Informe Final Generador da Vapor Para Limpieza

Proyecto: Generador de Vapor para Limpieza

Proyecto Universidad Nacional

Taller de Proyectos Interdisciplinarios

Jamer Leandro Acero Rodríguez 261056 Claudio Alfonso Bohórquez Camargo 261175

Jorge Andrés Arroyave Ortegón 233792 Iván Darío Salamanca Dussan 243971

INFORME FINAL

Sección de Análisis Primario

1. Problemática Y Justificación

Existen factores que justifican el desarrollo de un Generador de Vapor para Limpieza:

La interacción con el medio ambiente está presente en las actividades diarias, donde la presencia de virus,

bacterias, y hongos es una posible fuente de enfermedades e infecciones. Un Generador de Vapor para

Limpieza, es un dispositivo que puede revertir y disminuir este tipo de problemas, enfocándose en la

prevención, la higiene garantizando un buen servicio.

Otro factor que hace necesario el empleo de un Generador de Vapor para Limpieza, es la disminución de

trabajo para el usuario frente al manejo tradicional, ya que se automatiza un proceso mediante una máquina y

este solo tiene que controlar los ciclos de encendido, apagado e inclusión de elementos a limpiar.

Emplear un Generador de Vapor para Limpieza desde el punto de vista ingenieril, permite pensar en tecnificar

y optimizar el proceso de lavado para que se manejen los recursos (vapor y agua) eficientemente, al poderse modelar la forma de operar para que sea mucho más productivo respecto a los métodos tradicionales, y

adicionalmente la reutilización de los desechos lo hace amigable con el medio y se va mas allá pues con este

equipo se disminuiría la utilización de compuestos como jabones los cuales al contacto con el agua son

desechados y perjudican gravemente los ecosistemas .

Adicionalmente implementar este proyecto permite la integración de diversas áreas del conocimiento en pos

de la solución de un problema o necesidad, especialmente la Ingeniería Química, la Ingeniería Mecánica, la

Ingeniería Eléctrica y la Ingeniería Electrónica, lo cual dará una idea de cómo es el ejercicio profesional para

los estudiantes en un futuro.

Por último se puede plantear un modelo económico respecto a las herramientas que ya existen para usuarios

del común (hogares), que optimice su acceso y el consumo de recursos en el hogar (agua, energía, etc.)

2. ¿Por qué utilizar vapor?

Los métodos tradicionales de limpieza incluyen el uso de agua, tenso activos y desinfectantes que retiran la

suciedad por métodos mecánicos. Estos métodos no garantizan que toda la suciedad sea retirada ya que

algunas partículas se alojan en poros de las superficies. Los desinfectantes al actuar únicamente en la

superficie, permiten que las bacterias alojadas en los poros y hendiduras de los materiales se mantengan con

vida y se reproduzcan.

La limpieza con vapor logra que todos los organismos que estén sobre la superficie mueran y que todo el

material orgánico se desprenda, lo cual garantiza que nuevos microorganismos no encuentren en los objetos,

medios favorables para vivir y reproducirse. Además los residuos restantes del proceso son biodegradables.

A continuación se presenta un pequeño análisis de cuál sería el posicionamiento del generador de vapor en el

mercado nacional:

3. Situación del sector cosmético actual de Colombia.

La razón por la que se incluye este análisis, se debe a que el sector de producción y comercialización de

artículos de limpieza se incluye en el sector de clase mundial de los cosméticos. Sector que ha despertado el

interés de entidades como el Ministerio de Comercio, Industria y Turismo, debido a las ventajas y

perspectivas de las que goza.

• Situación comercial

El sector cosmético en Colombia, en la actualidad, maneja casi un 4,5% del PIB industrial con un crecimiento

de mercado anual del 5%. Pese a ser el cuarto mercado en Latinoamérica (detrás de México, Brasil y

Argentina), maneja un flujo de aproximadamente 5,4 billones de pesos por ventas. De dicha cifra el 24%

pertenece a la fabricación de jabones, detergentes y preparados de la limpieza.

Precios Venta EX – Factory, sector cosmética, 2007. Fuente: ¨Cosméticos y productos de aseo en Colombia,

sector de clase mundial . MINISTERIO DE COMERCIO, INDUSTRIA Y TURISMO. República de Colombia.

2009

También el mercado de exportaciones goza de un buen nivel, debido a que, productos nacionales son de gran

acogida en exterior (especialmente en Centroamérica) por sus precios competitivos y su calidad de

fabricación. De dichas exportaciones, el sector de productos de limpieza maneja un 8% de las ventas.

Exportaciones Sector Cosmético U$.2007Fuente: ¨Cosméticos y productos de aseo en Colombia, sector de

clase mundial . Informe MINISTERIO DE COMERCIO, INDUSTRIA Y TURISMO y ANDI. República de

Colombia. 2009

• Cadena de valor

La cadena de valor del sector es muy importante para el desarrollo del producto ya que permite definir en qué

zonas podría el generador de vapor ganar más terreno. El equipo puede inclusive retroalimentar dicha cadena

pues permitirá hacer mucho más eficiente el trabajo de productores primarios y proveedores de insumos, sin

olvidar el consumidor final.

Respecto al tipo de productores que serían los fabricantes del equipo, es obvio que el papel que se llevaría es

el de un Mipymes, pues no se cuenta ni con el capital financiero ni con el capital humano para competir ni

con grandes empresas, ni con grandes filiales de multinacionales.

Los comercializadores que podrían favorecer el posicionamiento del generador en este sector son los

minoristas, a través de Mercados informales, pequeños establecimientos y supermercados y ventas directas. A

continuación se muestra el cuadro de cadena de valor con la inclusión del generador de vapor en ella.

Cadena de valor incluyendo el generador de vapor.

Fuente: ¨Cosméticos y productos de aseo en Colombia, sector de clase mundial¨. Informe MINISTERIO DE

COMERCIO, INDUSTRIA Y TURISMO y ANDI. República de Colombia. 2009

El generador de vapor debe cumplir con una serie de objetivos con el consumidor el regulador y la industria.

1. Consumidor

Acceso a productos seguros.

Disponibilidad ágil y eficiente de innovaciones y de nuevos productos.

Acceso a la información necesaria para que pueda decidir y escoger un producto basado en

esta información.

2. Regulador

Mecanismos adecuados y eficientes de control que le permitan proteger la salud pública del

consumidor.

Disponibilidad de la información necesaria para ejercer vigilancia.

Optimización de su relación con la industria así como el conocimiento de los desarrollos y

avances de esta.

3. Industria.

Rapidez en el lanzamiento de sus productos.

Simplificación y modernización de la legislación.

Limitación de las barreras para arancelarias en el comercio.

Limitación a los productos de la competencia desleal.

Optimización de las relaciones con el gobierno.

Panorama Posible:

• El generador de vapor actuaría específicamente sobre los sub-sectores de fabricación de detergentes,

Fabricación de jabones, y preparados para limpieza, que para el año 2007 sumaban aproximadamente 1.301

billones de pesos (24% del sector cosmético y de productos del aseo), es decir se podrían alcanzar esas cifras

de inversión como equipo de reemplazo de esos productos tradicionales de limpieza. De esta manera tendría

un nicho comercial bastante grande para desarrollarse

• Implicaría un cambio en la visión y creencia acerca de la limpieza, las costumbres y criterios sociales de

higiene, y fomentaría la búsqueda de alternativas amigables con el medio ambiente.

• Reduciría costos respecto a los gastos en elementos de limpieza tradicionales para el usuario. Sin embargo

aparecerían nuevos gastos tales como la energía necesaria para hacer funcionar el equipo (energía eléctrica,

combustibles fósiles, carbón, etc.), y los gastos de la adquisición del insumo principal: el agua.

• Existen fenómenos asociados a la creación de nicho de generadores de vapor:

La aparición o creación de subsectores :

El subsector de la reparación de equipos o máquinas.

Las empresas proveedoras de repuestos.

La aparición de competidores.

El crecimiento de sectores asociados:

Sector de Generación de Energía Eléctrica.

Sector Proveedor de Combustibles o Fuentes de energía.

Sector Proveedor de Agua

La instauración de un ente regulador o su inserción en otro ente preexistente.

La reducción de sectores económicos y sociales que antes dependían del sector como lo son

las fábricas de jabones, cepillos, etc., es decir las empresas asociadas al sector de la

limpieza.

Algunos sectores dependientes no desaparecerían, si no que se adaptarían como lo son las

empresas que ofrecen servicios de limpieza basados en productos químicos de limpieza, las

empresas que utilizan ofrecen personas para la labor de limpieza, las empresas que utilizan

ofrecen métodos alternativos de limpieza, como lo son las empresas que efectúan servicios

de limpieza con máquinas basadas en chorros de agua con aditamentos químicos, etc.

En el momento de elaborar este proyecto, nuestra intención no es, de ninguna manera entrar

a competir con los sectores ya existentes del aseo, pues el objetivo principal es dar las

personas una opción diferente y muy eficiente de realizar las labores de limpieza, a través

de un dispositivo construido en el país, con materiales económicos, amigable con el medio

ambiente y que sea totalmente diferente a los métodos que se usan de manera tradicional; es

por esto que nuestro propósito no es afectar a ninguna industria, sino por el contrario

brindar diferentes métodos de limpieza para que la gente escoja cual es la opción que más le

beneficia en cuanto a economía y a efectividad.

4. Generadores de vapor en Colombia.

La idea de generadores de vapor para limpieza no es nueva en el mundo, desde hace más de 75 años se

han desarrollado equipos. En Colombia, no se tiene noticia de equipos nacionales, se sabe que se

importan limpiadores de vapor procedentes de fabricantes alemanes, ingleses, italianos y

norteamericanos. Los cuales tienen precios que rondan entre los $350000 y los $850000, para equipos de

uso doméstico (con una capacidad de 0,8 Litros).

5. Árbol de Objetivos del Proyecto

Sección De Análisis Y Requerimientos

NOMBRE e ID DEL PROYECTO: Generador de Vapor Para Limpieza

1. Objetivos del Desarrollo.

1.1. Objetivo General: Desarrollar un generador de vapor para limpieza, de bajo costo, que permita

su fácil utilización en cualquier sitio y que pueda funcionar con agua apta para labores de este

tipo

1.2. Objetivos Específicos

1.2.1. Realizar una implementación del dispositivo más económico posible, teniendo en

cuenta parámetros como eficiencia y eficacia de los instrumentos utilizados.

1.2.2. Partiendo de los conocimientos adquiridos en materias como instrumentación y

medidas, indagar varias opciones y posteriormente escoger los sensores más adecuados

para su adecuación.

1.2.3. Desarrollar un equipo amigable en su manejo y operación con el usuario.

1.2.4. Desarrollar un equipo que garantice niveles de limpieza profundos.

2. Ambiente de Operación, Físico y Comercial del sistema a desarrollar.

El vapor tiene útiles usos para escuelas, colegios, universidades, hospitales, supermercados, hoteles,

veterinarias y hasta industrias como la automotriz, la alimenticia o la farmacéutica ya que garantiza:

La limpieza de áreas de difícil acceso en donde los métodos convencionales de limpieza permiten

que los microorganismos encuentren medios favorables de vida.

Remueve fácilmente grasas de hornos, estufas y freidoras.

Acaba con microorganismos y los desagradables olores que causan.

En zonas húmedas como baños o fregaderos, permite eliminar restos de jabón y aguas duras,

ahorrando tiempo y sin utilizar químicos que puedan dañar el ambiente.

Limpia superficies cromadas y de acero inoxidable, dejándolas brillantes y libres de cualquier

microorganismo.

Remueve grasa, polvo y suciedad de paredes y techos sin afectar los acabados

Refrigeradores, neveras y congeladores pueden ser fácilmente descongelados, limpiados y

sanitizados.

Logra disminuir el uso de jabones y desinfectantes entre un 70% y 90%.

Disminuye los tiempos de limpieza.

3. Estructuración del proyecto

Este proyecto plantea la inserción al mercado de un nuevo producto, por lo que hay definir cómo hacerlo, no

solo a nivel de desarrollo del producto sino en cómo este puede cambiar el medio a nivel productivo y

económico, en la labor de ingeniería es importante tener claro que además de todos los esfuerzos de tipo

técnico que sean involucrados en un proyecto también hay que tener en cuenta que hay otros factores que

influyen en el éxito o fracaso de este, por lo cual se localiza el generador en un nicho de mercado , junto con

un público objetivo y por ultimo unos proveedores y la cadena de distribución sin dejar de lado que lo que

busca es obtener un producto amigable con el ambiente, que sea practico y sencillo para el usuario.

En la estructuración tendríamos lo siguiente:

Público objetivo: Personas interesadas en cambiar la limpieza tradicional por métodos más eficientes

que tengan poder adquisitivo y el deseo de hacer la labor de aseo más eficiente dentro de los que

buscaríamos las mi-pymes , el agro y las personas del común.

Proveedores: En nuestro país la gran mayoría de empresas aproximadamente un 90% son

microempresas es por esto que la idea es buscarlas como fuente de recursos y además si fuese

necesario a través de estas buscar materias primas importadas si fuera necesario creando así

articulaciones a través de la industria.

Competidores: no estriamos enfocados a acabar con la competencia sino a incursionar como una

alternativa nueva que puede dentro del sector de productos de aseo construir su propio mercado.

Medio ambiente: buscamos un producto amigable que sea de fácil desecho y que además no genere

contaminación dentro de lo posible.

4. Actores involucrados

Posiblemente las piezas serán prototipadas con el uso de máquinas con ayudas de software. Es un

producto para personas del común por lo que no necesita operarios para su manipulación.

5. Requerimientos Funcionales

5.1 Generadores de vapor

Los generadores de vapor disponibles en el mercado cualquiera que sea su referencia poseen los mismos

principios operativos, las variaciones que presentan son dadas por factores de capacidad de producción el

vapor y por ende de la potencia consumida por el equipo.

Estos aparatos están constituidos por los componentes electrónicos, como lo son las resistencias, y los

sensores de temperatura y presión del equipo, estos varían según la capacidad dada para cada aparato ,

otro componente importante es el recipiente en donde se alacena el agua en sus dos estados , el cual

según la imagen que mostramos a continuación no vemos mucho pero según lo que se observa la

resistencia se encuentra dentro del recipiente y allí se da todo el proceso de vaporización, estos

componentes se ven grosso modo a continuación:

Estructura de un Generador de Vapor Karcher.

5.2 Descripción General

El equipo tendrá como su mayor utilidad la obtención de vapor para emplearlo como agente de limpieza

y desinfección en diferentes superficies y elementos, dadas las propiedades que este presenta bajo ciertas

condiciones; es por esto que contará con un sistema de diversas boquillas que hará más fácil esta tarea

pues hay superficies sobre las cuales no se tiene fácil acceso, adicionalmente el equipo debe garantizar

que en condiciones de operación normal siempre se obtenga vapor y no condensado pues las propiedades

de esterilización que presenta este último no son las más adecuadas y dado que el equipo operará tanto en

interiores como en exteriores este debe garantizar que los procesos de transferencia de calor que se den

en el entorno y sobre el aparato no influyen en su funcionamiento, puesto que el vapor será conducido a

través de una manguera al exterior y en ese punto es en donde inconvenientes de este tipo de podrían

presentar.

Como el vapor es una herramienta que tiene propiedades que lo exaltan frente a las otras alternativas que

están presentes en el mercado como jabones y desinfectantes, lo ideal de este generador es que se pueda

adaptar para otros equipos que necesiten el suministro de este recurso, estos elementos pueden ser entre

otros equipos para lavar vajillas, esterilizadores, a nivel de microempresas para desinfectar sus productos

y en todo tipo de labores en donde las palabras limpieza y desinfección sea de gran relevancia.

De acuerdo a lo anterior se puede concluir que lo más importante en este equipo en cuanto a sus

funciones está determinado según las siguientes premisas: practicidad, eficiencia, economía, ecología y

polifuncionalidad.

6. Requerimientos No-Funcionales

6.1. Sistema de Anclaje

Este equipo va a operar de forma estática y como dentro de sus cualidades está el que sea practico y poli

funcional estará provisto de unas ruedas que le permitan su fácil desplazamiento y estas a su vez estarán

equipadas con un mecanismo que las trabe cuando esté en funcionamiento este mecanismo puede funcionar

atreves de fricción o de trabe sobre las ruedas

6.2. Seguridad Industrial

Cuando el equipo este realizando su labor se presentaran varios factores que son los que resultan en mayor

riesgo:

Altas temperaturas

Altas presiones

Dispositivos electrónicos

Riesgos derivados según la fuente de alimentación (resistencia eléctrica, combustibles

fósiles, carbón, etc.)

Frente a las altas temperaturas se emplearan aislantes térmicos junto con señalización en el equipo de las

zonas en donde se presentan estas, además para el diseño se piensa en que el generador en su estructura

interna funcione de forma similar a como funciona un termo en donde a través de aislantes y materiales

reflectivos la sensación de calor no se percibe en el exterior, por ultimo con respecto a este factor las

temperaturas se controlaran a través de sensores que le muestren al usuario las temperaturas sobre las que

trabaja el aparato existiendo también topes de diseño para estas temperaturas , lo cual está dentro de lo que

corresponde a la parte de control.

Cuando se eleve la presión en el interior del aparato este contara con galvanómetros para mostrar que las

presiones han llegado a niveles críticos para activar las válvulas de seguridad con las que contara el equipo y a

modo tentativo el generador podría contar con un sistema de control que garantice activar las válvulas de

seguridad cuando pasen cierto nivel de presión.

Para los dispositivos electrónicos o de control con los que contara nuestro generador se hará un trato especial

pues hay que aislarlos tanto térmicamente como ambientalmente para que no se presenten inconvenientes

como cortos circuitos debido al manejo de agua y vapor en el aparato y para que puedan funcionar

adecuadamente.

Según el tipo de fuente de alimentación que presente el sistema se deberán tener cuidados muy rigurosos para

mantener las cualidades del equipo y también para garantizar la seguridad para la operación y manipulación

del equipo, pero este aspecto aún está en investigación puesto que para el equipo no se ha optado por una

fuente de alimentación específica, aunque lo más probable por las observaciones iníciales es que esta sea una

fuente de tipo eléctrico.

6.3. Mantenimiento

Para esta tarea tan importante el objetivo primordial es hacer un equipo que sea modular, que permita un fácil

acceso a todos sus componentes para que se pueda realizar las revisiones preventivas del caso y que si es

necesario el reemplazo de las partes sea sencillo. En esta parte debemos hacer énfasis de que las personas que

realicen el mantenimiento deben ser personas con los conocimientos adecuados sobre el funcionamiento y

constitución de la máquina, para evitar cualquier tipo de percance tanto para el usuario como para el

generador como tal.

6.4. Usabilidad

Se pretende que el equipo sea práctico y se espera que cualquier persona lo pueda usar como un aparato

cotidiano, aunque es necesario como primera medida del usuario, este debe leer el manual de operación para

garantizar un uso adecuado.

Además debe ser amigable para el usuario y que sus controles sean digeribles al entender de cualquier

persona.

6.5. Potencia

La potencia va a ser aportada a partir de procesos de transferencia de calor mediante la utilización de una

fuente de alimentación que aún está en discusión, teniendo como alternativas los combustibles fósiles o la

energía eléctrica. Sin embargo por el carácter del proyecto es muy probable que se trabaje con energía

eléctrica, además esta alternativa es amigable con el medio ambiente.

6.6. Herramientas de ensamble

Juntas de tipo mecánico (tornillos), equipos para construcción de circuitos, equipos de soldadura, llaves,

destornilladores, alicates entre otras herramientas de taller.

6.7. Condiciones de Operación

Las condiciones de operación del equipo son las siguientes:

Volumen: 1 L de agua

Características del vapor a utilizar:

Vapor sobrecalentado

Temperatura: 140ºC

Presión de Trabajo: 2,5 bares.

Presión máxima: 4 bares.

6.8. Acabados y materiales

El aspecto debe brindar un equilibrio con el entorno en sus formas como en sus colores, es por esto que se

tratara según sea lo posible que los acabados externos reflejen contornos suavizados no muy agresivos y

colores que lo hagan pasar como cualquier artículo de aseo pero haciéndolo agradable a los sentidos, los

acabados se harán en materiales poliméricos o metálicos según sea la conveniencia pare lo que se quiere.

Sección de diseño de arquitectura Mecánica y Química

1. Tuberia

Con los cálculos desarrollados en informes pasados, se llego a la conclusión de que el tipo de tubería utilizado

es de cedula 40, debido a que el grosor de pared con el que viene, es el que más se adecua a las condiciones

de diseño

Las uniones de las partes deberán ser roscadas, la principal razón de esta configuración se debe a la

practicidad y funcionalidad del equipo. El utilizar uniones soldadas impide que el generador sea fácilmente

revisado y reparado.

Pese a que la unión roscada no es la ideal, es la que más se acomoda a las necesidades del equipo, entre las

ventajas que tiene el utilizar roscas están:

El amplio catalogo de accesorios que se consiguen en el mercado

La facilidad con la que se le puede realizar mantenimiento al cuerpo y tapas del recipiente.

El utilizar una rosca cónica garantiza la disminución de pérdidas debido a su carácter autosellante

Algunas desventajas que presentan este tipo de uniones son:

Se presenta un nivel considerable de pérdidas para tamaños de tubería mayores a 2”.

El maquinar la rosca en la tubería, genera que el grosor de pared se disminuya, generando riesgos, el

tener una disminución de pared en especial en la parte superior del recipiente (donde se alojara el

vapor y aumentara la presión) puede llevar a la posible ruptura y explosión del contenedor, pues el

material comienza a fatigarse y rajarse en las zonas en las que cambia le grosor de la pared.

Por cada pulgada de carrera de rosca, se pierde aproximadamente 1/16” de grosor de pared.

Es posible que para las tapas se tenga que utilizar un material de mayor grosor (cedula mayor) , debido a la instalación de diferentes boquillas (entrada de liquido, salida de vapor, entradas para

sensores, entrada de fuente de energía para la resistencia.

Para unir la tubería (tapas y cuerpo) es necesario que la rosca utilizada soporte la máxima presión de

operación (4 bares).

2. Válvula de alivio de presión:

Con el objetivo de ser amigable con el usuario y evitar liberaciones repentinas de vapor, se trabaja una válvula

de alivio de presión proporcional, la cual abre cuando el sistema alcanza la presión de disparo (0,4 MPa). La

válvula se cierra cuando la presión del sistema desciende por debajo de la presión de disparo.

La válvula es mecánica, por razones de funcionalidad (fácil mantenimiento y reemplazo), consumo energético

(no requiere de energía eléctrica, pues la apertura de la válvula depende de la compresión-elongación del

resorte) y costos (la presencia de dispositivos eléctricos y electrónicos que elevan los precios).

Figura 1. Esquema general válvula de alivio de presión proporcional.

En la figura 1 se muestra el esquema general de esta válvula

Cada una de las partes tiene una función determinada, la cual a continuación se explica brevemente.

Tapón de ajuste

El tapón de ajuste permite graduar la presión de disparo desde el exterior.

Muelle

Gracias al tapón de ajuste, el muelle se ajusta para obtener la presión de disparo deseada.

Tuerca de ajuste

Mantiene la posición del tapón asegurando el ajuste de presión de disparo.

Sellado.

El sellado correspondiente se realiza con alambre para bloquear el tapón manteniendo ajustada la presión de

disparo

Junta quad seal.

Elimina las fugas alrededor del vástago cuando la válvula está abierta, el objetivo de esta junta es impedir que

otros componentes de la válvula tengan contacto directo con el vapor (lo que puede generar corrosión o mal

comportamiento de algunos componentes de la válvula.

Junta Torica.

Ofrece un cierre de elastómero a metal para obtener un cierre consistente en el asiento, para evitar fugas.

3. Boquillas.

Para instalar una boquilla en un recipiente a presión, es necesario perforar el hueco o la tapa en el que se vaya

a instalar. Al efectuar este agujero, se le está quitando área al material causando que las líneas de esfuerzo que

pasaban por el área retirada pasen tangentes al agujero. Para evitar fallas en la periferia de donde se realizo el

agujero es necesario reponer el material retirado.

Para el diseño del generador de vapor se tienen 2 boquillas, las cuales deberán tener un diámetro de ¼ de

pulgada. De acuerdo a lo reportado por las fuentes bibliográficas y de acuerdo a los pequeños grosores de

pared calculados se recomienda utilizar tubería de la misma cedula del resto del equipo. Según la norma

técnica ASME, para boquillas de diámetro menor a 2” no es necesario el aplicar refuerzos, pero se

recomienda que las soldaduras sean 100% radiografiadas.

Respecto a la ubicación de las 2 boquillas se recomienda que ambas estén lo más alejadas posibles entre si

para evitar que el material de la tapa sufra fatigas que puedan llevarlo a fracturarse.

4. Tapas recipiente

Se había planteado un tipo de tapa especial(tapa toroesferica) pero teniendo en cuenta las limitantes que se

presentaron no se pudo implementar este tipo de elementos, en vez de eso se utilizaron tapones para tubería en

hierro fundido los cuales cumplen con las especificaciones que necesitamos, para nuestra practica, cabe anotar

adicional a esto que este tipo de tapones se consiguen estandarizados lo que les da un punto a favor pues es

más fácil en algunas ocasiones trabajar con elementos estandarizados que mandarlos a hacer a menos de que

se manejen grandes volúmenes de piezas.

5. Manguera para vapor

Debido al manejo de altas temperaturas y presiones se debe emplear un tipo de manguera adecuado por lo que

se eligió una manguera que trae un aislante especial para este tipo de necesidades de ¼’ de pulgada de

diámetro lo que a su vez permite que el vapor salga con mayor presión y por ende su labor de limpieza sea

mas eficaz.

Sección de diseño de arquitectura electrónica

1. Que estilo de arquitectura se utilizará:

Debido a que se busca un dispositivo sencillo que alcance los niveles de temperatura y presión adecuados

para el funcionamiento, se prevé un sistema ON-OFF realimentado embebido controlado por un sistema

de electrónica digital (microcontrolador) que interactué con la retroalimentación de las señales adquiridas

por el sensor de temperatura, y controle al actuador (probablemente sea una resistencia de inmersión para

calentar el agua que genera el vapor).

2. Indique el número de Equipos de Hardware

2.1. Tipo de maquinas

2.1.1. Tipo y número de entradas

Se esperan 1 entrada proveniente de un un Sensor de Temperatura. Se prevé que sean

señores de tipo analógico, por lo tanto necesitarán de una conversión ADC (Análoga a

Digital , por sus siglas en Inglés) hacia el controlador digital.

2.1.2. Tipo y número de salidas

Existirá 1 salida hacia el actuador (el cual será el elemento que efectúe el objetivo

primordial de la máquina, generar vapor, donde probablemente sea una resistencia de

Inmersión).

Se prevé 1 salida adicional: Indicador de Temperatura, el cual servirá como sistema de

alerta para el usuario cuando se llegue a niveles críticos en la temperatura. De esta manera

cuando el controlador falle, el usuario detenga la operación del sistema.

2.1.3. Tipo y número de unidades lógicas de procesamiento

Es imperativo el uso de un micro-controlador que procese las señales provenientes del sensor. Es posible que

esas señales requieran un tratamiento previo para ser procesadas, por ejemplo amplificadores de

instrumentación y ADCs (Conversores Análogos a Digitales). aunque algunos de los microcontroladores

tienen estos módulos incorporados.

Finalmente los microcontroladores tienen incluidas pequeñas unidades de almacenamiento, que precisamente

servirán para ese objetivo. Teniendo en cuenta lo expuesto en la charla introductoria de Tecnoparque, los

microcontroladores PIC de Microchip son aptos para este trabajo.

3. Especifique la lógica de la persistencia de su aplicación

El microcontrolador hará las veces de controlador y unidad de almacenamiento, donde guardará el programa

que controla el sistema, y algunos variables o datos pertinentes a las referencias de las señales de control y de

los sensores, que modelan al sistema. Por ser un microntrolador digital la información vendrá almacenada en

el mismo bajo su formato digital.

4. Diagramas de Arquitectura.

Diagrama de Arquitectura de etapa electrónica.

El proceso señalado con flechas de color Rojo es el que se realizará como primera instancia para comprobar el

funcionamiento del control de temperatura y presión a través de una tarjeta de adquisición de datos conectada

a un PC y con el uso de la herramienta Lab view.

5. Diagrama de bloques

Diagrama de Bloques General

Documento Diseño Preliminar

1. Introducción

En este diseño se plantea la estructura electrónica para la máquina generadora de vapor, donde la máquina

controla automáticamente la temperatura de operación de la misma. La arquitectura modular se presenta a

continuación:

Esquema general Estructura Generador de Vapor para Limpieza

En el informe 7 se hizo una descripción del marco teórico de esta estructura, en este se presentará el diseño preliminar en un modelo controlado por el usuario.

2. Fuente de Energía

Es la fuente de energía necesaria para hacer funcionar el elemento calentador (que al final es el que genera el

vapor) y el circuito de control. La fuente de energía es la energía eléctrica proveniente de la red de

distribución, que viene en forma de voltaje alterno que hay en hogares, empresas, etc.

En este punto hay que hacer una distinción: La energía para alimentar el elemento calentador es diferente a la

energía para alimentar el circuito de control. El elemento calentador utiliza directamente la energía proveniente de la distribución en forma de voltaje alterno, es decir aprovecha la señal de voltaje en la que

viene la energía (la señal de voltaje es sinusoidal, por lo que se le conoce como alterna: AC).

Forma de Onda de Voltaje Proveniente de la red de distribución.

El circuito de control necesita energía en forma de voltaje continuo y directo todo el tiempo, que no cambie,

es decir necesita voltaje constante, más conocido como voltaje DC. De esta manera se necesita una etapa dentro del mismo generador que transforme la señal AC en DC para alimentar el circuito de control. Esa etapa

se conoce como etapa rectificadora AC/DC. Con esta etapa el esquema se vuelve más complejo.

La red eléctrica provee energía a través de voltaje alterno, el cual es una señal sinusoidal de amplitud 170 V y

una frecuencia de 60 Hz.

3. Conversión Energía

Para poder alimentar el circuito de control anteriormente descrito, es necesario utilizar corriente continua, por

lo que es indispensable la utilización de un rectificador DC, a saber: En electrónica, un rectificador es el

elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando

diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como

las de vapor de mercurio.

Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por

tres fases

Como primera medida se utilizará un rectificador sencillo con capacitor, el cual convierte la señal alterna en

una señal constante con un pequeño rizo (este depende de que tan grande sea el capacitor en Faradios). Se

modelan los elementos que requieren la energía DC (los amplificadores, el controlador digital, etc.) como una

resistencia.

Esquema de Circuito Rectificador con Condensador

Señales de voltaje en la entrada y en la salida del rectificador.

Sin embargo la implementación de este dispositivo no garantiza que se entregue la energía DC requerida para alimentar los circuitos, ya que algunos necesitan menos voltaje que el entregado por el rectificador. Por lo que

es necesaria la adición de reguladores, que para diferentes valores de tensiones DC a la entrada siempre

entregan un voltaje DC constante a la salida.

Los reguladores más conocidos son la serie 78xx y 79xx, donde los 78xx entregan voltajes DC positivos en un

amplio rango y los 79xx entregan voltajes DC negativos en un amplio rango. La elección de alguno de estos

estará determinada por lo que cada etapa requiera.

Referencia Rango de

Voltaje de

Entrada (V)

Voltaje DC de

Salida

(V)

7805 7 a 35 5

7812 14.5 a 35 12

7818 21 a 35 18

7905 -7 a -35 -5

7912 -14.5 a -35 -12

7918 -21 a -35 -18

Valores característicos de reguladores DC 78xx y 79xx.Tomado de [8]

De esta manera integrando las etapas de rectificación y regulación de voltaje se tiene que esta etapa debe

entregar 5 v DC a las etapas posteriores que la necesitan para su alimentación. Las ecuaciones de diseño no se

presentan, se presentan las consideraciones para hacer esta etapa de diseño y su simulación:

Los elementos a alimentar se modelan como una carga típicamente resistiva. Ese modelamiento se

efectúa mediante una prueba de medición tensión y corriente necesaria para su alimentación en

condiciones críticas (máxima y mínima carga), logrando un modelo de resistencia crítico.

A partir de este modelamiento se hacen consideraciones de una regulación general de tensión y corriente en la carga, por lo que se evalúa la aplicación clásica de Diodo Zener y la adición de

Reguladores de tensión DC de 5v. Se escoge un Zener de 18 v a 5W, y un regulador de 5V DC

modelo 78L05.

El conjunto conformado por los elementos como el zener , el regulador y la carga, nuevamente se

modelan como una carga resistiva, ahora para modelar el comportamiento del circuito RC

,asumiendo que se necesitan unos valores especiales del condensador y la resistencia para que

suministren energía DC sin que se descargue el condensador. Haciendo cálculos se obtiene una

resistencia en serie adicional de 397Ω, una en paralelo de 12000Ω y un condensador de 1000µF.

Finalmente se escoge el diodo rectificador el cual elimina la señal negativa de tensión. Este diodo

tiene que soportar tensiones de magnitud de la red y por lo menos un 10% superiores (es decir 170

+10%), y corrientes superiores a las máximas corrientes que pueda necesitar el resto de elementos ,

por el orden de 3 A. Se selecciona un diodo 1n5204.

De esta manera la etapa de conversión de energía queda:

Etapa Rectificadora Conversora AC/DC

Ahora simulando la carga como una resistencia crítica de 50Ω se obtienen los siguientes parámetros:

Corriente AC de entrada 1,97 A

Voltaje de Regulación Zener 18,8 V

Voltaje Regulado de Salida 5V

4. Elemento Calentador

El elemento calentador es la resistencia de inmersión sobre la cual se hará pasar corriente eléctrica alterna

regulada, la cual provendrá dela señal alterna de voltaje de la distribución eléctrica. La selección de esta

resistencia se basó en los parámetros entregados por el estudio termodinámico mencionados previamente:

Tiempo de generación de vapor, volumen de vapor a generar, y temperatura de operación del vapor. Teniendo

estas características se acudió a la asesoría de una empresa productora y constructora de resistencia de

inmersión, la cual a partir de esa información determinada sugirió:

Resistencia de Inmersión alimentada por la red eléctrica AC (170 V pico o 120 vrms 60 Hz), con capacidad

de disipación de potencia de 1500 W,para generar vapor en por lo menos 10 min resitente a temperautras del

rango de termopares tipo J.(-40 °C a 750°C).

Con estos datos se procede a hallar otras características que son importantes en las siguientes etapas:

( )

5. Control General

El control general consta de tres sub-etapas: Control de Potencia y Control de Visualización

Control de Potencia

Como se mencionó anteriormente el sistema de control que se modelará será de ON-OFF, donde se controlará

el paso de corriente por la Resistencia de Inmersión. Este proceso en sí es una manera básica de regulación

AC, que consiste en controlar el tiempo determinado de circulación de corriente en una resistencia, en este

caso es “prender” y “apagar” la resistencia cuando sea conveniente. La conveniencia de estos estados está

determinada por la temperatura de operación, es decir no debe superar la barrera de los 145°C (Momento en

que bloquea el paso de corriente) y hay que mantenerla por el orden de 140°C(para esta temperatura e

inferiores se hace pasar toda la corriente por la resistencia).

Esta etapa consiste de un microcontrolador, un driver de potencia, y un elemento activador o interruptor. El microcontrolador es un dispositivo basado en electrónica digital el cual sirve para controlar (como su nombre

lo indica) procesos o aplicaciones electrónicas, eléctricas de computación, etc. En este caso se controla un

interruptor que permite o no el paso de la corriente. El diseño en esa parte se centra en desarrollar un

Red Electrica ACD2

1N5406

R512k

C11000u

D31N5355BRL

R6

397VI

3VO

1

GN

D2

U378L05

programa de hardware que active el interruptor en los momentos deseados. Este programa se escribe y se

compila en un programador de Microcontroladores.

Microcontrolador MicroChip.

En este punto no se elige un microcontrolador ya que depende también de la etapa de visualización.

El driver de potencia es el que lleva la señal de activación al interruptor. Este driver consiste en uno o varios

elementos que llevan señales adecuadas para el uso de interruptores de alta potencia en electrónica. En este caso se quiere aislar la parte del mico-controlador del interruptor y la resistencia, ya que pude haber

circulaciones de corrientes altas o fallas (cortocircuito de alta corriente) que dañen el micro-controlador el

cual es un elemento muy sensible a estos fenómenos. En este caso se opta por un aislamiento opto-electrónico

el cual activa el interruptor con señales ópticas y no eléctricas directamente, se selecciona el opto-acoplador

MOC3021. Este módulo necesita elementos adicionales para funcionar bien una resistencia (1kΩ) y un diodo

rectificador (1n4004).

Finalmente el interruptor de activación que permite el paso de corriente es un interruptor de estado sólido, el

cual se conecta en serie con la resistencia y a través de su activación por medio de un impulso de corriente en

una compuerta permite el paso de corriente. El impulso de corriente lo genera el optocacoplador a través del

microcontrolador.

Este interruptor de estado sólido debe cumplir con tres características: Debe soporta corriente pico máximas de 17.6 A halladas anteriormente, debe soportar tensiones pico un poco mayores a 170v y debe poder

conducir en ambos sentidos de la señal alterna de la red. Evaluando las características de los modelos

disponibles en el mercado y sus hojas de especificaciones se selecciona el TRIAC Q 6025, el cual es un diodo

con compuerta de activación, que soporta hasta 25 A de corriente AC, y soporta 600 v pico de tensión.

De esta manera el circuito de Control de Potencia queda:

Circuito de Control de Potencia

Control de Visualización

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-/CVREF4

RA4/T0CKI/C1OUT6

RA5/AN4/SS/C2OUT7

RE0/AN5/RD8

RE1/AN6/WR9

RE2/AN7/CS10

OSC1/CLKIN13

OSC2/CLKOUT14

RC1/T1OSI/CCP216

RC2/CCP117

RC3/SCK/SCL18

RD0/PSP019

RD1/PSP120

RB7/PGD40

RB6/PGC39

RB538

RB437

RB3/PGM36

RB235

RB134

RB0/INT33

RD7/PSP730

RD6/PSP629

RD5/PSP528

RD4/PSP427

RD3/PSP322

RD2/PSP221

RC7/RX/DT26

RC6/TX/CK25

RC5/SDO24

RC4/SDI/SDA23

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI15

MCLR/Vpp/THV1

U1

PIC16F877A

U2Q6025N5

1

2

6

4

U3

MOC3021

R1

1k

D1

1N4004

R21k

V1VSINE

La etapa de control de visualización es la encargada de tomar las señales eléctricas y transformarlas a un

sistema visualizador, que sea fácil de entender por un usuario. Esta etapa se implementa con un micro

controlador que transforma las señales digitales en otras señales que controlan el elemento visualizador.

El controlador digital convierte esas señales digitales en un código que entiende el elemento visualizador, en

este caso sería una mini-pantalla LCD, la cual muestra caracteres (letras y números) de acuerdo a códigos específicos. De esta manera el diseño consiste en configurar el micro-controlador para que entregue las

señales codificadas para el LCD.

Al igual que para el control de Potencia, se desarrolla un programa de hardware para el microcontrolador que

controle el modulo visualizador. Para desarrollar este programa es necesario conocer el modo de control de la

pantalla LCD y su adecuada configuración. Esta información está ampliamente documentada en Internet, de

esta manera se procedió desarrollarlo y simularlo.

El microcontrolador puede integrar el control de potencia y de visualización en un mismo programa, por lo

que se desarrolla un programa que fusiones ambos. Este tipo de aplicación determina el modelo de

microcontrolador a usar especialmente por la cantidad de entradas y salidas del mismo, adicionalmente se

consideró el costo del mismo y la facilidad de acceso al modelo seleccionado, de esta manera se seleccionó el

microcontrolador PIC-16F877A de Microchip el cual se consigue fácilmente en el mercado, su precio es

reducido (<10000 pesos) , la documentación del mismo es fácil de encontrar, y cuenta con la cantidad

suficiente de entradas y salidas para la aplicación (40 pines).

En el apéndice A se adjunta el código del programa implementado para el proyecto.

Circuito de Control de Visualización

6. Sensor de Temperatura

Los sensores de temperatura eléctricos basan su funcionamiento en la transducción de señales, donde

usualmente generan un voltaje proporcional a la temperatura que están midiendo. En otros casos se modelan

como resistencias, donde cambian su resistencia para diferentes valores de temperatura.

VI3

VO1

GN

D2

U178L05

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-/CVREF4

RA4/T0CKI/C1OUT6

RA5/AN4/SS/C2OUT7

RE0/AN5/RD8

RE1/AN6/WR9

RE2/AN7/CS10

OSC1/CLKIN13

OSC2/CLKOUT14

RC1/T1OSI/CCP216

RC2/CCP117

RC3/SCK/SCL18

RD0/PSP019

RD1/PSP120

RB7/PGD40

RB6/PGC39

RB538

RB437

RB3/PGM36

RB235

RB134

RB0/INT33

RD7/PSP730

RD6/PSP629

RD5/PSP528

RD4/PSP427

RD3/PSP322

RD2/PSP221

RC7/RX/DT26

RC6/TX/CK25

RC5/SDO24

RC4/SDI/SDA23

RA3/AN3/VREF+5

RC0/T1OSO/T1CKI15

MCLR/Vpp/THV1

U3

PIC16F877A

D7

14

D6

13

D5

12

D4

11

D3

10

D2

9D

18

D0

7

E6

RW

5R

S4

VS

S1

VD

D2

VE

E3

LCD1LM016L

Termopar.

En este diseño se opta por el termopar, la cual genera voltajes proporcionales a la temperatura, usualmente uV

por cada °C. Existen diferentes tipos de termopares, donde varía sus características de acuerdo a su rango de

medición, la calidad de sus materiales, y el tipo de atmósferas que resisten. A continuación una tabla con las

características principales de los diversos tipos de termopares:

Características Funcionales de Diferentes tipos de Termopares. Tabla tomada de [1].

Teniendo en cuenta las características de nuestro proyecto, los termopares más favorables son la tipo T y la

tipo J. Se seleccionó termopar tipo J el cual se consigue fácilmente en el mercado, además se debajo cosot y

para la aplicación es suficiente.

En la práctica eléctrica y electrónica las termopares se ven como fuentes de voltaje.

Analogía entre Termopar y Fuente de Voltaje.

7. Adecuación de Señal.

La adecuación de señal tiene tres objetivos: la elevación o amplificación de voltaje, la linealización y la

conversión análoga –digital.

Como se indicó en el numeral 6 de la parte de electrónica los termopares se modelan como fuentes de voltajes

pequeños proporcionales a la temperatura. Estos voltajes pequeños no son útiles para aplicaciones típicas de

electrónica, por lo que es necesario adecuarlos a las mismas. La adecuación consiste en transformar las

señales provenientes del termopar en valores más grandes, que estén dentro de un rango típico de

funcionamiento. Este proceso se conoce como amplificación de voltaje. Adicionalmente la respuesta de la

transducción de temperatura en voltaje no es lineal, es decir la señal de voltaje no es proporcional a la

temperatura, por lo que es necesario adecuarla a una ecuación lineal ya que los dispositivos que usan estas

señales requieren esta característica de las señales adquiridas.

Esta etapa se puede diseñar y fabricar con componentes discretos, sin embargo debido a las magnitudes de los

voltajes inducidos es muy factible incurrir errores en la medición. Por lo tanto como el dispositivo generador

de vapor depende de la temperatura de operación y por ende su medición confiable, se decidió adquirir un

módulo integrado que realiza la función de amplificar voltaje y linealizarlo. EL dispositivo utilizado para los

termopares tipo J es el AD594Q de Analog Devices, el cual entrega 10 mV por °C.

A este módulo solo hay que conectarle un extremo del termopar, adicionalmente alimentarlo con energía DC

proveniente del circuito Conversor AC/DC, donde finalmente por un puerto entrega la señal se voltaje

linealizada e inducida.

Circuito de Adquisición de señales de Temperatura

Finalmente se necesita adaptar esas señales analógicas provenientes del termopar y el módulo linealizador-

amplificador al dispositivo controlador, el cual utiliza estas señales para comparar y determinar que hacer, en

este caso activar o no el interruptor que permite el paso de la corriente. Como es indicó el microcontrolador es

un dispositivo basado en electrónica digital, lo cual implica que trata las señales y la información en forma

binaria. De esta manera es obligatoria la conversión analógica digital, este módulo se puede implementar de

diversas maneras tales como redes de resistencias, integrados específicos, y módulos integrados en microcontroladores.

En esta caso se escoge el modulo presente en el mismo microcontrolador que controla las partes de potencia

y de visualización, éste es otro motivo de la selección del PIC 16F877A.Solo es necesario hacer una

configuración del programa (configurar entrada adicional, frecuencia de muestreo, etc.) y hacer una conexión

adicional como referencia de voltaje.

Estos módulos también se conocen como ADC, donde el objetivo del diseñador escoger el que ofrezca una

tasa de muestreo y de cuantización adecuada para el desempeño de su aplicación específica. La configuración

típica viene con 256 combinaciones de cuantización entre el voltaje máximo de referencia y 0v, con

frecuencia de muestreo de 50KHz a 500KHz. Este modelo para un voltaje de referencia de 5 V produciría un

voltaje base cuantizador de

.

8. Visualización

La visualización consiste en un módulo que muestre al usuario las distintas variables asociadas al manejo de

un dispositivo. En este caso específico se visualizaría la temperatura del vapor o del agua, en la caldera.

Se propone para visualizar la temperatura una mini-pantalla LCD. El control de visualización de la etapa

anterior se encarga de manipular las entradas de la pantalla.

La mini-pantalla LCD también necesita energía DC para su funcionamiento, la cual proviene de la etapa de

conversión AC/DC.

IN+1

IN-14

VO9

FB8

ALM+12

ALM-13

+T3

-T5

-C6

+C2

COMP10

V+

11

COM

4

V-

7

U3

AD594

90.00

+

-

CJ

TC1TCJ

TERMOPAR TIPO J

AD594Q

Mini Pantalla LCD.

El usuario vería en el módulo visualizador:

Interfaz de Usuario del Módulo Visualizador.

Simulación Parte Electrónica

Teniendo en cuenta lo expuesto anteriormente, el circuito completo queda:

Circuito Completo por etapas.

Simulación de señales de activación y en el interruptor

Se evidencia un comportamiento esperado, donde para una señal de activación (señal en 5 v, en este caso un

poco menos 4,4v) el interruptor se encuentra cerrado y gran parte de la tensión (por ende la corriente) aparece

en la resistencia de inmersión, aunque hay una caída de voltaje equivalente a la resistencia de estado cerrado

del TRIAC. Así mismo cuando la señal de activación está en baja el interruptor de estado sólido queda abierto

y en el recae toda la tensión de la red por lo que no hay en la resistencia, esto implica circulación nula de

corriente.

Señal de Activación

del Driver

Tensión en la

Resistencia (RMS)

Tensión en el Interruptor

(TRIAC) (RMS)

Corriente en Interruptor y

Resistencia (RMS)

ON(4,4 V) 105 V 15,5 V 13 A

OFF (0V) 0 V 120 V 0A

Simulación de Comportamiento de la visualización 1

Como se había explicado el módulo amplificador-linealizador está diseñado para entregar 10mV por °C, en

este caso aparecen 1.35 V a la entrada del microcontrolador, y en el LCD se visualiza 138°C con una

advertencia OK! De Temperatura segura. Hay una pequeña variación dependiente de la exactitud del

simulador, sin embargo se ve un comportamiento esperado.

Simulación de Comportamiento de la visualización 2

Se comporta similar que en el caso anterior, salvo que presenta una advertencia de falla o peligro ya que ha

excedido de 145°C la temperatura de operación.

Lista dispositivos y Costos

Valor unitario Cantidad Total

Resistencia de Inmersión 25550 1 25550

Termopar 3500 1 3500

Microcontrolador PIC16F877 7500 1 7500

TRIAC Q6025 4500 1 4500

Optoacoplador MOC3021 1000 2 2000

Diodo 1N4004 50 4 200

Diodo 1N5406 600 1 600

Diodo ZENER 1N5355 600 1 600

Regulador 78L05 600 1 600

Resistencia 100 Ω a 1/4W 100 2 200

Resistencia 1K Ω a 1/2W 100 2 200

Resistencia 330 Ω a 20W 100 2 200

Resistencia 1kΩ a 20W 100 1 100

Resistencia 12kΩ a 10W 100 1 100

Condensador 1mF 1500 1 1500

1 Fusible de 25 A 100 2 200

1 Fusible de 5 A 100 2 200

Interruptor 1000 1 1000

Baquela 20 x20 3000 1 3000

Baquela 20 x10 3000 1 3000

LCD 2X16 8500 1 8500

Regleta LCD 400 1 400

AD594Q 26500 1 26500

Cable para Conexión a Red 1000 1 1000

Cable de Protoboard 250 6 1500

Niple 4’ calibre 40 19000 1 19000

Tapon hembra 4’ 17000 2 34000

Manguera para vapor 14000 1 14000

manometro 8700 1 8700

Válvula de alivio 40psi 60000 1 60000

Acoples manguera vapor 17000 1 17000

Ajustes de mecanizado

recipiente

50000 1 50000

Válvula salida de vapor 7000 1 7000

Valor Total 283350

Fotografías de accesorios y Dispositivos del proyecto

A continuación se muestran las fotos del dispositivo generador de vapor construido por el equipo de trabajo.

La figura anterior muestra el generador vertical en posición horizontal, los componentes que en esta foto se

observan son:

1. Manguera goodyear para vapor de ¼”

2. Válvula para salida de vapor ¼”

3. Válvula de seguridad proporcional de ¾” 4. Manómetro de presión, rango de medición de 0-100 psi

5. Entrada para termopar.

6. Cables provenientes para la conexión de la resistencia

7. Soportes.

La siguiente foto muestra la vista superior del equipo destapado

1

.

2

3

4 5

7

6

En el fondo del recipiente se ve la ubicación de la resistencia (vertical), en la parte derecha se observa la tapa

con la conexión de la válvula de seguridad, el manómetro y la entrada de la termocupla.

El conjunto anterior muestra cómo se desmonta el equipo, tanto las tapas como cada uno de los accesorios

mecánicos conectados son roscados, garantizando el fácil mantenimiento y reemplazo de cada uno ellos. Para

este prototipo la tapa superior es retirada para alimentar el agua.

La última fotografía muestra el generador de vapor con todos sus accesorios desmontados.

A continuación el montaje para prueba de la parte electrónica:

En la siguiente imagen se expone la misma estructura electrónica pero vista modularmente:

En esta parte falta la parte de le resistencia de inmersión ya que está montada en el recipiente.

De todas maneras se adiciona una imagen de la misma antes de ser acoplada al recipiente:

Pruebas

La sección de pruebas del equipo se realizará en los siguientes días debido a que hubo cierta dificultad en

conseguir el financiamiento de los materiales y elementos a usar. De esta manera se entregará un informe

adicional con resultados y análisis de las pruebas, además se incluirá en la presentación de sustentación.

Conclusiones

Los aceros inoxidables son muy importantes para aplicaciones en donde la operación bajo ambientes

que implican corrosión son el factor predominante, estos según el tipo de acero mezclan

adecuadamente la resistencia mecánica y química teniendo en cuenta que los más resistentes a la

tensión son los martensiticos pero los que soportan mayor la corrosión frente a varias condiciones

son los austeniticos.

La forma del recipiente depende principalmente del tipo de fluido a almacenar junto con las

condiciones de trabajo que se vallan a dar, cabe anotar que si es un líquido la mejor forma es la

elíptica y si es un gas la más óptima es la esférica, siendo en nuestro caso una forma esférica la ideal

pero debido a factores que van más allá del diseño la más adecuada es la que implica un recipiente

cilíndrico.

Tanto la forma cilíndrica con tapa toriesferica, como la esférica, se pueden utilizar en el diseño, ya

que la cantidad de material requerido es similar.

Desde la perspectiva del ingeniero químico como del ingeniero mecánico, el recipiente esférico sería

el más adecuado, pues las tapas podrían unirse mediante bridas que permitirían un mantenimiento

sencillo y periódico al equipo.

La última decisión la tiene el grupo de ingeniería electrónica, pues la forma del recipiente depende

de la ubicación de la resistencia que va a calentar el agua.

El mayor costo energético proviene del proceso de vaporización, luego se podría considerar el

trabajar con condiciones de sobrecalentamiento, las cuales pese a aumentar la presión, no aumentan

significativamente los costos energéticos.

Los principios básicos para la operación de estos equipos en esencia son los mismos sea el modelo

que sea y esto permite que haya cierta similitud en la constitución de estos.

El manejo de los agujeros en el recipiente debe ser muy cuidadoso al convertirse estos en

concentradores de esfuerzos siendo estos aspectos muy críticos en cuanto al diseño del generador de

vapor debido a las presiones a utilizar.

El diseño clásico de generadores de vapor se ha reducido a etapas simples, que simplifican su

desarrollo, sin embargo con las herramientas de la electrónica, se espera encontrar diseños más

robustos que efectúen un control más eficaz sobre el sistema, que en el fondo servirá para que la

máquina se desempeñe mejor para los requerimientos del usuario.

La válvula de seguridad se debe disparar a una presión de 2,5 bares, (presión de trabajo para permitir

su salida), para que el vapor salga a la manguera goodyear.

El material de construcción escogido fue acero al carbón debido a los altos costos que involucran el

acero inoxidable.

La valvula de seguridad es de alivio proporcional para no producir sonidos o acciones que puedan

alterar al usuario.

En el desarrollo de un segundo prototipo es necesario tener en cuenta el aislamiento tanto del

recipiente como de la manguera, con el fin de evitar perdidas de calor y accidentes.

BIBLIOGRAFIA Y FUENTES DE INFORMACIÓN

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[5] http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml

[6] http://asumag.com/Maintenance/university_steaming_clean/

[7] http://www.morclean.com/vapour-steam/index.html

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[17] http://www.morclean.com/vapour-steam/index.html

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[19] http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujodegases/presiondevapor/presiondevapor.html

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NvQyxdWw9Bpo0agmpyik*uICHbeTNrYBGnTuSHa3YyoZAaqCpzsPZVombt4SC1Ec3oKQBvtvLktm0uO

R%2FANDIcosmeticosyaseoclasemundialJULIO.doc&ei=ZCyOTJmgCYf0swPporihBA&usg=AFQjCNGaQ

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[24] Megyesy. Eugene. “Pressure Vessel Handbook”. 1992.

[25] Código A.S.M.E. Sección VIII. División 1. Edición 1995

[26] http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/termocuplas2.htm

[27]

http://www.promelsa.com.pe/productos_list.asp?id_linea=008&id_sublinea=5&id_familia=04&saldos=&pm

_list=L

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[29] http://www.asifunciona.com/electronica/af_conv_ad/conv_ad_5.htm

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http://www.microcomsolutions.com/productos/microcontroladores/microchip/default.html

[31] Programadores de Micro-Controladores, http://solaris-digital.com/tarjetas.html [32] Mini-Pantallas LCD, http://www.e-lab.de/diverse/components_en.html

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[37] Curso elemental de diseño de tuberías industriales. Fundamentos y su aplicación en la ingeniería,

Serratos Monroy, Benjamin.

[38] “Válvulas de alivio de presión proporcional. serie r). Swagelok. 2009.

[39] Curso de diseño y construcción, protección catódica, inspección, reparación, y modificación de tanques

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[40] Notas de Clase, Electrónica de Potencia.

[41] Notas de Clase, Sistemas Embebidos.

Apéndice A

Código en C++ de programa de microcontrolador de Generador de Vapor para Limpieza

#include "C:\Users\Claudio Bohorquez\Documents\MicroPIC\cONTROL.h"

void initLCD(void)

OUTPUT_D(0x3C);

OUTPUT_B(0x10);

delay_ms(2);

OUTPUT_B(0x00);

delay_ms(2);

void cursorLCD(void)

OUTPUT_D(0x0C);

OUTPUT_B(0x10);

delay_ms(2);

OUTPUT_B(0x00);

delay_ms(2);

void EscribirLCD(int simbolo)

OUTPUT_D(simbolo);

OUTPUT_B(0x50);

delay_ms(2);

OUTPUT_B(0x40);

delay_ms(2);

OUTPUT_B(0x00);

delay_ms(2);

void moverCursorLCD(int posxy)

OUTPUT_D((0x80)|posxy);

OUTPUT_B(0x10);

delay_ms(2);

OUTPUT_B(0x00);

delay_ms(2);

void main()

SET_TRIS_B(0);

SET_TRIS_C(0);

SET_TRIS_D(0);

setup_adc_ports(RA0_RA1_ANALOG_RA3_REF);

setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_32);

delay_ms(1);

initLCD();

cursorLCD();

while(1)

int var;

int temp;

int v1;

int v2;

int v3;

delay_ms(1);

temp=READ_ADC();

delay_ms(1);

var=temp*2;

delay_ms(1);

if(var<143)

OUTPUT_C(1);

else

OUTPUT_C(0);

v1=var/100;

v2=(var%100)/10;

v3=(var%100)%10;

moverCursorLCD(0X03);

EscribirLCD('T');

EscribirLCD('E');

EscribirLCD('M');

EscribirLCD('P');

EscribirLCD('E');

EscribirLCD('R');

EscribirLCD('A');

EscribirLCD('T');

EscribirLCD('U');

EscribirLCD('R');

EscribirLCD('A');

moverCursorLCD(0XC0);

EscribirLCD(v1+48);

EscribirLCD(v2+48);

EscribirLCD(v3+48);

EscribirLCD(223);

EscribirLCD('C');

EscribirLCD(' ');

if(var>142)

EscribirLCD('C');

EscribirLCD('U');

EscribirLCD('I');

EscribirLCD('D');

EscribirLCD('A');

EscribirLCD('D');

EscribirLCD('O');

EscribirLCD('!');

EscribirLCD(' ');

else

EscribirLCD(' ');

EscribirLCD(' ');

EscribirLCD(' ');

EscribirLCD('O');

EscribirLCD('K');

EscribirLCD('!');

EscribirLCD(' ');

EscribirLCD(' ');

EscribirLCD(' ');

// TODO: USER CODE!!