los procesos de moldeo rotacional demoran en promedio 50 minutos y la etapa de calentamiento (dentro del horno) en promedio demora entre 15 a 20 minutos. Los cálculos se hicieron para 35 y 40 minutos dentro del horno (ver ANEXO A1).. 43.

(45) IM-2003-I-31 4.4.2.2 Selección de Materiales y Dimensiones del Sistema Aislante. El proceso de selección de materiales se hizo conjuntamente con el análisis de transferencia de calor. Teniendo en cuenta experiencias en diseños pasados, materiales disponibles en Colombia y proceso de manufactura, se procede con una metodología de diseño inductiva para seleccionar óptimamente los materiales requeridos.. Como requerimientos generales, el metal de la carcaza debe ser de baja conductividad térmica y estructuralmente aceptable a altas temperaturas. Para el material aislante térmico, debe ser de muy baja conductividad térmica y que no se degrade a las temperaturas del horno.. Los sistemas donde se presenta transferencia de calor en estado transitorio, para un problema de conducción, se puede estimar el tiempo en que una superficie alcanza una temperatura específica cuando se encuentra a una determinada distancia de donde empieza la conducción del calor [3].. t=. L2c , C *α. Ecuación 4.4. donde t es tiempo en (s), Lc es la longitud característica del sistema en (m), a es la difusividad térmica (m2/s) y C es una constante adimensional que valida el análisis del estado transitorio si se encuentra en el intervalo [1,4].. 44.

(46) IM-2003-I-31. El objetivo principal trata de que la carcasa que contiene los dispositivos no alcance una temperatura la cual dañe su integridad en un determinado tiempo. Este tiempo es el de diseño td (s), que viene a ser el tiempo que demora la etapa de calentamiento en el ciclo de rotomoldeo. En promedio esta etapa dura de 15 a 20 min (900 a 1,200 s) como máximo, pero en aras de “sobre-asegurar” el diseño se utilizará un td = 30min (1,800s).. Reemplazando t por td en la ecuación 3, y despejando Lc, obtenemos la siguiente figura de mérito,. Lc = FOM = (C × α × t d )1 / 2. Ecuación 4.5. la cual induce a minimizar a^(1/2) para minimizar Lc que repercute en un ahorro en costos. Según la carta que relaciona Conductividad Térmica con Difusividad Térmica (k-a) [3] (ver ANEXO A1) se pueden estimar unos grupos de materiales para usar en el diseño que cumplan con el objetivo de la figura de mérito (FOM).. A continuación se presenta grupos de materiales representativos que cumplen con lo anterior, con algunas de sus propiedades relevantes al problema. Los valores tabulados fueron obtenidos de textos de materiales [4].. 45.

(47) IM-2003-I-31 POLIMEROS RIGIDOS ( a 25ªC) Densidad. k. (kg/m3). (w/m*K). 55. 0.029. 4.35x10^(-7). Nylon. 1,14. 0.24. 1.26x10^(-7). Rubber. 70. 0.033. ----------------. Material. a (m2/s). Poliestireno Rígido. Tabla #1. Propiedades Termofísicas algunos Polímeros Rígidos. Caracterísiticas Principales: Valores mínimos de la figura de mérito, pero se degradan a temperaturas cercanas a 100°C.. POLIMEROS ESPUMADOS ( a 25ªC) Densidad. k. (kg/m3). (w/m*K). Material. a (m2/s). Uretano 70. 0.026. 3.5x10^(-7). Tabla # 2 . Propiedades Termofísicas de algunos Polímeros Espumados. Características Principales: Degrada a 150°C aproximadamente.. 46.

(48) IM-2003-I-31 CERAMICOS REFRACTARIOS ( a 25ªC) Densidad. k. (kg/m3). (w/m*K). a) Chrome Brick. 3,01. 2-2.5. (8-9)x10^(-7). b) Fire Clay Brick. 2,645. 1-1.8. (3.93-7)x10^(-7). Manta Cerámica. 96-192. 0.04-0.1 -------------. Material. a (m2/s). LADRILLO REFRACTARIO. Tabla # 3. Propiedades Termofísicas de algunos Cerámicos Refractarios. Características Principales: Resistencias a altas temperaturas (cerca de 1,200°C), además son económicos. COMPUESTOS ( a 25ªC) Densidad. k. (kg/m3). (w/m*K). 33. 0.037. 1.3x10^(-6). 145. 0.057. 4x10^(-7). 80. 0.063. 8x10^(-7). Material. a (m2/s). Fibra de Vidrio (Lana) Cellular. Glass. (vidrio. celular) Vermiculita (hojuelas). Tabla # 4. Propiedades Termofísicas de algunos Compuestos. Características Principales: Resistencia a altas temperaturas mientras no se le aplique llama directa.. 47.

(49) IM-2003-I-31. El anterior análisis permite aseverar que se debe escoger un material que sea un material compuesto (especificado en el cuadro) o un cerámico refractario. Este resultado nace de una estimación. Para saber definitivamente que material hay que escoger, se debe ir al modelo de transferencia de calor del sistema (Ecuación 4.1 y Ecuación 4.2). Se puede observar que para minimizar el aumento de temperatura de los dispositivos se necesita en lo posible tener el mínimo valor para la conductividad térmica k.. Ahora, teniendo en cuenta lo anterior, el ensamblaje del material en la caja y la facilidad de adquisición de éste en el mercado, la opción óptima es la Lana de Fibra de Vidrio (k = 0.037 W/(m K)). El uso de la manta cerámica (0.05-0.1W/(m º C) para temperaturas entre 200 y 400º C, (ver ANEXO A2) puede ser otra opción. A pesar de que su conductividad térmica es un poco mayor, la manta cerámica es más resistente a altas temperaturas que la lana de vidrio y es mas fácil su ensamblaje.. Por medio de ensayo y error, se presenta distintas propuestas de dimensiones del sistema aislante la cual está en función del espesor del material aislante (lana de fibra de vidrio) y de las temperaturas en el tiempo de diseño (30 minutos) y en 20 minutos de calentamiento del sistema aislante. Para observar las especificaciones generales de los materiales aislantes mencionados arriba (ver ANEXO A2).. 48.

(50) IM-2003-I-31. POSIBLES DISEÑOS aislante (m). Td (30min). T (20min). L(cm). W(cm). H (cm). 0.055. 42.4. 36.7. 37.2. 29.2. 19.2. 0.06. 41.2. 35.9. 38.2. 30.2. 20.2. 0.065. 40.1. 35.2. 39.2. 31.2. 21.2. 0.07. 39.2. 34.5. 40.2. 32.2. 22.2. 0.075. 38.4. 34.0. 41.2. 33.2. 23.2. 0.08. 37.6. 33.5. 42.2. 34.2. 24.2. 0.085. 37.0. 33.0. 43.2. 35.2. 25.2. 0.09. 36.4. 32.6. 44.2. 36.2. 26.2. 0.095. 35.8. 32.3. 45.2. 37.2. 27.2. Tabla # 4 .Posibles diseños (Lana de Fibra de Vidrio, como aislante).. Las columnas L, W y H se refieren a las dimensiones finales del sistema de aislamiento en centímetros (cm). Los resultados mostrados en la Tabla # 4 muestran valores estimados para comenzar un proceso iterativo usando métodos numéricos.. 49.

(51) IM-2003-I-31. 4.4.3. Análisis de Transferencia de Calor por Métodos Numéricos.. Como se expresó anteriormente, la solución analítica se realizó para obtener un estimativo apropiado en cuanto a dimensiones y materiales se trata, con el fin de realizar un análisis más preciso usando métodos numéricos. La herramienta computacional que se utilizó para dicho objetivo fue el paquete de software ANSYS, el cual usa el método de los elementos finitos. En esta sección se muestran los resultados del análisis, para ver en detalle como se realizó la simulación refiérase al ANEXO A1. Para la simulación se tomó ventaja de la geometría del sistema tanto en forma como en condiciones (figura 6), la cual es conveniente para simplificar el análisis y disponer de menos memoria en el computador para realizar las simulaciones. En la figura 8 se puede observar el modelo.. 50.

(52) IM-2003-I-31. Figura 8. Modelo geométrico del Sistema Aislante en ANSYS. El color morado representa el acero, el rojo la lana de fibra de vidrio y el azul claro el aire dentro de la caja interna. Se simuló para 400°C (673K), con condiciones iniciales de 25°C y a condiciones de radiación y convección (las cuales pueden ser variables) con un coeficiente convectivo de 50W/m^2 K y de 100W/m^2 K la cual supera las condiciones reales del proceso. Los puntos críticos, es decir, los que alcanzaron la máxima temperatura en la caja interna (modelo simétrico) donde se guardarán los dispositivos se hallan. 51.

(53) IM-2003-I-31 sobre la arista mas corta de la caja, y el máximo sobre la esquina, mostrados en la Figura 9.. Figura 9. Puntos de máxima temperatura en la caja interna.. Las líneas punteadas representan el espesor de la caja (1.3 mm, calibre 20). La siguiente gráfica presenta las temperaturas alcanzadas por los puntos críticos.. 52.

(54) IM-2003-I-31. Temperatura (°C). Simulación en ANSYS a 400°C y h=50W/m^2 K 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0. Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5. Zona de. Punto 6. Trabajo. 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. 18. 20. 22. 24. 26. 28. 30. Tiempo (min). Gráfica 1. Temperaturas críticas en simulación a 673K (400°C).. 53. 32. 34.

(55) IM-2003-I-31. Resultados Simulación en ANSYS a 400°C. Temperaturas en °C. Tiempo (min). Punto1. Punto2. Punto3. Punto4. Punto5. Punto6. 0. 25,0. 25,0. 25,0. 25,0. 25,0. 25,0. 2. 25,0. 25,0. 25,0. 25,0. 25,0. 25,0. 4. 25,2. 25,1. 25,1. 25,1. 25,0. 25,1. 6. 25,4. 25,3. 25,3. 25,3. 25,2. 25,3. 8. 26,0. 25,9. 25,8. 25,8. 25,6. 25,8. 10. 27,0. 26,7. 26,7. 26,6. 26,2. 26,6. 12. 28,4. 28,0. 28,0. 27,9. 27,2. 27,8. 14. 30,3. 29,8. 29,7. 29,5. 28,6. 29,5. 16. 32,7. 32,1. 31,9. 31,7. 30,5. 31,6. 18. 35,6. 34,9. 34,7. 34,5. 32,8. 34,3. 20. 39,1. 38,2. 38,0. 37,7. 35,6. 37,5. 22. 43,1. 42,1. 41,8. 41,5. 38,9. 41,3. 24. 47,6. 46,4. 46,1. 45,7. 42,6. 45,5. 26. 52,4. 51,1. 50,8. 50,4. 46,7. 50,1. 28. 57,6. 56,2. 55,8. 55,4. 51,2. 55,1. 30. 63,0. 61,5. 61,1. 60,7. 56,0. 60,3. 54.

(56) IM-2003-I-31 Tabla # 5. Temperaturas críticas en simulación a 673K (400°C).. El sombreado en la tabla anterior representa el tiempo hasta donde se da la etapa de calentamiento en un proceso de moldeo rotacional. Luego de diversas simulaciones se llegó a las dimensiones mínimas para el sistema. Estas se determinaron para cuando el sistema alcanza 40 ºC a los 20 minutos de calentamiento, es decir, se logró un factor de seguridad de 1.25 siendo la temperatura máxima permisible de 50 ºC. Las dimensiones totales del sistema son: Largo = 412mm, Ancho = 432mm y Alto 232mm y el espesor de aislamiento es de 75mm, para mas detalle véase ANEXO A3.. 4.4.4. Valoración del Sistema de Aislamiento Térmico.. Luego de haber concluido la etapa de diseño, sigue la valoración experimental. Para conseguir esto es importante reproducir lo mas parecido posible el experimento a las condiciones reales del proceso. Se dispuso de un horno de convección con capacidad de calentamiento hasta 270 °C. Lo interesante de este horno es que reproduce la transmisión de calor por convección. Debido a la limitante de temperatura, se requiere evaluar el sistema aislante a distintas temperaturas buscando que tenga el mismo comportamiento que las simulaciones realizadas en ANSYS a dichas temperaturas para poder así extrapolar los resultados a 400°C.. 55.

(57) IM-2003-I-31. Se construyó un prototipo del sistema aislante diseñado (ver ANEXO 3) incluyendo las dos cajas metálicas. Se utilizó un acero 1020 CR por efectos de economía. Además para los espesores que se manejan (calibre 20), el impacto que puede producir la diferencia en la conductividad térmica del acero inoxidable con un 1020 es despreciable. Como relleno aislante se usó lana de fibra de vidrio en láminas semi-rígidas, su nombre comercial es INSULQUICK producto de FIBERGLASS, este material cumple con las propiedades especificadas en la selección y se ensambla fácilmente en la caja debido a su rigidez.. Figura 10 (a). Prototipo de Sistema Aislante para experimentación.. 56.

(58) IM-2003-I-31. Figura 10 (b). Prototipo de Sistema Aislante para experimentación.. Las mediciones se hicieron en la caja metálica interna a la altura correspondiente de los puntos 6 y 2 pero en la parte interna de la caja (véase Figura 9).. Para la. instalación de los termopares se le realizaron dos (2) agujeros a la caja en los sitios deseados. Dentro de la caja se fijaron los cables a la superficie interna de ésta usando silicona caliente y las juntas se fijaron con cinta eléctrica aislante de fibra de vidrio garantizando el contacto con el metal. También se instala un tercer termopar para medir la temperatura del horno.. 57.

(59) IM-2003-I-31. Figura 11. Instalación de los termopares. 4.4.4.1 Experimentación. Para llevar a cabo el experimento primero se garantiza que las condiciones iniciales en temperatura de todo los materiales del sistema sean iguales o que varíen poco (a lo sumo 3°C). Es decir, que la temperatura de la caja externa e interna y de la fibra de vidrio sean iguales. Al tiempo se precalienta el horno a la temperatura deseada hasta que se torne estable. Logradas esas condiciones, el prototipo con los termopares desconectados del lector digital, se introduce en el menor tiempo posible en el horno. Los cables de. 58.

(60) IM-2003-I-31 los termopares se pasan por el agujero que posee el horno para escape de gases, como se muestra en la figura 12.. Figura 12. Montaje dentro del horno.. 59.

(61) IM-2003-I-31 A partir del ingreso del prototipo se empieza a tomar el tiempo y anotar los datos de temperatura cada dos (2) minutos (intervalo utilizado en las simulaciones en ANSYS) hasta completar 30 minutos.. 4.4.4.2 Análisis de Resultados. Se realizaron 4 pruebas a distintas temperaturas y condiciones iniciales. Ya que no se tuvo la opción de probar el prototipo a 400°C, temperatura de diseño. Se realizaron los experimentos a distintas temperaturas de horno y condiciones iniciales para poder comparar los resultados con simulaciones en ANSYS.. A continuación se presentan los resultados en gráficas donde se comparan los valores teóricos y experimentales medidos en los puntos 2 y 6 (ver figura 9), para observar los valores tabulados en detalle refiérase al ANEXO A1. Resultados Experimentales vs Simulación en ANSYS a 102°C y h = 50W/m^2 K 50. Temperatura (°C). 45 40. Punto6 ANSYS. 35. Punto6 Experimental. 30. Punto2 ANSYS 25. Zona de. 20. Trabajo. 15 10 0. 2. 4. 6. 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Tiempo (min). Gráfica 2 (a). Pruebas a 102°C.. 60. Punto2 Experimental.

(62) IM-2003-I-31. Resultados Experimentales vs Simulación en ANSYS a 160°C y h=50W/m2 K 50. Temperatura (°C). 45. Punto6 ANSYS. 40 35. Punto6 Experimetnal 30 25. Punto2 ANSYS. 20. Zona de. 15. Trabajo. Punto2 Experimental. 10 0. 2. 4. 6. 8. 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32. Tiempo (min). Gráfica 2 (b). Pruebas a 160°C.. Resultados Experimentales vs Simulación en ANSYS a 190°C y h=50W/m^2 K 50 45. Temperatura (°C). 40 Punto6 ANSYS 35 Punto6 Experimental. 30. Punto2 ANSYS. 25. Zona. 20. de. Punto2 Experimental. Trabajo 15 10 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12 14. 16 18 20. Tiempo (min). Gráfica 2 (c). Pruebas a 190°C.. 61. 22 24. 26 28. 30 32.

(63) IM-2003-I-31. Resultados Experimentales vs Simulación en ANSYS a 245°C y h=50W/m^2 K 50. Temperatura (°C). 45 40. Punto6 ANSYS. 35. Punto6 Experimental. 30. Punto2 ANSYS. 25 20. Zona de. 15. Punto2 Experimental. Trabajo. 10 0. 2. 4. 6. 8. 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Tiempo (min). Gráfica 2 (d). Pruebas a 245°C.. Gráficamente se puede observar la cercanía de los valores de los datos teóricos y experimentales además que en todas tienen la misma tendencia. Para poder extrapolar los resultados se realizó el siguiente análisis. 4.4.4.2.1 Análisis de Error. La estrategia de extrapolación es observar como se comporta el error, medido en diferencia de temperatura entre los valores obtenidos experimentalmente y en las simulaciones para cada una de las temperaturas a las que el prototipo se sometió, para así establecer una tendencia hasta 400°C. Luego el error extrapolado a 400°C se adiciona a los valores obtenidos en la simulación a esta temperatura, logrando un estimativo aceptable para predecir el comportamiento del sistema de aislamiento térmico a la condición extrema.. 62.

(64) IM-2003-I-31 En primer lugar, se calcularon los errores en las mediciones a los 14, 16, 18, 20 y 22 minutos de cada una de las pruebas realizadas ya que el tiempo en el cual demora la etapa de calentamiento en un proceso de moldeo rotacional oscila entre 15 y 20 minutos. En las gráficas siguientes de presentan las tendencias de los errores. Se realizó una regresión logarítmica.. Error (°C). Extrapolación de Errores en el Punto 2 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0. 14 min 16 min 18 min 20 min 22 min. 0. 50. 100. 150. 200. 250. Temperatura (°C) Gráfica 3 (a). Error en el Punto 2 de medición.. 63. 300. 350. 400.

(65) IM-2003-I-31. Error (°C). Extrapolación de Errores en el Punto 6 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0. 14 min 16 min 18 min 20 min 22 min. 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 400. Temperatura (°C). Gráfica 3 (b). Error en el Punto 6 de medición.. Para obtener el estimado de las temperaturas alcanzadas en los puntos críticos (vea figura 9) que se presenta en la Tabla # 6, se adicionaron los errores obtenidos en el punto 2, el cual tuvo los errores más altos (para ver los valores de los errores tabulados refiérase al ANEXO A1).. Comportamiento Real a 400°C (EXTRAPOLACION). Temperaturas en °C. Tiempo (min). Punto1. Punto2. Punto3. Punto4. Punto5. Punto6. 14. 32,8. 32,3. 32,2. 32,0. 31,1. 32,0. 16. 35,2. 34,6. 34,4. 34,2. 33,0. 34,1. 18. 38,6. 37,9. 37,7. 37,5. 35,8. 37,3. 20. 42,9. 42,0. 41,8. 41,5. 39,4. 41,3. 22. 47,6. 46,6. 46,3. 46,0. 43,4. 45,8. Tabla # 6. Extrapolación del comportamiento del Sistema Aislante a 400°C.. 64.

(66) IM-2003-I-31. Se puede apreciar en la Tabla # 6 que no se alcanza a llegar a la temperatura máxima especificada por el fabricante.. 4.4.5. Conclusiones.. Aunque el prototipo del sistema aislante no se pudo probar a la temperatura de diseño que es 400°C, respondió satisfactoriamente a las distintas pruebas realizadas en otras temperaturas ya que los resultados experimentales se acercaron a los valores teóricos. Con una adecuada extrapolación con base a los errores generados se pudo estimar el comportamiento del sistema aislante a 400°C, el cual su resultado se ajusta a las especificaciones del fabricante (temperatura máxima de operación recomendada : 50°C).. En los procesos de moldeo rotacional llevados a cabo en Colombia la temperatura máxima alcanzada es de 330°C, lo cual es una condición menos exigente para la cual fue diseñado el sistema de aislamiento. Realizando una extrapolación similar a la que se hizo a 400°C, el comportamiento a 330°C sería el mostrado en la gráfica 4. En ésta se presentan las temperaturas máximas que se alcanzarían (para observar los resultados tabulados refiérase a ANEXO A1).. 65.

(67) IM-2003-I-31. Comportamiento del Sistema Aislante a 400°C vs a 330°C.. Temperatura (°C). 50,0 40,0 400°C 30,0. 330°C. 20,0 10,0 10. 12. 14. 16. 18. 20. 22. 24. Tiempo (min). Gráfica 4. Comportamiento a 330°C (Extrapolación).. Para conocer el tiempo de restitución del sistema aislante (tiempo mínimo que demora el sistema en lograr una temperatura de 25°C aproximadamente para poder ser usado otra vez) se realizaron pruebas de enfriamiento a éste inmediatamente después de ser retirado del horno. Con el uso de un ventilador se simuló la etapa de enfriamiento en el ciclo de moldeo rotacional. Esta etapa oscila entre 10 y 15 minutos de duración.. El tiempo de restitución obtenido en las pruebas osciló entre 40 y 50 minutos, es decir, vuelve a estar listo para su funcionamiento a los 20 o 30 minutos del siguiente ciclo de trabajo.. Respecto al uso del sistema de aislante se recomienda usarlo cada ciclo de por medio para garantizar su correcto funcionamiento. Para disminuir el tiempo de. 66.

(68) IM-2003-I-31 restitución se recomienda retirar los equipos de telemetría del sistema aislante y con la ayuda de un ventilador pequeño enfriar la lana de fibra de vidrio. Como ideas de mejoramiento del diseño se plantean las siguientes, •. Conseguir un material aislante con mejores propiedades (conductividad térmica mas baja) con el objetivo de reducir el tamaño. En el diseño se utilizó el INSULQUICK por su fácil consecución en el mercado colombiano.. •. El tamaño final del sistema aislante depende fuertemente del volumen ocupado por los dispositivos de simetría. En el caso que se pudieran conseguir dispositivos de menor tamaño ayudaría a la reducción total de éste.. 4.4.6. Ensamble del Sistema.. El sistema de aislamiento estará montado en el marco del molde (framework). El marco (ver Sección 2.5) conformado por una serie de vigas es el medio que usará el sistema para poder ensamblarse sobre el molde. Se ensamblará el sistema aislante por medio de pernos a una de las vigas del marco de trabajo. Se ajustará una placa por medio de tornillos a la base de la caja del sistema aislante, la cual contiene los agujeros roscados para pernar el sistema a una o varias de las vigas que conforman el marco de trabajo. Para ver en detalle refiérase al ANEXO A1 y A3.. 67.

(69) IM-2003-I-31 4.5. Costos. Para montar el sistema de monitoreo por telemetría se necesitan necesariamente los siguientes equipos:. -Termopares con terminación expuesta. -Datalogger o Sistema de Adquisición de Datos. -Transmisor de datos vía radio. -Batería o Módulo de Potencia (para el transmisor y datalogger). -Receptor * Se pueden usar dos transceptores (transmisor-Receptor). -Una interfase de comunicación entre el Receptor y el Computador. -Software de procesamiento de datos.. 4.5.1. Cotización de Termopares.. Se requieren de 6 termopares tipo K, que resistan las condiciones de temperaturas (Max. 400°C), además tienen que ser expuestas (junta soldada) para facilidad de medición.. Se cotizan en el almacén TEMPERATURA & CONTROLES en Bogotá con la siguiente descripción:. 68.

(70) IM-2003-I-31 -Termopar expuesta tipo K, cable cubierto de TEFLON, conector macho en miniatura.. Precio……………….COL $ 29,000 IVA incluido.. 4.5.2. Cotización de dispositivos de telemetría.. PRODUCTOS CAMPBELL. Empresa multinacional con sede en UTAH, USA, la cual dispone de una comercializadora DURESPO S.A. en Medellín y en Bogotá con la cual se puede contactar y realizar el pedido de productos.. MODULO DE MEDICION Y CONTROL CAMPBELL CR-10X (datalogger). Protegido en cubierta de acero inoxidable, con microprocesador Hitachi 6303 128K SRAM. Sistema de operación tipo multitarea permite simultáneamente la medición y comunicación de las diferentes variables, el almacenamiento de 60.000 datos. Programable a través de 30 instrucciones de medición, 43 instrucciones de proceso y 15 programas de control, modulo de cableado en acero inoxidable, con protección de transientes para todas las entradas y salidas. Los datos son recolectados selectivamente de acuerdo a tiempos o eventos definidos por el usuario. - Entradas análogas: 6 canales diferenciales o hasta 12 canales sencillos, configurables. Puertos digitales de entrada o salida: 8 puertos seleccionables como entradas binarias o salidas de control.. 69.