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Revista Aplicación Software en Ingeniería Mecánica y Electromecánica l 1

INGENIERÍA MECÁNICA

2 l Número 1 l 2018

ASIMEC

PRESENTACIÓN

LA CARRERA DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTROMECANICA DE LA FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA, nace a raíz de la necesidad de fortalecer el aparato productivo del departamento de Oruro y a nivel nacional, brindando profesionales idóneos que puedan conducir el proceso de transformación productiva e industrialización de recursos naturales.

El proceso de acreditación que realizo la carrera se inicio en primera instancia con un proceso de autoevaluación, para identificar las debilidades y fortalezas. Conocidas ellas se tomo la decisión voluntaria para presentarse a la evaluación a nivel nacional administrado por el Comité Ejecutivo de la Universidad Boliviana (CEUB), con resultados obtenidos satisfactoriamente, lo que permitió que nuestra entidad formadora de profesionales ingenieros se presente a la convocatoria de marca MERCOSUR, siendo evaluada con pares externos con resultados sobresalientes, llegando a convertirse en la primera carrera acreditada de la Facultad Nacional de Ingeniería.

El desarrollo de la investigación en el área de Mecánica – Electromecánica, es fortalecida con la creación del Instituto de Investigaciones, que permitió poder participar en eventos de carácter científico a nivel nacional donde los temas presentados por los componentes del instituto obtuvieron la atención de autoridades gubernamentales y de los organizadores de este extraordinario evento, con perspectivas de consolidación para poner en marcha los distintos proyectos, resaltando el interés de las Fuerzas Armadas. Así mismo se van desarrollando proyectos interdisciplinarios con las diversas facultades de las universidades del sistema universitario boliviano. Además de contribuir con el diseño, construcción y montaje en los proyectos de PRO-BOLIVIA.

Las competencias exigen a nivel nacional crear la carrera de Ingeniería Mecatrónica, siendo resultado de las oportunas consultas que nos permite advertir y desarrollar el programa basado en las necesidades del sector industrial de nuestro país.

Consideramos que la revista será una información útil y valiosa para la sociedad, comunidad universitaria que podrá ser consultada por los estudiantes, docentes y autoridades.

DIPL. ING. OLKER MALDONADO URIA

DIRECTOR DE CARRERADE INGENIERÍA MECÁNICA - ELECTROMECÁNICA



DIRECTOR DE CARRERA

DIPL. ING. OLKER MALDONADO URIA

COMITÉ EDITORIAL

MSC. ING. MIGUEL RUIZ ORELLANA DR. ING. EDWIN LAMAS SIVILA UNV. CLAUDIA L. COLQUE LLAVE

PORTADA

UNV.CRISTIAN SIVINCHE

DIRECCIONES Edif. Central Ing. Mecánica Ciudadela Universitaria, zona Sud Telf.: 591 – 25262549 Email: mecá[email protected] Web: www.mecanica.edu.bo

EDITORIAL

DISEÑO Y CÁLCULO DE EJES SEGÚN NORMA ASME 106 ….............................................… 2

CALCULO DE LA RADIACION DIRECTA DEL PROGRAMA VPCLIMA ………................................. 8

APLICACION DE ENERGIAS RENOVABLES EN LA PRODUCCION DE FRIO (PROGRAMACION EN C++) ……........................… 20

INFORMACION DE DIRECCION DE CARRERA .................................................................. 28

INSTITUTO DE INVESTIGACION MECANICA ELECTROMECANICA ........................ 29

SOCIEDAD DE INVESTIGACION EN INGENIERIA ENERGETICA .................................... 30

CLUB DE MECATRONICA ORURO ........................ 31

SOFTWARE DE GESTION DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO, DIAGNOSTICO DE FALLAS Y SUPERVICON DE ESTADO ............................................................... 32

CONTRASTAR LA EXCITACIÓN SINUSOIDAL VERSUS EL DESARROLLO EXPERIMENTAL DE FLUJO DE CALOR EN EL SOLARIUM DE LA CARRERA, CON LA HERRAMIENTA EES ................................................ 36

CÁLCULO Y VERIFICACION DE ...SOLDADURA ASISTIDO POR AUTODESK INVENTOR PROFECIONAL 2012 ........................... 40

IMPLEMENTACION DE GESTION DE LUBRICACION EN EL INGENIO AZUCARERO SAN AURELIO MEDIANTE EL SOFTWARE SKF LUBRICACION PLANNER & DIAL DET V.4 ........................................................ 45

SIMULACION DE CIRCUITOS NEUMATICOS E HIDRAULICOS CON AUTOMATION STUDIO ........................................... 48

DISEÑO, GENERACION Y CALCULO DE ESTRUCTURAS METALICAS (GRADERIAS) ...... 54

PROGRAMACION EN USER – RPL CON EJEMPLOS APLICADOS A INGENIERIA MECANICA ................................................................ 60

INDICE

REVISTA APLICACIÓNSOFTWARE EN INGENIERÍAMECÁNICA ELECTROMECÁNICA


ASIMEC

EDITORIAL

El desempeño de los profesionales de ingeniería mecánica y electromecánica está fuertemente ligado a la aplicación de software de especialidad que les permita cualificar sus competencias. Esta tendencia ha impulsado una masiva generación de paquetes informáticos dentro la línea CAD/CAM/CAE, así como en el área de Simulación y Mantenimiento Industrial para soportar las necesidades del ingeniero de hoy. Esta diversificación exige generar espacios de encuentro, tanto para consultar como para difundir el uso y capacidades de estas herramientas informáticas.

Consecuentemente a los antecedentes planteados, la revista “ASIMEC” pretende constituirse en un órgano de difusión de las herramientas de Simulación y Modelado, como también de las experiencias de aplicación de estas buscando soluciones de ingeniería más eficaces y eficientes.

A la vez se procura que los casos prácticos expuestos en la presente revista sirvan de mecanismo impulsor de núcleos de desarrollo tecnológico e iniciativas de investigación y aplicación de las herramientas informáticas de especialidad.

Este primer número de la revista “ASIMEC” expone “9” trabajos de aplicación en “7” paquetes de especialidad a modo de resumen de las ponencias del “II Congreso Nacional de Aplicación de Software en Ingeniería Mecánica – Electromecánica” llevado a cabo en la Carrera de Ingeniería Mecánica – Electromecánica de la Facultad Nacional de Ingeniería, Universidad Técnica de Oruro.

Seguro que esta primera edición de la revista despertará muchas inquietudes en los estudiantes y profesionales de la rama, ponemos a su consideración el trabajo desarrollado.

Miguel A. Ruiz Orellana



Diseño y Cálculo de ejes según Norma ASME 106.1

Miguel A. Ruiz Orellana (1), Sergio Vargas (2)

Ingeniero Mecánico, Facultad Nacional de Ingeniería (1)

Universidad Técnica de Oruro (1)

Carrera de Ingeniería Mecánica, Ciudadela Universitaria, Zona sud, Oruro-Bolivia (1)

[email protected] Ingeniería Electromecánica, Facultad Nacional de Ingeniería (2)

Universidad Técnica de Oruro (2)

Carrera de Ingeniería Mecánica, Ciudadela Universitaria, Zona sud, Oruro-Bolivia (2)

[email protected]

Resumen

Observando la maquinaría industrial, se encuentra que uno de los componentes más frecuentemente utilizado son los ejes de transmisión de potencia, que por la variedad de los elementos montados sobre estos, las fuerzas solicitantes en ellos son diversas ya sea en dirección como en naturaleza misma de esta; más para fines de estudio se agrupan en dos clases: ejes solicitados por cargas estáticas y ejes solicitados por cargas dinámicas. El comportamiento de las fuerzas deriva en tratar de formas distintas el diseño de ejes de acuerdo a su comportamiento mecánico del elemento, pudiendo ser este un comportamiento elástico o un comportamiento a fatiga. En el presente trabajo se expone algunos procedimientos para el diseño y cálculo de ejes de transmisión considerando los factores de concentración de esfuerzos (kt, kb) y factores de diseño (fs) para el caso de comportamiento elástico del material. Para el cálculo a fatiga del eje, se desarrolla el procedimiento de cálculo basados en la norma ASME 106.1 de 1995 la cual considera un estado de carga a flexión inversa y torsión permanente, esta combinación de solicitaciones agrupa a la mayor cantidad de condiciones de trabajo de los ejes. Para llegar a determinar el diámetro de un eje a fatiga, se debe obtener el esfuerzo alternativo a flexión (σa), el esfuerzo máximo a torsión (τmax), el esfuerzo a fatiga real (σf) y el esfuerzo cortante admisible (τy) que ASME sugiere tomar 0.577*σy. Como las condiciones de solicitación varían en cada tramo del eje, el procedimiento anterior se debe realizar varias veces para definir todas las medidas del árbol; este requerimiento induce fuertemente a contar con plantillas semi automatizadas de cálculo de forma tal que se agilice todo el procedimiento. Para este trabajo se ha desarrollado memorias de cálculo utilizando el software matemático MathCad.Palabras Claves: Diseño, Ejes, ASME 106.1, Fatiga, Concentración de esfuerzos.

Abstract

Observing industrial machinery, one of the components that we find with frequency are the shaft transmission of power, that for the variety of the mounted elements on these, the requesting forces in them are varied as much in address as in the type; to can study these the shaft will be classify in two big groups: shafts loaded by static loads and shafts loaded by loads dynamic. The behavior of the forces drift in being in different ways the design of axes according to their mechanical behavior of the element, being able to be this an elastic behavior or a behavior to fatigue. Presently work is exposed some procedures for the design and calculation of transmission shafts considering the factors of stress concentration (kt, kb) and design (fs) factors for the case of elastic behavior of the material. For the calculation to fatigue of the shafts, the calculation procedure is developed based on the norm ASME 106.1 of 1995 which considers a load state to inverse flexion and permanent torsion, this combination of solicitations contains to the biggest quantity in conditions of work of the shafts. To end up determining the diameter from an axis to fatigue, the alternative stress should be obtained to flexion (σa), the maximum stress to torsion (τmax), the effort of real fatigue (σf) and the sharp acceptable (τy) effort that ASME suggests to take 0.577 * σy. As the solicitation conditions they vary in each tract of the axis, the previous procedure should be carried out several times to define all the measures of the tree; this requirement induces strongly to have an semi automated templates of calculation in a such way that the whole procedure is speeded up. For this work it has been developed calculation memoirs using the mathematical software MathCad.


ASIMEC

Key words: Design, Shafts, ASME 106.1, Fatigue, stress concentration.1. Introducción.Los ejes o árboles son uno de los elementos más comunes de encontrar en los equipos y máquinas mecánicas. A la vez como estos elementos son los encargados de transmitir la potencia motriz desde un sistema a otro, asumiendo la enorme variabilidad de los componentes montados sobre los ejes y las distintas combinaciones de fuerzas solicitantes que estos componentes generan sobre los ejes.Mencionar que dependiendo de cómo se comporten las solicitaciones en los árboles, estos tendrán un comportamiento particular como respuesta a estas solicitaciones y por ende el cálculo de los esfuerzos tendrá tratamiento especial.En el presente trabajo se expone el procedimiento de cálculo de ejes de acuerdo a la Norma ASME 106.1 enfatizando las tres condiciones de carga posibles, carga estática, carga dinámica y carga repetitiva a fatiga.Finalmente, todo el proceso de dimensionado de los árboles significa un procedimiento largo y de gran detalle, que debe repetirse para cada tramo del mismo, por cuanto es de suma utilidad tener programado todo este procedimiento en un software matemático de forma de agilizar la obtención de resultados. En el presente trabajo se escoge al software MathCad, como plataforma para elaborar una memoria de cálculo semi automatizada para el diseño de ejes de acuerdo a la norma ASME 106.1. DISEÑO DE LOS EJES El diseño de ejes queda caracterizado por los siguientes aspectos:Esfuerzos solicitantes, pudiendo encontrar esfuerzos de torsión, debido al momento torsor que deben transmitir, esfuerzos de flexión, provocada por la acción de las fuerzas transversales a su eje y alejadas de sus puntos de apoyo (figura 1), esfuerzos de compresión generada por fuerzas axiales provenientes de elementos mecánicos cual el caso de los engranajes cónicos, y en general por lo menos dos de estas solicitaciones se presentan a la vez los ejes se encuentran solicitados por esfuerzos combinados.Características de su material y manufactura, donde interviene el acabado superficial que tendrá la pieza, el tamaño del componente (específicamente su diámetro) y también sus variaciones geométricas cuya incidencia se refleja en el factor de concentración de esfuerzos.

Figura 1. Eje de un agitador.

DISEÑO DE EJES A CARGA ESTATICA Lingaiah [1], propone que el diámetro de los ejes estacionarios, con carga estática, cumplen la siguiente relación:A torsión,

A flexión,

Donde:d [mm] Diámetro del ejeMt [N*m] Momento torsor en el ejeMb [N*m] Momento flector en el ejeτyd [MPa] Esfuerzo cortante admisible o de diseñoσyd [Mpa] Esfuerzo flector admisible o de diseño

De acuerdo a la norma ASME 106.1 se debe de tomar los esfuerzos admisibles como sigue [2],

Donde, σu es el esfuerzo último. De forma semejante, σyd viene de la relación:

fs es el factor de diseño, usualmente 2 cuando se trabaja con materiales conocidos.Sin embargo, en el mismo documento, Lingaiah propone que el cálculo del diámetro del eje cuando este tiene un movimiento de rotación a baja velocidad angular y está solicitado por cargas dinámicas, aún no se le puede considerar como un eje con esfuerzos de fatiga; sin embargo, las ecuaciones del diámetro del eje se representan afectadas por un factor de concentración de esfuerzos por las entalladuras de forma del elemento, pudiendo escribir:A torsión,

A flexión,

Donde:kt Factor de concentración de esfuerzos por torsiónkb Factor de concentración de esfuerzos por flexión

Los valores de kt y kb se pueden encontrar en textos de diseño de elementos de máquinas, mencionando entre



ellos Norton [3] en su capitulo 6, y el capítulo 5 de Child [4].

Figura 2. Grafica para la obtención de la Concentraciónde esfuerzos [4].

Con las relaciones anteriores se logra obtener el diámetro del eje resistente al esfuerzo solicitante, mas no siempre es la única especificación a trabajar, cuando la longitud del eje sobrepasa 10 veces el diámetro del eje, el código ASME recomienda que la deformación angular del eje no debe ser mayor a 0.08º/pie o 0.262º/m [5].Como se representaba en la figura 1, la mayor parte de los ejes se encuentran sometidos a esfuerzos combinados, pudiendo ser esfuerzos de torsión y flexión al mismo tiempo, o incluso tener además de los anteriores esfuerzos de compresión o tracción. En estos casos el tratamiento de las ecuaciones anteriores básicamente se ve afectado en la expresión del momento solicitante y a la vez este se comportará de acuerdo a la hipótesis de resistencia de materiales que se esté usando, por ejemplo para un análisis en el cual prevalezca el esfuerzo cortante por torsión se podrá trabajar por la tercera hipótesis de resistencia de materiales, criterio del “Esfuerzo Cortante Máximo” que enuncia,

Además se considera que el esfuerzo cortante máximo es igual a la mitad del esfuerzo de tracción [6], ya sea a fluencia o esfuerzo último [7] dependiendo del criterio de diseño,

De tal forma que ordenando y apoyados en las ecuaciones (1) y (2), se obtendrá,

Finalmente despejando el diámetro,

Para el caso en el cual el eje tenga una longitud considerable (L > 10*d) existirá una importante carga a flexión, se puede trabajar con la cuarta hipótesis de

resistencia [6], formulada como:

Siguiendo el procedimiento anterior se puede obtener una relación que determine el diámetro del eje.

Conforme Lingaiah [1], las dos ecuaciones anteriores son afectadas por los factores de concentración de esfuerzos quedando:

Finalmente en el caso de presentarse cargas axiales, se trabajará con la cuarta hipótesis de resistencia añadiendo el esfuerzo de tracción, que por teoría de esfuerzos compuestos el máximo de solicitación se dará en el cuadrante de los esfuerzos positivos que es la suma de las tensiones de tracción, así:

El valor de α es 0.785. La ecuación anterior requiere necesariamente de un proceso iterativo de resolución al tener una variable implícita. Si la hacemos afectar por los factores de concentración de esfuerzos se obtendrá:

DISEÑO DE EJES CON CARGA DINAMICACuando la variabilidad de las cargas de los ejes es baja (menor a 1000 ciclos), las cargas se las puede tomar como estáticas pudiendo utilizar las ecuaciones expuestas anteriormente para el dimensionado del eje.Sin embargo, cuando los ciclos de trabajo superan los 1000, entonces las cargas que producen fluctuaciones repetidas sobre el material y el comportamiento mecánico del eje pasa de ser estático a un comportamiento a fatiga.La principal diferencia entre el comportamiento del material a carga estática y a fatiga radica en que a medida que aumenta el ciclaje o número de vueltas que da el eje, la resistencia mecánica del mismo disminuye, por cuanto los valores permisibles considerados para dimensionar a carga estática no sirven o están fuera de rango para un cálculo a fatiga.


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Figura 3. Diagrama Esfuerzo resistente vs.Numero de ciclos R. Mott, [8].

En la figura 3, se observa como la resistencia de un material va disminuyendo a medida que este soporta un mayor número de ciclos de carga hasta estabilizarse en un valor muy inferior respecto del valor de resistencia en condiciones estáticas o de bajo ciclaje.Por otro lado, las solicitaciones repetitivas y en muchos casos inversas, provocan el fallo prematuro del material por el acabado superficial del mismo, el tamaño de la pieza y otros factores que se deben considerar en el cálculo.Los tipos de carga fluctuante para ejes normalmente se caracterizan por tener momentos flectores inversos y momentos torsores constantes.

Figura 4. Diagrama esfuerzos flectores inversosrespecto del tiempo. R. Mott, [8]

En la figura 4, se muestra el comportamiento típico de los esfuerzos de flexión debidos a una fuerza inversa fluctuante, donde se reconoce el esfuerzo alternativo y el esfuerzo medio definidos de la forma siguiente:

Donde el esfuerzo de flexión mínimo es igual al esfuerzo de flexión máximo pero con signo contrario.La Norma ASME 106.1 de 1995, intitulado “Diseño de Flechas de Transmisión”, propone una ecuación para el dimensionado del eje considerando los estados de carga más comunes, flexión alternativa y torsión permanente; acogiéndose a un comportamiento elíptico de las fallas, así:

El valor del esfuerzo de torsión es el mismo que para un caso estático debido a que el momento torsor es permanente.Para el esfuerzo admisible a cortante se toma la relación entre esfuerzos de acuerdo a la teoría de resistencia por energía de distorsión.

además de Quedando la ecuación en:

σf, es el esfuerzo corregido de fatiga, o esfuerzo de fatiga real.MEMORIA DE CALCULO SOPORTADO POR MATHCADPara proseguir con el cálculo y dimensionado de un eje a fatiga, se trabajará bajo la plataforma del software MathCad, soporte que permitirá elaborar una memoria de cálculo semi automatizada.Una vez planteado el eje a resolver, y habiendo identificado las cargas solicitantes y las reacciones en los apoyos, es imprescindible contar con la ecuación de momentos flectores a lo largo del eje para dimensionar cada una de las secciones del elemento, siendo necesario conocer el valor del momento flector en cada punto.Es recomendable trabajar el cálculo de los momentos flectores por el método de funciones de singularidad [9], que además la ecuación obtenida por este método es posible programarla en MathCad con la función siguiente:

El termino μ(z,a) debe multiplicar a todas las expresiones de carga que aparecen alejadas del punto extremo de “z”, permitiendo activar y desactivar la evaluación de una determinada carga en función del punto de análisis del eje.Una vez conocidos los momentos flectores y torsores en el eje, se debe determinar el valor del esfuerzo de fatiga real, descrito como:

Donde el valor de “σe” (esfuerzo de fatiga) está en función del esfuerzo último del material, para el caso de los aceros se tiene [2]:

Las constantes C1, C2, C3, C4, C5, se describen y programan a continuación:C1 Factor de cargaSe entiende que cuando el eje tiene solicitaciones de flexión, el factor vale 1, más si sobre las solicitaciones de flexión existen esfuerzos de tracción o compresión, el factor será 0.7.

C2 Factor de tamañoConsiderando que en todo material se puede encontrar imperfecciones (porosidades, micro grietas), cuanto mayor tamaño tenga el eje es más probable encontrar estas imperfecciones, por cuanto este factor vale 1 para diámetros menores a los 8 mm, decreciendo a medida que el diámetro del eje incrementa.



C3 Factor de superficieDependiendo del tipo de mecanizado que recibe la pieza, se tendrá mayor o menor probabilidad de encontrar imperfecciones superficiales, este criterio es reflejado en la ecuación siguiente.

Donde el valor de las constantes “A” y “b” está en función del acabado superficial de la pieza, de esta forma, si se da la opción de 1) Rectificado, 2) Maquinado, 3) Rolado en caliente, 4) Forjado, tiene:

El valor del esfuerzo ultimo ingresa de forma adimensional, pero considerando que esta expresado en MPa.C4 Factor de temperaturaEste corresponde propiamente al comportamiento mecánico del acero, el cual sufre alteraciones a partir de una cierta temperatura de trabajo.

C5 Factor de confiabilidadReferido también a un cálculo probabilístico en el cual se describe el grado de confiabilidad del dimensionado que se está realizando, a mayor confiabilidad, menor el factor y por consiguiente menor será el esfuerzo admisible, que a la vez nos dará un eje más macizo asegurando así su resistencia.

Con todos los valores obtenidos anteriormente, se consigue calcular el esfuerzo de fatiga corregido, pudiendo ya ingresar a la ecuación propuesta por ASME 106.1., insertando en la misma un factor de diseño “fs” y las constates de concentración de esfuerzos “kb” a fatiga.

Remplazando la definición de los esfuerzos

De esta última ecuación despejamos el valor del diámetro

Para el caso específico de los ejes, los valores de concentración de esfuerzos “kb” serán debido a la existencia de chaveteros, agujeros pasantes o apoyo de hombros. Para cualquier caso,

estos se pueden obtener de gráficos existentes en los textos de elementos de máquinas; sin embargo Mott [8], propone valores usuales para cada situación tal cual se muestra en la tabla 1.Los valores aplicados a la ec. (26) nos permiten dimensionar el eje a cargas de fatiga. Recordar que si el elemento no se encuentra solicitado con cargas cíclicas, el dimensionado de este puede realizarse utilizando las ec. (15) ó (18).Tabla 1: Valores de “kb” de concentración de esfuerzos

CONCLUSIONESSe puede concluir que:• El cálculo y dimensionado de un eje dependerá del tipo

de fuerza solicitante y del comportamiento mecánico del material debido a las fuerzas excitantes.

• Debido a los cambios de forma propios de los árboles, es recomendable calcular el diámetro del eje considerando los factores de concentración de esfuerzos.

• El dimensionado de los árboles por lo general se apoya en la cuarta hipótesis de resistencia de materiales “energía de deformación”.

• Cuando el eje tiene longitud considerable se debe verificar el dimensionado por la rigidez del mismo.

• El ampuloso cálculo requerido es agilizado programando la obtención de todos los factores de reducción de esfuerzos por fatiga además de la obtención de una ecuación única para el cálculo de momentos en el eje, todo ello soportado por el software matemático MathCad.

• Para el caso de ejes con carga axial y momento torsor fluctuante, se debe revisar bibliografía especializada para el dimensionado de los árboles en esas condiciones.

BIBLIOGRAFIA[1] K. Lingaiah, Machine design databook, 2nd ed. Micgigan: McGraw-Hill, 2003.[2] R. G. Budynas and J. K. Nisbett, Diseño en

ingeniería mecánica de Shigley. México: McGraw-Hill Higher Education, 2008.

[3] R. L. Norton and G. Sánchez García, Diseño de máquinas. México etc.: Prentice-Hall Hispanoamericana, 1999.

[4] P. R. N. Childs, Mechanical design. Burlington, MA: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2004.

[5] A. D. Deutschman, W. J. Michels, and C. E. Wilson, Diseño de máquinas: teoría y práctica. México: Compañía Editorial Continental, 1985.

[6] P. A. Stiopin, Resistencia de materiales, 2nd ed. Moscú: Mir, 1976.

[7] J. E. Shigley and C. R. Mischke, Diseño en ingenieria mecánica, vol. 6a. México etc.: McGraw-Hill, 2002.

[8] R. L. Mott, Diseño de elementos de máquinas. Naucalpan de Juárez, México etc.: Prentice Hall Iberoamericana, 1995.

[9] M. A. Ruiz, “Aplicación del software MathCad para el estudio de vigas isostáticas,” Rev. Ing., vol. 3, p. 80, 2011.


ASIMEC

CÁLCULO DE LA RADIACIÓN DIRECTA DEL PROGRAMA VPCLIMA (PROGRAMA DE CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS Y SIMULACIÓN

ENERGÉTICA) CON MACROS EN AUTOCADSarabia Escriva Emilio J.*, Edwin V. Lamas Sivila**, Soto Francés Víctor, M. *

*Departamento de Termodinámica Aplicada, Universidad Politécnica de Valencia Camino de Vera, s/n, 46022 Valencia – España, Teléfono: +34 963877322, Fax:+34 9638773296. [email protected], [email protected]

**Carrera de Ingeniería Mecánica-Electromecánica, Universidad Técnica de Oruro, Ciudadela Universitaria s/n, Oruro-Bolivia, Teléfono: +591 252 62549, email: [email protected]

Resumen

La radiación solar es uno de los factores más influyentes en el consumo energético de los edificios. Por lo tanto, es necesario hacer una estimación de la incidencia de la misma sobre el edificio lo más precisa posible. En este artículo se presenta la aplicación del algoritmo Shadow Volumes en el programa de simulación térmica de edificios vpCLIMA, con el propósito de obtener unos resultados precisos para el cálculo de la radiación directa que incide sobre el edificio.La aplicación de la metodología Shadow Volumes es ampliamente conocida en el ámbito de la computación gráfica, progra-mas de renderizado y videojuegos. Las ventajas de utilizar esta técnica son: una mayor velocidad en los cálculos de sombras y la precisión de los resultados que ofrecen sus cálculos.En el artículo se describe el método empleado para la generación de la escena tridimensional que representa los elementos del edificio y la aplicación sobre ésta del algoritmo Shadow Volumes. Para la descripción del edificio se utiliza un programa CAD, con el objetivo de conseguir una herramienta potente para el uso en ingenierías y oficinas de proyectos. Finalmente se exponen los resultados obtenidos utilizando esta metodología sobre unos ejemplos que representan distintas tipologías de edificios.Palabras ClaveSimulación Energética de Edificios, Shadow Volumes, Cálculo de Sombras, Radiación Solar Directa, CAD

AbstractSolar radiation is one of the most influential factors in the energy consumption of buildings. Therefore, it is necessary to estimate the impact of this on the building as accurately as possible. This article presents the application of the algorithm Shadow Volumes in the thermal simulation program vpCLIMA in order to obtain accurate results for the calculation of direct solar radiation on buildings.The implementation of Shadow Volumes methodology is widely known in the field of computer graphics rendering programs and video games. The advantages of using this technique are: increased speed in calculations of shadows and the accuracy of the results offered by their calculations.The article describes the method used to generate three-dimensional scene that represents the elements of the building and the implementation of the Shadow Volumes algorithm. For the description of the building geometry, a CAD program is used, in order to get a powerful tool for use in engineering and design offices. Finally, we report the results obtained using this method on some examples that represent different types of buildings.KEY WORDSBuilding Energy Simulation, Shadow Volumes, Shadow Calculation, Direct solar radiation

1. INTRODUCCIÓNEl análisis de sombras es importante en cualquier programa de simulación térmica de edificios ya que está directamente relacionado con el cálculo de la radiación directa que incide sobre el mismo. Los algoritmos empleados por los actuales programas de simulación térmica son ya viejos y resultan lentos y pesados para los tiempos de cálculo que los usuarios de las aplicaciones esperan. Por tanto, parece conveniente renovarlos.Este artículo describe la adaptación de la metodología

Shadow Volumes, empleada en multitud de aplicaciones de computación gráfica, al programa de simulación térmica vpCLIMA. Las ventajas que presenta este método son: precisión y velocidad.En los siguientes apartados se comentan el método empleado por el vpCLIMA para el cálculo de la fracción solar de cada elemento exterior del edificio y se comparan los resultados con un análisis hecho con la herramienta EnergyPlus. También se muestran los tiempos necesarios por la herramienta para el cálculo de diferentes escenas.



Finalmente, como aplicación de cálculo de la radiación directa hecho con el vpCLIMA se muestra la radiación directa incidente sobre distintas configuraciones de edificios, todos ellos con el mismo volumen.2. MÉTODO SHADOW VOLUMESUn volumen de sombra (Shadow Volume) se forma a partir de una luz puntual y un cuerpo convexo que ocluye la luz que ésta irradia. Es en esencia el interior de la intersección de un conjunto de planos que forman una pirámide de altura infinita, cuyo vértice coincide con la luz puntual, y cuyos planos pasan por las aristas del objeto oclusor que son compartidas por una pareja de caras (o polígonos) tal que una cara está orientada a favor de la luz y la otra en contra. El volumen de sombras corresponderá precisamente a la región del espacio donde no llega la radiación lanzada por la luz puntual debido a que es interceptada por el objeto oclusor; dicho de otra manera, está formado por el conjunto de puntos que la luz no puede “ver” (es decir, no son linealmente alcanzables sin atravesar el objeto oclusor). Una vez engendrada esta estructura puede utilizarse para determinar geométricamente si un determinado elemento yace dentro de la región de sombra correspondiente al volumen. Los planos que encierran el volumen se llaman planos de sombra, y la dirección normal del mismo indica cuál es la cara del plano que está a la sombra y cuál iluminada.Como se aprecia en la “Figura 1”, los planos de sombra, que encierran el volumen de sombra, se forman con una serie de aristas cuyo punto común es el punto de luz de la escena. Además, cada una de estas aristas pasa también por un vértice del polígono oclusor. Slater M.(1992) y Chrysanthou,Y., Slater, M.(1995).

Figura 1- Volumen de sombra, generado por un polígono, formado por la parte interior de los tres planos de sombra señalados.

3. ADAPTADIÓN AL SOFTWARE VPCLIMAPara poder aplicar la metodología de los volúmenes de sombra en la herramienta vpCLIMA, en primer lugar es necesario generar una escena de polígonos tridimensional que defina la geometría del edificio que se desea estudiar. Esta escena de cálculo debe ser introducida por el usuario, y para ello se facilita una macro que trabaja en AutoCAD y que genera el volumen del edificio utilizando para ello una simple definición en 2D del mismo. La idea es facilitar la entrada de datos del usuario con la finalidad de obtener una herramienta con la que pueda obtener

mayor productividad sin dejar de lado la precisión. Con la incorporación de la metodología de los volúmenes de sombra se pretende obtener el análisis de radiación directa de los elementos que conforman la envolvente exterior del edificio. Para ello, los resultados del análisis de la herramienta son por un lado los polígonos de sombra que se generan en cada instante de cálculo, y por otro, el valor de la fracción soleada de cada elemento exterior del edificio. Los polígonos de sombra se representan en la escena definida en Autocad, permitiendo al diseñador observar la incidencia solar en cada momento. Por otra parte, el valor de la fracción solar de cada elemento es utilizada por el vpCLIMA para hacer el cálculo de la radiación directa incidente sobre el mismo. En los siguientes sub-apartados se describe el proceso para el cálculo de ambos resultados.3.1. DEFINICIÓN DE LA ESCENA TRIDIMENSIONALPara poder realizar el cálculo de sombras sobre el edificio resulta imprescindible tener una definición geométrica del mismo. Posiblemente esto requiere un trabajo demasiado tedioso para el profesional que quiere realizar un análisis térmico del edificio. Por esta razón, se ha intentado simplificar el trabajo y aprovechar la definición que existe del edificio y que está en los planos 2D generados por los arquitectos.

Figura 2- Definición de las plantas y generación de la escena tridimensional que define el edificio.

El usuario debe definir con polígonos los espacios que conforman cada planta y después situar cada planta en la posición y altura correspondiente “Figura 2”. Estos polígonos se asocian a una capa del programa CAD, generada por el programa. Los huecos se definen de manera similar, pero utilizando una capa diferente para los mismos un una línea en lugar de un polígono. Posteriormente, el programa analiza esta información y genera la extrusión de las plantas definidas. De esta manera se crean tanto los elementos exteriores que definen la geometría del edificio (techos exteriores, muros exteriores, ventanas, etc.) como los elementos internos del edificio (paredes interiores entre locales, forjados interiores, etc.). Este proceso se describe con mayor minuciosidad en la tesis de Sarabia, E.J. (2010).3.2. CÁLCULO DE LA FRACCIÓN SOLAREl resultado del cálculo del análisis de sombra tiene dos componentes, como se ha citado anteriormente. Por una parte, el programa muestra los polígonos que forman la sombra sobre el edificio, representados en la misma escena CAD en la que se define la geometría, “Figura 3”. Por otra parte, el programa almacena en el mismo archivo el valor de la fracción solar de cada elemento exterior.


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Figura 3- Representación de la escena original y de los polígonos de sombra generados en el cálculo de un instante determinado.

La mayoría de programas de tipo CAD trabajan con el formato de archivo DXF. Este formato fue desarrollado por Autodesk y su estructura es pública, de manera que se ha convertido en un estándar para la representación gráfica vectorial. La información de la escena se almacena en formato DXF, de manera que el programa vpCLIMA puede reconocer los elementos y utilizar este formato para almacenar propiedades relacionadas con los mismos. De esta manera, el programa calcula para cada uno de los elementos que componen la envolvente exterior del edificio el valor de su fracción solar, teniendo en cuanta la “Ecuación (1)”

El valor de la fracción solar representa la porción de superficie que un elemento tiene iluminada en un momento determinado. Éste valor es distinto para cada momento del día y para cada día del año en la vida real, pero para evitar hacer tantos cálculos los programas de simulación energética asumen unos valores concretos de fracción solar que se aplican para distintos instantes de cálculo, EnergyPlus (2010). En el caso del vpCLIMA se calculan 40 valores, que representan las posibles posiciones solares a lo largo de todo el año. Para el cálculo de cada uno de estos valores se genera una escena de cálculo distinta. Aunque la geometría del edificio no cambia, la escena es distinta porque existe una posición solar distinta en cada una de ellas.4. COMPARACIÓN DE RESULTADOS FRENTE AL ENERGYPLUSPara verificar la correcta aplicación del método Shadow Volumes en el programa vpCLIMA se ha realizado una comparación del mismo con el EnergyPlus. Los resultados comparados han sido el valor de la fracción solar de las

ventanas de una configuración de edificio generada para este fin. La “Figura 4” representa la geometría del edificio empleado para dicha comparación.

Figura 4- Representación del edificio empleado paracomparar con EnergyPlus.

La forma del edificio tiene la finalidad de generar distintas proyecciones de sombra sobre las ventanas del mismo, con el fin de comparar los valore obtenidos por los dos programas. El edificio posee cuatro ventanas, cada una orientada en una dirección distinta: Norte, Sur, Este y Oeste. La superficie de todas las ventanas es de 2 m2 y su elevación del alféizar respecto al suelo es de 1 metro de altura para cada una de ellas. Utilizando la misma geometría se comparan distintas situaciones, en primer lugar la configuración que hay representada en la “Figura 4”, y en segundo y tercer lugar se considera un voladizo superior en la ventana, cuya longitud es 0.5 m. y 1 m. respectivamente. La posición del voladizo es perpendicular a la superficie de la ventana y colocado a la altura del techo del edificio.De esta manera, se representan los resultados obtenidos para la comparación de ambos programas en cada una de las situaciones expuestas anteriormente. Los resultados muestran los valores obtenidos para la ventana de orientación sur y la ventana de orientación oeste.En una simulación anual con EnergyPlus, esta herramienta calcula la fracción solar de cada elemento cada 20 días. Esto implica el cálculo de 18 escenarios distintos que representan un año. Para poder comparar ambos programas bajo las mismas condiciones, ha sido necesario obtener previamente algunas de las variables con las que trabaja el programa, como por ejemplo el valor de la altura y el azimut solar para cada una de las escenas calculadas. Éstos valores de salida han sido utilizados por el módulo de cálculo de radiación directa del vpCLIMA para determinar la posición del sol en cada escenario, y comparar los dos programas bajo las mismas condiciones.

4.1. RESULTADOS EDIFICIO SIN VOLADIZOS ORIENTACIÓN: SUR



Figura 5- Representación de los factores solares de la ventana sur para seis días.ORIENTACIÓN: OESTE

Figura 6- Representación de los factores solares de la ventana oeste para seis días.4.2. RESULTADOS EDIFICIO CON VOLADIZO DE 0.5 m.ORIENTACIÓN: SUR

Figura 7- Representación de los factores solares de la ventana sur para seis días.


ASIMEC

ORIENTACIÓN: OESTE

Figura 8- Representación de los factores solares de la ventana oeste para seis días.4.3.RESULTADOS EDIFICIO CON VOLADIZO DE 1 m.ORIENTACIÓN: SUR

Figura 9- Representación de los factores solares de la ventana sur para seis días.ORIENTACIÓN: OESTE



Figura 10- Representación de los factores solares de la ventana oeste para seis días.

5.ESTIMACIÓN DE TIEMPOS DE CÁLCULO PARA DIFERENTES ESCENASEl tiempo empleado en realizar el cálculo de sombras en una escena depende de distintos factores, los más influyentes son el número de polígonos y la complejidad de la estructura que forman. Resulta imposible estimar con exactitud el tiempo que emplean los programas de simulación en realizar los cálculos solares, ya que este proceso es parte intrínseca del proceso de simulación del edificio, aunque algunos programas como el EnergyPlus

indican la situación en la que se encuentra el proceso de cálculo. Se aprecia de esta forma de manera cualitativa una velocidad de cálculo muy superior en el caso del método Shadow Volumes que el método empleado por el EnergyPlus.A continuación se presentan los tiempos de cálculo empleados por la aplicación que utiliza el vpCLIMA, basada en el método Shadow Volumes, para el cálculo de una escena con un determinado número de polígonos.

EDIFICIO SIMPLE

CASA UNIFAMILIAR

EDIFICIO DE OFICINAS


ASIMEC

HOTEL PEQUEÑO

HOTEL GRANDE

Figura 11- Distintas tipologías de edificios y los tiempos de cálculo necesarios.

6. CÁLCULO DE RADIACIÓN DIRECTA SOBRE DISTINTAS TIPOLOGÍAS DE EDIFICIOSCon una herramienta capaz de realizar cálculos precisos de la insolación sobre un edificio se pueden realizar estudios interesantes para la arquitectura. A continuación se muestra la radiación directa incidente para cada hora de un día representativo de cada mes, sobre distintas configuraciones de edificios que encierran un mismo volumen interior. Todos los resultados se han reducido a una escala del 0 al 1 para compararlos mejor. Llamamos a este valor ratio de radiación directa incidente sobre un edificio y lo definimos según la “Ecuación 2”:

Siendo fsoli la fracción solar del elemento i, Id el valor de la radiación solar directa incidente en un instante y la i el valor del ángulo de incidencia de la radiación solar

sobre el elemento i en un instante dado. El valor de la constante cte_configuraciones corresponde al máximo valor de radiación directa obtenido, en una hora, teniendo en cuenta todas las configuraciones de edificios que se muestran. Las gráficas tridimensionales nos permiten representar los valores de radiación para cada hora de cada día del año. En un eje representamos las 24 horas diarias y en el otro los 12 meses. La figura muestra distintas configuraciones que puede adquirir un edificio con un mismo volumen. Todos los edificios comparados están formados por distintas combinaciones de ocho cubos de igual tamaño de igual tamaño. El ejemplo consta de tres disposiciones distintas, en las que cambia la compacidad

del edificio y que ubicadas de manera distinta se obtienen siete variaciones para estudio. La primera combinación muestra los ocho cubos formando una línea, la cual da pie a tres posibilidades distintas: orientación eje Norte-Sur, orientación eje Este-Oeste, y disposición vertical. La segunda configuración representa un edificio con dos alturas y una anchura mayor, configuración con mayor compacidad que la anterior. Esta disposición se analiza tanto en eje Norte-Sur como en eje Este-Oeste. La tercera configuración es la que mayor compacidad presenta, se trata del cubo, en los resultados se aprecia que ésta también es la que mayor protección ofrece de la radiación directa. Finalmente se ha estudiado una forma de edificio menos simple que las anteriores para observar su comportamiento, se trata de la última figura llamada “Configuración libre”.

Eje Norte.Sur

Eje Este-Oeste



Eje Norte-Sur con dos alturas

Eje Este-Oeste con dos alturas

Eje Vertical

Cubo (máxima compacidad)

Configuración libre

Figura 12- Distintas tipologías de edificios ylos tiempos de cálculo necesarios.

Con los resultados mostrados anteriormente se puede apreciar el efecto que tienen distintas características del edificio sobre los valores finales de radiación directa. En primer lugar se puede apreciar el importante efecto que tiene la compacidad del edificio en la disminución de radiación que llega al mismo, así como lo determinante que puede ser la orientación que adopte una misma configuración de edificio en los resultados finales.Otro análisis que se puede realizar con estas configuraciones de edificios consiste en representar los datos de radiación sumados cada hora a lo largo de un día, con lo que se obtienen los valores de irradiación diaria del edificio. En la siguiente figura se muestran las cuatro configuraciones básicas: las lineales y el cubo.

Figura 13- Radiación para cada día representativo del mes sobre distintas tipologías de edificios.

En la “Figura 13” se observa la cantidad total de energía diaria que llega a cada edificio en función de su forma y orientación, para cada uno de los meses. Este otro análisis nos permite conocer el comportamiento anual del aporte solar, se aprecia que el edificio lineal orientado en el eje Norte-Sur es el que mayor cantidad de energía recibe en los meses de verano, mientras que en invierno la incidencia es menor respecto a las otras dos configuraciones lineales. El edificio orientado en el eje Norte-Sur es el de mayor fluctuación de radiación anual. Por lo que respecta a las otras dos configuraciones lineales, la que presenta un comportamiento más estable a lo largo de todo el año es la vertical, ya que, como se ha comentado antes, posee una menor superficie horizontal expuesta al sol. El edificio orientado en el eje Este-Oeste tiene un comportamiento similar en invierno al vertical, mientras que en verano aumenta su exposición respecto de éste, aunque muy por debajo a la que posee en que tiene la orientación opuesta. En este caso también se observa una menor incidencia en la configuración en forma de cubo.Si volvemos a integrar los datos anteriores mes a mes obtenemos la cantidad total de irradiación directa incidente en el edificio en el periodo anual. Las cantidades para cada configuración se muestran en la siguiente gráfica y su discusión es afín a lo ya mencionado anteriormente.

Figura 14- Radiación anual para las distintas tipologías de edificios.

7.CONCLUSIONESLa conclusión principal que se extrae con los resultados expuestos es que la adaptación del algoritmo Shadow Volumes para el cálculo de los polígonos de sombras y de los valores de los factores solares de los elementos


ASIMEC

que integran el edificio es satisfactoria. Además de proporcionar resultados precisos y de permitir la visualización de los mismos en forma de polígonos sobre la misma escena que define el edificio en CAD, lo hace de manera realmente rápida. Por tanto, este algoritmo presenta unas características óptimas para el uso en programas de simulación térmica de edificios.Se debe tener en cuenta que el método propuesto solamente es válido para el cálculo de los factores solares de los elementos exteriores del edificio, por consiguiente, es una herramienta útil para el cálculo de la radiación directa sobre el mismo. Pero el cálculo de la radiación total sobre el edificio también requiere el cálculo de la radiación difusa que incide sobre el mismo, y este problema, que no es sencillo de resolver en muchos casos, requiere de otros procedimientos para su cálculo.REFERENCIASYork, D., Tucker, E.F., Cappiello, C., 1981, “DOE-2

Engineers Manual, Version 2.1A”, Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, Alamos National Laboratory, Los Alamos.

Crow,F., 1997, “Shadow algorithms for computer graphics”, Computer Graphics11(2) 242-247.

Fuchs, H., Kedem, Z.M., Naylor, B.F., 1980, “On visible surface generation by a priori tree structures”, Computer Graphics 14(3), 124-133.

Thibault, W.C., Naylor, B.G., 1987, “Set operations on polyhedra using binary space partitioning trees”, Computer Graphics, 21(4), 153-162.

Chin, N., Feiner, S., 1989, “Near real-time shadow generation using BSP trees”, Computer Graphics 23(3), 99-106.

Batagelo, H.C., Costa, I., Jr., 1999 “Real-time shadow generation using BSP trees and Stencil Buffers” Computer Graphics and Image Processing. Campinas, Brazil 93 – 102.

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Slater M., 1992, “A comparison of Three Shadow Volume Algorithms”, The Visual Computer, Volume 9, 25-38.

Autodesk, 2003, “DXF Reference 2004”.Sarabia Escriva, E.J.,2010, “Cálculo de sombras en

programas de simulación térmica de edificios”, Ph.D. Universitat Politécnica de Valéncia.

EnergyPlus, 2010, “EnergyPlus Engineering Reference”, University of Illinois.



Aplicación de Energías Renovables en la Producción de Frío (Programación en c++)

Edwin V. Lamas Sivila**, Sarabia Escriva Emilio J.*, Soto Frances Víctor, M. *** Carrera de Ingeniería Mecánica-Electromecánica, Universidad Técnica de Oruro, Ciudadela Universitaria s/n, Oruro-

Bolivia, Teléfono: +591 252 62549, email: [email protected]

*Departamento de Termodinámica Aplicada, Universidad Politécnica de ValenciaCamino de Vera, s/n, 46022 Valencia – España, Teléfono: +34 963877322, Fax:+34 9638773296.

Resumen

Debido al incremento del consumo de energía en los sistemas de acondicionamiento de los edificios, y la necesidad de reducir las emisiones fósiles de CO2 al medio ambiente, surge como una opción el interés de utilizar fuentes de energías no convencionales cada vez con más fuerza.El presente estudio tiene como objetivo general, proponer un método para evaluar el potencial de frío solar a partir de un modelo simplificado. En el documento de ha asumido un acople directo entre los captadores solares y la máquina de absorción simple efecto, modelo que no contempla ningún tipo de almacenamiento intermedio en el sistema solar. La ecuación obtenida muestra la dependencia de la temperatura del generador con la temperatura de equilibrio de los colectores solares y un básico diseño del sistema (Máquina de absorción – colectores solares).En la segunda parte del artículo, se muestra el potencial de ahorro en el comportamiento térmico de un edificio, que es acoplado al sistema de refrigeración solar. El servicio de aire acondicionado se ofrece en dos temperaturas medias: 5ºC y 14ºC. La primera de ellas por el uso de fan-coils, mientras que el segundo por el empleo en suelos o techos fríos como elementos terminales. El diseño óptimo entre ambos sistemas se estudia con el fin de abastecer la mayor carga de refrigeración. Los efectos de la tecnología empleada en la máquina son también abordados en el presente escrito.Palabras clavesEnergía Solar, Eficiencia Energética, Enfriamiento por absorción, Bajo Carbono, Eficiencia energética en Edificios, C++ Builder

Abstract

Due to the increasing energy consumption of air conditioning in buildings and the need to decrease the fossil CO2 emissions to the environment, the interest of using renewable energy sources shows up stronger than ever.We present a general study whose aim is to propose a method to evaluate an upper bound in the potential of solar cooling by using some simplified models. In the paper it has been assumed a direct solar coupling between the solar collector field and a single effect absorption cooling machine, without any intermediate solar storage tank. An equation is obtained that shows the dependence of the generator/solar-collectors equilibrium temperature on basic design parameters of the system (absorption machine-solar collectors).In the second part shows the savings potential when the thermal behaviour of a building is coupled to such solar cooling system. The air conditioning service is provided at two mean temperatures: 5ºC and 14ºC. The first one would employ fan-coils while the second would use cold floors or ceilings as terminal elements. The optimal design of the system is done to cope with the cooling loads. The effects of the technology employed in the machine are discussed. Keywords: Solar energy, Energy efficiency, Abortion cooling, Low Carbon, Energy Performance of Buildings, C++ Builder.

1. IntroducciónLa eficiencia energética o la reducción del consumo de energía hoy en día se ha convertido en una consigna inmersa en todos los ámbitos. Con ello surge la preocupación del uso racional de la energía o la búsqueda de energías alternativas como el caso de las energías no convencionales (solar, geotermia) que resuenan como mecanismos para reducir y/o anular el impacto del hombre sobre el cambio del clima del planeta.

Este artículo se centra en ver el potencial del uso de la energía solar térmica para el acondicionamiento de viviendas (unifamiliares y en bloque). El centro del estudio es la producción de lo que se conoce abreviadamente como frío solar, esto es la refrigeración producida con calor proveniente de captadores solares térmicos y el uso de un sistema para la conversión del calor (en este caso una máquina de frío por absorción de simple efecto).Para la generación de frío solar se usa captadores


ASIMEC

solares fototérmicos que van conectados directamente a una máquina de absorción LiBr-H2O, se presenta un modelo del acople sencillo y estático. El modelo de los captadores es la conocida ecuación lineal algebraica, la máquina de absorción sigue la formulación presentada por Ziegler [5], conocida como ecuación característica. Se han usado modelos sencillos para ilustrar el método, no obstante análogamente se podrían usar modelos más complejos de ambos elementos. La idea es mostrar los efectos fundamentales del acople. A consecuencia de lo anunciado se obtiene la tgeq en el generador de la máquina de absorción y los captadores. Con ello se consigue desarrollar potencia de frío disponible, para diferentes parámetros de diseño de ambos sistemas.La condición que permite que trabajen directamente acoplados es que la potencia del campo de captadores sea igual en cada instante a la potencia para accionar la máquina. Esto da como resultado una temperatura tgeq de equilibrio que coincide con la temperatura media de captación y con la de generación que cumple la condición anterior.A partir de aquí es posible calcular la potencia de frío disponible hora a hora durante un año típico, para diferentes parámetros de diseño de ambos componentes del sistema y para diferentes zonas climáticas. Adicionalmente se obtiene la capacidad total de producción de frío en un año. Es importante para saber hasta qué punto es posible cuadrar la demanda de frío del edificio con la producción solar de frío, bien alterando aspectos térmicos de la arquitectura para reducir y/o cambiar su demanda de refrigeración bien alterando el diseño del sistema solar y qué repercusiones tiene su falta de acuerdo.2. Acople directo de los paneles fototérmicos al siste-ma de absorción simple efectoLa potencia térmica de un campo de captadores solares depende básicamente de la intensidad de la radiación (I), de la temperatura ambiente (tamb) y de la temperatura media del agua caliente producida. En este artículo dicha temperatura se hará coincidir con la temperatura media del generador (tg) de la máquina de absorción que se pretende accionar con energía solar.Para una máquina de absorción si tc (temperatura de condensación) y te (temperatura de evaporación, producción de agua fría) se mantienen fijas y se varía tg resulta que, a mayor tg mayor es la capacidad de producción de frío y por lo tanto mayor la potencia requerida en el generador.Así ambas tendencias son contrapuestas; a mayor tg mayor necesidad de potencia para accionar la máquina pero menor la potencia captada del sol.Por lo tanto, dada un área de captadores de un cierto tipo y un tamaño de máquina, debe existir una temperatura tgeq de equilibrio que haga que la potencia recogida en los captadores a esa tgeq sea igual a la potencia necesaria en el generador de la máquina en ese momento. Además, hay que señalar que las máquinas necesitan una temperatura mínima del generador tg para arrancar.De lo anterior se deduce que es posible que si la relación (Ψ= área de campo solar / tamaño de la máquina=Acol/s

m2K/W) no fuera lo suficientemente elevada, la tgeq estuviera por debajo de esa temperatura mínima y ocasionaría que el acoplamiento directo fuera imposible.2.1 Captadores solares.La potencia de los captadores solares obedecen la ecuación lineal y se puede expresar como:

(1)Dónde el rendimiento es:

(2)donde: I radiación solar total (W/m2).Qcol potencia térmica captada (W)Acol área de los captadores (m2).FRτα factor óptico (en este trabajo se toma un valor

de 0.825).FRUL pérdida por metro cuadrado (se toma el valor

de 1.1 W/m2K).tg temperatura media del agua en los captadores

(ºC).tamb temperatura seca del ambiente exterior (ºC).(nota: los valores corresponden a un captador de vacío).2.2 Máquina de Absorción simple efecto LiBr-H2OLa máquina de absorción se formula a partir de la ecuación característica planteadas por Ziegler[5] y se resume:

(3)dónde:

s es proporcional a la conductancia total (UA W/K) instalada en la máquina (evaporador, condensador, absorbedor, generador) y que por lo tanto se toma como representante del tamaño “térmico” de la misma. Obviamente relacionado con el tamaño físico (W/K).

G,A,C son coeficientes de entalpía (generador, condensador, evaporador y absorvedor) y son números aproximadamente constantes y que dependen de las propiedades de la mezcla LiBr-H2O. El único valor importante en la práctica es G valor de referencia que se toma es de 1.04.

UA capacidad global de intercambio de calor de un elemento de la máquina (W/K).

Subíndices:g,a,c,e representan al generador, absorbedor, condensador

y evaporador de la máquina de absorción respectivamente.

(4)α distribución de la capacidad de intercambio

dentro de la máquina de absorción. Representa un parámetro tecnológico.



z corrección del salto de temperaturas en el intercambio. (Se toma cercano a 1 en la práctica).

La potencia de frío de la máquina se escribe:

(5)dónde: (6)con B aproximadamente constante que vale alrededor de 1.15 para el LiBr-H2O.A ΔΔt se la conoce como el doble salto de temperaturas y su sentido físico es la intensidad de la fuerza termodinámica para producir frío. (Las pérdidas internas se indican con s ΔΔtmin ).De manera que cuanto mayor sea la intensidad de la fuerza, mayor será la capacidad de generación de frío. Por ejemplo si s=0.9 kW/K, ΔΔtmin=1.53 K y la potencia del evaporador será igual a:

(8)El rendimiento de una máquina de absorción de simple efecto se puede expresar aproximadamente, según Ziegler, como:

(9)El rendimiento también está relacionado en forma directa al ΔΔt de la máquina. A mayor ΔΔt mejor rendimiento (ver Fig.1).

Fig.1 Rendimiento máquina de absorción

en función de ΔΔt

A nivel práctico son importantes las expresiones de Qe y de EER :

(10)

(11)Para una máquina se pudiera calcular {ΔΔtmin, s , α} se tendría caracterizada la máquina de absorción por completo. Esto se puede conseguir a partir de datos de

catálogo. Basta con dos puntos de funcionamiento, esto es, valores de Qe y EER para dos valores de ΔΔt (que llamamos ΔΔt1 y ΔΔt2) . Los valores de ΔΔt1 y ΔΔt2 dependen de las condiciones de funcionamiento. Las temperaturas deben ser las temperaturas medias de las corrientes que pasan por cada elemento de la máquina. La media entre la temperatura de entrada y la salida de cada elemento. Esto da un sistema de cuatro ecuaciones y cuatro incógnitas:

Dónde; {Qe1, Qe2} son las potencias de frío y {EER1, EER2} son los rendimientos en las condiciones de operación 1 y 2 respectivamente. Las incógnitas son {s, α, ΔΔtmin1, ΔΔtmin2}. En realidad las pérdidas dependen del punto de operación de la máquina por eso se calculan 2 valores de ΔΔtmin. Por simplificar, en este artículo se ha usado un valor medio de ΔΔtmin. Para un mismo fabricante, con una serie de máquinas, se puede comprobar que el parámetro α no cambia con el tamaño de la máquina. De algún modo es un parámetro relacionado con la tecnología del fabricante. El parámetro s se escala con el tamaño térmico de la máquina y es el valor que cambia dentro de una serie del fabricante. Cae dentro de la capacidad tecnológica del fabricante el conseguir valores grandes de s con tamaños físicos pequeños.Veamos un ejemplo. Del catálogo de un fabricante se ha extraído la siguiente información de una máquina de simple efecto:General

Δtg salto de temperatura de la corriente de agua en el generador 10ºC

Δtc salto de temperatura de la corriente de agua en el condensador 3.5ºC

Δta salto de temperatura de la corriente de agua en el absorbedor 3.5ºC

Δte salto de temperatura de la corriente de agua en el evaporador 5.0ºC

Punto 1ta temperatura de entrada al absorbedor: 30ºCtg temperatura de entrada al generador: 98ºCte temperatura de salida del agua fría (evaporador): 7ºCEl ΔΔt calculado usando las temperaturas medias de las corrientes en cada elemento es:

ΔΔt1=31.64 ºCEn estas condiciones el rendimiento y la potencia de frío es:

EER1=0.75 , Qe=151 kW


ASIMEC

Punto 2ta temperatura de entrada al absorbedor 32ºCtg temperatura de entrada al generador 90ºCte temperatura de salida del agua fría (evaporador) 7ºCEl ΔΔt calculado usando las temperaturas medias de las corrientes en cada elemento es:

ΔΔt1=25.10 ºCEn estas condiciones el rendimiento y la potencia de frío es:

EER1=0.739 , Qe=135.9 kWLo cual da como resultado:

ΔΔtmin1=0.03 ºC , ΔΔtmin2=0.02 ºC , α=0.002 , s=4.778 kW/K.

De estos resultados se puede inferir que este fabricante dimensiona generosamente el intercambiador de solución intermedia (por eso los términos de pérdidas son pequeños) y asigna una capacidad de intercambio muy grande a generador y absorbedor (α es pequeño) en comparación con la capacidad total de intercambio instalada. Cualquier otra máquina de la serie de este fabricante comparte estos valores salvo s que crece con la potencia nominal de la máquina.3. Temperatura de equilibrio y producción de “frío solar”La condición para que puedan ser acoplados directamente el campo de captadores y la máquina, es la igualdad de potencia entre la potencia de captación solar y la necesaria en el generador de la máquina. La ecuación siguiente se ha escrito de modo que quede explícita la dependencia de ambas potencias con la tg:

(12)Si de la ecuación anterior se despeja la tg y se la llama tgeq se obtiene la siguiente ecuación:

Esta es la temperatura que permite que ambas potencias se equilibren, que como se puede comprobar incluye la dependencia de; la tecnología de los captadores, la de la máquina de absorción, las condiciones ambientales (radiación solar y temperatura) y la temperatura de servicio del frío y la de condensación. Es importante recordar que la Ψ (m2K/W) que aparece es la relación entre el área de captadores (área de un determinado tipo de captador solar) dividido por el tamaño térmico de la máquina de absorción s:

(14)Al modelo matemático representado por la ecuación anterior, se aplica las siguientes restricciones: - La temperatura de equilibrio no será mayor a 110ºC.

Valor límite.- La temperatura de equilibrio no debe ser menor

a 75ºC (a valores menores de esta temperatura el acople no es posible).

Para conseguir la aplicación de los modelos, se realiza la siguiente consideración:• Localidad:

- Datos de la condiciones meteorológicos medias de cada una de las zonas (un año tipo juliano). Se corresponden con los valores obtenidos del Ministerio de Industria y Comercio de España, utilizados en los programas de certificación energética de edificios Lider y Calener.

- Descripción geográfica de la zona (latitud, a.s.n.m).• Captadores :

- Para este estudio se consideró el diseño óptimo de verano como una inclinación de los captadores igual a -15º a la latitud del lugar.

- El azimut, de todos los captadores es hacia el sur. - Superficie de captadores (ACol), para realizar cada

uno de los estudios se hará variar desde 5m2 hasta 70m2.

- El valor de Ψ se hará variar entre 50 y 700m2K/kW. Se ha constatado que se puede tomar Ψ=50 m2K/W como un valor mínimo para que el acople directo sea posible.

• De la máquina de absorción:- La temperatura de condensación (tc) será igual a la

temperatura húmeda de la localidad.- ΔΔtmin =3.5 ºC y dos valores del parámetro

tecnológico de la máquina α=0.2 , α=0.5 uno malo y otro bueno respectivamente.

- La temperatura de evaporación (te) corresponderá a unidades terminales del tipo fan-coils 5ºC ó suelos/techos fríos asumiendo un valor de agua fría de 14ºC.

- La temperatura de generación (tg) será igual a la temperatura de equilibrio tgeq, determinada en la ecuación anterior.

- La temperatura de absorbedor (ta) es igual a la temperatura de húmeda de la localidad menos 2.5ºC.

3.1 Aplicación desarrollada en C++La programación del modelo matemático obtenido se ha realizado en C++ builder.La programación es desarrollada por eventos, y el flujo-grama es como sigue:

Fig. 2 Flujo-grama de la programación por eventos



- 1er evento: Características meteorológicas de las zonas geográficas, en este evento lee los ficheros meteorológicos archivos bin.

- 2do evento: Cálculo de la temperatura de equilibrio acople captadores fototérmico y máquina de absorción.

- 3er evento: cálculo del frío solar en el instante de tiempo, como características de la máquina de absorsión, y el captador solar

La simulación anual para la producción de frío llama a los tres eventos en cada instante de tiempo y se construye una simulación.Los resultados obtenidos, se muestran en la pantalla de compilación del programa y pueden ser exportados a un archivo Txt. Para las diferentes localidades. 3.2 Discusión del acopleEn base a los parámetros antes definidos, en esta sección se muestra una discusión sobre el efecto del acople captadores solares-máquina. La discusión se basa en las figuras de la 2 a la 7.Las gráficas en 3D muestran la distribución anual según los tres ejes siguientes: hora del día (1-24h), día del año (1-365 días), valor de la variable. Así los días de verano se encuentran situados hacia la mitad del eje correspondiente a los días del año, lugar dónde se centra la producción de frío. En la Fig. 2 se nuestra la temperatura de equilibrio tgeq (ºC) y la potencia de frío generada para te =5ºC y en la Fig.3 para te= 14ºC. Obsérvese que si la tgeq es menor que 75ºC no hay producción de frío.Si se comparan las gráficas a la izquierda (potencia de frío) en las Figuras 2 y 3 se observan los valores integrados (sumados) de la producción total de frío. Se pueden extraer algunas conclusiones que inicialmente pueden ser sorprendentes. Por ejemplo, si se produce el agua fría a 5ºC se puede producir mayor cantidad de frío anualmente (MJ de frío), que si la temperatura se fija a un valor más elevado (a 14ºC). Sin embargo, parece que la potencia pico (kW) que se puede obtener es más alta en este segundo caso. Esto no es obvio a primera vista y la causa es la siguiente. Suponga que el sistema captadores-máquina está trabajando de forma acoplada y estable y suba la temperatura de consigna de producción del agua fría de 5ºC a 14ºC. ¿Qué sucede?A 14ºC la ΔΔt de la máquina es mayor y puede producir más frío. Sin embargo para ello la máquina pedirá mayor potencia a la tgeq actual. Por otro lado, el campo de captadores ya estaba dando su máxima potencia de captación a esa tgeq . De manera que para reequilibrar el sistema no queda más remedio que bajar la tgeq para poder aumentar la potencia de captación pero al hacerlo el ΔΔt desciende. Al final el resultado neto es una reducción en la producción anual de frío, aunque eventualmente sea posible obtener ΔΔt grandes y por tanto picos de potencia de frío superiores.Esta tendencia desaparece cuando Ψ es muy grande (ver Fig.4). Si el campo de captadores es muy grande el efecto resultante neto es un desacoplamiento entre los captadores y la máquina. En este caso la tendencia se

invierte y al elevar te de 5ºC a 14ºC se obtiene una mayor producción anual de frío como ocurriría en una máquina de absorción cuya temperatura de generación no se viera influida por los captadores. La inversión de la tendencia se puede ver para Ψ=200 m2K/W en la Fig. 5. La curva de puntos amarilla ( te =5ºC) se pone por encima de la azul ( te =14ºC) a partir de ese valor.Finalmente el rendimiento del sistema captadores-máquina se podría medir dividiendo el frío producido en un año por la cantidad de radiación que incidió sobre los captadores solares. El resultado para diferentes Ψ se muestra en la Fig. 6. El pico en el rendimiento de la conversión oscila y depende del clima, de la temperatura te y de la tecnología de la máquina y se encuentra entre Ψ=180 y 250 m2K/W. Su valor máximo está alrededor de un 30% - 35% . La conclusión inmediata sería diseñar las instalaciones entorno a este pico sin embargo en la práctica esto no es posible por la causa que muestra la Fig. 7. Para una producción de frío anual dada (unos MJ totales) la distribución anual de esa producción de frío se distribuye de forma diferente en función del valor de Ψ. Para valores pequeños la producción se concentra en el centro del año (verano), justo cuando existe una demanda por parte del edificio. Sin embargo a medida que Ψ aumenta la distribución anual de la producción de frío se vuelve más plana. El rendimiento alcanza su máximo (30%) en el vértice de la curva (queda patente, pues es el punto que requiere un menor tamaño de la máquina y de superficie de captadores). No obstante esta distribución anual queda lejos de la distribución anual de la demanda de frío del edificio. Por lo tanto el diseño práctico debe abarcar una zona de Ψ dónde el rendimiento máximo del sistema de frío solar estará entre un 10 y un 20%.

Fig3 (izq.) Potencia horaria de frío (kW) a lo largo de un año.(dech.) tgeq. (te=5ºC)

Fig.4 (izq.) Potencial horaria de frío (kW) a lo largo de un año.(dech.) tgeq. (te=14ºC

Fig5 (izq.) Potencia horaria de frío (kW) a lo largo de un año. (dech.) tgeq. (te=5ºC,con una relación muy alta Ψ=200).


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Fig.6 Capacidad total (sumada) de producción de frío a lolargo de un año.

(Diferentes te y diferente tecnología de absorción).

Fig7 Rendimiento del sistema solar (captadores-máquina de absorción) en Valencia.

Fig8 Efecto de la relación Ψ (área captadores/tamaño máquina de absorción) sobre la distribución anual de una cierta

cantidad total de producción de anual frío dada.

5 ConclusionesLas ideas más importantes del estudio podrían resumirse en los siguientes puntos:

- El uso de los modelos simples para los captadores y la máquina de absorción, permite obtener una relación analítica, entre sus parámetros de diseño y su funcionamiento una vez son acoplados. Además permite ver la repercusión de un diseño pobre de la máquina de absorción y/o de los captadores sobre el tamaño necesario de los mismos.

- La programación en un esquema por eventos en C++, fue posible incluir el modelo matemático obtenido, en una aplicación sencilla y práctica para diferentes regiones geográficas de España.

- No siempre es posible hacer trabajar con un acople directo, un campo de captadores y una máquina de absorción de simple efecto. El sistema debe diseñarse con esa intención. Parece que una relación mínima de área de captadores a tamaño de máquina de Ψ=50 m2K/W sería necesaria.

- El máximo rendimiento del sistema solar (captadores-máquina de absorción) se produce en un rango de Ψ elevado (entre 190 y 250 m2K/W). Este rendimiento está por encima de 30%. En este caso el sistema solar

sería el más económico; menor tamaño de máquina y menor área de captadores.

- En general, aumentar la temperatura de producción del agua fría lleva consigo una reducción de la producción anual de frío o, si se fuerza a mantener ésta constante, a un mayor tamaño del campo de captadores. Por el contrario, el pico puntual de potencia de frío es mayor con temperaturas de evaporación superiores.

- Debido a la necesidad de acoplar la demanda de refrigeración y la producción de frío a lo largo del año, el máximo rendimiento solar no coincide con la máxima producción de frío solar.

- Los diseños prácticos rondarán los Ψ entre 75 y 105 m2K/W y el rendimiento solar máximo estará entre el 10 y el 20% en la producción de frío.

6 Bibliografía[1] J. López-Villada J. C. Bruno A. Coronas, M. Puig-

Arnavat. Analysis and parameter identication for characteristic equations of single- and double-e_ect absorption chillers by means of multivariable regression. International Jourournal of refrigeration, 22:70_78, 2010.

[2] Ministerio de Industria Turismo y Comercio. Documentos reconocidos. URL www.mityc.es/energia/desarrollo/EficienciaEnergetica/CertificacionEnergetica/DocumentosReconocidos/Paginas/ documentosreconocidos.aspx.

[3] Ministerio de Industria Turismo y Comercio. programa Calener VYP, Certificación Energética de la Edificación. Julio, 2009.

[4] Código Técnico de la Edificación. programa LIDER. Julio, 2009.

[5] Schweigler C. Ziegler F. Hellmam, H.M. The characteristic equations of absorption chillers. In: Proc. of the Int. Sorption Heat Pump conf., pages 169_172. Munich, 1999.

[6] Hellmann H.M. Schweigler C. Ziegler, F. An approximative method for modelling the operating characteristics of advanced absorption chillers. In 20th International Congress of Refrigeration. IIR/IIF, Sydney (Australia), 1999.

[7] Kühn A. Ziegler, F. Operational results of a 10 kw absorption chiller and adaptation of the characteristic equation. In Proc. First Int. Conference Solar Air Conditioning, Bad-Sta_elstein., 2005.

[8] C++ Builder Profesional Versión 5, Copyright 1983-2000 Inprise Corporation

[9] Edwin Víctor Lamas Sivila. Análisis y Propuesta de un Nuevo Método de Simulación Abreviado para la Certificación Energética en Edificios Residenciales, PhD. Thesis, Universitat Politècnica de València., Mayo 2011.

[10] E. V. Lamas, V. M. Soto E.J. Sarabia, Air conditioning production by a single effect absorption cooling machine directly coupled to a solar collector field. application to spanish climates. Solar Energy 85 (2108-2121), 2011.

[12] Pinazo Ojer J,M, Manual de Climatización, Tomo II: SPUPV, Valencia 1996.



INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN MECÁNICA – ELECTROMECÁNICADR. ING. EDWIN LAMAS SIVILA

CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA ELECTROMECÁNICAUNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO

RESUMEN

El propósito fundamental del Instituto de Investigaciones Mecánicas- Electromecánica es el de participar de forma activa

en la Investigación y Desarrollo del área de la Carrera de Ingeniería Mecánica- Electromecánica, fomentando la actividad

creativa y de respuesta, en un marco ético y eficiente del ejercicio profesional responsable, al servicio de su comunidad y

de la sociedad.

PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN

► Área de energética

► Desarrollo, adaptación de maquinaria y fabricación

► Automatización y mantenimiento industrial

PROYECTOS DESARROLLADOS POR LOS ALUMNOS DE LA CARRERA AUSPICIADOS POR LA DIRECCIÓN INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA TECNOLÓGICA

1.- Auditoria energética en el edificio central de la universidad técnica de Oruro.

2.- Diseño, construcción y validación de una pico turbina paltón para el laboratorio de máquinas térmicas

3.-Desarrollo de diseño manufactura en base al software master cam y máquinas herramientas cnc

4.- Estudio y validación de la ecuación de reanudar para instalaciones domiciliarias de gas natural

PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN REALIZADO POR LOS ALUMNOS DE LA CARRERA AUSPICIADOS POR LA DIRECCIÓN INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA TECNOLÓGICA

1.- Estudio de la superficie óptima para la colocación de paneles fotovoltaicos en la ciudadela universitaria.

2.- Generación de energía eléctrica con

concentradores térmicos

3.- Análisis de la generación de energía eléctrica adecuando el concentrador solar del laboratorio de máquinas térmicas a un motor stirling.

4.- Secado de la quinua en la cosecha utilizando energía solar., basado en la producción limpia.

5.- Determinación de la carga térmica para el secado de la planta de quinua.

PROYECTO DESARROLLADO POR DOCENTES DE INVESTIGACIÓN

1.- Tecnología de climatización térmica en edificios del altiplano boliviano (Dr. Ing. Edwin lamas Sivila)

2.- Método fanger para el balance térmico corporal de las personas (Msc. Ing. Miguel Ruiz Orellana)

3.- Evaluación estadística de la energía solar en oruro (Msc. Ing. Edgar peñaranda muñoz)

4.- Influencia de las condiciones ambientales del altiplano de bolivia en la evaporación natural del agua (Ing. Carlos Flores Castillo)

PROYECTO DESARROLLADO POR DOCENTES DE INVESTIGACIÓN CON RECURSOS IDH

Diseño y construcción de un prototipo para la cosecha quinua; (Msc. Ing. Miguel Ruiz Orellana) diseño y optimización de una planta de procesamiento de quinua; (ing. Carlos flores castillo) estudio y diseño de invernaderos de ambiente controlado para la zona altiplánica de oruro; (Dr. Ing. Edwin Lamas Sivila)


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Muchas de las sociedades se forman a base de iniciativa y necesidades propuestas por personas, y es así como inicio el SIIE (Sociedad de Investigación en Ingeniería Energética).

En el año 2004 un grupo de estudiantes a la cabeza de Andres Villca Tudela, Javier Medrano Sivila y Luis Alberto Garnica Salgado estudiantes de la carrera de Ingeniería Mecánica, elaboraron el proyecto: “Costo y eficiencia energética en el calentamiento de agua domiciliaria e industrial” con una presentación exitosa en el III Congreso de Ingeniería, se marcó el bautizo e inicio del SIIE.

Resumiendo un poco la travesia de lo que es el SIIE, entre logros, pausas, reinicios y diversos ciclos, esta sociedad esta presente, con la mision de: Contribuir a la sociedad con información científico - técnica, comprometida con nuestro medio; fomentando la metodología de la investigación como disciplina, capaz de generar y proyectar documentación para una superación constante.

Hoy en dia SIIE se encuentra bajo la tutoria del Msc. Ing Edgar Peñaranda M. y como coordinadora Univ. Jhosselin Anave Zenteno entre las diferentes actividades realizadas se tiene la I Jornada de Recursos y Documentos Utilizados

SOCIEDAD DE INVESTIGACIÓN EN INGENIERÍA ENERGÉTICA

en la Investigación y la participación de la I Feria Internacional de Minería, Energía y Medio Ambiente (FIMEM) 2015 obteniendo el primer lugar con el proyecto de “Aplicación del mucilago de cactácea procedente de la opuntia ficus indica para la purificación del drenaje acido procedente de las minas de la ciudad de Oruro”

Esperemos que no sea una de las pocas que existen, ya que la investigación, ya no es un lujo es una necesidad.

Relizado por: Univ. Jhosselin Anave Zenteno

CLUB DE MECATRÓNICA ORURO

Tras el creciente avance de la tecnología que no solo ha impactado en el ámbito industrial, sino también en aficionados tanto jóvenes y como adultos, se ha fundado el 7 de mayo de 2015 una institución académica, sin ánimos de lucro, con el denominativo de “Club de Mecatrónica Oruro” el mismo nace a iniciativa del Mcs.Ing. Miguel A. Ruiz Orellana y los estudiantes Univ. José A. Sillerico Suárez y Univ. Rodolfo Tapia Ramírez, bajo la aprobación del Director de la Carrera de Ingeniería Mecánica Electromecánica Dpl.Ing. Olker Maldonado Uría, el cual se encuentran de acuerdo a las normas vigentes de la Universidad Técnica de Oruro.

El Club tiene como finalidad el fomentar, estimular



e impulsar la investigación y desarrollo de la mecatronica en todas sus vertientes y ámbitos de aplicación, difundir los resultados y conclusiones que se desarrollen, favorecer la formación y el perfeccionamiento especializado del personal investigador y de profesionales que intervienen en la investigación y desarrollo mecatronico, velar por la calidad científica y profesional de las actividades relacionadas con la investigación y desarrollo de la mecatronica, posibilitar y potenciar el intercambio de experiencias y metodologías entre personas profesionales, docentes y estudiantes en el área de la mecatronica y favorecer la conexión de la investigación con el entorno.

Para el cumplimiento y desarrollo de estos fines el Club organiza congresos, seminarios o reuniones de carácter científico, así como cursos de formación, perfeccionamiento y actualización acordes con sus fines, promueve la edición de publicaciones periódicas y no periódicas, así como de libros, material de informática y audiovisual en distintos soportes, relacionados con los fines del club, promueve grupos de investigación y desarrollo con docentes y estudiantes en los diversos campos de la mecatrónica.

En su primer año de funcionamiento el club ha realizado una capacitación gratuita en Robotica de Competencia para Aficionados, una Demostración de Robots con participación de estudiantes de colegio y de la UTO además de invitados del interior, ha organizado el Primero Torneo de cubos Rubik en la ciudad de Oruro, llevó a cabo una capacitación en el programa AutoCAD Electrical 2015 y ha organizado una competencia abierta de robots denominado MECABOTS 1.0 recibiendo una amplia participación de aficionados locales y de otros departamentos, el mismo que fue auspiciado por reconocidas tiendas de electrónica del País.

Cabe mencionar que el Club de Mecatrónica Oruro, tiene su sede en ambientes de la Carrera de Ingeniería Mecánica Electromecánica, sin embargo, para ser integrante del mismo no es necesario pertenecer a dicha institución ya que el club alberga a toda persona de cualquier nacionalidad mayor de edad y con capacidad legal de obrar, que tenga interés y voluntad de trabajar en el desarrollo de la mecatrónica. Actualmente el Club cuenta con 45 miembros entre activos y pasivos, entre profesionales y estudiantes locales y del interior del País.

Realizado por: Univ.Jose Antonio Sillerico Suarez


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CONSIDERANDO

I.- Que, el Instituto de Investigaciones Mecánica – Electromecánica es una Unidad Académica dependiente de la carrera de Ingeniería Mecánica – Electromecánica de la Facultad Nacional de Ingeniería, la cual está encargada de planificar, gestionar, ejecutar y evaluar programas, proyectos, tanto de investigación, desarrollo científico, tecnológico como interacción social; en áreas del conocimiento o en problemas identificados con la realidad asociados a la Ingeniería.

II.- Que, mediante nota FNI. STRIA. VICEDEC. CITE Nº 1481/2016 de fecha 25 de noviembre, el Decano de la Facultad Nacional de Ingeniería remite la documentación referida a la creación del Instituto de Investigaciones Mecánica – Electromecánica para su aprobación en el Honorable Consejo Universitario.

III.- Que, en fecha 1 de diciembre de 2016 se realizó la sesión extraordinaria del Honorable Consejo Universitario, en el cual se consideró la solicitud de la Facultad Nacional de Ingeniería, determinándose que a misma será remitida a la Comisión Académica.

IV.- Que, mediante notas DPA Nº 0325/2017 e Informe DPA 198/2017; DPA Nº 0498/2017 e Informe DPA 333/2017 y DPA Nº 0528/2017 e Informe DPA 344/2017, la Dirección de Planificación Académica hace conocer que la Carrera de Ingeniería Mecánica – Electromecánica realiza las justificaciones correspondientes a las observaciones realizadas por lo sugiere sea remitida a la Comisión Académica de la Universidad Técnica de Oruro para su análisis correspondiente.

V.- Que, mediante nota VICE – RECT Nº 0111/17 de fecha 23 de junio la Comisión Académica después de analizar los informes emitidos por la Dirección de Planificación Académica sugiere la aprobación la Creación del Instituto de Investigaciones de la carrera de Mecánica – Electromecánica dependiente de la Facultad Nacional de Ingeniería y su correspondiente Reglamento a través de la emisión de una Resolución del Honorable Consejo Universitario, en cuanto a la estructura financiera es un programa autofinanciado que buscara generar recursos mediante alianzas con otras instituciones, por lo que los

miembros del instituto no recibirán carga horaria, sus funciones serán parte de sus obligaciones normales.

VI.- Que, el Honorable Consejo Universitario con el informe de la Comisión Académica aprueba la solicitud de la Facultad Nacional de Ingeniería.

Por tanto, SE RESUELVE:

ARTICULO PRIMERO

Aprobar la creación del “Instituto de Investigaciones de la carrera de Mecánica – Electromecánica” dependiente de la Facultad Nacional de Ingeniería.

ARTICULO SEGUNDO

El Instituto de Investigaciones de la carrera de Mecánica – Electromecánica funcionara como programa autofinanciado que buscara generar sus recursos con alianzas con otras instituciones, por lo que los miembros del Instituto no recibirán carga horaria.

ARTICULO TERCERO

Aprobar el Estatuto Orgánico del Instituto de Investigación Mecánica – Electromecánica en sus 34 artículos.

ARTICULO CUARTO

Encomendar el cumplimiento de la presente resolución al Vicerrectorado, Dirección de Planificación Académica, Dirección Administrativa y Financiera, Carrera de Ingeniería Mecánica – Electromecánica y Decanato de la Facultad Nacional de Ingeniería.

Hágase conocer, cúmplase y archívese.

Ing. Calos Antezana GarcíaRECTOR DE LA UNIVERSIDAD

Abg. Marco Ernesto Jaimes MolinaSECRETARIO GENERAL DE LA UNIVERSIDAD

HONORABLE CONSEJO UNIVERSITARIOResolución Nº 56/2017

CREACION DEL INSTITUTO DE INVESTIGACIONESDE MECANICA – ELECTROMECANICA – FNI – UTO

A, 26 de julio de 2017



Software de gestión de mantenimiento predictivo, diagnóstico de fallas y supervisión de estadoDennis Espinoza Justiniano (1)

Ingeniero Mecánico, Facultad Nacional de Ingeniería (1)Gerente General Vibrobal

Av. Melchor Pérez de Olguín Nro. 1987, Cochabamba, [email protected]

Sobre el Mantenimiento PredictivoUna de las ramas de la ingeniería mecánica y eléctrica ciertamente es el mantenimiento industrial, el cual a su vez se divide en muchas especialidades como es el caso del mantenimiento predictivo, que aunque normalmente su nombre lleva a pensar de que esta labor es una forma de predecir el futuro, no es más que una serie de tareas que dan a conocer el estado actual de los activos, compararlos con el estado o condición en el pasado y con el resultado de esta comparación saber si algo no está funcionando bien y de esta manera tomar las decisiones correspondientes para que estos activos retornen a su condición de normalidad.

Fig.1 – Ciclo del mantenimiento predictivoPor supuesto, que para poder comparar algo, es necesario tener algún tipo de medición; estas mediciones en el caso de la maquinaria industrial de la cual queremos conocer su “salud”, estado o condición deberán ser señales de vibración, condición del lubricante, perfiles de temperatura, parámetros eléctricos, etc.Las mediciones por sí solas, algunas veces y para los ojos expertos, son suficientes, pero en la mayoría de los casos tener un solo valor no lo es, por lo tanto, las buenas prácticas de mantenimiento predictivo recomiendan tener en primer lugar valores de alerta y de alarma, de modo que ante la desviación de un parámetro fuera de lo normal, sea fácilmente detectable. Con el paso del tiempo, estos valores de alerta y alarma se pueden ajustar de acuerdo a las condiciones reales de operación en el sitio y no simplemente dejarlos como una referencia recomendada

por una norma o estándar.Una vez detectada la condición anormal, continúa la etapa de diagnóstico que se considera la parte más importante de este tipo de mantenimiento, puesto que esta labor es la que mayor valor agregado le da, siempre y cuando las 2 etapas anteriores hayan sido realizadas de forma precisa.Es en esta etapa donde salen las recomendaciones necesarias para hacer que todo retorne a la normalidad, ya que se estudia a fondo el comportamiento actual, el pasado y puede estimarse cómo será más adelante.En base a estas recomendaciones, que deben incluir un análisis de causa raíz, se realizan las correcciones correspondientes y el ciclo vuelve a empezar.Pero ¿cómo determinar qué tan frecuentemente hacer las mediciones? y ¿qué se debe usar para detectar y diagnosticar los diferentes tipos de fallas que se pueden presentar en los equipos?, a continuación unas pautas que pueden aclarar el panorama sobre este par de interrogantes.

Fig. 2 – Curva P-F

La figura 2, muestra la conocida “Curva P-F” empleada a nivel mundial por los profesionales de confiabilidad y mantenimiento clase mundial. Con esta gráfica, lo que se quiere hacer notar es que el estado de un equipo, variará con el tiempo, desde que se encuentra en óptimas condiciones, hasta que esté roto (fallo funcional). Esta rotura tendrá origen en una falla que empezará en algún momento (fallo potencial) y por supuesto surge una nueva pregunta ¿Cuánto tiempo pasa desde que aparece la falla hasta que el equipo deja de funcionar por rotura?Existen muchos tipos de máquinas, de formas, tamaños, potencias y velocidades de operación diferentes. Todas estas máquinas, nos guste o no, en algún momento fallarán ya sea por fatiga, desgaste o simplemente por


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el tiempo de vida para el cual fue fabricado. Esta falla, independientemente de su origen, con el tiempo tenderá a incrementarse y en algún momento ocasionará la indisponibilidad de la máquina. El tiempo que le toma a una falla, desde que aparece hasta que produce la

indisponibilidad es una variable que depende justamente de la forma, tamaño, potencia y velocidad de operación, por lo tanto es algo difícil determinar exactamente cuánto será para cada máquina, sin embargo, eso no significa que no se pueda hacer una clasificación:

Ahora que se conoce que una falla puede evolucionar muy rápida o muy lentamente, es preciso saber qué es lo que se debe hacer para poder identificar ese tipo de falla de forma temprana, de modo que se tenga el tiempo suficiente ya sea para detener el equipo o para planificar una intervención correctiva.Sobre el Diagnóstico de Estado

Fig. 3 – Técnicas de diagnóstico de estado de equipos rotativas

Puesto que los equipos están compuestos por una serie de máquinas con componentes eléctricos, mecánicos, hidráulicos, etc. existirán diferentes tipos de fallos que se manifestarán de distintas formas. Algunas fallas podrán ser detectadas de muchas maneras, como por ejemplo un rodamiento con desgaste puede ser detectado mediante análisis de vibraciones, termografía, ultrasonido o análisis de aceite, pero debe tomarse en cuenta de que si detectamos una falla de este tipo con termografía o análisis de aceite con seguridad que el desgaste del rodamiento es muy avanzado por lo que el tiempo que queda para el fallo funcional es mucho menor al que se hubiera tenido en el caso de haber hecho un seguimiento mediante vibraciones o ultrasonido.Las técnicas mostradas en la figura 3, son actualmente las más empleadas en los planes de mantenimiento predictivo de plantas en todo el mundo. Como estas técnicas se han desarrollado de forma separada, cada una de ellas ha tenido diferentes avances en su alcance y aplicación.Sobre la Supervisión de EstadoOtro aspecto que no hay que perder de vista es el costo de tener la máquina indisponible, ya que repararla requerirá tiempo y recursos, pero también afectará por un determinado tiempo a la producción, lo cual ocasiona una pérdida de beneficios, a menos de que exista un equipo en stand-by (en condiciones de operación) para sustituir inmediatamente a la que acaba de fallar.



Fig. 5 – Árbol de máquinas de una base de datos de MPdMientras más detalle contenga cada uno de los nodos, como ser: condiciones de operación, potencia, RPM nominales, tipo de rodamientos, tipo de soporte, límites de alarma u otros, más rápidamente se podrá hacer el diagnóstico una vez que se tengan los valores de medición.Debe tomarse en cuenta que esta estructura jerárquica, no es lo que comúnmente se conoce como la “ruta de medición”. La ruta de medición es un módulo diferente que está basado en las configuraciones del árbol de máquinas pero tiene la función de especificar el orden y la frecuencia con que hará la toma de datos.Como parte integral de cualquier programa de MPd se tienen las ventanas o visualizadores de resultados, en donde dependiendo de los parámetros medidos, se pueden apreciar las tendencias de los valores estáticos recolectados o las formas de las señales dinámicas adquiridas a fin de completar las etapas de detección y diagnóstico respectivamente.

Fig. 6 – Tendencia de vibración a nivel global

Fig. 4 – Tiempo hasta la avería vs. Costo de pérdida de producciónEsta información de costos es importante ya que cruzándola con la del tipo de evolución de la falla y el tipo de máquina se puede determinar si el plan de mantenimiento predictivo basado en mediciones con equipos portátiles, debe o no pasar a una modalidad de supervisión en línea o supervisión de protección.Hablando específicamente del análisis de vibraciones, en nuestro país están muy difundidas las modalidades de colección de datos con analizadores portátiles, así como el uso de sistemas de protección en línea en máquinas grandes y caras como son los equipos de generación eléctrica y en turbocompresores.La gran diferencia entre un sistema de protección y un sistema de supervisión en línea radica en que el de protección tiene el objetivo de detectar anomalías y en caso necesario parar automáticamente el equipo, mientras que un sistema de supervisión sirve tanto para detectar como para diagnosticar las fallas teniendo la capacidad de detener al equipo en caso necesario pero no con la rapidez que lo haría un sistema de protección ya que éste normalmente está dedicado a una sola máquina, mientras que el de supervisión en línea normalmente se instala para múltiples máquinas y podría considerarse como un reemplazo al proceso de colección de datos manual.Sobre el softwareUn programa de mantenimiento predictivo o supervisión de condiciones no estaría completo sin una gestión adecuada de los activos que controla y de los valores recolectados en una base de datos en gestores como SQL, Access, Firebird y otros.Por lo general, la base de datos es jerárquica como puede verse en la figura 5.


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Fig. 7 – Espectro de vibraciónCuando la aplicación se desarrolla como parte de un programa de mantenimiento predictivo, normalmente queda en manos del analista de vibraciones hacer las alertas correspondientes cuando por ejemplo en la figura 6, se sobrepasa el nivel de advertencia, de modo que no se permita al equipo llegar a operar por encima del nivel de alarma. Sin embargo, cuando la aplicación se desarrolla en un programa de supervisión de condición en línea, es el mismo programa el que se encarga de dar las correspondientes

alertas a todas las personas involucradas en la operación empleando todas las tecnologías de comunicación al alcance, pudiendo ser entre ellas el envío de correos electrónicos o SMS a los operadores, encargados de área o supervisores de turno e inclusive solicitar al sistema de gestión de mantenimiento (SAP, Máximo, etc.) una orden de trabajo para realizar una corrección en el equipo en el que se detectó el problema.Como se mencionó anteriormente, la toma de decisión respecto al uso de un plan de mantenimiento predictivo manual o un plan de supervisión de condición en línea, tiene variables ya determinadas y corresponde a la alta gerencia la correcta selección de la técnica a emplear considerando aspectos como presupuesto y cantidad de máquinas a controlar.Sobre los resultadosLa utilización de nuevos instrumentos y sistemas requiere personal capacitado lo cual en un principio no deja de generar susceptibilidad ya que para manejar este cambio es necesario romper algunos viejos paradigmas como “el mantenimiento predictivo no funciona” o “los beneficios de la supervisión en línea no se notan”.Para finalizar, se presentan gráficas de resumen de estado de máquinas de 3 industrias diferentes, cuyos resultados fueron obtenidos por el autor y un equipo de profesionales bolivianos dedicados al mantenimiento predictivo y proactivo.

REFERENCIASWhat every senior manager must know about reliability, Marzo 2007, Allied Reliability, Inc.Supervisión de condiciones de máquinas, Marzo 2009, Robert Schmaus.OMNITREND, PC software condition monitoring for Windows, Marzo 2006, Prüftechnik Condition Monitoring GmbH.

Fig. 7 - Arquitectura funcional de un sistema de supervisión de condición en línea

Fig. 7 – Resumen de estado de máquinas en industrias que aplican mantenimiento predictivo



Contrastar la excitación sinusoidal versus el desarrollo experimental de flujo de calor en el solárium de la carrera, con la herramienta EES

Choque Castro Darío Eyner1 – Carrera de Ingeniería Mecánica y Electromecánica. Universidad Técnica de Oruro, Ciudadela Universitaria, s/n. Oruro,

Bolivia.Cel.: 74127396 - 60429968

e-mail: [email protected]

Resumen

Utilizando el Software EES, se comparó la variación de energía en el solárium de la Carrera de Ing. Mecánica – Electromecánica entre datos registrados experimentalmente y la cantidad de energía correlacionada a partir de la excitación sinusoidal de temperatura exterior (teórica).Con los Datos experimentales tomados en las paredes, ventanas, piso, policarbonato (Techo) del interior del recinto se analizara la transferencia de color que existe entre el recinto y el exterior. Se hará el cálculo tomando en cuenta la dirección del edificio, la inclinación del policarbonato. Con estos parámetros (medidos) y cálculos se podrá obtener la variación de la energía en una fracción del día. Como se muestra en la figura1.

Figura 1. Flujos de energía en el solárium.La excitación sinusoidal, parámetros que asumen el comportamiento de las variables correlacionadas de forma sinusoidal, observando la variación de la temperatura en 24[hrs], como la variación de la energía en el recinto.

Figura 2. Flujos de energía en el solárium considerando una excitación sinusoidal.Palabras clave: Energía, Radiación, Temperatura, flujo, Calor.


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Abstract

Using the Software ESS, will compare the energy change with experimental data with a sinusoidal excitation temperature, solarium’s Race Mechanical Engineer – Electromechanical. With experimental data taken in the walls, windows, floor, polycarbonate (Roof) inside the enclosure analyze color transfer between the enclosure and the outside. It will make the calculation taking into account the direction of the building, the inclination of the polycarbonate. With these parameters (measured) and calculations may obtain the variation of the energy in a fraction of a day. As shown in figure 1.In the sinusoidal excitation (assuming the measured parameters sinusoidal behaves) was observed variation in temperature 24 [hrs] as the variation of energy in the form of the sinusoidal curve.keywords: Energy, radiation, temperature, flow, heat, sinusoidal.1. Introducción EES (Engineering Equation Solver) es un software que tiene incluidas propiedades termodinámicas, propiedades de fluidos, solidos y funciones matemáticas para la simplificación de la resolución de problemas en el campo en la que interviene la energía térmica.2. AntecedentesDel software EESFrecuente mente utilizada en el área termodinámica, principalmente por rescatar su base de datos de propiedades de los fluidos, y características térmicas de los mismos, presentadas en el programa en forma de diagramas y tablas. La utilización de lo mencionado simplifica el cálculo, facilita la resolución, es accesible para realizar simulaciones, modificación de datos, gráficos, etc.Del Solárium Es un recinto construido con el concepto de aprovechar la mayor cantidad de energía, es por ello que se ha construido con materiales apropiados para ese fin (claraboya para el techo, y cerramientos con materiales absorventes). Generalmente se aplica este tipo de construcción en piscinas olímpicas, y ambientes bioclimáticos. 3. MetodologíaLa experimentación fue desarrollada en el solárium de la Carrera de Ingeniería Mecánica Electromecánica, el 9 de Mayo del 2011a horas 9:45-16:30.Los equipos y materiales que se utilizaron en la experimentación son:Termómetro Infrarrojo.Cinta métrica.Termo-higrómetro

Fig. 3 Esquema del experimento

Las dimensiones del edificio fueron recabadas del plano arquitectónico de construcción.Para contraste teórico se han utilizado datos meteorológicos proporcionados por nuestra estación meteorológica que se encuentra en la carrera.4. Desarrollo.En principio se configura la herramienta al sistema internacional de unidades S.I. Se introduce todos los datos registrados y datos meteorológicos en una tabla paramétrica de la herramienta ESS.

Tabla 1. Registro de Datos

En la hoja de cálculo se procede a colocar las ecuaciones con la cual se procede a determinar los flujos de calor de solárium. Para no usar una excesiva cantidad de variables, el software tiene como herramienta comandos de programación, como procedures, selección y condición.Tomar en cuenta al usar procedures estos comandos deben ir al principio de la programación, dentro de ellas pueden estar toda una secuencia de pasos o procesos en las cuales pueden ser llamados las veces que se requiera, de esa manera ayudan en la iteración de datos, un ejemplo se muestra a continuación:



Fig. 4 Ejemplo de programación en EESEl subprograma descrito se ha utilizado para determinar la radiación incidente al recinto y el flujo de calor que atraviesa el policarbonato hacia el interior del solárium.Como segundo subprograma determina la perdida de calor por las paredes, ventanas y el piso.Para ver los resultados el software tiene incorporado una ventana, en la cual se puede realizar gráficos, animaciones e introducción de datos, mostrando los resultados que se desea conocer, ver figura siguiente:

Fig. 5 Ejemplo de diagrama en EESSe considera en el análisis teórico la variación sinusoidal de la temperatura, variando en un periodo de 24 horas.La amplitud de la curva de determina a partir de la temperatura máxima y mínima del día y consecuentemente hallamos las curvas de flujo de calor por conducción en las paredes, ventanas, piso y policarbonato.4. ResultadosEl EES tiene incorporado comandos para realizar gráficas, mediante tablas, vectores, matrices, como resultado del cálculo se tiene los siguientes diagramas.La figura 6 muestra la variación de la energía en una fracción del día (entre las 10:00 de la mañana y la 16:30

de la tarde).

Figura 6. Flujos de energía en el solárium El análisis teórico fue realizado en un periodo de 24 hr. (con una excitación sinusoidal de temperatura). Para la comparación en igual periodo de tiempo se demarca con líneas de corte n la gráfica del resultado teórico fig. 7

Figura 7. Flujos de energía en el solárium considerando una excitación sinusoidal

5. ConclusionesComparando la solución experimental con la simulación sinusoidal se observa una gran diferencia en las curvas de energía como se muestra en las figuras 6 - 7.Si se desea conocer la carga térmica exacta del solárium es recomendable realizar mediciones de todos los parámetros térmicos durante diversos días del año y en condiciones meteorológicas críticas.Para fines académicos el comportamiento sinusoidal es aceptable para interpretar el comportamiento del flujo de calor en 24 hr. No así para la proyección de un edificio.

Referencias[1] José Manuel Pinazo., Manual de climatización. Madrid: Ed. Index (Atecyr) 1982.[2] C.T.E. Centro de tecnología educativa: Curso de energía solar: Barcelona tercera edición 1995.


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CÁLCULO Y VERIFICACIÓN DE SOLDADURA ASISTIDO POR AUTODESK INVENTOR PROFESIONAL 2012

Univ. Gustavo. A. Guisbert R. (1)Univ. Percy. Huanca G. (2)

Msc. Ing. Miguel A Ruiz O. (3)Estudiante Ingeniería Electromecánica, FNI, UTO. (1)

[email protected] Estudiante Ingeniería Mecánica, FNI, UTO. (2)

Ingeniero Mecánico, FNI, UTO. (3)[email protected]

Resumen

El presente trabajo se estructura en el marco de un análisis comparativo de los esfuerzos solicitantes en la soldadura, tomando como caso de estudio una soldadura a tope en “V” sometida a carga axial. El estudio se realiza en primera instancia siguiendo el procedimiento analítico dictado por la norma AWS A5.1, en una segunda etapa, se hace el mismo análisis y experimentación rompiendo las recomendaciones emanadas en la norma. Posteriormente se realiza la simulación y análisis de la soldadura por medio del M.E.F. (método de elementos finitos) con ayuda del software Autodesk Inventor Profesional 2012. Finalmente, se elabora probetas conforme los casos de estudios mencionados en el párrafo anterior y se determina experimentalmente los valores de esfuerzos de rotura para las uniones soldadas.

Abstract

The present work is structured within the framework of a comparative analysis of the stress applied in to the weld, taking itself as case from study in a top weld in “V” requested by an axial load. The study is realized in first instance having followed the analytical procedure dictated by standard AWS A5.1, secondly, it is done the same analysis and experimentation breaking the recommendations emanated in the standard. Later it is realized the simulation and analysis of the weld by means of the M.E.F. (method of finite elements) with the help of software Autodesk Inventor Professional 2012. Finally, one makes test tubes as the cases of studies mentioned in the previous paragraph and one experimentally determines the values of breaking strenghts for the welded joins.

1. INTRODUCCIÓN1.1 IMPORTANCIA DEL TEMA PROPUESTO. -La soldadura es el procedimiento por el cual dos o más piezas de metal se unen por aplicación de calor, presión, o una combinación de ambos, con o sin el aporte de otro metal, llamado metal de aporte [1].La importancia de la correcta unión de estos elementos metálicos es relevante, siendo que de la buena unión de los metales a soldar, dependerá el buen acabado y la resistencia que tenga la soldadura. Por esa razón es imprescindible seguir los pasos enlistados por las instituciones de normalización a momento de realizar una unión soldada, buscando siempre asegurar la resistencia de la junta.1.2 OBJETIVO GENERAL.-Demostrar de manera numérica, experimental y mediante simulación los esfuerzos producidos en una unión soldada sometida a carga axial.

1.3 PROPUESTA DEL ESTUDIO.-Para poder demostrar la importancia de realizar uniones soldadas de acuerdo a normativa, se ha tomado una unión soldada tipo “V” con talón de raíz amplio [2] sometida a carga axial.A la vez y como un ejemplo de omisión de la normativa, se tomará la misma soldadura sin dejar el espacio de raíz recomendado; este procedimiento erróneo provocará una disminución del área efectiva de la soldadura, además de trasladar el centro geométrico de la unión a la parte superior de las placas, que a la vez producirá un esfuerzo de flexión adicional en la junta, provocando un incremento enorme de los esfuerzos en la unión o visto desde otra óptica la falla prematura de la soldadura.Este estudio analítico se corroborará mediante análisis por elementos finitos, así como experimentalmente.1.4 METODOLOGÍA DEL ESTUDIO. -El presente trabajo se ha realizado siguiendo los pasos descritos en el flujo grama a continuación:



Figura 1: Flujo grama de la metodología del estudio.

1.5 EQUIPOS E INSTRUMENTOS. -Dentro las herramientas utilizadas en este trabajo se mencionan:Software Mathcad, que es un software de documentación técnica con prestaciones de cálculo numérico y simbólico, sobre el cual se realizaron las memorias de cálculo. Software Inventor Profesional 2012, que es un paquete de Diseño Mecánico que trabaja bajo el principio de modelado paramétrico de sólidos en 3D. En este se ha modelado virtualmente las piezas y uniones soldadas, y con soporte de su módulo de “Simulación” se ha obtenido el cálculo de los esfuerzos de las uniones.Banca de tracción.Se ha utilizado la banca de tracción de la Carrera de Ingeniería Mecánica para la realización de las pruebas de rotura de las probetas fabricadas.A la vez se menciona varios equipos de taller mecánico utilizados para la preparación de las probetas.

Figura 2: Banca de tracción.Se ha trabajado con electrodos E6013 diam. 3/16”1.6 PREPARACIÓN DE JUNTAS PARA LA SOLDA-DURA.-Las juntas es la parte a rellenar de metal situada entre dos o más planchas o piezas que tienen los bordes convenientemente preparados.La siguiente figura muestra el tipo de junta usada:

Figura 3: Junta tipo “V” con talón de raíz amplio.Fuente: Oerlikon. Manual de soldadura y catálogo de productos. 2. APLICACIÓN DEL CASO DE ESTUDIO.-Conforme lo descrito anteriormente, primeramente se procedió a analizar los esfuerzos en una junta soldada siguiendo las especificaciones de la norma AWS A5.1 [3].2.1 ESTUDIO DE JUNTA SEGÚN NORMA.-Para este caso se tomó como referencia la norma AWS A5.1, conforme especificaciones de figura 3. Sometiendo la junta a un esfuerzo de tracción simple.

Figura 4: Esquema que muestra la solicitación a tracción para la junta soldada.

Las placas tienen dimensiones de 5 mm de espesor por 50 mm de ancho. No se considera la longitud de estas siendo que el esfuerzo de ruptura se estudia en la parte de las junta soldada. La fuerza de tracción aplicada es de 14000 N

El área transversal que resiste a las fuerzas solicitantes es:

Finalmente la tensión normal en la junta soldada es:

2.2 ESTUDIO DE LA JUNTA SOLDADA ERRONEAMENTE.-Este es el caso en que se hace a un lado la norma y no se toma en cuenta una preparación adecuada de las placas a soldar, que además se constituye en uno de los fallos más


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frecuentes cometidos.Este consiste en unir las dos placas de la junta de tal forma que la separación de raíz de las placas “t”, tenga un valor de “cero” t=0, siendo que la normativa indica que debe tener un valor de 1.5 – 2.0 mm.Esta alteración implica dos consecuencias en los esfuerzos resistentes de la soldadura. La primera que el área neta resistente a esfuerzo de tracción se reduce conforme se observa en la figura.

Figura 5: Esquema que muestra la solicitación a tracción

y el área resistente reducida.El segundo efecto y tal vez el más desfavorable se refiere a que la fuerza solicitante sigue pasando por el centro geométrico de las placas, más como el centro geométrico de la sección soldada se encuentra desfasada hacia la parte superior, se genera un segundo esfuerzo a flexión en la unión soldada; este se sumará a la tensión de tracción generando un esfuerzo combinado, desde mucho mayor que el de tracción simple.

Figura 6: Excentricidad formada por el desfase de los centros geométricos.

El esfuerzo combinado se describe de acuerdo a la relación:

El área resistente a tracción:

Debido a la excentricidad de los centros geométricos, se tiene que la misma fuerza de tracción generará el

momento flector de acuerdo a:

Donde “d” es la excentricidad, d=1 mm.

Para el cálculo del esfuerzo de flexión se precisa obtener el momento de inercia.

Como está desfasado, se corrige la inercia por el teorema de Stainer:

Figura 7: Distancia para la corrección del momento de inercia.

La distancia más alejada a la soldadura es:

Por cuanto el esfuerzo combinado máximo se calcula por la expresión (3).

3. EXPERIMENTACIÓN.-En esta etapa se hicieron varias pruebas usando probetas hechas con las configuraciones ya mencionadas.



Figura 8: Probetas soldadas montadas en la banca de tracción.

El banco de pruebas registra el valor máximo de la fuerza que provoca la rotura. Para el caso de las probetas soldadas incorrectamente se visualiza una ruptura prematura.4. SIMULACION Y ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS.-La simulación para el caso de estudio de juntas siguiendo la norma AWS A5.1, usando el Software Inventor Profesional 2012 nos da el siguiente resultado conforme la ec.(2).

Figura 9: Simulación del esfuerzo de unión soldadade acuerdo a norma.

Se tiene un resultado de esfuerzo máximo de 63.47 MPa.De forma semejante se modeló la junta soldada fuera de normativa como se explicó párrafos arriba. Los resultados de esta segunda simulación se muestran en la figura adjunta.

Figura 10: Simulación del esfuerzo de unión soldada fuera de la

norma.

El resultado obtenido es 286 MPa como esfuerzo máximo.Como era de esperar y corroborando los resultados obtenidos analíticamente, el esfuerzo de esta junta se incrementa más de 3 veces comparado con el esfuerzo a tracción simple soportado por una junta correctamente soldada.5. COMPARACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.-A manera de resumir y objetivar los resultados obtenidos en el estudio se presenta la siguiente tabla comparativa de esfuerzos.Tabla 1: Resumen de esfuerzos de ruptura en una junta soldada en “V”.

Se puede evidenciar que tanto en cálculos teóricos como en la simulación por elementos finitos, los esfuerzos solicitantes en las juntas soldadas incorrectamente son mucho más elevados que en las juntas soldadas de acuerdo a normativa.6. CONCLUSIONES.-• Se ha demostrado por tres métodos distintos la

importancia de seguir las recomendaciones de la norma AWS A5.1 para juntas en “V”, siendo que un mal procedimiento en la soldadura conducirá a incrementos de tensiones de más de 3 veces la esperada (de 56 MPa a 173.33 MPa) que se traduce a la vez en una falla prematura de la junta.

• Con el análisis de una soldadura en Autodesk Inventor 2012 podemos reducir tiempo para verificar la fiabilidad de un sistema; reducir costos, y verificar la solidez del sistema estudiado.

• La simulación de esfuerzos en juntas soldadas mediante software de especialidad permite ver virtualmente pero de forma objetiva la variación de la respuesta de distintas configuraciones de soldaduras.

Referencias Bibliográficas[1] J. E. Shigley and C. R. Mischke, Diseño en

ingenieria mecánica, vol. 6a. México etc.: McGraw-Hill, 2002.

[2] AENOR 22553, Soldadura : requisitos de calidad de las soldaduras, ensayos destructivos y productos de aportación para el soldeo, 2nd ed. Madrid : AENOR, 1999.

[3] E. D. S. OERLIKON., Manual de soldadura: OERLIKON., 2nd ed. Lima - Peru: Explosivos. División Soldaduras OERLIKON, 1986.


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Implementación de Gestión de Lubricación en el Ingenio Azucarero San Aurelio Mediante el Software SKF lubrication Planner & DIAL SET V.4

Mgtr. Ing. Juan Carlos Salgueiro G.Analista en Vibraciones CATEGORIA II - ISO 18436-2

SKF CERTIFIED MAINTENANCE PARTNERIngeniero SENIOR de Servicios FINI LAGER S.A.

SDI FINI LAGER S.A., Santa Cruz Bolivia, Av. Santa Cruz No 130 (Segundo anillo)[email protected]

Resumen

Desde que los procesos productivos se volvieron cada vez mas importantes por la evolución de las necesidades de los consumidores, surgió en las empresas la necesidad de mejorar la confiabilidad y disponibilidad en las maquinas que forman parte de estos proceso, en este contexto la evolución del mantenimiento a tenido un desarrollo bastante notable en las últimas décadas disponiendo de mayor tecnología y de una mayor necesidad de conocimientos. El implementar una gestión de lubricación visto desde el concepto de clase mundial involucra muchos procedimientos y estudios analíticos a la cultura y disposición de cada empresa, desde el punto de vista académico existe investigación y altos estudios en el campo de la tribología, que aun aguardan en ser aplicados a una correcta planificación y gestión de mantenimiento.En el presente artículo se quiere enfocar una direccionamiento simple aplicado en un caso real de una importante empresa de Azúcar a nivel nacional, el cual consideramos es una de las etapas iniciales para crear una nueva cultura y darle la importancia debida a la lubricación y que todos estos esfuerzos se reflejen en un incremento de la producción, a consecuencia de disminuir las paradas imprevistas por lubricación, cambios innecesarios de refacciones, mejorando los indicadores de gestión y direccionando los objetivos del departamento de mantenimiento en el mismo sentido que los objetivos de la empresa.Palabras clave: Lubricación, Gestión, Clase Mundial

Abstract

Since the productive processes became important more and more by the evolution of the needs of the consumers, the necessity of the companies to improve the trustworthiness and availability in the machines that comprise of these process, against this background the evolution of the maintenance to had a quite remarkable development in the last decades having of greater technology and a greater necessity of knowledge.Implementing a management of lubrication seen from the concept of world-wide class involves many analytical procedures and studies to the culture and disposition of each company, from the academic point of view exists investigation and stops studies in the field of the tribología, that even wait in being applied to a correct planning and management of maintenance.In the present article it is wanted to focus a simple address applied in a real case of an important company of Sugar to national level, which we considered is one of the initial stages to create a new culture and to give the importance him due to the lubrication and that all these efforts are reflected in an increase of the production, as a result of diminishing the unexpected shutdowns by lubrication, unnecessary changes of spare parts, improving the management indicators and driving the objectives of the department of maintenance in the same sense that the objectives of the company.Key word: Lubrication, management, word type.



1. IntroducciónSKF en su trayectoria de más de 105 años de existencia, iniciado como una fábrica de rodamientos, hoy en día ha logrado convertirse en una de las corporaciones más grandes y avanzadas en cuanto a Ingenieria.En la actualidad el grupo SKF lo componen 83 fábricas, 7.000 distribuidores, 40.000 colaboradores y productos presentes en más de 150 países.Dentro de las soluciones que se presentan en las plataformas SKF – Lubricación es una que va a la vanguardia en cuanto a tecnología y conocimiento, después de que en los últimos años se comprara a las empresas VOGEL. CIRVAL y LINCONL, SKF desarrollo muchas soluciones que abarcan desde lubricantes básicos para rodamientos, pasando por herramientas de lubricación, sistemas de lubricación automática, software de gestión de lubricación hasta sistemas centralizados de lubricación, todo con el fin de equipar a cada cliente con la ingenieria de SKF.En una importante sinergia Estrategia SDI- FiNi LAGER. Cuenta con todo el respaldo e ingenieria de SKF para su representación en Bolivia.SDI - FiNi Lager S.A. Una unidad estratégica de la Corporación Fini Lager la cual tiene por objetivo dar apoyo a los clientes, optimizando su plan de mantenimiento, incrementando la disponibilidad de planta y, por tanto, reduciendo los costes totales evitando paradas imprevistas de maquinaria. Las propuestas cubren provisión de equipos y herramientas profesionales para mantenimiento, servicios de mantenimiento PdM & PRM, Capacitación & entrenamientos Industriales, y Proyectos de Ingenieria & Mejora, SDI también ofrece servicios de consultoría y gestión del mantenimiento así como la configuración de sistemas de planificación del mantenimiento basados en RCM 2 y SRCM.La implementación de una gestión de lubricación es considerado como uno de los proyectos más relevantes para SDI – FiNi LAGER como consultores y que obtiene un mayor impacto en sus clientes, contando con el software adecuado y la gente especializada los limites en prestación y resultados son bastante amplios.2. DesarrolloImplementar una gestión de lubricación involucra un proceso de análisis y transmisión de conocimientos, que debes ser desarrollado acorde a la cultura de cada empresa, y debe contar con el apoyo de los altos mandos así como la predisposición de la jefatura de mantenimiento para asegurar una correcta aplicación y seguimiento del proyecto.Para este caso especifico, en la etapa inicial se realizo una evaluación general de las practicas de mantenimiento (involucrando lubricación) y haciendo un benchmarking de las empresas más destacadas a nivel mundial se pudo obtener un indicador del estado actual de las practicas de mantenimiento, este estudio es conocido como NCA (Needs Client Audit) específica para cada rubro.Al aplicar el NCA se logra determinar la posición actual de la empresa con respecto a la pirámide de madurez AEO, los procesos que involucran la mejora y por lo

tanto el camino para ascender en la escala de madurez así como los recursos a utilizar.

Fig. 1 Pirámide de Madurez AEO para el Área de MantenimientoDespués de un estudio de esta magnitud entre todas las oportunidades de mejora detectada se analizo las más influyentes para la madurez del departamento de mantenimiento considerando una actual fase de estabilización se decidió empezar por una de las tareas más críticas. “Lubricación” con una visión a mediano plazo de implementar un sistema de lubricación de clase mundial, se inicia un plan piloto en la ruta critica para la implementación de una gestiona adecuada de Lubricación en la ruta más crítica de la empresa.

Fig. No 2 El antes y el después de una gestión de lubricaciónLa administración de la gestión de lubricación es uno de los puntos centrales del plan piloto ya que se debe de contar con un software especializado que pueda administrar las tareas de lubricación.Generalmente en las grandes empresas los software ERP cuentan con un modulo de mantenimiento y también incluida la gestión de lubricación con todas las ventajas de retroalimentación y administración de la gestión., pero para empresas con potencial de tamaño mediano o con cultura aun tradicional es factible analizar una propuesta con un software básico como un paso previo a trabajar con un sistema ERPEn este contexto aprovechando el desarrollo de SKF en varios software se consideran las opciones:- SKF LUBRICATION PLANNER, Para la gestión, administración y seguimiento de las tareas de mantenimiento.- DIAL SET V.4, Para el cálculo de las cantidades (dosificación) y frecuencias de lubricación en las maquinas implicadas.- LUB SELECT, para la correcta selección de los lubricantes acorde a cada aplicación.Es importante denotar que los software antes mencionados son aplicables a lubricación con grasa (aun que se pueden


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hacer varias modificaciones en el SKF LUBRICATION PLANNER para que pueda establecer algunas tareas con aceite). Esto basado en un estudio estadístico en el cual se determino que más del 90% de las aplicaciones rotativas son lubricadas por grasa y el restante por aceite.La estructuración del plan piloto involucra varias actividades entre ellas:

• Selección de las maquinas involucradas en la gestión - Elaboración de Fichas Técnicas e inspecciones Visuales de los equipos que componen la ruta critica.

• Designación de las tareas de lubricación - Estudio de los lubricantes acorde a cada aplicación, considerando las condiciones de trabajo extremo, estudio de las frecuencias dosificaciones, responsables, etc.

• Programación en el software• Seguimiento y cumplimiento.

La gestión de lubricación adecuada debe contemplar una retroalimentación en cuanto al cumplimiento, observaciones, modificaciones y otros que conlleven a una gestión más eficiente, de manera grafica se expresa este ciclo como sigue:

Fig. 3 Sistema de control y seguimiento a tareas de lubricación.

Las ventajas que presenta un software básico como el SKF LUBRICATION PLANNER son bastantes ya que permiten trabajar el ciclo de la gestión de lubricación antes detallada de una manera acorde, con un interfaz amigable y con una opción de consultas a los expertos de SKF.3 Establecer un mapeo de los puntos de lubricación3 Crear un sistema de identificación por código de colores

3 Generar listas de tareas de lubricación flexibles3 Mantener un historial de las tareas ejecutadas en cada punto de lubricación3 Obtener recomendaciones expertas en selección de grasas4. ResultadosEl implementar un sistema de gestión de lubricación en base a estos 3 software en un plan piloto es un inicio y preparación para una mejora, el uso del software involucra una sistematización y una forma de controlar las tareas implicadas en el mantenimiento.Acorde al seguimiento que se implemento con el plan piloto se pudo proyectar los principales indicadores de la eficiencia de la implementación, entre ellos el más representativo para los altos mandos es el retorno de la inversión, para este caso mejor detallado en cuanto a la reducción del consumo de lubricantes, justificando un retorno de la inversión en un tiempo no mayor de 8 meses (sin considerar otros ahorros, como los flujos cesantes evitados, consumo reducido de componentes, mayor vida de servicio, etc.)

Fig.4 Visión de Inversión en los 2 primeros años Vs no hacer nada.

5. ConclusionesEl plan piloto estará vigente por un periodo anual, si los indicadores de gestión de mantenimiento muestran un resultado adecuado y conforme a la visión proyectada en la pirámide de madurez, los siguientes pasos serán ampliar la ruta y los equipos involucrados, así mismo atacar otras actividades que de alguna u otra forma intervienen en el proceso de mejora de la gestión de lubricaciónLa experiencia y la tecnología son dos pilares fundamentales dentro de un proyecto de esta magnitud, el soporte de toda una corporación de ingenieria respalda los estudios y aplicaciones para la implementación de esta gestión con soluciones comprobadas y acordes a la proyección de cada empresa.



Simulacion de Circuitos Neumaticos e Hidráulicos con Automation StudioRolando Fernando Bohorquez Quevedo (1),

Ingeniero Eléctrico, Facultad Nacional de Ingeniería (1)Universidad Técnica de Oruro (1)

Gerente Técnico Microe Bolivia (1)[email protected]

Resumen

Los circuitos neumáticos e hidráulicos y la automatización de procesos son empleados ampliamente en entornos industriales, por lo que la aplicación de una herramienta que permita su simulación y verificación resulta necesaria. Por otro lado a nivel educativo es esencial contar con un sistema que permita el entrenamiento de los futuros profesionales en la aplicación de los circuitos neumáticos e hidráulicos; parte fundamental del mencionado sistema lo constituye el software de simulación. Es así que en este artículo se presenta el programa Automation Studio de Famic Technologies Inc. (Canada), como una referencia importante para lograr las expectativas aquí planteadas.Inicialmente se realiza una breve descripción del entorno de Automation Studio, para posteriormente describir algunos ejemplos. La parte operativa es implementada a través de elementos neumáticos e hidráulicos y la parte de mando o control se desarrolla empleando tecnologías neumática, hidráulica, eléctrica, PLCs y/o Grafcet. La integración de distintas tecnologías para el diseño y simulación de un sistema hacen de Automation Studio la herramienta ideal para dicho cometido, sin embargo esto no sería posible sin la amplia biblioteca de componentes con que cuenta y la posibilidad de modificaciónde sus parámetros.Palabras Claves: Neumática, Hidráulica, Electro-neumática, Electro-hidráulica, Automatización, Grafcet, PLC.

AbstractPneumatic and hydraulic circuits and process automation with them, are widely used in industrial environments, so that the application of a tool that allows the simulation and verification is necessary. In addition to educational level is essential to have a system for training future professionals in the application of pneumatic and hydraulic circuits; fundamental part of that system is the simulation software. Thus in the present article presents the program Automation Studio of Famic Technologies Inc. (Canada), as an important reference for achieving the expectations raised here.Initially, a brief description of Automation Studio environment, and later describe some examples. The operational part is implemented through pneumatic and hydraulic elements and the command and control technology is developed using pneumatic, hydraulic, electrical, PLCs and/or Grafcet. The integration of different technologies for the design and simulation of a system makes Automation Studio the ideal tool for this task, however this would not be possible without the extensive library of components it has and the ability to change settings.

Key words: Pneumatic, Hydraulic, Electro-pneumatic, Electro-hydraulic, Automation, Grafcet, PLC.

1. Introducción.En el ámbito técnico, es conocido que los circuitos neumáticos e hidráulicos juegan un rol preponderante a nivel industrial; tanto en aplicaciones relativamente sencillas como en procesos altamente sofisticados.El empleo de herramientas que permitan la simulación de circuitos neumáticos e hidráulicos, es sin duda de mucha importancia en el desarrollo de proyectos industriales, de tal forma que se optimicen los resultados, los costos y los tiempos en la fase de diseño. Por otro lado en el entorno educativo, la aplicación de simuladores para la enseñanza

se ha convertido en una herramienta fundamental en el proceso de aprendizaje, ya sea que la institución dispongan o no de entrenadores de hidráulica y/o neumática.Automation Studio de Famic Technologies, es una herramienta que no solo permite la simulación de circuitos neumáticos e hidráulicos. En Automation Studio es posible además emplear elementos eléctricos, electrónicos, PLCs y diagramas de función secuencial (SFC o también conocidos como Grafcet). Además es posible combinar elementos de distintas tecnologías para realizar la simulación de un proceso combinado. Finalmente es


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posible realizar la interfaz con componentes externos (tarjetas de interfaz y PLCs), de tal forma que se emplea a Automation Studio como el sistema de control de un proceso real; las tarjetas de interfaz son desarrolladas por Famic Technologies y el para la comunicación con los PLCs se emplea OPC (tecnología OLE - Object Linking and Embedding - para control de procesos). 2. Antecedentes Famic Technologies de Canadá (fundada en 1986), libera en 1996 la versión 1.0 de Automation Studio Profesional. La última versión lanzada al mercado es la 5.7, que se encuentra disponible en dos distribuciones: la Profesional y la Educativa.Las Bibliotecas con que cuenta la versión 5.7 Profesional son:

• Eléctrica• Hidráulica (Proporcional y discreta)• Herramienta de análisis de sistemas• Neumática (Proporcional y discreta)• Dimensionado de componentes Eléctricos, elementos

Hidráulicos y Neumáticos.• Diseño de bobinas y configuración de bombas.• Reportes y Lista de Materiales• Catálogo electrónico• Esquema de contactos para PLC. Panel de control y HMI (Interfaz Hombre - Máquina)• Electrónica digital• Diagrama funcional de secuencia (Grafcet)• Controles eléctricos• Simulación multi-fluido

En el presente artículo, se emplea la versión 5.0.0.122 Profesional, que dispone de los módulos siguientes:

• Taller Hidráulico• Taller de Neumática• Taller Eléctrico• Taller de electrónica digital• Ladder (Estándar IEC)• Ladder para API ABB• Ladder para API Siemens• Grafcet• Informe• Proporcional Hydraulics• Component Sizing• Import – Export Grafcet Siemens S7

Sin embargo al ser una versión educativa, varios de los módulos descritos se encuentran deshabilitados.El manejo del entorno de desarrollo de Automation Studio mostrado en la Figura 1, al igual que la mayoría de las aplicaciones para Windows, posee muchas características que le resultaran familiares. Por ejemplo la barra de título, el menú principal, las barras de herramientas, etc.

Figura 1. Entorno de Automation Studio.A. Área de trabajo. B. Explorador de Bibliotecas. C. Explorador de proyectos. D. Menú contextual. E. Barras de menú y herramientas.

Las bibliotecas clasifican los componentes de acuerdo a la función que desempeñan. Así en el caso de los actuadores neumáticos, la Figura 2 presenta algunos de los cilindros con que se cuentan.

Figura 2. Actuadores neumáticos.

• Cilindro de simple efecto salida por muelle• Cilindro de simple efecto entrada por muelle.• Cilindros de simple efecto.• Cilindro de doble efecto de doble vástago.• Cilindro de doble efecto sin vástago con

amortiguamiento.• Cilindro diferencial.

Algunos de los tipos de válvulas direccionales que se pueden extraer de la biblioteca de Automation Studio se detallan en la Figura 3.

Figura 3. Válvulas direccionales.

• Válvula 3/2 NC - Control eléctrico, con muelle de recuperación.



• Válvula 3/2 NO Control eléctrico, con muelle de recuperación.

• Válvula 3/2 NC - Control eléctrico, piloto interno, pulsador con muelle de recuperación

• Válvula 5/2 NC - Control eléctrico, con muelle de recuperación.

• Válvula 5/2 NC - Control eléctrico, doble piloto interno, pulsador con gatillo con muelle de recuperación.

• Válvula 5/3 NC - Doble control eléctrico.• Válvula 5/3 NC - Control eléctrico, doble piloto

interno, pulsador con gatillo con muelle de recuperación.

Elementos adicionales que resultan necesarios para la implementación de circuitos neumáticos e hidráulicos, son fácilmente accesibles a través de las bibliotecas de Automation Studio.3. MetodologíaLa metodología que se plantea para la descripción de algunas de las funcionalidades con que cuenta Automation Studio, es la demostración de algunos ejemplos de circuitos neumáticos e hidráulicos combinados con distintos tipos de tecnologías de control.

• Ejemplo 1: Circuito de fuerza neumático con mando neumático.

• Ejemplo 2: Circuito de fuerza hidráulico con mando eléctrico.

• Ejemplo 3: Circuito de fuerza neumático con mando en esquema de contactos para PLC.

• Ejemplo 4: Circuito de fuerza neumático con mando en gráfico de control de secuencia (Grafcet).

4. ResultadosEjemplo1 (E1): Cilindro neumático controlado con tecnología neumática según la secuencia A+A-. La Figura 4 presenta el circuito planteado en Automation Studio como solución del ejemplo 1, donde se emplea un cilindro neumático de doble efecto, dos reguladores de caudal, una válvula direccional 5/2 con piloto neumático, una válvula 3/2 con mando manual y reposicionada por muelle y dos válvulas 3/2 con mando de final de carrera y reposicionadas por muelle. Por otro lado la Figura 5 presenta la simulación del circuito en Automation Studio.

Figura 4. Solución planteada para E1.

Figura 5. Simulación de E1 en Automation StudioEjemplo2 (E2): Cilindro hidráulico controlado con tecnología eléctrica según la secuencia A+A-, con dos velocidades (Aplicación típica para bajada y subida de un taladro de mecanizado). El circuito planteado en Automation Studio como solución del ejemplo 2 es presentado en Figura 6, donde se emplea la representación del sistema de alimentación del fluido (Tanque, bomba, regulador de presión y manómetro), un cilindro hidráulico de doble efecto, una válvula direccional 5/3 con mando eléctrico y reposición por muelle, una válvula 2/2 con mando eléctrico y reposicionada por muelle, un regulador de caudal con válvula anti-retorno, dos manómetros, dos finales de carrera con salida eléctrica y un sensor de proximidad magnético.

Figura 6. Circuito de fuerza planteada para E2El circuito de mando eléctrico para el control del circuito hidráulico es presentado en la Figura 7, donde se ha empleado la metodología de solución de paso a paso. Para el control se han empleado adicionalmente dos pulsadores de acción momentánea; S1 (Pulsador para el descenso), S2 (Pulsador para el ascenso) y un pulsador de enclavamiento S3 (Pulsador de parada de emergencia).

Figura 7. Circuito de mando eléctrico para E2.


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Con el objetivo de asemejar lo más posible la simulación, se ha implementado en Automation Studio un tablero de mando con los pulsadores descritos y luces piloto para indicar el estado de operación del cilindro (bajando, subiendo o detenido por paro de emergencia). La Figura 8 presenta los resultados de simulación, así como el tablero de mando implementado.

Figura 8. Simulación de E2 en Automation StudioEjemplo3 (E3): Cilindro neumático controlado con tecnología de PLCs según la secuencia A+B+(T5s)B-A-, (Aplicación de embutido/marcado/sellado de una pieza con sujeción automática). El circuito planteado en Automation Studio como solución del ejemplo 3 es presentado en Figura 9, donde se emplea, un cilindro neumático de doble efecto, un cilindro neumático de simple efecto con retorno por muelle, una válvula direccional 5/2 con mando eléctrico y reposición por muelle, una válvula direccional 3/2 con mando eléctrico y reposición por muelle y cuatro sensores de proximidad magnéticos. Adicionalmente se ha dibujado la representación del área de mecanizado y la pieza.

Figura 9. Circuito de fuerza planteada para E3.Aplicando las herramientas de importación de imágenes de Automation Studio, se implementa las conexiones a un PLC virtual como en la Figura 10, dando un efecto realista al diseño de un automatismo.

Figura 10. Mando y esquema de conexiones al PLC.

El programa (ladder - esquema de contactos) a ser introducido en un PLC, puede ser implementado con los componentes de la biblioteca para PLCs Allen Bradley, Siemens o según el estándar IEC 61131-3. La Figura 11 describe el esquema de contactos para el ejemplo E3.

Figura 11. Ladder para PLC Allen Bradley.Los resultados de simulación del circuito neumático propuesto en el ejemplo 3, las conexiones al PLC, su tablero de pulsadores y del esquema de contactos se muestran en la Figura 12 y la Figura 13.

Figura 12. Simulación de E3 en Automation Studio.



Figura 13. Simulación del Ladder de E3.Ejemplo4 (E4): El planteamiento es similar al del ejemplo 3, pero con tecnología de mando de grafico de control de secuencia (Grafcet). El circuito es presentado en la Figura 9. El Grafcet propuesto se presenta en la Figura 14 y la simulación del circuito neumático y la botonera, así como del Grafcet se muestran en la Figura 15.

Figura 14. Grafcet planteado para E4.

Figura 15. Simulación de E4 en Automation Studio.

CONCLUSIONESComo se pueden observar en cada uno de los ejemplos desarrollados, Automation Studio es una herramienta bastante flexible para la simulación de circuitos neumáticos e hidráulicos. Su amplia biblioteca de componentes, las posibilidades de modificación de sus parámetros y la posibilidad de combinación de tecnologías de mando hacen que el diseño y simulación de un automatismo se simplifique.Por otro lado Automation Studio presenta posibilidades de cálculo y dimensionado de componentes, que hacen la simulación aún más realista que los ejemplos presentados, sin embargo el tema sale del alcance del presente artículo.Tampoco se ha presentado la herramienta de monitorización de variables, sin embargo es una herramienta sencilla, que el usuario puede aplicarla en cualquier momento.Finalmente se debe mencionar, que por las limitantes de la versión educativa de Automation Studio empleada en el presente artículo, no se ha podido desarrollar los temas de control de elementos físicos al estar deshabilitada la comunicación OPC, además de no contar con las tarjetas de interfaz de Famic Technologies Inc.

BIBLIOGRAFIA[1] Famic Technologies Inc. “Guía del usuario de

Automation Studio” Famic Technologies Inc., St-Laurent, QC, Canada 2003

[2] Famic Technologies Inc. “Guía del usuario del taller GRAFCET, Automation Studio” Famic Technologies Inc., St-Laurent, QC, Canada 2003

[3] Almandoz B. J., Mongelos O. B., Pellejero S. I., “Sistemas Neumáticos y Oleohidráulicos, Oleohidráulica”, Escuela Universitaria Politécnica San Sebastián-Donostia, Universidad del País Vasco

[4] (2011) Automation Studio, sitio web de Wikipedia,. [En línea]. Disponible: http://en.wikipedia.org/wiki/Automation_Studio.


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“Diseño, Generación y Calculo de Estructuras Metálicas (Graderías)

Univ. Christian Angel Sivinche Llanos*Univ. Fernando Cube*

* Facultad Nacional de Ingeniería. Carrera Ingeniería Mecánica - Electromecánica.

Universidad Técnica de Oruro. * Laboratorio de Simulación.

E-mail [email protected] - Bolivia.

Palabras Clave: Software de Diseño Inventor 2010, uso de herramienta Frame, estructuras metálicas.

Resumen

En el presente artículo explicaremos brevemente la funcionalidad de la herramienta Frame del Software Inventor, para ello describiremos la manera de emplear la misma para el diseño de estructuras Metálicas, de esta manera aplicando un pequeño ejemplo se demostrara la funcionalidad de las aplicaciones de la herramienta en Estudio.

Introducción:La evolución de la Tecnología es claramente el resultado de la búsqueda insaciable del hombre por encontrar métodos que le permitan simplificar los problemas que enfrenta día a día, fue la misma búsqueda que lo impulso desarrollar y crear métodos para reducir procesos que antes llegaban a ser tediosos y representaban una gran inversión de tiempo. De esta forma también, grandes programadores han desarrollado Software que permite realizar tareas que antes se realizaban en mucho más tiempo, un claro ejemplo es el diseño asistido por computador de elementos (piezas) de máquinas.Una de las firmas más conocidas a nivel mundial que contribuyeron a este desarrollo es la familia AUTODESK, que al contar con una gama de productos enfocados en el área CAD, CAM, CAE en el mundo de la ingeniería, ponen en manos de profesionales herramientas de gran utilidad, en esta ocasión por medio de un breve ejemplo demostraremos con uno de los Softwares de esta familia es de gran utilidad en el diseño de Estructuras Metalicas.Proyecto: “Diseño, generación y Calculo de Estructuras Metálicas (Graderías)SOFTWARE: Inventor 2010.HERRAMIENTA: Frame

Procedimiento:Comenzaremos por crear el proyecto con la ayuda del gestor de Proyectos de Inventor (Fig. 1), designando una ubicación en el disco duro de la PC.

Figura 1 Ingresando a la barra GET STARTED iniciamos la aplicación Projects, una vez que la ventana de Gestión de Proyectos se enciende indicamos al ordenador que deseamos un proyecto nuevo haciendo click en el botón NEW seguidamente le designamos un nombre y una ubicación en el disco duro como se lo muestra en Fig. 2

Figura 2Nota: Para Evitar que nuestros archivos de proyecto no estén dispersos en diferentes ubicaciones es recomendable verificar que estamos trabajando en el proyecto deseado revisando que el signo de aprobación se encuentre delante del nombre de nuestro proyecto (Fig. 3).



Figura 3 Seguidamente debemos generar un nuevo archivo IPT. (Estándars (mm) .ipt) en la opción NEW de la barra GET STARTED.

Figura 4 Para comenzar con el diseño de la estructura empleando la herramienta Frame de nuestro Software primero esquematizaremos por medio de perfiles alámbricos nuestra estructura (Fig. 4), en este caso comenzaremos por dibujar el esquema de la pieza lateral de la gradería cuyas dimensiones pueden variar según el diseño.Una vez realizado esquema correspondiente a la pieza lateral de la estructura en construcción, procedemos a guardar el archivo Ipt. dentro de nuestro proyecto.Culminado el proceso de graficado en forma alámbrica de todas las piezas de la estructura, emplearemos la herramienta mencionada con anterioridad, para asignarle el tipo de perfil para ello generaremos un archivo IAM (Weldment (ANSI – mm). iam) e insertamos el archivo Ipt a trabajar.Una vez que la función Frame inicia indicaremos al ordenador el tipo de Perfil, noma de diseño, dimensiones del mismo y por último el tramo de recta para la digitalización del perfil (Fig. 5).

Figura 5

La una vez generada la estructura observaremos que algunos sectores presentan ciertas irregularidades (Fig. 6, Fig. 7 y Fig. 8).

Figura 6 Figura 7 Figura 8 Las cuales corregiremos empleando otras aplicaciones de la herramienta FRAME, para corregir la irregularidad de la Figura 6 y 7 emplearemos la Aplicación MITERS CORNERS, iniciamos la aplicación e inmediatamente aparece la venta correspondiente a la misma, en la cual nos pide seleccionar las partes que deseamos convertir en esquinas (Fig. 9), una vez que indicamos al ordenador las piezas a transformar haciendo click en el botón OK, el computador realizara las funciones requeridas y podremos visualizar las modificaciones (Fig. 10 y Fig. 11).

Figura 9 Figura 10 Figura 11 Para rectificar la incongruencia de la Figura 8, emplearemos la aplicación NOTCH FRAME MEMBER que al igual que nuestra anterior función no solicitara las dos piezas a corregir, pero ahora no cortara el perfil para transformarlo en esquina, tomara la pieza de borde azul y la cortara para que esta encaje con la superficie de borde amarillo, es decir solamente se modificar una pieza, la cual nosotros designaremos (Fig. 12).

Figura 12Si observamos con atención la Figura 6 notaremos que este caso existen 3 piezas que terminan en una misma esquina, para realizar esta corrección emplearemos una función más de la Herramienta de trabajo nominada TRIM EXTEND TO FACE la cual nos permita cortar una pieza en relación de una cara de otra es decir cortaremos el excedente de una pieza hasta chocar con la cara próxima


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de otra pieza, el procedimiento para esto es casi similar a los anteriores con la excepción de esta nos permitirá mas de una pieza para cortar pero solo una cara para la referencia de corte (Fig. 13).

Figura 13

Figura 14

Figura 15Empleando las aplicaciones ya mencionadas también se pueden construir los travesaños laterales y diagonales (Fig. 14 y Fig. 15) para tener completa la estructura metálica una vez que tenemos todas las piezas construidas solo nos queda el ensamblarlas para lo cual se podemos emplear las herramientas mas conocidas de Inventor con la Aplicación PLACE CONSTRAINT de la herramienta POSITION, una vez ensamblada la estructura adquiera la forma que se muestra en la Figura 16.

Figura 16HERRAMIENTA: Bolted ConnectionProcedimiento:Para empezar el trabajo en esta herramienta es necesario tener la estructura base en la cual deseamos calcular las características necesarias de los pernos que serán requeridos, en nuestro caso la gradería.Ingresamos a la barra de herramientas, en la pestaña de DESIGN, hacemos click en la opción BOLTED CONNECTION, surgirá la tabla de la fig. 1, en la columna de TYPE ingresamos en la opción de THROUGN ALL CONNECTION TYPE, en la siguiente columna, la opción de PLACEMENT con una lista desplegable con cuatro posibilidades de trabajo, de los cales solo utilizaremos los necesarios y dependiendo a las características de nuestra estructura. En la parte de THREAD nos

tenemos dos listas desplegables, en la lista superior nos presentan las distintas normas en tornillos, utilizaremos el ANSI METRIC M PROFILE, en la opción de diameter insertamos el diametro del perno.Nota: Si no conocemos el diámetro del perno y es la dimensión que deseamos determinar solo podemos ingresar un diámetro estimado, ya que solo necesitamos introducir este dato para la creación de la conexión atornillada, posteriormente podrá ser calculado esta dimensión, como se vera mas adelante.Iniciaremos por la parte anterior de la estructura utilizaremos la opción CONCENTRIC, hacemos click el la opción START PLANE nos dirigimos a la estructura, seleccionamos la cara donde empezara el tornillo y la curvatura de uno de los elementos a ensamblar con el tornillo como se muestra en la fig. 2,

Figura 2finalmente seleccionamos la cara donde terminara la unión atornillada, finalmente hacemos click en OK, seguidamente emergerá una tabla consultándonos nuevamente sobre la creación de la unión atornillada nuevamente volvemos a aceptar y la unión atornillada ya estará creada. Procedemos de la misma forma para las ocho es quina de la parte anterior y para las cuatro de la parte posterior.

Figura 3 Figura 4Nota: Preferimos esta opción a las demas por que como referencias de creacion nos solicita las caras de comienzo y fin de las uniones atornilladas a demas de una curva de referencia, los cuales encontamos en esta parte de la estructura.Teniendo ya creadas las uniones atornilladas procederemos a realizar los cálculos de las características requeridas en nuestro tornillo. En la tabla MODEL hacemos click derecho en la unión atornillada en la cual requerimos hacer el cálculo, nos vamos a la opción EDIT



USING DESIGN ACCELERATOR, ingresamos en la pestaña CALCULATION. En TYPE OF STRENGTH CALCULATION nos presentara una lista desplegable con las siguientes opciones:

En este caso calcularemos el diámetro de las uniones atornilladas. En la parte de LOADS podemos modificar las distintas condiciones en las que estará sometida nuestra estructura como la Fuerza Axial Máxima, el Esfuerzo Tangencial Máximo, el Factor de estanqueidad, el Factor de Fuerza de Entrada, el Factor de fricción de la junta y el Factor de seguridad requerido. Luego

especificamos el tipo de material en PLATES MATERIA, en BOLT → NUMBER OF BOLTS colocamos el numero de tornillos a utilizar que en nuestro caso será 1, en BOLT MATERIAL podemos definir las propiedades de LÍMITE DE ELASTICIDAD, ESFUERZO ADMISIBLE, etc. ó utilizar los ya predeterminados por los distintos materiales, por ultimo hacemos click en la opción de CALCULATE y en el lado derecho de la ventana nos obtendremos los resultados.

Figura 5 Ventana de procesamiento de datos


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CONSIDERANDO

I.- Que, el Reglamento del Régimen Estudiantil de la Universidad Boliviana, aprobado en el XI Congreso Nacional de Universidades del año 2009, en su Capítulo III, Articulo 14, inciso h) reconoce el derecho de los estudiantes para la conformación de Sociedades Científicas Estudiantiles orientadas a la Investigación”.

II.- Que, con Resolución Nº 065/2014 de fecha 8 de mayo del XII Congreso Nacional de Universidades se aprueba el Reglamento General de Sociedades Científicas de Estudiantes (SCE) del Sistema de la Universidad Boliviana.

III.- Que, el Art. 5 del mencionado Reglamento establece “Para su funcionamiento cada Sociedad Científica de Estudiantes debe estar acreditada por la DICYT y la Asociación de Sociedades Científicas de Estudiantes de su Universidad, para lo cual enviara el acta de constitución o fundación, Estatuto Orgánico, Reglamento Interno y la nómina de integrantes, además de los miembros elegidos del Directorio, debiendo ser actualizada cada gestión. La DICYT y la Asociación de Sociedades Científicas de Estudiantes solo reconocerán y acreditaran una sola Sociedad Científica de Estudiantes por cada Carrera o Facultad” y el Art. 19 indica “ Con el propósito de contar con una lista oficial de las Sociedades Científicas de Estudiantes en las Universidades, las Sociedades Científicas de Estudiantes que cuenten con la acreditación de la DICYT, conjuntamente la Asociación de Sociedades Científicas de Estudiantes solicitaran al Consejo de Carrera y/o Facultativo y/o Universitario, la resolución de reconocimiento y acreditación, así como su registro oficial en las listas de Sociedades Científicas de Estudiantes de su Universidad, siendo encargada de llevar el registro general de Sociedades Científicas de Estudiantes la OSCESUB, la Asociación de Sociedades Científicas de Estudiantes y la Dirección de Investigación Científica y Tecnología (DICYT) de cada Universidad”.

IV.- Que, mediante Resolución Nº 029/2016 del Honorable Consejo Universitario, de fecha 21 de marzo, se aprueba el procedimiento para reconocimiento y acreditación de Sociedades Científicas de Estudiantes ante el Honorable Consejo Universitario

V.- Que, la Facultad Nacional de Ingeniería mediante la Resolución del Honorable Consejo Facultativo Nº

142/2017 de fecha 13 de junio, aprueba la creación de la “Sociedad Científica Estudiantil de Investigación de Ingeniería Mecánica – Electromecánica SCIEMEM”, dependiente de la Facultad Nacional de Ingeniería de la Universidad Técnica de Oruro para su acreditación por el Honorable Consejo Universitario, en aplicación al Artículo 19 de la Resolución Nº 065/2014 del XII Congreso Nacional de Universidades.

VI.- Que, la Dirección de Investigación Científica y Tecnológica (DICyT) de la Universidad, reconoció y acreditó en el mes de julio del 2017, a la “Sociedad Científica Estudiantil de Investigación de Ingeniería Mecánica – Electromecánica SCIEMEM” dependiente de la Facultad Nacional de Ingeniería, en aplicación del Artículo 5 de la Resolución Nº 065/2014 del XII Congreso Nacional de Universidades.

VII.- Que, mediante nota VICE – RECT Nº 0139/2017, de fecha 31 de julio, el Vicerrector remite los antecedentes para la Acreditación de la “Sociedad Científica Estudiantil de Investigación de Ingeniería Mecánica – Electromecánica SCIEMEM” dependiente de la Facultad Nacional de Ingeniería.

VIII.- Que, los miembros del Honorable Consejo Universitario aprobaron la solicitud de Reconocimiento y Acreditación de la “Sociedad Científica Estudiantil de Investigación de Ingeniería Mecánica – Electromecánica SCIEMEM”.

Por tanto, SE RESUELVE:

ARTICULO PRIMERO

Reconocer y Acreditar a la “Sociedad Científica Estudiantil de Investigación de Ingeniería Mecánica – Electromecánica SCIEMEM” dependiente de la Facultad Nacional de Ingeniería.

ARTICULO SEGUNDO

Encomendar el cumplimiento de esta determinación a la Dirección de Investigación Científica y Tecnológica y Facultad Nacional de Ingeniería.

Hágase conocer, cúmplase y archívese.

Ing. Calos Antezana GarcíaRECTOR DE LA UNIVERSIDAD

Abg. Marco Ernesto Jaimes MolinaSECRETARIO GENERAL DE LA UNIVERSIDAD

HONORABLE CONSEJO UNIVERSITARIOResolución Nº 62/2017

RECONOCIMIENTO Y ACREDITACIÓNSOCIEDAD CIENTIFICA ESTUDIANTIL DE INGENIERIA MECÁNICA -

ELECTRÓMECÁNICA “SCIEMEM-UTO”A, 14 de agosto de 2017

ineniera menia -...

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