revista científica cedit 2008 - Universidad Nacional Mayor de San

REVISTA CIENTIFICA CEDIT
CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACIÓN EN TERMOFLUIDOS CEDIT
Número 3
2008
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
(Universidad del Perú , Decana de América)
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 2
Edición Nº1
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS
EAP INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOS
CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION EN TERMOFLUIDOS - CEDIT
REVISTA CIENTIFICA CEDIT
Dr. Luis Izquierdo Vásquez
Rector
Dr. Víctor Peña Rodríguez
Vicerrector Académico
Dra. Aurora Marrou Roldán
Vicerrectora de Investigación
Dr. Jorge Bravo Cabrejos
Decano de la Facultad de Ciencias Físicas
MSc. Ing. Sissi Santos Hurtado
Director (a) de E.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos
COMITE EDITOR 2008
Centro de Publicación CEDIT
ASESORES
Ing. Andrés Valderrama Romero Ph. D.
Ing. José Aguilar Bardales
Ing. Miguel Ángel Ormeño Valeriano Ph. D.
Ing. Emanuel Jesús Guzmán Zorrilla.
La Revista de Investigación del Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT de la E.A.P
Ingeniería Mecánica de Fluidos publica trabajos realizados por los docentes, estudiantes y egresados
investigadores de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Para solicitar información, dirigirse a:
E.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos UNMSM
Ciudad Universitaria Av. Venezuela Cdra. 34 s/n Lima 1 Perú
Apartado postal 14-0149 Lima 14- Perú
Teléfono (51-1) 6197000 anexo 3819 / 3810 /3806
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
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AÑO 2006
Email: [email protected]
___________________________________________________________________________________
REVISTA CIENTIFICA CEDIT
_________________________________________________________________________________________________________
2008
NUMERO 3
INDICE
PRESENTACIÓN................................................................................................................................................. Pág. 5
CONSTRUCCIÓN DE UN GENERADOR DE OLAS ................................................................................................. Pág. 6
ARTIFICIALES ESTATICAS .................................................................................................................................... Pág. 6
CONSTRUCTION OF AN ARTIFICIAL STATIC WAVE GENERATOR ...................................................................... Pág. 6
Emanuel Guzmán, Eder Salcedo, Dennis Casas, Jimmy Mendoza, Héctor Alcalde ......................................... Pág. 6
CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SECADOR SOLAR POR CONVECCIÓN NATURAL PARA EL SECADO DE
PLANTAS MEDICINALES NO TRADICIONALES ................................................................................................. Pág. 18
CALCULATION AND CONSTRUCTION OF A SOLAR DRYER BY NATURAL CONVECTION FOR DRYING OF NONTRADITIONAL MEDICINAL PLANTS .................................................................................................................. Pág. 18
Clodoaldo Sivipaucar, Herve Curo, Eder Huancahuari, Víctor Llantoy, & Andrés Valderrama ....................... Pág. 18
ESTUDIO DE LOS NIVELES DE RUIDO EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE SAN MARCOS – LIMA ................ Pág. 31
STUDY OF NOISE LEVELS IN SAN MARCOS CAMPUS – LIMA.......................................................................... Pág. 31
Lorena Olivera, Jairo Pinedo, Rubén Romero, José Pizarro, Felipe Ancajima, Andrés Valderrama .............. Pág. 31
VALIDACIÓN DEL MÉTODO DE TUBOS PASIVOS CON FILTROS COLECTORES PARA DETERMINAR LA
CONCENTRACIÓN DE MATERIAL SÓLIDO SEDIMENTABLE EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE SAN MARCOS
............................................................................................................................................................................ Pág. 42
VALIDATION OF THE METHOD OF PASSIVE PIPES WITH FILTERS COLLECTORS TO DETERMINE THE
CONCENTRATION OF SOLID MATERIAL SEDIMENTABLE IN THE UNIVERSITY CAMPUS OF SAN FRAMEWORKS
............................................................................................................................................................................ Pág. 42
José Huallaro B., Héctor Laos V., Fred Gutarra D., Mileydi Cabrera R. & Andrés Valderrama R.................... Pág. 42
ESTUDIO COMPARATIVO PARA LA DETERMINACION DEL POLVO ATMOSFÉRICO SEDIMENTABLE EMPLEANDO
LAS METODOLOGÍAS DE TUBO PASIVO Y DE PLACAS RECEPTORAS EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE SAN
MARCOS – LIMA................................................................................................................................................. Pág. 49
COMPARATIVE STUDY FOR THE DETERMINACION OF THE ATMOSPHERIC DUST SEDIMENTABLE EMPLOYING
THE METHODOLOGIES OF PASSIVE PIPE AND OF PLATES RECEPTORAS IN THE UNIVERSITY CAMPUS OF SAN
MARCOSS – LIMA............................................................................................................................................... Pág. 49
Rubén Marcos, Mileydi Cabrera, Héctor Laos, Dalma Mamani & Andrés Valderrama ................................... Pág. 49
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COCINAS NO CONVENCIONALES PARA LA COMBUSTIÓN ÓPTIMA DE MEZCLAS
DE PETRÓLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, GIRASOL Y ALGODÓN .................................................... Pág. 59
DESIGN AND CONSTRUCTION OF NOT CONVENTIONAL KITCHENS FOR THE OPTIMUM COMBUSTION OF
MIXTURES OF DIESEL FUEL 2 WITH BIODIESEL OF SOY, SUNFLOWER AND COTTON .................................. Pág. 59
Rubén Marcos, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas, Andrés Valderrama ............................ Pág. 59
INVESTIGACION DE LA INFLUENCIA DE LA LENGÜETA DEL VENTILADOR RADIAL EN SUS CARACTERISTICAS
ACUSTICAS Y AERODINAMICAS ........................................................................................................................ Pág. 71
INVESTIGATION OF INFLUENCE OF CENTRIFUGAL FAN TONGUE UPON ACOUSTIC AND AERODYNAMIC
CHARACTERCTICS .............................................................................................................................................. Pág. 71
M.A. Ormeño Valeriano, S. V. Tsulimov, A.K. Ivanov ....................................................................................... Pág. 71
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PRESENTACIÓN
La Investigación Científica como parte del proceso de enseñanza-aprendizaje, provee al estudiante de los caminos
lógicos del pensamiento científico, que resultan imprescindibles para el desarrollo de las capacidades cognoscitivas
en especial las creadoras, con las que el estudiante se apropia de conceptos, leyes y teorías que les permiten
profundizar en la esencia de los fenómenos con ayuda del método investigativo, como vía fundamental del
enriquecimiento del conocimiento científico.
En esta oportunidad nos complace en presentar a la comunidad universitaria la tercera edición del Informe Científico
de Investigación CEDIT de la E.A.P. Ingeniería Mecánica de Fluidos de la Facultad de Ciencias Físicas, parte de
difusión del esforzado trabajo de investigación realizado por los docentes , estudiantes y egresados investigadores de
la Universidad Nacional Mayor de San Marcos.
Hacemos Público nuestro agradecimiento a todos los autores por su desplegado desempeño para publicar sus trabajos,
Además Debemos agradecer a las personas que han colaborado en la evaluación y revisión de los artículos tanto en el
aspecto técnico como estilo, a fin de garantizar la calidad académica y científica.
Asimismo, agradecemos al Ing. José Aguilar Bardales por el apoyo incondicional mostrado durante estos años.
Lima-Perú
2008
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CONSTRUCCIÓN DE UN GENERADOR DE OLAS
ARTIFICIALES ESTATICAS
CONSTRUCTION OF AN ARTIFICIAL STATIC WAVE GENERATOR
Emanuel Guzmán, Eder Salcedo, Dennis Casas, Jimmy Mendoza, Héctor Alcalde
______________________________________________________________________________________
RESUMEN
El planteamiento central del presente proyecto consiste en el diseño y construcción de un modelo a menor escala de
un generador de olas artificiales estáticas. Actualmente existen grandes centros turísticos de recreación ubicadas en
diversas partes del mundo como Norteamérica, Asia y Europa, que contienen atracciones como las piscinas de olas
artificiales. Un ejemplo de ello es un modelo generador de olas artificiales llamado “Bruticus Maximus”, ubicado
en San Francisco – Estados Unidos, este modelo genera una ola estática de hasta 2.5 metros a una velocidad de 50
kilómetros por hora y con un caudal de casi medio millón de litros por minuto. Esta atracción genera ganancias
millonarias anuales y además ha revitalizado turísticamente el otrora decaído Parque Belmont, lugar donde queda
ubicada la atracción. En este proyecto consiste en el diseño y construcción de un generador de olas artificiales a
menor escala a través de diversas herramientas como: creación de maquetas y manejo de canales de pendiente
variable. Los datos obtenidos luego son procesados para simular el funcionamiento de una ola estática a través de un
modelamiento numérico y finalmente construirlo en tamaño real.
ABSTRACT
The main idea of this project is model’s construction and design of static artificial wave generator. Currently there
are big tourist attractions located in different parts of the world such as North America, Asia, and Europe, which
have got attractions as artificial wave pools. An example of that could be an artificial wave generator called:
“Bruticus Maximums”, located in Saint Francisco-USA, this kind of pool generates artificial waves of 2.5 meters, 50
kilometres per hour and a half million litres per minute. This attraction produces millions in profits per year and it
has revitalized the old Belmont’s Park. The present project shows the construction of a scale model with different
tools such as: variable decline canal and different scale models. Then, some data are processed to simulate the waves
using numerical modelling software to finally construct the generator in real size.
_______________________________________________________________________________________
INTRODUCCIÓN
Actualmente existen grandes centros turísticos de
recreación ubicadas en diversas partes del mundo
como Norteamérica, Asia y Europa, que presentan
como sus principales atracciones: las piscinas de olas
artificiales. Precisamente se espera, al finalizar el
proyecto, conocer los parámetros de funcionamiento
de un generador de olas artificiales estáticas para
fundamentar el diseño un módulo experimental
funcional a escala.
PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO
Para poder realizar con éxito nuestro estudio es
necesario responder estas preguntas, de esta manera,
se plantean posibles soluciones a nuestras
interrogantes, primero responderemos la pregunta
¿Qué velocidad debe tener el agua para sostener al
surfista? Y para ello necesitamos saber ¿Qué hace
que el agua sostenga al sufista en la superficie
inclinada.
FORMULACIÓN DE OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Generar un modelo a escala de un generador de olas
artificiales.
OBJETIVO ESPECÍFICO
Calcular los parámetros de diseño para este modelo a
escala, tales como: Radio de curvatura, caudal
mínimo para que se pueda sostener un surfista, entre
otros.
FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS
Hipótesis
1. El movimiento del surfista en la delgada
capa de agua se debe a la gran velocidad
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del agua y la fuerza de arrastre que esta
produce.
2.
3.
4.
Se realizará un módulo
dulo experimental del cual se
obtendrá un modelo en computadora.
Se construirá un canal de pendiente para analizar
factores como rozamiento y fuerza de arrastre.
Se analizará el modelo en computadora y junto
con los datos del canal se obtendrá las
velocidades con la cual se debe lanzar el agua.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Fuerza de arrastre
Laa fuerza de arrastre se define como la fricción entre
un objeto sólido y el fluido (un líquido o gas) por el
que se mueve. Para un sólido que se mueve por un
fluido o gas,, el arrastre es la suma de todas las
fuerzas aerodinámicas o hidrodinámicas en la
dirección del flujo del fluido externo. Por tanto, actúa
opuestamente
stamente al movimiento del objeto, y en un
vehículo motorizado esto se resuelve con el empuje.
paredes y de la velocidad media del agua.
Expresiones prácticas para el cálculo
Para tubos llenos, donde
se transforma en:
, la fórmula de Bazin
……(2)
Los valores de son:
• 0.16 para tubos de acero sin soldadura
• 0.20 para tubos de cemento
• 0.23 para tubos de hierro fundido
Simplificando la expresión anterior ppara tubos de
hierro fundido:
……(2)
La fórmula de Kutter,, de la misma forma se puede
simplificar:
Con m = 0.175;
Pérdida de carga
Con m = 0.275;
La perdida de carga en una tubería o canal, es la
pérdida de energía dinámica del fluido debido a la
fricción de las partículas del fluido entre sí y contra
las paredes de la tubería que las contiene.
Pueden ser continuas, a lo largo de conductos
regulares, o accidental o localizada, debido a
circunstancias particulares, como un estrechamiento,
un cambio de dirección, la presencia de una válvula,
etc.
Pérdida de carga en conducto rectilíneo
Con m = 0.375;
Pérdidas de carga localizadas
Las pérdidas de carga localizada o accidental se
expresan como una fracción o un múltiplo de la
llamada "altura de velocidad"" de la forma:
……(3)
Donde:
Si el flujo es uniforme, es decir que la sección es
constante, y por lo tanto la velocidad también es
constante, el Principio de Bernoulli,, entre dos puntos
puede escribirse de la siguiente forma:
= pérdida de carga localizada;
V = velocidad media del agua, antes o
después del punto singular, conforme el
vaso;
K = Coeficiente determinado en forma
empírica para cada tipo de punto singular
…(1)
Donde:
= constante gravitatoria
= altura geométrica en la dirección de la
gravedad en la sección
ó
= presión a lo largo de la línea de
corriente
= densidad del fluido
: pérdida de carga; siendo ,
la distancia entre las secciones 1 y 2; y, el
gradiente o pendiente piezométrica, valor
que se determina empíricamente para los
diversos tipos de material, y es función del
radio hidráulico y de la rugosidad de las
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Cuadro 01. Constantes de singularidades.
FORMULACIÓN DE ÍTEMS
¿Qué velocidad debe tener el agua para sostener al
surfista?
ad depende de factores como la
-Esta velocidad
rugosidad de la superficie, la velocidad final en el
recorrido del fluido y la forma geométrica de la
superficie.
Fig. 01. Diagrama de fuerzas sobre el surfista.
Donde:
E: El empuje
D: La fuerza de arrastre
W: El peso
E: El levante
Consideraremos el sistema de fuerzas en la Fig. 01,
de este D.C.L consideraremos las siguientes
ecuaciones:
…………(4)
……….. (5)
¿Qué hace que el agua sostenga al sufista en la
superficie inclinada?
-La gran fuerza de arrastre existente enn el fluido que
se mueve a gran velocidad permite que el surfista con
su tabla se puedan mover sobre un espesor de agua de
aproximadamente 15cm.
¿Qué forma debe tener la superficie para que se
forme la ola?
Si la hipótesis es correcta se plantea como solución al
problema la construcción de una tabla a escala de la
maqueta y un canal de pendiente variable donde se
pueda medir el Cd de aquella tabla, pues se tiene que:
..…(6)
Donde:
D: Arrastre
-Básicamente
Básicamente se necesita que sea curva para que se
forme la ola, ya que el agua seguirá la forma de la
superficie si tiene la velocidad necesaria y la
rugosidad es mínima.
: Densidad del agua
v: Velocidad del agua
A: Área de la tabla perpendicular a la
corriente
¿Qué forma debe tener el “cigarro” para que
suministre las velocidades necesarias?
Despejando C d de (1) y (2) se tiene:
-La
La forma del cigarro depende de la cantidad y
velocidad del agua al momento de ser lanzada contra
la superficie.
Donde:
….(7)
W, Cd, ρ , θ son conocidos y A podría
mantenerse constante para el experimento en
el canal.
¿Qué escalas utilizar para que el modelo represente a
un prototipo real?
Para realizar un prototipo que represente al real se
-Para
debe cumplir que el número de Reynolds en el
modelo y en el real sea el mismo, para ello se hace
variar factores como la densidad del fluido, pero para
el caso de nuestro módulo experimental no
llegaremos a tanto por ser un proyecto aún en
desarrollo.
Cuadro 02.Para hallar v:
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
Consideraremos que el surfista queda sostenido por
una fuerza de empuje y una fuerza de levante propias
de el flujo de agua, detallando mejor se tendria:
Fig. 02. Esquema de prueba en el canal para hallar la
velocidad.
De la ecuación de la energía:
P1
v2
P
v2
+ 1 + Z1 = 2 + 2 + Z 2 + H f
ρ * g 2* g
ρ * g 2* g
..(8)
Como:
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P1 = P2 = Presión atmosférica
Además:
2
f × ( X 2 − X 1 ) × vmedia
Hf =
Dh
…… (9)
C=
Donde:
Donde:
Dh =
Rh1 / 6
….(13)
n
n: Coficiente de Manning ( para el vidrio
n = 0.01 )
C: Coeficiente de Chezy
4 Area
Perimetro ...(10)
Por otro lado, sea la sección del Canal:
Caudal
Caudal
(l/m)
120
ángulo de
pendiente = 0
ángulo de
pendiente
=0.006
ángulo de
pendiente =
0.012
ángulo de
pendiente =
0.018
0.02
tirante
(cm)
tirante
(m)
Fricción
1.08
0.0108
0.057
0.058
60
0.01
0.96
0.0096
30
0.005
2.018
0.0201
0.052
120
0.02
1.23
0.0123
0.0556
b
Fig. 03. Sección del Canal.
60
0.01
1.26
0.0125
0.0557
30
0.005
1.15
0.0115
0.0564
120
0.02
1.266
0.0126
0.0556
60
0.01
1.106
0.0110
0.0568
30
0.005
1.167
0.0117
0.0563
120
0.02
1.205
0.0120
0.0560
60
0.01
1.326
0.0132
0.0552
30
0.005
1.2
0.012
0.0561
En el Cuadro 02 se aprecian los valores de fricciones
en función del caudal y la pendiente para el canal de
vidrio de ancho 15 cm.
Para hallar
a
Vmedia:
⇒ Rh =
A 2( a + b) ……..(14)
=
P
ab
Donde:
a : Tirante
b: Ancho del canal (15 cm)
 2(a + b) 
 ab 
Entonces: C = 
n
Donde:
C=
87 Rh
…..(12)
Rh + γ
Donde γ es el Coeficiente de Bazin (para el vidrio
γ = 0.006 ).
8 gn 2
1/ 3
…(17)
 ab 


 2(a + b ) 
Utilizando esta fórmula, realizamos pruebas en el
canal de pendiente variable para caudales de 120 l/m,
60 l/m, 30 l/m haciendo variar las pendientes.
Para calcular Hf:
De (9):
Hf =
2
f ( X 2 − X 1 )V media
Dh
Donde:
f : fricción
( X 2 − X 1 ) = 2 cosθ
Entonces la velocidad media queda en función de la
pendiente.
1/ 2
…….(16)
Igualando y despejando la fricción:
f =
Según Bazin:
…(15)
1/ 2
 8g 
Pero: C = 
 f 
 
Vmedia = C Rh × S 0 ……(11)
C : Coeficiente de Chezy
Rh : Radio Hidráulico
S0 : Pendiente del canal
1/ 6
Dh = 4Rh
Entonces la velocidad en un punto será:
Vmedia = KS0
1/ 2
= K (Tanθ )
Para hallar
V2 = 2 gv12 + 2 gHSen θ − H f …(18)
f , según Manning:
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V1 =
Q
A1
Reemplazando en (18):
V2 = 2 gv12 + 2 gLsenθ −
2
f (θ ) H cos Vmedia
(θ ) …(19)
Dh
Además:
Wtabla = 3.9953
Despejando v de la ecuación de la energía:
v = v12 + 2 gH sin(θ ) − H f
….(23)
Una vez conocido el Cd de nuestra pequeña tabla, se
puede hallar la velocidad del agua necesaria para que
sostenga al surfista más su tabla en la pendiente
inclinada:
Etabla = ρgVtabla
Entonces:
2(W − E )senθ ……(20)
Cd =
2
ρVmedia
Aataque
……(24)
Considerando un peso de 150 gramos, un angulo de
pendiente de 30 grados y un area de 0.00175 m2 se
tiene que la velocidad final es: 1.000896947 m/s
Y del gráfico:
α
Diseño del canal para el experimento
E
El canal constará de las siguientes partes:
•
•
•
Fig. 03. Grafico del área de ataque.
Aataque = Atabla × cos α ……(21)
•
El difusor
Canales de vidrio (3)
Sistema para la pendiente y para sostener
al la pequeña tabla.
La tabla a escala
Donde:
E: empuje
θ :Ángulo de la pendiente
α : Ángulo de inclinación de la tabla.
ρ : Densidad
V: velocidad
Por otro lado:
X 2 − X 1 = H cos(θ ) ……(22)
De (9):
2
f × ( X 2 − X 1 ) × vmedia
Hf =
Dh
Donde:
f : Fricción del canal de vidrio
ángulo de
pendiente
Caudal
0
0,002
0
0,001
0
0,0005
0,006
0,002
Perdida de
carga
COEFICIENTE
DE ARRASTRE
0,006
0,001
0,006
0,0005
0,012
0,002
0,08716413
0,0836952
0,012
0,001
0,10008732
0,06454446
0,012
0,0005
0,018
0,002
0,18794147
0,0493547
0,018
0,001
0,12950277
0,00699859
0,018
0,0005
Fig. 04. Diseño de canal de pendiente variable.
El Difusor
Un difusor es un ensanchamiento de área u aumento
de área cuya finalidad es reducir la velocidad y
recuperar la presión.
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Para nuestro difusor tenemos que:
A1 = 6.4516 ×10 −4 m2 ; A2 = 7.5 ×10−4 m2
W1 = 0.0254m ; W2 = 0.15m
De (17) se tiene:
Cp=1-
1
=0.26
… (29)
Además:
Fig. 05. Diseño de difusor.
Despejando
de (16) se tiene que:
…...(30)
Fig.06. Difusor Construido
El parámetro de un difusor es el coeficiente de
recuperación (C p), definido por:
Se tiene que para que el difusor tenga la mejor
distribución de velocidad en la salida, el Cp debe
acercarse a donde esta la recta en la grá
gráfica de Fox y
Kline, para ello tabulamos los valores de “2
“2ѳ” versus
“L/W1” y ubicamos los puntos en la mencionada
grafica:
…… (25)
Donde:
Ps : Presión en la salida
Pg : Presión en la garganta o entrada.
Pero de la ecuación de Bernoulli (sin considerar
fricción):
…(26)
Despejando se tiene que un Cp sin fricción seria:
 v2
 v1
Cp = 1 – 

2

 ... (27)

De la ecuación de continuidad se tiene que:
Q = v1 A1 = v2 A2
Fig. 07. Diagrama de Cp de Fox y Kline.
Reemplazando en (5) se tiene que:
−2
Cp = 1–  A2  ... (28)
A 
 1
Altos Cp significan una buena recuperación de la
presión y una reducción de la velocidad, además de
una mejor distribución de velocidades en la salida.
Para obtener la mejor aproximación de los valores de
Cp se utiliza el diagrama completo de estabilidad
para difusores de paredes planas de Fox y Kline,
donde
onde los parámetros que se utilizan son:
ϑ : Angulo del difusor
L: Longitud del difusor
W1: Ancho en la entrada
W2: Ancho en la salida
Cuadro 02. Longitud de difusor versus Angulo.
De la grafica se observa que el punto que más se
acerca a la recta donde está el mejor Cp es:
• Ѳ= 3.5
• L/W=40
Reemplazando en (7), se tiene que para un
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L=1.016m, se va a tener en teoría el valor de Cp mas
cercano a 0.26 y por lo tanto una mejo distribución de
velocidades en la salida.
Canales de vidrio
Se han construido tres canales de vidrio de sección
15cmx8cm y con unas longitudes de 40cm, 60cm y
100cm, para poder probar el canal con diversos
caudales sin correr el riesgo de que el agua se
acumule.
Fig. 11. Diseño de sistema corredizo.
¿Qué forma debe tener la superficie para que se
forme la ola?
Para responder ah esta pregunta se creo un modulo
experimental el cual se puede modificar en el estudio:
Fig. 08. Diseño de canal.
Fig. 12. Modulo experimental.
Fig. 09. Canales construidos.
ruidos.
Sistema de tabla en miniatura-área
área de ataque
Se ah mandado a tornear dos piezas que consisten en
una tabla en miniatura unida a una varilla que puede
modificar su pendiente. Una de estas piezas servirá
para el análisis en el canal y la otra para la el modelo
en maqueta de la ola.
Después a esta superficie se le tomo coordenadas
utilizando un aparato creado por nosotros bautizado
‘coordinometro’, el cual consiste en un carril con una
placa móvil que tiene varios agujeros, en los cuales se
introduce una varilla en la cual
ual se mide la altura Z de
la coordenada dada. Con el cual se tomaron 2450
puntos con coordenadas x, y z y utilizando el
comando 3dmesh del Autocad se genero el siguiente
modelo:
Fig. 10. Diseño de tabla en miniatura
Sistema de carril para tabla en miniatura
Fig. 13. Primera maya obtenida en Autocad.
Pieza también torneada en aluminio que sirve para
que la tabla en miniatura pueda deslizarse a lo largo
del canal por causa de la fuerza
za de arrastre del agua.
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Luego se obtuvieron 59 secciones correspondientes a
todos los cortes que realizamos a la superficie sólida:
Fig. 14. Otra vista de la maya obtenida en Autocad.
También en Matlab por medio de interpolación se
obtuvo un modelo de nuestra superficie:
Fig. 18. Algunos perfiles simplificados
Ahora se nota dos tipos de secciones predominantes,
como la sección 1 y la sección 11:
Fig. 15. Superficie obtenida por interpolación en
Mathlab.
Sin embargo para poder analizar mejor el
movimiento del
el agua en la superficie era necesario
obtener la intersección de la superficie con planos
cortantes, pero en Autocad no se podía obtener de
manera directa, pues no es posible intersecar una
maya con un plano. Así que se utilizó la rutina de
Autocad M2s, el cual permite transformar mayas en
sólidos.
Fig. 19. Primer tipo de perfil predominante.
Fig. 20. Segundo tipo de perfil predominante.
Fig. 16. Superficie sólida
lida
Después
espués cada perfil se simplificó utilizando arcos y
rectas de tal manera que tomen la forma de la figura
anterior:
Una vez que la superficie ya era sólida, separamos las
secciones y la intersecamos con planos:
Fig. 21. Sección sin simplificar.
Fig. 17. Superficie separada en secciones.
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De estas nuevas secciones obtuvimo
obtuvimos los siguientes
datos geométricos,, que se muestran en los cuadros 03
y 04:
RECTA
Secciones X
Y
X
Y final m
b
inicial inicial final
1.
0.000 0.173 0.260 0.173 0.000 0.173
2.
0.000 0.167 0.196 0.163 0.008 0.167
3.
0.000 0.162 0r2247 0.165 0.021 0.162
4.
0.000 0.156 0.181 0.156 0.000 0.156
5.
0.000 0.151 0.213 0.155 0.002 0.151
6.
0.000 0.147 0.201 0.150 0.019 0.147
7.
0.000 0.144 0.190 0.146 0.013 0.144
8.
0.000 0.142 0.130 0.144 0.008 0.142
9.
0.000 0.140 0.195 0.142 0.010 0.140
10.
0.000 0.137 0.197 0.140 0.020 0.137
11.
0.000 0.135 0.174 0.139 0.020 0.135
12.
0.000 0.134 0.217 0.141 0.036 0.134
13.
0.000 0.133 0.216 0.139 0.033 0.133
14.
0.000 0.131 0.186 0.133 0.010 0.131
15.
0.000 0.131 0.136 0.132 0.004 0.131
16.
0.000 0.130 0.205 0.133 0.016 0.130
17.
0.000 Or127 0.249 0.144 0,053 0.127
18.
0.000 0.125 0.203 0.132 0.027 0.125
19.
0.000 0.125 0.241 0.133 0.027 0.125
20.
0.000 0.125 0.29 0 0.143 0.090 0.125
21.
0.000 0.125 0.244 0.133 0.031 0.125
22.
0.000 0.125 0r257 0.134 0.035 0.125
23.
0.000 0.125 0.262 0.133 0.029 0.125
24.
0.000 0.125 0.269 0.131 0.022 0.125
25.
0.000 0.125 0.279 0.134 0.032 0.125
26.
0.000 0.125 0.237 0.131 0.021 0.125
27.
0.000 0.125 0.292 0.130 0.017 0.125
28.
0.000 0.125 0.306 0.130 0.017 0.125
29.
0.000 0.125 0.330 0.134 0.027 0.125
30.
0.000 0.125 0.329 0.133 0.023 0.125
31.
0.000 0.125 0.336
0r132 0.021 0.125
32.
0.000 0.125 0.343 0.129 0.012 0.125
33.
0.000 0.125 0.343 0.128 0.008 0.125
34.
0.000 0.126 0.353 0.130 0.015 0.126
35.
0.000 0.127 0.354 0.130 0.009 0.127
36.
0.000 0.123 0.356 0.129 0.004 0.128
37.
0.000 0.131 0.355 0.132 0.004 0.131
38.
0.000 0.131 0.360 0.133 0.004 0.131
39.
0.000 0.133 0.354 0.133 0.001 0.133
40.
0.000 0.133 0.222 0.150 0.076 0.133
41.
0.000 0.135 0.227 0.164 0.124 0.135
42.
0.000 0.140 0.224 0.162 0.110 0.140
43.
0.000 0.140 0.201 0.159 0.094 0.140
44.
0.000 0.139 0.197 0.153 0.066 0.139
45.
0.000 0.139 0.204 0.156 0.097 0.139
46.
0.000 0.135 0.173 0.153 0,064 0.135
47.
0.000 0.116 0.278 0.104 0.045 0.116
48.
0.000 0.107 0.270 0.100 0.022 0.107
49.
0.000 0.103 0.231 0.105 0.007 0.103
50.
0.000 0.102 0.232 0.110 0.031 0.102
51.
0.000 0.102 0.267 0.106 0.014 0.102
52.
0.000 0.101 0.235 0.104 0.029 0.101
53.
0.000 0.101 0.266 0.106 0.023 0.101
54.
0.000 0.101 0.220 0.103 0.029 0.101
55.
0.000 0.101 0.245 0.112 0.053 0.101
56.
0.000 0.102 0.215 0.104 0.012 0.102
57.
0.000 0.104 0.171 0.108 0.020 0.104
58.
0.000 0.106 0.220 0.116 0.069 0.106
Fig. 22. Sección que esta siendo simplificada
La primera sección se puede aproximar a la siguiente
forma:
Fig. 21. Primer perfil reducido a una recta y dos arcos
de circunferencia.
Cada sección simplificada se convirtió en sólido al
extruirlo (realizarle una elevación de tal manera que
se convierta
ta en un sólido) 1cm, luego se unió todas
las partes para generar nuestra superficie
simplificada:
Fig. 23. Nueva superficie formada por las secciones
simplificadas.
Cuadro 03. Propiedades geometricas de las rectas en
los perfiles.
Fig. 24. Otra vista de la nueva superficie sólida.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
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Secciones
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32
33
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35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
h
k
r
Longitud de arco
0.205 0.501
0.324
0.169
0.192 0.561 39.194
19.323
0.220 0.442
0.277
0.160
0.181 0.539
0.333
0.222
0.208 0.423
0.268
0.175
0.196 0.469
0.318
0.197
0.134 0.518
0.371
0.212
0.174 0.527 38.360
0.217
0.192 0.454
0.312
0.204
0.191 0.445 0,00415
0.196
0.164 0.539
0.399
0.236
0.306 0.433 3 0.292
0.201
0.207 0.423
0.233
0.177
0.182 0.494
0.351
0.219
0.133 0.496
0.364
0.241
0.198 0.438
0.354
0.268
0.234 0.289
0.234
0.192
0.191 0.500
0.370
0.270
0.234 0.391
0.259
0.209
0.279 0.327
0.134
0.176
0.236 0.333
0.259
0.226
0.486 0.367
0.249
0.202
0.255 0.353
0.234
0.193
0.264 0.341
0.222
0.198
0.273 0.315
0.207
0.137
0.233 0.315
0.134
0.194
0.289 0.300
0.134
0.193
0.303 0.303
0.169
0.175
0.326 0.269
0.139
0,1661
0.326 0.257
0.136
0.165
0.333 0.244
0.125
0.162
0.341 0.241
0.115
0.150
0.342 0.234
0.113
0.156
0.351 0.238
0.104
0.161
0.358 0.241
0.108
0.206
0.356 0.234
0.111
0.215
0.355 0.231
0.112
0.213
0.354 0.242
0.106
0.211
0.359 0.956
0.109
0.214
0.229 0.116
0.049
0.060
0.234 0.094
0.049
0.040
0.235 0.033
0.111
0.063
0.211 0.029
0.111
0.093
0.210 0.090
0.124
0.100
0.210 0.091
0.065
0.055
0.180 0.236
0.062
0.065
0.233 0.232
0.132
0.251
0.273 0.222
0.132
0.245
0.280 0.227
0.227
0.222
0.279 0.234
0.137
0.317
0.265 0.215
0.128
0.230
0.282 0.217
0.106
0.118
0.264 0.258
0.111
0.227
0.215 0.234
0.150
0.221
0.238 0.236
0.121
0.197
0.214 0.317
0.141
0.217
0.166 0.250
0.209
0.260
0.213 0.334
0.133
0.136
0.164
0.218
0.243
Cuadro 04. Propiedades geométricas de los arcos en
las secciones.
Analizando el grafico 1, perfil 1:
Se tiene que la velocidad media de acuerdo a Darcy
vale:
……(24)
Donde:
U: velocidad media
C: Coeficiente de Chezy
: Radio hidráulico
m: Pendiente de recta
= 4*(área/perímetro)
Según Bazing:
87 …….(25)
γ: Coeficiente de Bazing
Despejando la velocidad inicial de la ecuación de la
energía:
2 2 2 1…
(26)
Donde:
Hf =
2
f * ( X 2 − X 1 ) * vmedia
Dh
Y a su vez:
Dh =
4 * Area
Perimetro
Altura del perfil=h
Espesura del perfil=b
P2=P1=P atmosférica
X2-X1= !"#$% & '
'
)
Z2-Z1=K + r * seno ( % (
K: Abscisa de el centro de la circunferencia
H: Ordenada de el centro de la
circunferencia
α: Longitud del arco de circunferencia
r: Radio del arco de circunferencia
θ: Angulo de la pendiente de la recta
L: Longitud de la recta
Despejando v1:
*
2 + ! cos %' 3 4
/012
2 78 & sin 7 ( % ;;
'
3
56
)
..(27)
Cuadros de resultados:
Realizando una aproximación para ambos perfiles,
considerándolos como pequeños canales:
Área= 0.5 10? Perímetro = 2 10 Tomando los valores de fricción correspondiente a
los datos obtenidos del canal de fibra de vidrio, se
obtuvo una frición aproximada para cada sección.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 15
Velocidad final = 1.000896947 m/s (realizado con las
pruebas en el canal)
Coeficiente de Bazing (paredes lisas y cemento
pulido) = 0.06
Se obtuvieron los siguientes valores
velocidades iníciales:
Secc
Pendiente
Fricción
Curvas características
de las
Velocidad Inicial:
1
0,00013807 0,05834331
3,73961274
2
0,00774811 0,05826795
3,97097204
3
0,02050086 0,05826795
3,57139795
4
Cuadro 05. Velocidades iníciales requeridas para el
modulo a escala.
0
0,05834331
3,95933006
5
0,0200679
0,05826795
3,54853059
6
0,01929817 0,05826795
3,73297431
7
0,01837155 0,05826795
3,90286558
8
0,00827538 0,05826795
4,67291097
9
0,01002243 0,06143836
3,69922492
10
0,01966454 0,06143836
3,6684469
11
0,02032906 0,06143836
4,01227374
12
0,03644163 0,06143836
3,65579853
13
0,03808995 0,06143836
3,57332976
14
0,01019644 0,06143836
3,81871165
15
0,0086073
0,05826795
3,89522566
16
0,01595745 0,06143836
3,92952609
17
0,08328487 0,06143836
3,71416189
18
0,0270501
0,06143836
3,98410677
19
0,02741371 0,06143836
3,53369483
20
0,0903768
0,06143836
3,26934337
21
0,0313743
0,06143836
3,54485831
22
0,03478586 0,06143836
3,45219276
23
0,02924307 0,06143836
3,38257001
24
0,02237732 0,06143836
3,34509545
25
0,03171714 0,06143836
3,26039475
26
0,0211336
0,06143836
3,22485796
27
0,01788918 0,06143836
3,17430356
28
0,01653133 0,06143836
3,04442069
29
0,02748488 0,06143836
2,98404556
30
0,02263648 0,06143836
2,93519392
31
0,02123125 0,06143836
2,86307923
32
0,01206129 0,06143836
2,81632027
33
0,00792424 0,05826795
2,79043051
4,5
34
0,01523867 0,05826795
2,78198305
3,5
35
0,00904629 0,05826795
2,78273269
2,5
36
0,00412053 0,05826795
2,79855606
1,5
37
0,00380791 0,05826795
2,79042748
38
0,00418185 0,05826795
2,77717814
39
0,00418185 0,05826795
2,01186944
40
0,00418185 0,05826795
2,14308381
Fig. 26. Diagrama velocidades iníciales vs. Pendiente
de recta para la sección 1 (m=1).
rama velocidades iníciales vs. Longitud
Fig. 27. Diagrama
de recta para la sección 1 (m=5).
Fig. 28. Diagrama velocidades iníciales vs. Pendiente
de recta vs. Longitud de recta para la sección 1.
velocidad inicial:
5
4
3
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
velocidad inicial:
2
1
0,5
0
0
10
20
30
40
50
Fig. 29. Diagrama velocidades iníciales vs.
Secciones.
Página 16
RESULTADOS
•
•
Caudal total requerido para el funcionamiento
del módulo experimental 404.268 l/m.
•
Las velocidades iniciales
ciales dependen también de la
forma de la superficie que recorren.
•
Para construir el modelo a tamaño real solo
habría que llevar la superficie ah escala, ya que
se cuenta con el modelo en computadora, además
las velocidades y el caudal se tendrían que vo
volver
a calcular utilizando el mó
módulo experimental
pero teniendo en cuenta relaciones como el
número
mero de Reynolds por ejemplo.
•
Construir un modelo a escala real es una
posibilidad factible, ya que como se muestra en
este informe no es tan difícil calcular los
parámetros necesarios, es así que con apoyo de la
inversión
sión privada se podría
generar este
atractivo turístico que aun es desconocido en
Sudamérica.
La superficie simplificada para que funcione el
modelo es:
Fig. 30. Modelo final.
•
La velocidad final mínima para que funciones el
modelo es aproximadamente 1.000896947 m/s.
•
El rozamiento del modulo experimental depende
de la pendiente de la sección, siendo la mayor de
ellas 0.061438364.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Ventajas
•
Generar un atractivo turístico que se puede
instalar en cualquier lugar.
•
Generar una fuente de empleo y de desarrollo al
ser un proyecto hecho
con tecnología
íntegramente peruana.
CONCLUSIONES
•
El generador de olas estáticas necesita bastante
caudal, específicamente en nuestro caso es de
404.268 l/m. La mayor velocidad inicial esta en
la sección 8 con un valor de 4.672911 m/s
Desventajas
•
Este tipo de atracción demanda gran cantidad de
energía porque las bombas tienen que generar
una gran cantidad de caudal.
BIBLIOGRAFÍA
1.
FRANK M. WHITE. “Mecánica
Mecánica de Fluidos
Fluidos”.
McGraw-Hill. Interamericana
nteramericana de España S. A. C.
España. 2004.
2.
DOMINGUEZ FRANCISCO J. “Hidráulica”.
Editorial Universitaria Chile. Chile. 1959
3.
CÉSPEDES G. “Manual de Hidráulica”. F. H.
Hauser. 3era Edición. Buenos Aires, Argentina.
1948.
4.
http://es.wikipedia.org/
Fig.
g. 31. Modulo experimental en plena acción.
•
La rugosidad de la superficie es un factor
determinante en la experiencia, pues las
velocidades
es requeridas varían mucho con ééstas.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 17
CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SECADOR SOLAR POR
CONVECCIÓN NATURAL PARA EL SECADO DE PLANTAS
MEDICINALES NO TRADICIONALES
CALCULATION AND CONSTRUCTION OF A SOLAR DRYER BY NATURAL CONVECTION FOR
DRYING OF NON-TRADITIONAL MEDICINAL PLANTS
Clodoaldo Sivipaucar, Herve Curo, Eder Huancahuari, Víctor Llantoy, & Andrés Valderrama
_________________________________________________________________________________________
RESUMEN
En el mundo actualmente existe una elevada demanda de productos naturales, entre ellas las plantas medicinales;
que para un mejor proceso de manipulación, industrialización y empleo, necesitan ser deshidratadas. El presente
trabajo resume el objetivo central del proyecto de diseño, cálculo y construcción de un secador solar indirecto por
convección natural para el secado de plantas medicinales aromáticas no tradicionales. Este equipo térmico, consta de
tres partes: colector solar, cámara de secado y chimenea; aprovecha simultáneamente el fenómeno de radiación solar
térmica con el proceso de convención natural. Las plantas medicinales aromáticas no tradicionales seleccionadas
para los ensayos experimentales, para demostrar el funcionamiento del secador solar indirecto, inicialmente son:
muña, toronjil, eucalipto y santa hierba. Éstas serán pesadas antes y después del proceso de secado para cada ensayo,
para obtener la pérdida de humedad, que permitirá evaluar la calidad del proceso de secado; se miden las
temperaturas en distintos puntos del secador solar y en cada etapa de secado de las plantas medicinales no
tradicionales; se monitorean las condiciones climáticas del medio ambiente. Las plantas medicinales no tradicionales
se podrían seleccionar de acuerdo a sus propiedades medicinales y a las zonas de su cultivo, lo que permitiría
promover su sembrado en las zonas alto andinas del Perú e incentivar su industrialización.
Palabras Clave: Secador solar, Convección, Humedad.
ABSTRACT
In the today’s world there is a great demand for natural products, including medicinal plants, which for better
handling process, industrialization and employment, need to be dried. This article summarizes the central main
objective of the project called design, calculation and construction of a solar dryer indirectly by natural convection
for drying aromatic non-traditional medicinal plants. This heat equipment has three parts: solar collector, drying
chamber and chimney, simultaneously it applies the phenomenon of solar radiation heat and natural convention
process. The aromatic non-traditional medicinal plants selected for pilot testing, to demonstrate the operation of the
indirect solar dryer, initially are: Muña, Toronjil, Eucalipto and Hierba Santa. These plants will be weighed before
and after drying process for each test, for the loss of moisture, which will assess the quality of the drying process.
Also temperatures in different parts inside the solar dryer and at every stage of non-traditional medicinal plants
drying are measured. On the other hand, the climate conditions of the location are monitored. The non-traditional
medicinal plants could be selected according to their medicinal properties and areas of growth, which would
promote their sown areas high in the Andes of Peru and encourage their industrialization.
Keywords: Solar dryer, convection, humidity.
_________________________________________________________________________________________
INTRODUCCIÓN
Uno de los principales problemas en la producción
de plantas medicinales es contar con un método
adecuado para su conservación, comercialización y
distribución; el secado o deshidratación de dichos
productos, es la solución más adecuada.
En el Perú, precisamente en las zonas alto andinas,
existe desde tiempos remotos, tradiciones ancestrales
relacionadas al uso de energía solar para el secado de
diversos productos agrícolas. Esta labor se lleva a
cabo mediante la exposición directa al sol de estos
productos, el método es provechoso pero no regulable
en cuanto a tiempo de secado, protección del
producto y el uso de energía solar; variables que son
determinantes en la optimización del proceso de
deshidratación. Esta investigación propone un
prototipo de secador solar indirecto para plantas
medicinales no tradicionales, que será diseñado y
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construido en base a los principios de Transferencia
de Calor y Masa, Termodinámica y Flujo de Fluidos.
Ventajas del secador solar indirecto
1.
2.
3.
4.
5.
Son eficaces, económicamente rentables y fácil
de ser aceptados para algunos productos
Se reduce significativamente las mermas durante
el secado, a diferencia del secado tradicional
donde se producen dichas mermas en mayor
cantidad
Los resultados económicos son muy positivos en
cuanto a la reducción de mermas en épocas de
lluvia. Las mermas en otros periodos son
escasos.
Permite obtener un producto final de mayor
calidad.
Una disminución
del tiempo de secado
comparado con el secado directo
Desventajas del secador solar indirecto
Las plantas secan en el intervalo de tiempo que exista
radiación solar de intensidad adecuada.
PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO
El proyecto realiza el diseño, construcción y muestra
el funcionamiento de un secador solar indirecto de
convección
natural,
para
la
demostración
experimental se ha decidido elegir las plantas
medicinales no tradicionales siguientes: Eucalipto,
Toronjil, Hierba Santa y Muña; para ello se tomarán
las medidas de las temperaturas en diferentes zonas
del secador solar como: salida del colector solar,
cámara de secado en la chimenea, se determinará la
humedad relativa y presión en la cámara de secado
en función del tiempo, se procede al pesado inicial y
final de las plantas medicinales para poder comparar
las perdidas de humedad versus el tiempo de secado.
Primera Etapa
Cálculos termodinámicos y de transferencia de calor
basados en las variables meteorológicas como:
velocidad del viento, irradiación solar, latitud,
humedad y temperatura del aire (información
obtenida del lugar de prueba); los materiales para la
construcción del colector solar de placa plana son
conocidos:
• Se ejecuta el cálculo teórico de la eficiencia del
colector solar de placas planas, determinándose el
área de captación óptima y el área de paso (flujo
de aire), con lo cual se puede optimizar las
dimensiones para el colector (largo, ancho y alto).
Segunda etapa
Cálculo y elección de las dimensiones de la cámara
de secado, se toma como referencia la cantidad de
producto a secar y el ancho del colector, similar al
ancho de la cámara de secado.
Tercera etapa
Diseño del secador solar en el programa
solidwork.
Tomando en cuenta las ecuaciones previas realizadas
para la determinación de las dimensiones, primero se
diseña el colector solar, para la eficiencia del
colector del (40 al 60) % por teoría de colectores
solares planos y con los datos promedios obtenidos
del lugar de instalación como son velocidad,
radiación, temperatura ambiente y la latitud del lugar
para dar la inclinación al colector solar, con estos
datos se obtuvo un área de captación y un área de
paso promedios que sirvió como base para el primer
diseño; el cual fue perfeccionando con la utilización
de los materiales para su construcción, debido a que
en un primer momento se pensó la construcción total
en madera y luego se cambio por la idea de una
estructura de madera y una cubierta de triplay con
tecnopor interno para lograr la disminución de
costos, aumentando un acelerador de flujo a la
entrada del colector solar y con una placa colectora
de vidrio de espesor de 4mm, la inclinación del
colector estará instalada a un ángulo de 12 grados
con respecto a la horizontal; tomando como
referencia a la base, ancho del colector y a la
cantidad de material a secar se diseño la cámara de
secado con el mismo principio de estructura de
madera, cubierta de triplay y tecnopor, con una
puerta en el lado izquierdo que facilite la carga y
descarga de las plantas medicinales a secar.
• Se realiza el balance de energía tomando en cuenta
el calor absorbido, el calor útil, y las perdidas en la
parte superior e inferior del colector solar de
placas planas.
• Se emplea las ecuaciones de transferencia de calor
y se realiza el balance de energía que permite
simular el comportamiento del aire dentro del
colector.
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aproximaron las dimensiones para la construcción
del secador y modificar ligeramente
algunas
dimensiones para que el prototipo construido sea lo
más estable y resistente posible.
Quinta etapa
Ensayos experimentales
Los ensayos del secador solar se realizaron en
Huarochirí (provincia de Lima Km. 42 carretera
central) a una altitud de 700 msnm. Entre los meses
de Mayo y Junio de 2008, se escogió este lugar
debido a que existe un clima cálido todo el año.
a) Preparación
ción del secador solar
Figura1. Vista del diseño del Secador Solar
Indirecto.
Cuarta etapa
Construcción del secador solar
El secador solar consta de tres partes las cuales
deben estar unidas e instaladas como se muestra en la
Fig. 3. Se instaló uno termómetro en la salida del
colector solar, en la cámara de secado (ver Fig. 5) y
uno en la chimenea. En la cámara de secado se
instaló un higrómetro (ver Fig. 7) para poder medir la
humedad. En la entrada del colector se instalo un
anemómetro (Fig. 6) y un termómetro digital (Fig.
8.) para poder monitorear la velocidad del viento,
temperatura, y humedad relativa
ativa respectivamente.
Los materiales empleados para la construcción del
secador solar son los siguientes:
1.
Madera Triplay (1.5 planchas), que emplea
como recubrimiento del secador, para ello se
acondicionaron diversas tapas de acuerdo a los
planos. Se eligió este material por ser ligero y
trabajar como un aislante eficaz.
2.
Teknopor (1 plancha), utilizado como aislante en
determinadas zonas del secador solar.
3.
Madera Cedro, se elige este tipo de madera por
conservar sus características físicas durante su
exposición al sol, fue usada para la estructura del
secador.
4.
Piedras de canto rodado, estas fueron pintadas
pinta
de color negro para absorber eficientemente la
radiación solar emitida por la fuente de energía
radiante (el sol), nos referiremos a ellas como la
placa absorbente, por estar distribuidas en el
colector contiguamente.
5.
Vidrio cristal, no referiremos máss adelante a él
como la cubierta, esta placa de vidrio fue
colocada sobre las pestañas laterales del
colector, para evitar su deslizamiento.
Partes del secador solar
Figura 2. Carcasa del colector solar
Figura 3. Secador solar completo
En el proceso constructivo se presentaron ligeros
inconvenientes, algunas medidas consideradas en los
planos no se ejecutaron de forma exacta se
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cada 3 min. Antes y 3 min. Después de la toma de
cada peso, (con medición en cada m
minuto), luego se
promediaron estas seis velocidades.
Equipos e instrumentos utilizados
Figura 6 Anemómetro de
copas y veletas
Figura 7 higrómetro
digital
Figura 8. Termómetro
digital
Figura 9. Balanza
0.1g de precisión
Figura 10. Brújula
Figura 11.
Termómetros
Figura 4. Cámara de secado
b) Estabilización y monitoreo de temperaturas en
el secador solar.
Instalado el colector solar y la cámara de secado se
deja operar para el proceso de estabilización térmica
un tiempo de 40 minutos, hasta que alcance una
temperatura de equilibrio a la salida del colector y en
la cámara de secado.
c) Toma de datos durante los ensayos
Se mide simultáneamente las temperaturas en todos
los puntos del secador solar indirecto. Se pesa cada
20 min. Las plantas medicinales no tradicionales,
tomando simultáneamente la temperatura, velocidad
del viento y humedad relativa en cada punto; antes
de ejecutar las pesadas del producto.
FORMULACIÓN DE OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseño, construcción y puesta en marcha de un
prototipo de secador solar para la reducción de
humedad de las plantas medicinales no tradicionales
consideradas.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
1.
2.
3.
Calcular la eficiencia del colector solar y el
proceso de secado.
Reconocer las plantas medicinales no
tradicionales más apropiadas para que puedan ser
industrializadas.
Determinar el tiempo óptimo de secado de las
hojas de las plantas medicinales
ales no tradicionales
consideradas.
FORMULACIÓN DE HIPOTESIS
Figura 5. Termómetro salida del colector
1.
Se presume lograr un secado óptimo y eficiente
(por convección natural de 40% - 60%) de las
plantas
medicinales
no
tradicionales
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Página 21
Para la medición de velocidad del viento en la
entrada del colector solar se tomaron las mediciones
2.
3.
consideradas, de acuerdo a los parámetros
meteorológicos en Huarochirí Lima (a 700
msnm).
Se ha previsto que las temperaturas internas de
la cámara de secado no alcanzarán los 50ºC, de
lo contrario podrían perjudicar las plantas
medicinales en estudio.
Se espera que el tiempo de secado no difiera
mucho del intervalo de mediciones asumido
(entre 11am a 4 pm).
ocupa; la manipulación del producto es generalmente
más fácil, por estar más concentrado; el control de los
parámetros de secado es más sencillo, ya que puede
regularse por medio del aire.
Convección natural
En el secador por convección natural, al calentarse el
aire, se hace más ligero, asciende, con lo que crea
corrientes de aire seco que extrae la humedad del
objeto a secar.
Teóricas de cálculo
Convección forzada
Para el colector Solar:
• El régimen de flujo es estacionario (No varía con
el tiempo)
• Las temperaturas del fluido y de la superficie
absorbente serán temperaturas medias
Para la cámara de secado:
• El agua extraída del producto se incorpora en
fase de vapor saturado a la corriente de aire.
• El agua del producto (planta medicinal) esta en
estado líquido y distribuido uniformemente en su
cuerpo.
• Se asume que la temperatura del aire a la entrada
de la cámara de secado coincide con la
temperatura a la salida del colector.
MARCO TEÓRICO
DEFINICIONES PREVIAS
Secador solar
Es un fenómeno complejo que involucra la
transferencia de calor y masa (el transporte de calor
hacia dentro del material y el transporte de agua
hacia el exterior). Existen muchos mecanismos
posibles de secado, pero aquellos que controlan el
secado de una partícula dependen de su estructura y
de los parámetros de secado-condiciones de secado
(temperatura T, velocidad v y humedad relativa del
aire), contenido de humedad, dimensiones, superficie
expuesta a la velocidad de transferencia, y contenido
de humedad de equilibrio de la partícula.
Secadores solares indirectos
Transmite el calor, por el movimiento del aire
caliente; por ello, en este tipo de instalación la
radiación solar es captada por calentadores de aire y
después éste pasa a través del producto, donde elevan
la temperatura y evapora el agua de su superficie.
Este mismo aire arrastra la humedad del producto,
produciendo su secado, en los secadores indirectos el
secado del producto es más uniforme; la calidad del
producto es mejor, al no incidir sobre el mismo la
radiación solar directa; la cámara de secado puede ser
de mayor capacidad con relación al volumen que
En el secador por convección forzada, el aire se
mueve con el auxilio de ventiladores es el de más
posibilidades para uso industrial; así como para el
tratamiento de productos agropecuarios en grandes
cantidades pueden ser diseñados con recirculación de
aire y, por lo tanto, la eficiencia de la instalación
aumenta. El secador por convección forzada
Proceso de secado
Contenido de humedad
Las condiciones físicas del producto se modifican en
el transcurso de la extracción de humedad. Así
cuando la humedad se encuentra en la superficie
sólo se necesita para el secado la evaporación
superficial. Sin embargo, cuando la humedad se
halla en el interior, el secado está influido por el
movimiento de la humedad en la materia, que es
consecuencia de fenómenos como la capilaridad, la
difusión del vapor y el flujo de las moléculas La
determinación directa del contenido de humedad
implica medir la masa del producto y la masa seca
correspondiente al eliminar el agua evaporable
contenida en el, aplicando calor a una temperatura
generalmente de 104 ºC hasta llegar a un peso
constante de la muestra. Este método, aunque es el
más
utilizado,
presenta
como
principal
inconveniente el que al evaporar el agua se pueden
eliminar, al mismo tiempo, otras sustancias del
producto (volátiles) lo cual puede suponer errores en
la obtención de dicha variable. El contenido de
humedad en base húmeda, definido como el peso del
agua presente en el producto por unidad de peso del
material sin secar (1) El contenido de humedad en
base seca, definido como el peso del agua presente
en el producto por unidad de peso del material seco
(2).
M wb =
W w Wo − W d
=
Wo
Wo
(1)
M db =
W w Wo − Wd
=
Wd
Wd
(2)
Donde:
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Mwb: Humedad en base húmeda (Kg. agua / Kg.
prod. húmedo)
Mdb: Humedad en base seca (Kg. agua / Kg. prod.
seco)
Wo: Peso inicial de la materia sin secar (Kg.)
Ww: Cantidad de agua en el producto húmedo
(Kg.)
Wd: Peso de la materia seca en el producto (Kg.)
Conductividad térmica Kv (W/m.K)
Coeficiente de expansión térmica β1
β1 =
El Ratio de humedad se expresa por la ecuación (3)
Mt − Me
M0 − Me
(3)
Donde:
M t : Contenido de humedad en cada instante
M e : Contenido de humedad en equilibrio
M o : Contenido de humedad inicial
Q abs = Q util + Q
perd
+
du
dt
(11)
Qperd (W): Perdidas de calor (alrededores) por
radiación, convección y conducción.
debido a que es un parámetro difícil de
determinar. El ratio de humedad se define de la
siguiente manera
Me
(4)
Al diferenciar el ratio de humedad en función al
tiempo se obtiene la velocidad de secado que esta
dada por la ecuación siguiente.
dM M t + dt − M t
=
dt
dt
Ecuación de Balance Energético en colectores de
placa plana
Qútil (W): Es el calor útil que se trasfiere al fluido de
trabajo.
Es habitual en las aplicaciones de secado despreciar
DR =
(10)
Qabs (W): Es el calor total incidente absorbido por
unidad de tiempo.
MR: Ratio de humedad (dec. ó %)
M
MR = t
Mo
Ratio de Secado
1
Tm + 273.15
Análisis del proceso de transferencia de calor
en un colector de placa plana
Ratio de Humedad
MR =
(9)
K v = 0.0244 + 0.7673× 10 −4 × Tm
(5)
du/dt (W): Rapidez del cambio de
almacenada en el colector, despreciable.
energía
du
=0
dt
(12)
Qabs = HAc (τα )
(13)
H (W/m2): Es la energía solar incidente.
Ac (m2): Es el área efectiva del colector.
τ: Transmitáncia solar efectiva de la cubierta del
colector
α: Absortáncia de la placa absorbente del colector
Propiedades físicas del aire húmedo
Producto de transmisividad absortividad
El comportamiento del aire húmedo varia con
respecto a la temperatura (Tm) y de la dependencia
con sus propiedades.
El producto ( τα ) es una propiedad del conjunto
cubierta translucida – superficie absorbedora, es el
resultado de las sucesivas reflexiones que se
producen entre ellas así τ es la transmisividad del
recubrimiento en un determinado ángulo de
incidencia y α es la absortividad angular de la
superficie absorbedora, de toda la energía incidente,
τα es absorbida por la placa y (1- α ) τ es reflejado
hacia la cubierta, siendo de esta última la cantidad
τ (1- α )ρ reflejada de nuevo hacia la superficie
absorbedora (ρ es la reflectividad para radiación
difusa de la cubierta ). Este fenómeno se repite
indefinidamente, de forma que la fracción de la
energía incidente que es finalmente absorbida,
resulta:
Calor específico Ce (J/kg.K)
Ce= 999.2+0.1434×Tm +1.101×10−4 ×Tm2 −6.7581×10−8 ×Tm3
(6)
Densidad ρ (kg / m3)
ρ=
353.44
Tm + 273.15
Viscosidad dinámica
µ = 1.718 × 10 −5 + 4.62 × 10 −8 × Tm
(7)
µ (N.s/m2)
(8)
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Página 23
n
∞
(τα ) = τ .α .∑ [(1 − α )ρ ]
=
n =0
τ .α
1 − (1 − α ) ρ
(14)
ρ: Es la refractancia difusa, toma diferentes valores
según el número de cubiertas que se utilicen para 1
cubierta ρ = 0.16, para 2 cubiertas ρ = 0.24, para 3
cubiertas ρ = 0.29, para 4 cubiertas ρ = 0.3
Qutil = mCp
dT
dt
(15)
m (kg): Masa de aire
Cp (J/kgºC): Capacidad calorífica del fluido
dT/dt (ºC/s): Rapidez del cambio de cambio de
temperatura con respecto al tiempo
Q perd = U l Ac (T pm − Ta )
(16)
Ul (W/m2 ºC): Coeficiente de pérdidas de calor por
radiación, convección y conducción
Tpm (ºC): Temperatura media de la placa de
absorción
La temperatura media es función del diseño del
colector y a su vez este depende de la radiación solar
incidente y la temperatura del fluido de trabajo al
entrar al colector.
du
dt
(17)
Reemplazando (12), (13), (16) en (17)
Las resistencias equivalentes que representan la
oposición a las pérdidas de calor por convección
(1/hc) y radiación (1/hr) y están representadas por R1
y R2, R3 representa la resistencia a la conducción a
través del aislante térmico en la parte posterior y
lados del colector y la R4 es usualmente muy
pequeña (despreciable). La idea es tratar de obtener
una resistencia equivalente (Req) esta resistencia es
igual al inverso del coeficiente total de pérdidas de
calor Req=1/Ul. Podemos decir entonces que Ul es la
suma de varios coeficientes de pérdida de calor, que
se puede expresar como el inverso de sus resistencias,
así:
Ul = Ut + Ub + Ue
(19)
Donde Ut es el coeficiente total de transferencia de
calor para la parte superior del colector y es igual al
inverso de las de la suma de las 2 primeras
resistencias.
1
R1 + R2
(20)
Ub y Ue, son los coeficientes de pérdida de calor por
conducción en el fondo y los lados respectivamente,
que tienen que ver con R3. Además estos coeficientes
también tienen relación las dimensiones del colector
y el tipo y grosor del aislante utilizado, de manera
que se escribe las relaciones:
Ub +Ue =


Q
= A S - U  T
− T 
util
c
l  pm
a 
1
R3
(21)
Ka
l
K MP
U e = a'
l Ac
(22)
Ub =
(18)
Análisis del circuito térmico de un colector con
una cubierta
La placa absorbente (piedras negras) debe estar bien
aislada hacia abajo. La mayor parte de perdidas al
exterior se producen a través de la superficie superior
P: Perímetro del colector
M: Altura del colector
(23)
Ka: Es la conductividad térmica del aislante
l: Espesor del aislante en el fondo
l’: Espesor del aislante a los lados
Balance en la placa absorbedora
S + U b (Ta − Tp ) + hr (Tc − Tp ) + h2 (T f − Tp ) = 0
Balance en la cubierta
Ut (Ta − Tc ) + hr (Tp − Tc ) + h1 (Tf − Tc ) = 0
Resistencias
Ut =
Ta: Temperatura del ambiente.
Qutil = Qabs − Q perd −
(cubierta de vidrio), estando la placa absorbente a una
temperatura (Tp) y la cubierta de vidrio a una
temperatura (T1)
(25)
Balance en el fluido
(24)
h1 (Tc − T f ) + h2 (T p − T f ) = qu
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(26)
Página 24
(Tc − T f ) =
Shr − (T f − Ta )(U t h2 + U t U b + U t hr + U b h r )
(27)
(U t + h r + h1 )(U b + h2 + h r ) − hr2
Ut = (
N
1 −1
+
)
+Uh
T pm − Ta
hw
e
(
)
T pm
N+ f
(33)
C
Reemplazando
1
q u = F ( S − U l (T f − Ta ))
(28)
h1 hr + U t h2 + h2 hr + h1h2 )
F =
(U t + hr + h1 )(U b + h2 + hr ) − hr2
1
1
(29)
2
C = 520(1 − 0.000051× β rad
)
e = 0.430(1 −
Uh =
2 + T 2)
σ (T pm + Ta )(T pm
a
(ε 2 + 0.000591( N )h w ) −1 +
Ingreso
Tiempo
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
210
2 N + f − 1 + 0.133ε1
ε1
−N
(32)
100
)
T pm
(35)
N: Numero de cubiertas del colector
(U + U t )(h1hr + h2 hr + h1h2 ) + (U bU t (h1 + h2 )) (30)
Ul = b
(h1hr + U t h2 + h2 hr + h1h2 )
Calculo de Ut, coeficiente de transferencia de
calor por convección, utilizados en colectores
solares planos.
(34)
f, C, e: Constantes dependientes.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Las plantas medicinales fueron escogidas debido a su
poder medicinal y sus características físicas similares,
la parte principal de la planta medicinal a utilizar son
las hojas debido a que presentan bajas características
granulométricas que permite el paso del flujo de aire.
Las plantas medicinales no tradicionales son:
Eucalipto, Toronjil, Hierba Santa y Muña,
obteniéndose los siguientes resultados
Producto: Eucalipto (11:40-03:20)
Fecha: 17 – 05 - 08
Cámara
Chimene
Colector Solar
Higrómetro
Secado
a
Temp.
Temp.
Humedad
Temp.
Humedad
Presión
Temp.
Entrad salida(º
(%)
En bandeja
(%)
(mBar)
salida
(ºC)
C)
30
30
38
33,5
26
914
34.5
31
29
40
35,5
26
914
36
25
29
42
37,5
25
914
37
35
28
41
36
25
915
37
43
26,4
40
36
26
915
35
44
27
40
35,5
26
914
36
41
27
40
36
26
913
36
42
26,5
40
36
26
913
36
39
26,8
39
36
26
913
36
42
26
38
35
27
913
35
43
25,8
38
35
27
912
35
46
25
35,5
33
27
912
34
Tabla 1. Datos experimentales obtenidos en el secado de Eucalipto
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Radiación
W/m²
941,90
944,21
943,02
940,71
937,22
929,11
920,76
912,65
895,99
878,82
862,16
830,00
Página 25
Producto: Muña (12:00-03:20)
Ingreso
Fecha:19 – 05 - 08
Cámara
Secado
Colector Solar
Higrómetro
Chimene
a
Radiación
Tiempo
Humedad
(%)
Temp.
Entrad
(ºC)
Temp.
salida(º
C)
Temp.
En bandeja
Humedad
(%)
Presión
(mBar)
Temp.
salida
W/m²
0
22
31
41,5
37
26
913
37
944,01
20
22
32,6
43,5
37,5
25
913
37
941,69
40
33
30,8
45
38,5
25
913
38
939,31
60
25
30,4
45
39,5
24
913
38
936,99
80
35
30
45,5
39,5
26
913
35
928,89
90
36
29,2
45
38,5
26
913
39
920,55
100
40
29
44,5
39
26
912
38
912,45
120
41
29
43,5
38
26
912
37
895,82
140
42
28,3
43
38
26
912
36
878,68
160
42
26,8
40,5
36
28
911
36
862,05
180
50
25,6
39
34,5
28
911
34
829,99
200
22
31
41,5
37
26
913
37
944,01
Tabla 2. Datos experimentales obtenidos en el secado de muña
Producto: Hierba Santa
Ingreso
Fecha: 26 – 05 - 08
Cámara
Secado
Colector Solar
Higrómetro
Chimene
a
Radiación
Tiempo
Humedad
(%)
Temp.
Entrad
(ºC)
Temp.
salida(º
C)
Temp.
En bandeja
Humedad
(%)
Presión
(mBar)
Temp.
salida
W/m²
0
30
28
36,5
33,5
33
912
33,5
939,72
20
29
28
38
33
32
911
34,5
937,41
40
30
27,5
38
32
30
911
34
932,05
60
31
28,5
38
34
30
911
35
923,98
80
39
27,5
38,5
33
30
911
34
915,41
90
45
25
36,5
31
32
910
32,5
903,22
100
48
25
34,5
30
32
910
31
886,67
120
55
24
33,5
29
34
909
30,5
870,13
140
56
21,9
32
28,5
36
909
29
845,23
160
59
20,9
30,5
27
38
909
28
813,44
180
58
22,5
31
27,5
39
909
28,5
781,65
200
58
22
31,5
27
40
909
27,5
730,94
Tabla 3. Datos experimentales obtenidos en el secado de hierba santa
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 26
Producto: Toronjil
Ingreso
Fecha: 11 – 06 - 08
Cámara
Secado
Colector Solar
Higrómetro
Chimenea
Radiación
Tiempo
Humedad
(%)
Temp.
Entrad
(ºC)
Temp.
salida(º
C)
Temp.
En bandeja
Humedad
(%)
Presión
(mBar)
Temp.
salida
W/m²
0
44
25,4
36
35
48
910
33
938,40
20
44
28,5
39
36
42
911
37
936,04
40
45
27
36
34
35
912
36
930,68
60
45
26
35
35
32
912
34
922,63
80
45
27
34
32
31
912
33
914,08
90
45
27
32
31
33
912
32
901,96
100
46
25
30,5
30
34
913
30,5
885,54
120
47
24
30
29
38
910
29
869,11
140
47
25
29,5
29
39
910
29
844,47
160
52
24
30
29
39
910
29
813,06
180
56
23,5
30
29
40
910
30
781,66
200
61
22
28
27,5
40
910
28
731,94
Tabla 4. Datos experimentales obtenidos en el secado de Toronjil
ANALISIS DE RESULTADOS
Se aprecia que el Toronjil reduce su contenido de
humedad con mayor facilidad, se inicia con 86,4% y
concluye el proceso de deshidratación con 18.2% de
humedad. Le siguen la Muña y el Eucalipto que se
inicia con 74% y 61.4% y finalizan con 20.33% y
17% respectivamente. Por otro lado la hierba santa es
la planta medicinal que posee menor velocidad de
secado.
Se presentan a continuación los resultados del
proceso de secado de las plantas medicinales no
tradicionales, eficiencia térmica del colector solar y
eficiencia de secado para las plantas medicinales en
estudio.
1. Humedad de las plantas medicinales
durante el tiempo de secado.
Humedad de las Plantas
%Humedad
100
90
80
70
60
Toronjil
Hierba Santa
50
40
30
20
10
0
Muña
Eucalipto
0
40
80
120
160
200
Tiempo(min)
Figura 12. Variación del contenido de humedad de las plantas con respecto al tiempo de secado.
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Página 27
2. Eficiencia Térmica del colector solar para
las plantas.
que las eficiencias simuladas por el programa creado
para el colector, esto se debe a que en esta zona se
dio el mayor aprovechamiento de la energía solar y
las condiciones del día de prueba (radiación y
velocidad del viento) fueron óptimas.
se aprecia que hay una zona en donde la eficiencia
experimental del Eucalipto y la Muña son mayores
y
Eficiencia térmica del Colector
Eficiencia (%)
70
65
ZONA 1
ZONA 3
60
ZONA 2
55
50
45
40
Experimental
___________
___________
Eucalipto
Muña
35
Simulada
--------------x
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
Tiempo(min)
Figura 13. Eficiencias simuladas y medidas en el colector solar para los productos Eucalipto, Muña.
programa creado para el colector, esto se debe a que
en esta zona se dio un aprovechamiento regular y las
condiciones del día de prueba (radiación y velocidad
del viento) no fueron los ideales.
3. Eficiencia térmica del colector.
Se aprecia una zona en donde la
eficiencia
experimental de la Hierba Santa y el Toronjil son
mayores que las eficiencias simuladas por el
y
Eficiencia térmica del Colector
Eficiencia (%)
70
65
ZONA 1
ZONA 3
60
ZONA 2
55
50
45
40
Hierba Santa
Toromjil
35
Experimental
___________
___________
Simulada
--------------x
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
Tiempo(min)
Figura 14. Eficiencias simuladas y medidas en el colector solar para los productos Hierba Santa y Toronjil.
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Página 28
Si se comparan las figuras 13 y 14, se observa lo
siguiente:
climatologías que existía en los días de las pruebas
experimentales fueron muy variables; obteniéndose
mayores eficiencias con las plantas medicinales
Muña y Eucalipto y teniendo su mayor eficiencia a
los 120m. del inicio de la prueba (1:30 p.m.).
a) En todas las pruebas realizadas las eficiencias
experimentales fueron mayores que las simuladas.
4. Influencia del flujo másico en la eficiencia
del colector solar.
b) Se aprecia la existencia de tres zonas: Zona I, en
donde el secador esta en proceso de calentamiento;
Zona II, en donde el colector trabajó con las mejores
condiciones térmicas y Zona III, en donde el secador
se encuentra en proceso de enfriamiento, debido a las
condiciones climatológicas externas en el momento
de los ensayos experimentales.
Se observa que el día de ensayos de la muña hubo
mayor flujo másico de aire y se obtuvo una mayor
eficiencia térmica del colector. Se debe tener en
cuenta que un mayor flujo másico y una mayor
eficiencia de secado no implica que se tenga una
mayor pérdida de humedad en el secado debido a que
el aumento de flujo másico de aire depende de la
velocidad; al aumentar la velocidad disminuye la
temperatura a la salida del colector solar que es la
temperatura de inicio en la cámara de secado.
Las eficiencias simuladas con el programa creado en
base a las ecuaciones de balance de energía y los
fenómenos de transferencia de calor son del 50% al
60%; cuando se realizaron los cálculos
experimentales se obtuvieron eficiencias de (40% a
75%), esto se debe a que las condiciones
100
Eficiencia (%)
90
y
Influencia del Flujo másico de
aire en la eficiencia del colector
80
70
60
50
40
30
Eucalipto
Muña
Hierba Santa
Toronjil
20
10
Experimental
___________
___________
___________
___________
x
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
Flujo másico (kg/s)
-10
Figura 16. Flujo másico vs. Eficiencia del colector solar para los productos Eucalipto, Muña y hierba Santa.
5. Eficiencia térmica del secado.
La mayor eficiencia de secado se logró con el
toronjil, debido a que el toronjil fue uno de los
productos de mayor humedad inicial (estructura
venosa con gran capacidad para almacenar agua) y
debido a sus características biológicas y físicas de las
hojas del toronjil, las condiciones de temperatura del
aire el día de los ensayos experimentales fueron
óptimas
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Página 29
Eficiencia de Secado
90
80
Eficiencia (%)
70
60
50
40
30
20
10
0
Eficiencia
Eucalipto
Muña
Hierba Santa
Toronjil
72,31
72,53
51,42
78,88
Plantas Medicinales
Figura 17. Variación de la eficiencia de secado para los diferentes productos.
CONCLUSIONES
Realizado el proceso de diseño, construcción y de
ensayos experimentales del secador indirecto, se llega
a las conclusiones siguientes:
1.
2.
Este proyecto demuestra que es posible
desarrollar tecnología apropiada para el secado
de productos agrícolas en el Perú, en este caso se
realizó el
proceso de diseño, cálculo y
construcción de un secador solar indirecto.
El Toronjil es la planta medicinal más apropiada
para las características constructivas del secador
indirecto debido a su elevada eficiencia de
secado y a que la velocidad de secado es mayor
que en las otras plantas medicinales.
RECOMENDACIONES
•
Se requiere el empleo de instrumentos
(termómetros y manómetros) de
mayor
precisión para la obtención de valores más
exactos para evaluar en detalle el proceso de
secado.
•
Durante el proceso de secado, se debe disminuir
el tiempo de pesado para poder disminuir las
perdidas de calor de las plantas medicinales.
BIBLIOGRAFÍA
1.
Montero, Irene; “Modelado y construcción de un
secador solar hibrido para residuos biomásicos”;
Universidad de Extremadura, España, 2005.
2.
Centro de Energías Renovables (CER-UNI);
“Teoría y Práctica del Secado Solar”; editorial
(CER-UNI), Lima1991.
3.
Instituto tecnológico y estudios superiores de
occidente (ITESO); “Notas sobre el curso de
ENERGIA SOLAR”, editora Miryan Mendoza
Ramírez, México 1995
4.
Perry, Jhon; “Manual de Ingeniero Químico”,
editorial Mc Graw Hill, México 1992.
5.
Molina, J.; “Estudio económico referente a la
posibilidad de la instalación de una planta de
aceite de soya”; Tesis, Lima ,1968.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 30
3.
4.
5.
La hierba santa es la planta medicinal que no se
adecua a las características constructivas del
secador solar indirecto, debido a su
baja
eficiencia de secado y a su baja velocidad de
secado en comparación con las otras plantas
medicinales.
Los coeficientes convectivos entre el aire
caliente y las plantas medicinales varían en el
rango de (0.55 a 1.89) W/m2ºC, siendo mayor en
el caso del Toronjil y menor en el caso del
eucalipto.
Para un mayor aprovechamiento de la energía
solar por el colector solar indirecto; las pruebas
experimentales se deben realizar en el intervalo
de tiempo que exista mejores condiciones de la
variación de temperatura; en nuestro caso de 10
a.m. á 4 p.m.) en la ciudad de Huarochirí.
ESTUDIO DE LOS NIVELES DE RUIDO EN LA CIUDAD
UNIVERSITARIA DE SAN MARCOS – LIMA
STUDY OF NOISE LEVELS IN SAN MARCOS CAMPUS – LIMA
Lorena Olivera, Jairo Pinedo, Rubén Romero, José Pizarro, Felipe Ancajima, Andrés Valderrama
____________________________________________________________________________________________
RESUMEN
En el presente trabajo se realiza el monitoreo de los niveles de ruido dentro del recinto de la Universidad Nacional
Mayor de San Marcos; la metodología comprende una encuesta preliminar, dirigida a estudiantes, profesores,
trabajadores y visitantes, para determinar la distribución de los puntos de monitoreo dentro de la Ciudad
Universitaria (CU). En estos puntos de monitoreo se registra la intensidad de sonido y las condiciones
meteorológicas de mayor influencia para el estudio, como son: presión, temperatura, porcentaje de humedad
relativa, velocidad y dirección del viento. El análisis de los datos de monitoreo permitirá construir un mapa de
riesgos por efecto del nivel de ruido en la CU San Marcos. Asimismo, se analizará el nivel de influencia en la
desconcentración y pérdida de interés de profesores, estudiantes y personal administrativo en sus actividades al
interior del recinto universitario; para el análisis comparativo se tomará como referencia los niveles de ruido
establecidos en el D.S. Nº 085-2003-PCM y en la Ordenanza Nº 015 de la Municipalidad de Lima. Como
recomendación del trabajo se plantearán algunos métodos y formas para controlar y disminuir los niveles de ruido en
la CU San Marcos.
ABSTRACT
In the currently study it is made the noise levels monitoring inside the UNMSM, the methodology includes a
preliminary survey, aimed to CU, to determinate the distribution of the monitoring points inside the CU. In these
monitoring points it is registered the noise intensity and the meteorology conditions that have the mayor influence
on this study, such as: pressure, temperature, relative moisture percentage, and speed and direction wind. The
analysis of monitoring data will allow making a risk map because of the noise levels effects. Moreover, it will be
analyzed the influence level on desconcentration, and the loss of interesting of the community in the CU, in their
activities inside the University; to make the comparative analysis it will take as a reference the noise levels
established in D.S. Nº 085-2003-PCM and Law Nº 015 – “Municipalidad de Lima”. As recommendations of the
study it will make some methods and ways to control and reduce the noise levels the CU.
_____________________________________________________________________________________________
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, en todas partes del mundo, se están
viviendo los efectos del impacto ambiental, causados
por el avance tecnológico en todos los campos de la
ciencia
que originan diferentes fuentes
contaminantes que afectan la salud, el rendimiento
físico, laboral y académico de las personas. La
contaminación acústica es una consecuencia directa
no deseada de actividades como el transporte, obras
públicas de construcción (carreteras y edificaciones),
centros de diversión (discotecas, casinos, conciertos),
entre otras; cuyo aumento es influenciada por la
modernización.
El presente trabajo se llevó a cabo en el campus de la
Universidad Nacional Mayor de San Marcos, con el
fin de determinar las zonas donde existe mayor
concentración de ruido, los cuales sobrepasaron los
límites máximos permisibles establecidos en las
normas estándares, dadas por la municipalidad de
Lima y otras instituciones del país.
Los resultados de este proyecto se mostrarán a través
de gráficas y cuadros, que se expondrán más
adelante, donde se observará la variación de los
niveles de ruido por zonas y estos a la vez se
comparará con el Reglamento de Estándares
Nacionales de Calidad Ambiental para Ruido (ECA),
Aprobado por Decreto Supremo Nº 085-2003-PCM.
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
El estudio se realiza en las siguientes etapas:
Etapa 1 Selección de las zonas de mayor impacto de
niveles de ruido.
• Elaboración y evaluación de una encuesta “Ruido:
¿peligro?” empleando la matriz de Leopold.
Etapa 2 Medición de niveles de ruido en zonas
críticas.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 31
FUNDAMENTO TEORICO
• Cronograma de monitoreo: 8:00 a 21:10 horas
durante un periodo de 20 días, desde el 31 de marzo
al 25 de abril.
2.1. Definiciones
Etapa 3 Análisis de los Resultados.
• Identificación de los Niveles máximos de ruido
según la zona mediante un análisis estadístico.
a) Acústica: Energía mecánica en forma de ruido,
vibraciones, trepidaciones, infrasonidos, sonidos y
ultrasonidos.
Etapa 4 Elaboración del mapa Acústico
• Distribución de las curvas isofónicas en las zonas
críticas.
b) Barreras acústicas: Dispositivos que interpuestos
entre la fuente emisora y el receptor atenúan la
propagación aérea del sonido, evitando la incidencia
directa al receptor.
FORMULACIÓN DE OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Conocer los valores cuantitativos del nivel de ruido
en el interior de la Universidad Nacional Mayor de
San Marcos.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
1.
2.
3.
Establecer la incidencia de los niveles de ruido
en la falta de concentración de los profesores,
estudiantes y trabajadores de la ciudad
universitaria, en las actividades que realizan.
Proponer métodos de mitigación de los niveles
de ruido en el interior de la ciudad universitaria
de San Marcos – Lima
Construir el plano de riesgos por efecto del
ruido en la Ciudad Universitaria - San Marcos.
FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS
HIPÓTESIS GENERAL
Establecer que los niveles de ruido dentro de la
ciudad de Universitaria San Marcos, sobrepasan los
niveles máximos permisibles establecidos por los
Estándares Nacionales de Calidad Ambiental para
Ruido (ECA) debido a la mala distribución de los
edificios y zonas comerciales (restaurantes,
fotocopiadoras, etc.).
HIPÓTESIS ESPECÍFICAS
Establecer que las zonas de mayor nivel de ruido se
encuentran cercanas a las Av. Venezuela,
Universitaria, debido a obras de construcción que allí
de realizan.
Establecer que los niveles de ruido afectan el
desempeño de las actividades de tipo académico,
laboral
(de
profesores,
alumnos,
personal
administrativo y otros).
Establecer que los niveles de ruido causadas por
fuentes exteriores (paso vehicular) e interiores
sobrepasan los niveles de ruido según la zona
especial
c) Contaminación Sonora: Presencia en el ambiente
exterior o en el interior de las edificaciones, de
niveles de ruido que generen riesgos a la salud y al
bienestar humano.
d) Decibel (dB): Unidad adimensional usada para
expresar el logaritmo de la razón entre una cantidad
medida y una cantidad de referencia. De esta manera,
el decibel es usado para describir niveles de presión,
potencia o intensidad sonora.
e) Decibel A (dBA): Unidad adimensional del nivel
de presión sonora medido con el filtro de ponderación
A, que permite registrar dicho nivel de acuerdo al
comportamiento de la audición humana.
f) Emisión: Nivel de presión sonora existente en un
determinado lugar originado por la fuente emisora de
ruido ubicada en el mismo lugar.
g) Estándares Primarios de Calidad Ambiental para
Ruido.- Son aquellos que consideran los niveles
máximos de ruido en el ambiente exterior, los cuales
no deben excederse a fin de proteger la salud
humana. Dichos niveles corresponden a los valores
de presión sonora continua equivalente con
ponderación A.
h) Horario diurno: Período comprendido desde las
07:01 horas hasta las 22:00 horas.
i) Horario nocturno: Período comprendido desde las
22:01 horas hasta las 07:00 horas del día siguiente.
j) Inmisión: Nivel de presión sonora continua
equivalente con ponderación A, que percibe el
receptor en un determinado lugar, distinto al de la
ubicación del o los focos ruidosos.
k) Monitoreo: Acción de medir y obtener datos en
forma programada de los parámetros que inciden o
modifican la calidad del entorno.
l) Nivel de Presión Sonora Continuo Equivalente con
ponderación A (LAeqT): Es el nivel de presión
sonora constante, expresado en decibeles A, que en el
mismo intervalo de tiempo (T), contiene la misma
energía total que el sonido medido.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 32
m) Ruido: Sonido no deseado que moleste,
perjudique o afecte a la salud de las personas.
n) Ruidos en Ambiente Exterior: Todos aquellos
ruidos que pueden provocar molestias fuera del
recinto o propiedad que contiene a la fuente emisora.
o) Sonido: Energía que es trasmitida como ondas de
presión en el aire u otros medios materiales que
puede ser percibida por el oído o detectada por
instrumentos de medición.
2.2. Medición del ruido
El ruido viene determinado, en gran medida, por la
percepción subjetiva de las personas, que varía de un
individuo a otro y, a menudo, en un mismo individuo
según su disposición en ese momento. Dada su
naturaleza subjetiva, el ruido no puede medirse en
unidades objetivas. Pero para poder clasificar y
comparar los diferentes casos de ruido es necesario
por lo menos obtener una descripción cuantitativa
aproximada. Con este fin, el "sonido", que es la parte
física del ruido, es descrito mediante valores
cuantitativos que se refieren a:
• Intensidad.- La intensidad de un sonido se
expresa en términos de amplitud media de las
ondas de presión acústica p y, generalmente, se
determina por el nivel de presión acústica L p en
decibelios (dB) a partir de la siguiente ecuación
(p0 es la presión acústica de referencia de 20
µPa):
L p = 10 log (p/p0)² en dB …(1)
• La escala de decibelios varía de - a + pero el
oído humano sólo percibe niveles de presión
acústica entre 0 dB (umbral de audibilidad
humana normal) y cerca de 130 dB (umbral del
dolor) /1/. Al igual que en la percepción subjetiva
de los niveles sonoros de diferentes intensidades,
un aumento de la presión acústica de un sonido
puro estacionario de 10 dB tendrá como resultado
una duplicación de la intensidad sonora.
• Frecuencia o escala de frecuencias.- La mayor
parte de los sonidos consisten en una mezcla de
tonalidades con diferentes tonos y frecuencias,
siendo estas frecuencias medidas en hertzios (Hz).
El oído humano tiene una sensibilidad distinta
para tonalidades de diferente frecuencia: es más
sensible para tonalidades entre 1kHz y 5kHz,
menos sensible para frecuencias más altas y aún
mucho menos para frecuencias más bajas. Por lo
tanto, en la mayoría de los casos el nivel sonoro
está ponderado con la denominada ponderación
"A" y, de este modo, se transforma en el nivel de
presión acústica ponderado A ó L pA
LpA = 10 log (p/p0)² en dB…(2)
• Evolución a lo largo del tiempo.- la mayor parte
de los sonidos varían a lo largo del tiempo,
pudiendo fluctuar en una escala muy pequeña (a
una cierta distancia de una autopista) o en una
escala muy amplia (cerca de un aeropuerto).
Todos estos tipos de variación sonora deberían ser
descritos mediante una única unidad. La
descripción de todos los diferentes ruidos está
basada en la hipótesis que a dosis de ruido iguales
(lo que significa energía acústica multiplicada por
el tiempo de exposición) resultan efectos sonoros
iguales. Este método de obtención de valores a lo
largo del tiempo es el llamado: nivel equivalente
continúo de presión acústica L Aeq en dB (A).
• Características particulares.- Si el sonido está
compuesto de una única tonalidad o de
tonalidades con frecuencias muy bajas, podría ser
muy molesto. Por consiguiente, a veces se añaden
"penalizaciones" al LAeq con objeto de tener en
cuenta esta molestia.
2.3 Efectos del ruido
El ruido, por su mismo carácter de no deseado,
simplemente molesta, incomoda, perturba,
produciendo un estado de nerviosismo y stress,
generalmente acompañado de una sensación de
frustración e impotencia ante la imposibilidad de
desactivar la fuente de ruido. Los efectos que
causa el ruido sobre las personas son muy
variados, los mas salientes son:
− Perturbación del sueño
− Efectos del ruido en la salud mental e influencias
en el desempeño y productividad de las personas.
− Interferencias en la comunicación
2.4. Instrumentos y accesorios de medición de
ruido
• Sonómetro
Los sonómetros convencionales se emplean
fundamentalmente para la medida del nivel de
presión acústica con ponderación A (LpA) del ruido
estable.
• Analizador de frecuencia
Determina el contenido energético de un sonido en
función de la frecuencia. La señal que aporta el
micrófono se procesa mediante filtros que actúan a
frecuencias predeterminadas, valorando el contenido
energético del sonido en ese intervalo.
• Dosímetro
Es un pequeño sonómetro integrador que permite
calcular la dosis de ruido a la que está sometida una
persona.
• Calibrador acústico
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Página 33
Instrumento que sirve para asegurar la fiabilidad de
los sonómetros. Su misión es generar un tono estable
de nivel a una frecuencia predeterminada y se ajusta
la lectura del sonómetro haciéndola coincidir con el
nivel patrón generado por el calibrador. En general,
disponen de un selector que permite generar uno o
más tonos a una frecuencia de 1 kHz.
ruido. El espectacular aumento
automovilístico en nuestro país.
• Decibelímetro
El decibelímetro es un instrumento que permite medir
el nivel de presión acústica, expresado en dB.
Proporcionar mediciones objetivas y reproducibles
del nivel de presión acústica.
Esta encuesta describe la intensidad de las molestias
causadas por los niveles de ruido dentro de la Ciudad
Universitaria; especificando las zonas (alrededores de
las facultades – véase Anexo Nº1) y los horarios en
que se percibe estas molestias. La encuesta se lleva a
cabo en tres días característicos lunes, miércoles y
viernes en tres periodos horarios:
• Pantalla anti viento
Reduce el ruido producido por la turbulencia del
viento contra el micrófono, ya que aumenta el radio
de curvatura y favorece el flujo laminar.
2.5 Mapa de Ruido
La Comunidad Europea ha adoptado una definición
bastante amplia de mapa de ruido: “La presentación
de datos sobre una situación acústica existente o
pronosticada en función de un indicador de ruido, el
rebasamiento de un valor límite, el número de
personas afectadas en una zona dada, el número de
viviendas expuestas a determinados valores de un
indicador de ruido en una zona dada, o de datos sobre
costos y beneficios, u otros datos económicos sobre
las medidas correctoras o los modelos de lucha contra
el ruido”
del
parque
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
1. Desarrollo de la encuesta “Ruido: ¿peligro?”
dentro de la Ciudad Universitaria.
en la mañana de 8:00 a 10:00 horas
en la tarde de 12:00 a 14:00 horas
en la noche de 17:00 a 19:00 horas
La Ciudad Universitaria fue dividida en 6 zonas y se
encuesto a estudiantes, docentes y trabajadores
(jardineros, comerciantes, etc.).
El número de encuestados en cada zona fue el
siguiente:
zona Numero de encuestados
1
186
2
194
3
175
4
142
5
129
6
106
FORMULACIÓN ITEMS
¿De que manera influye en ruido en los seres
humanos?
2. Evaluación de la encuesta “Ruido: ¿peligro?”
mediante la Matriz de Leopold (véase Anexo Nº2)
Irritando nuestros nervios, afecta nuestras emociones
y conducta de diversas maneras, produciendo
molestias e interfiriendo con el trabajo, impide la
concentración,
el
descanso
y el
sueño.
Provocando tensión, excitación e irritabilidad.
A través de la matriz de Leopold se evalúa los
factores de afectación sobre los individuos de una
zona determinada dentro de la Ciudad Universitaria,
causada por el nivel de ruido presente en dicha zona.
Dentro de la Matriz de Leopold cada factor de
afectación presenta un factor de riesgo, determinado
según criterio de importancia sobre el impacto de
Ruido.
El Impacto de Ruido se evalúa a través de la siguiente
fórmula:
¿El ruido repentino afecta más que los continuos?
Los ruidos repentinos pueden ser peores que los
continuos ya que sobresaltan a la persona y pueden
provocar accidentes.
n
∑
¿Cuales son las principales fuentes de emisión de
ruido?
Las fuentes generadoras de ruido son muy diversas,
desde las obras de construcción o las fábricas
industriales y locales musicales, pasando por los
animales y personas, los aviones o ciertos fenómenos
meteorológicos. Pero, sin duda, el tráfico se ha
convertido hoy en uno de las principales focos de
I
R
=
A
i
∗
f
i= 1
i
….. (3)
n
∑
f
i
i= 1
Donde:
IR = Impacto de ruido
A = Afectación de cada individuo
f = factor de riesgo
n = numero de individuos encuestados por zona
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Página 34
3. Criterio de selección de zonas críticas de
monitoreo
etc. que se presentan al realizar las mediciones.
(véase Anexo Nº4)
Los criterios que se toman en cuanta son:
- Densidad poblacional: zonas críticas en el interior
del recinto universitario de elevada densidad de
estudiantes, profesores y personal administrativo
- Molestia sobre la población universitaria: zonas que
presenta mayor molestia
tia en los de estudiantes,
profesores y personal administrativo; según la
encuesta.
- Obras de construcción: zonas cercanas al área de
obra que se realiza en los alrededores de la ciudad
Universitaria.
- Actividad no universitaria: zonas donde existen
puestos
tos de fotocopiadoras, restaurantes, canchas de
fútbol, etc.
8. Instrumentos y accesorios de medición.
medición.-
4. Puntos de monitoreo en zonas críticas
Los puntos de monitoreo se ubican en las 6 zonas
establecidas
Se ubican 32 puntos de monitoreo, de acuerdo a
los criterios ya establecidos
a) Medidor digital de Nivel de Sonido Modelo:
407735 – Clase 2, con micrófono, pantalla LCD, y
tornillo de ajuste de calibración ppara 94 dB. Se
seleccionó: Compensación A., Tiempo de respuesta:
lento, Escala de medición: baja: 35 a 90
b) Higrómetro Termo-higrómetro
higrómetro Digital
Digital: Modelo:
4195, con certificación de calibración con ISO /IEC
17025 y ANSI/NCSL Z540-1.
Mide la presión en mBar, la temperatura en ºC, y el
% de humedad relativa
c) Anemómetro: Modelo anemómetro veleta Davis
Wizard III. Mide la velocidad en m/s, la dirección del
viento y la temperatura interior y exterior. Sus
componentes aguantan vientos de fuerza huracán, sin
embargo son sensibles a las ligeras brisas.
5. Cronograma de monitoreo
• El tiempo de medición por cada punto de muestreo,
es decir la constante de tiempo por medición es de
una hora y cuarenta minutos, tomando el promedio de
6 valores por punto.
• Se obtiene en total 6 mediciones por punto durante
el día
HIGROMETRO
SONOMETRO
Horario de medición: Puntos de monitoreo/día
MEDICIONES POR
HORARIO
PUNTO AL DÍA
Primera vuelta
8:00 – 9:40
Segunda vuelta
Tercera vuelta
Cuarta vuelta
10:00 – 11:40
12:00 – 13:40
14:00 – 15:40
Quinta vuelta
Sexta vuelta
17:30 –19
– :10
19:30 –1:10
–
Cuadro.01. Horario de monitoreo
6. Ubicación del micrófono:
Lejos de fachadas (a 2 m mínimo)
Lejos de obstáculos
A favor del viento
En condiciones sin humedad
Con velocidad del viento a 5 m/s
Con el micrófono a 1.5 m sobre el nivel del suelo
7. Protocolo de ensayos
Se construye un protocolo de ensayos en donde se
anota las mediciones de nivel de ruido, la hora,
velocidad y dirección del viento, humedad relativa y
temperatura del aire, y la presión atmosférica.
Además se anotaran las observaciones,
observacione incidentes,
ANEMOMETRO
Fig.01.
Instrumentos de medición
9. Análisis estadístico de los datos de Nivel de Ruido
Media Aritmética: Medida descriptiva de tendencia
central, llamada también
promedio, según la
ecuación siguiente:
n
∑
x =
Donde:
i =1
n
xi
=
x 1 + x 2 + x 3 + ... + x n .(4)
n
n: número mediciones
xi: valores de las mediciones
x: la media
10. Construcciones
Se construyo una estación meteorológica la cual de
tuvo que adaptar una bicicleta para que funcione
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Página 35
como una estación meteorológica móvil, la cual
estaba compuesta por los instrumentos y accesorios
de medición mencionados anteriormente.
1.50 m
Gráfico Nº 1. Variabilidad de los NPS en la Estación
Nº 27
Fig.02. Estación meteorológica móvil
CUADRO DE RESULTADOS
Se muestra una grafica e n la cual obtenemos el
impacto del ruido según las zonas
IMPACTO DE RUIDO POR ZONA
4,40
4,131
4,299
4,192
4,078
3,799
4,00
Gráfico Nº 2. Variabilidad de los NPS en la Estación
Nº 04
3,231
3,60
3,20
2,80
2,40
2,00
1,60
1,20
0,80
0,40
0,00
zona 1
zona 2
zona 3
zona 4
zona 5
zona 6
Zonas
Fig.03. Impacto de ruido por zona
CURVAS CARACTERÍSTICAS
1. Análisis Cualitativo de los Niveles de Presión de
Sonido
Los datos obtenidos en el monitoreo, permiten
conocer la variabilidad del Nivel de presión de
Sonido (NPS) en cada estación. A continuación se
observa algunos gráficos de los puntos de monitoreo:
Gráfico Nº 3. Variabilidad de los NPS en la Estación
Nº 01
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Página 36
Se observa que el mayor nivel de presión de sonido
se sitúa en el punto de monitoreo Nº 25 ubicada entre
la Facultas de Ciencias Administrativas y la entrada a
la Facultad de Letras y Ciencias Humanas, mientras
que en el punto de monitoreo Nº 7 ubicado en la
plaza de los Molles se encuentra el menor nivel de
presión de sonido.
Gráfico Nº 4. Variabilidad de los NPS en la Estación
Nº 31
De los gráficos vistos se concluye que:
En la estación Nº 27 ubicada en la Puerta 3 de la
Ciudad Universitaria San Marcos la mayor variación
del NPS se presentó en el horario de 8:00 a 14:00
horas debido al mayor flujo de personas y a las
actividades de la obra de extensión de carriles en la
avenida Amezaga (universitaria), estabilizándose a
partir de las 14:00 a 21:00 horas. Mientras que la
estación Nº13 ubicada en el comedor provisional,
registra la mayor variabilidad desde las 12:43 a 14:43
horas, por encontrase en el periodo de almuerzo que
es cuando se da la mayor presencia de alumnos.
Además la estación Nº 06 ubicada frente al nuevo
pabellón de electrónica presentó la mayor
variabilidad respecto a los demás puntos, debido a la
construcción de la segunda planta de este pabellón
durante todo el periodo de medición.(Ver gráfica
Nº1)
2. Análisis estadístico: Media Aritmética de los
Niveles de presión de sonido (NPS)
2.1. Nivel de Presión de Sonido por Puntos de
Monitoreo
En la siguiente grafica se analiza la media aritmética
de los niveles de presión de sonido obtenidos en los
32 puntos de monitoreo, distribuidos dentro de la
Ciudad Universitaria San Marcos:
Gráfico Nº 7. Media Aritmética de los NPS en dos
Periodos
2.2. Niveles de Presión de Sonido en 2 Periodos
La siguiente grafica de la media aritmética de los
niveles de presión de sonido de los 32 puntos de
monitoreo, se analiza en 2 periodos horarios: Periodo
1 de 8:00 a 13:40 horas y Periodo 2 de 14:00 a 21:40
horas.
Gráfico Nº 6. Media Aritmética de los NPS por
puntos de Monitoreo
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Página 37
punto de monitoreo
itoreo de mayor NPS es el punto Nº 25
(entre la FCA y la entrada de FLCH) y el menor NPS
es en el punto Nº 32 (esquina de la Facultad de
Psicología)
Gráfico Nº 8. Media Aritmética de los NPS en dos
Periodos
Se observa que durante el periodo 1, el punto de
monitoreo de mayor NPS es el Nº 13 (ex loza
deportiva de FQIQ actual comedor universitario
provisional) y el de menor NPS es el Nº 7 (plaza de
los Molles), mientras que durante el periodo 2 el
2.3. Niveles de Presión de sonido por días
A continuación se muestra la grafica de la media
aritmética de los niveles de presión de sonido
analizada según los días académicos – laborales en la
Ciudad Universitaria San Marcos.
Se observa que el mayor NPS de los días lunes,
martes, miércoles y viernes se encuentra en el punto
de monitoreo Nº 25, mientras que en los días jueves
el mayor NPS se ubica en el punto Nº 13 y los días
sábados en el punto Nº 12. Además el menor NPS
de los días martes, miércoles, jueves y sábados se
encuentra en el punto Nº 7 en tanto que los días lunes
en menor NPS se ubica en el punto
unto Nº 5 y los días
viernes en el punto Nº 32.
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Página 38
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Página 39
RECOMENDACIONES
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
1.
1.
2.
3.
4.
De lo anterior, podemos señalar que el
ruido, superior a una determinada
intensidad, es uno de los contaminantes
acústicos que altera el desarrollo social de
los seres humanos. Asi mismo es causante
de
trastorno
psicofísico,
conductas
agresivas, estrés, pérdida
érdida de audición entre
otros.
2.
En el caso de nuestra Universidad, notamos
que existen factores externos e internos que
influyen en el aumento del ruido, y por ende
esto perjudica las labores cotidianas
realizadas en nuestro aposento.
3.
Nuestro estudio nos ha llevado a la
conclusión que los mayores niveles de
concentración de ruido en la CU se ubican
entre la Facultad de Administración y la
Facultad de Letras. Así como también en las
puertas de ingreso a la universidad.
En las graficas podemos
odemos observar que de
todos los días analizados, el día miércoles en
casi todos los puntos es donde se localiza la
mayor cantidad de ruido.
4.
5.
6.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Para disminuir el ruido generada por los
vehículos de transporte alrededores de la
universidad,
ad, es necesario que las paredes
sean aislantes, para el caso de las
facultades,
colocar
ventanas
insonorizadas,(doble ventana) es decir dos
ventanas que al cerrarse crean una cámara
de aire entre ambas.
Para evitar que el ruido continué
incomodando a los
os alumnos, profesores y
personal administrativo es necesario situar
áreas ecológicas que sirva de pantalla
acústica en las entradas al campus
universitario (puertas).
Es necesario una plantación densa y ancha
(más de 50m) con follaje hasta el nivel del
suelo para que haya una absorción
significativa de sonido, así se puede obtener
una reducción de alrededor de 0.1 dB por
metro de espesor.
Es necesario se hagan plantaciones con las
características ya especificadas cerca de las
avenidas y en las zonas que exceden
considerablemente el nivel máximo
permisible.
Es necesario situar áreas ecológicas que
sirva de pantalla acústica en lugares de
niveles altos de ruido, así como hacer un
una
adecuada zonificación dee la CU.
Por último, pensamos que es importante
tomar conciencia y concienciar a la
Página 40
comunidad con el fin de disminuir los
efectos de la contaminación acústica que
nosotros mismos provocando.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL
PROYECTO
BIBLIOGRAFIA
1.
ARELLANO
DÍAZ,
Ana
María.
“Distribución de Ruido Ambiental en el
Campus de la Universidad Nacional
2.
Agraria La Molina en el periodo Enero –
Marzo del 2007”. Universidad Nacional
Agraria La Molina, Departamento de
Ingeniería Ambiental, 2008.
3.
BRUEL & KJAER. 2000. Ruido Ambiental,
Sound & Vibration Measurement A/S.
4.
DIGESA; “Plan a Corto Plazo para la
Reducción de la Exposición a Contaminantes
en la Av. Abancay”; Coordinadora del Área
de prevención y Control de la Contaminación
Atmosférica; 2007
5.
HARRIS CYTRIL M. 1995. Manual Acústica
y Control del Ruido, Vol II. Mac Graw Hill
Tercera Edición.
Ventajas:
1.
2.
Al saber el nivel de ruido que existe en el área
donde estamos estudiando y/o laborando se
pueda tomar las precauciones necesarias para
disminuir el nivel de ruido.
Mayor concentración en las labores que se
realizan.
Desventajas:
1.
2.
Una desventaja en el caso de que se colocase
ventanas insonoras es el factor económico.
Las medidas tomadas tienen un cierto límite de
error humano ya que no se cuentas con un
sistema automatizado.
6. KIELY G., 1999. Ingeniería Ambiental,
Fundamento, Entorno, Tecnologías y Sistemas
de Gestión, Mc Graw Hill, Madrid – España
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 41
VALIDACIÓN DEL MÉTODO DE TUBOS PASIVOS CON FILTROS
COLECTORES PARA DETERMINAR LA CONCENTRACIÓN DE
MATERIAL SÓLIDO SEDIMENTABLE EN LA CIUDAD
UNIVERSITARIA DE SAN MARCOS
VALIDATION OF THE METHOD OF PASSIVE PIPES WITH FILTERS COLLECTORS TO
DETERMINE THE CONCENTRATION OF SOLID MATERIAL SEDIMENTABLE IN THE
UNIVERSITY CAMPUS OF SAN FRAMEWORKS
José Huallaro B., Héctor Laos V., Fred Gutarra D., Mileydi Cabrera R. & Andrés Valderrama R.
_____________________________________________________________________________________
RESUMEN
En el presente artículo se determina la concentración de material sólido sedimentable utilizando un nuevo método de
medición el cual utiliza tubos pasivos que contienen filtros colectores, que serán ubicados en varias estaciones
dentro de la ciudad universitaria de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, así, además de poder determinar
las zonas de mayor concentración de material particulado y asegurarnos de que no excedan el nivel referencial
permisible de la OMS de 5 t/km2/mes, los resultados obtenidos con este método serán comparados con los resultados
de un método estandarizado, tomaremos para este estudio el método de tubos pasivos de DIGESA; con el fin de
validar esta nueva alternativa metodológica, para aminorar costos y ahorrar tiempo. Asimismo con la ayuda de un
microscopio electrónico y un software de imagen IMAGEJ se podrá determinar la concentración de material sólido
sedimentable de diversos tamaños: de 2 micras hasta 100 micras.
Palabras Clave: Material particulado, Tubos pasivos.
ABSTRACT
In the currently study it is made the noise levels monitoring inside the UNMSM, the methodology includes a
preliminary survey, aimed to CU, to determinate the distribution of the monitoring points inside the CU. In these
monitoring points it is registered the noise intensity and the meteorology conditions that have the mayor influence
on this study, such as: pressure, temperature, relative moisture percentage, and speed and direction wind. The
analysis of monitoring data will allow making a risk map because of the noise levels effects. Moreover, it will be
analyzed the influence level on desconcentration, and the loss of interesting of the community in the CU, in their
activities inside the University; to make the comparative analysis it will take as a reference the noise levels
established in D.S. Nº 085-2003-PCM and Law Nº 015 – “Municipalidad de Lima”. As recommendations of the
study it will make some methods and ways to control and reduce the noise levels the CU.
Keywords: Private material, passive Pipes
_________________________________________________________________________________________
INTRODUCCIÓN
Debido a la contaminación atmosférica que se
presenta principalmente en las ciudades, se hace
necesario generar políticas y proyectos de
mejoramiento de la calidad de aire para proteger la
salud de sus habitantes, siendo el primer paso el de
monitorear para conocer cuál es la calidad del aire,
Para ello se utilizan diversos procedimientos o
métodos como son el método activo y el método
pasivo, este último no implica el uso de equipos de
alto costo, por ello resulta mas factible usarlos; en
nuestro estudio utilizaremos el método de tubos
pasivos con filtros colectores dentro de la ciudad
universitaria de la Universidad Nacional Mayor de
San Marcos (UNMSM) que para su validación será
comparado con el método de tubos pasivos ya
estandarizado.
PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO
Para lograr nuestro objetivo principal que es validar
la metodología de monitoreo alternativa, es necesario
hacer una descripción de la forma como fueron
evaluados los siguientes parámetros: intervalo lineal
y de trabajo, límite de detección y de cuantificación,
exactitud (repetibilidad y veracidad), robustez e
incertidumbre.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 42
Metodología de tubos pasivos con filtros
colectores
partículas y sus respectivas concentraciones.
* Los parámetros tomados en cuenta son:
Preliminares. El contaminante a ser estudiado es el:
polvo atmosférico sedimentable, cuya concentración
limite promedio es de 5 t/km2/mes según la
Organización Mundial de la Salud (OMS)
Entre los diversos equipos utilizados tenemos:
Balanza analítica, modelo “770”marca “Kern”, un
microscopio electrónico Digital blue, modelo QX5,
marca Microscope, sensibilidad de hasta 200X,
estufa calibrada, desecador, y diversos equipos e
instrumentos de laboratorio.
Linealidad (R). Al comparar los datos obtenidos en
los filtros y los datos obtenidos mediante la
metodología de DIGESA, se obtiene un factor
constante de correlación, este factor debe ser lineal y
como resultado de todos los datos, se reduce el
riesgo de error en los cálculos.
Límite de detección. En esta sección el límite de
detección se determina con la siguiente formula:
L.D.
= y b + 3s b
……….. 01)
PROCEDIMIENTO:
Donde: L. D.: Límite de detección.
Ubicación. El sitio de muestreo debe permitir una
exposición libre, de tal manera que la muestra sea
colectada únicamente por gravedad. Debe estar libre
de fuentes de contaminación y libre de interferencias
de edificios u otros objetos altos o estructuras.
Instalación.- Se entierran los postes (40 cm. aprox.)
previamente cortados, lijados y pintados para que no
afecten a los colectores.
Preparación.- Los tubos son cortados con
dimensiones: 4 pulg. de diámetro y 10 pulg. de alto,
lavados con detergente y luego con agua destilada, al
igual que las tapas, se secan con papel tissue, y
después son tapados con papel aluminio para evitar
su contaminación. Los papeles tipo filtro son pesados
en una balanza analítica para su posterior exposición.
Esto se realiza con elevados cuidados y precauciones.
Monitoreo.- Se empieza el monitoreo colocando los
filtros en las tapas realizando un cierre ajustado con
el tubo y sellando la unión con cinta, asegurándonos
de que la contaminación se produce solo por la boca
superior del tubo. Durante los siguientes 30±2 días
que dura el monitoreo, se harán los respectivos
inventarios del estado de las estaciones, así como su
mantenimiento dos veces por semana. En esta parte
que se realiza la eliminación de algunas estaciones
según sea el caso, (vandalismo, aves, insectos
grandes, etc.)
Después del periodo de exposición, se procede a
recoger las tapas con los filtros incluidos, que
inmediatamente serán cubiertos con papel aluminio
(esto es para que no sea alterada la muestra y se
pueda sustraer con mas cuidado en el laboratorio).
Esto se realiza con guantes quirúrgicos, pinzas y
algunas herramientas manuales necesarias en ese
momento.
Las muestras son llevadas al laboratorio de la
Facultad de Ciencias Físicas para someterlas a los
análisis de gravimetría. Se toman microfotografías de
los filtros con ayuda de un microscopio electrónico,
modelo QX5, marca Microscope. Estas imágenes son
analizadas mediante el software libre IMAGE J,
obteniendo de esa manera los diámetros de las
y b : Promedio de mediciones
sb : Desviación estándar de las mediciones
Se tomaron 23 puntos de monitoreo mensual durante
2 meses; se analizaron 22 muestras aproximadamente
(algunas muestras se eliminaron por diversos
factores). Se obtuvo como límite de detección en
gramos L.D= 0.8520403
Exactitud. Para ver si existen efectos aleatorios y/o
sistemáticos en los resultados obtenidos para la
determinación de PAS, utilizando el método de tubos
pasivos con filtros, se evaluaran la precisión
(repetibilidad) y la veracidad como parámetros de
validación.
Repetibilidad. La precisión del método de tubos
pasivos con filtros se determinará en términos de
repetibilidad. Se evaluará realizando 10 mediciones
de cada una de las muestras, los resultados se
expresaran como coeficiente de variación (%CV).
Veracidad. La veracidad del método desarrollado se
evaluó midiendo el contenido de PAS en documentos
de referencia.
Los resultados obtenidos se compararan con los
valores obtenidos del método que DIGESA emplea, y
con los datos que SENAMHI publica para la zona en
la que se encuentra la UNMSM
Robustez. La robustez se evaluará al analizar la
información obtenida de nuestro método con el
método estandarizado, sometidos a distintas
velocidades y direcciones de viento, ya que las 23
estaciones están ubicadas en toda la UNMSM.
Incertidumbre. La evaluación de la incertidumbre se
realizó de acuerdo a la metodología propuesta por la
ISO (Guide to the Expression of Uncertainty in
Measurement) [GUM 1993], se consideró la siguiente
ecuación:
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 43
masa = masam + corrección + deriva … (02)
3) El nivel de contaminación excede los límites
máximos permisibles en la ciudad universitaria.
Donde:
MARCO TEÓRICO
masam : Es el peso de la muestra
corrección : Se calcula en el proceso de
calibración de la balanza y se considera la diferencia
entre el valor asignado de las masas patrón y el
valor proporcionado por la balanza al pesar la masa
patrón.
deriva : Debida a dos causas: 1) con el paso del
tiempo la balanza se va descalibrando; y 2) error
sistemático debido a la diferencia entre la
temperatura a la que se calibra la balanza (20°C) y la
temperatura a la que se pesa la muestra. A la
incertidumbre estándar así obtenida se le multiplica
por 2 (factor de cobertura) para obtener la
incertidumbre total expandida, Ue
Ue = ku …….. (03)
Donde: k=2 (Factor de cobertura)
u = u2m + u2c + u2d ... (04)
Donde:
um : Medida de la masa
uc : Calibración de la balanza (realizado por el laboratorio)
ud : Deriva de la balanza (viene especificado en el equipo)
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Validar nuestra metodología usando como base el
método usado por la Dirección General de Salud y
Ambiente (DIGESA).
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1.
2.
3.
Determinar mediante un software de imágenes
los distintos diámetros de las partículas de PAS.
Usando los parámetros de validación comprobar
nuestra validación.
Elaborar los cuadros comparativos de los pesos
obtenidos con ambas metodologías.
HIPÓTESIS
1) Debe existir un factor de correlación directo entre
los datos obtenidos con el método estandarizado y
con los datos obtenidos con el método propuesto.
2) Se espera que los papeles filtro usados permitan
obtener concentraciones representativas en cada
estación para poder utilizar el método
gravimétrico.
Monitoreo atmosférico: Se define como todas las
metodologías diseñadas para muestrear, analizar y
procesar en forma continua las concentraciones de
sustancias o de contaminantes presentes en el aire en
un lugar establecido y durante un tiempo
determinado.
Su importancia radica en:
a) Formular los estándares de calidad de aire.
b) Llevar a cabo estudios epidemiológicos que
relacionen los efectos de las concentraciones de los
contaminantes con los daños en la salud.
c) Especificar tipos y fuentes emisoras.
d) Llevar a cabo estrategias de control y políticas de
desarrollo acordes con los ecosistemas locales.
e) Desarrollar programas racionales para el manejo
de la calidad del aire.
Se requiere de una base de datos que aporte
información para la realización de todos estos
estudios la cual se genera a partir del monitoreo
atmosférico.
Polvo Atmosférico: Dependiendo de su tamaño, las
partículas pueden sedimentar o flotar. Los
contaminantes
sólidos
sedimentables,
polvo
atmosférico o deposición ácida seca incluyen al
grupo de partículas de hasta un diámetro de
aproximadamente 100µ (100 micras), considerando
que el polvo de mayor tamaño tiende a sedimentar
rápidamente; de este grupo, las partículas más finas,
son las más peligrosas ya que tienen una mayor
penetración en el sistema respiratorio. Abundantes
trabajos de investigación demuestran la relación
directa entre el polvo atmosférico y partículas
respirables
con
enfermedades
respiratorias,
digestivas, dermatológicas, reumáticas, nerviosas y
oculares
Sedimentación gravitacional: Es proporcional a la
velocidad de deposición de la partícula y al tiempo
disponible para sedimentar. Como la velocidad
decrece en los conductos estrechos del sistema, el
efecto gravitacional se ve aumentado.
Medición del polvo sedimentable y sus compuestos
metálicos:
Para recoger el polvo sedimentable se utilizan dos
métodos totalmente diferentes:
• Muestreo en colectores y
• Muestreo en superficies adhesivas.
Un procedimiento habitual para medir el polvo
sedimentable (polvo depositado) es el método
Bergerhoff, que consiste en recoger durante 30 ± 2
días toda la precipitación atmosférica (precipitación
seca y húmeda) en colectores situados a 1,5 - 2,0
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 44
metros por encima del nivel del suelo (precipitación
aparente). A continuación, los colectores se envían al
laboratorio y se preparan mediante filtrado,
evaporación del agua, secado y pesado. El resultado
se calcula en función de la superficie del colector y el
tiempo de exposición (g/m2/día). El límite relativo de
detección es de 0,035 g/m2/día. Otros procedimientos
proce
para la recogida del polvo sedimentable son el
aparato de Liesegang-Löbner
Löbner y los métodos que
recogen el polvo depositado sobre láminas adhesivas.
Las mediciones del polvo sedimentable son valores
relativos que dependen del aparato utilizado, ya que
q
en la separación del polvo influyen, además de otros
parámetros, las condiciones del flujo en el
dispositivo. Las diferencias entre los valores
obtenidos con los diferentes métodos pueden llegar a
ser hasta del 50 %. También influye la composición
del polvo
olvo depositado como, por ejemplo, el contenido
de plomo, cadmio u otros compuestos metálicos. Los
métodos analíticos utilizados en este caso son
prácticamente iguales a los utilizados para el polvo en
suspensión.
observado que el diámetro Feret es igual al diámetro
de un círculo con el mismo perímetro que el
proyectado por la partícula.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
La precipitación de polvo en toneladas por kilómetro
cuadrado y día
(tn/km2d)
d) se calcula de la siguiente forma:
PAS =
final
− Pinicial )
A×T
[
………….. (04)
]
PAS : tn / km 2 / mes
Pfinal : Peso final del recipiente
colector (toneladas)
Pinicial : Peso inicial del recipiente colector
A
Las ventajas del método de sistemas pasi
pasivos se basan
en el hecho de solventar las dificultades esenciales
que manifiestan los instrumentos automáticos en
continuo. Algunas de sus características más
conspicuas como son el bajo costo de adquisición y
analítico, la sencillez en su manipulación, ya la
facilidad de transporte. Se pueden utilizar en mayor
cantidad.
Durabilidad de los colectores. El colector de
partículas sedimentables no es desechable y se puede
utilizar en promedio durante 6 meses
Método Pasivo: Caracterizado porque no utilizan
compresor
resor para la succión del aire y colectan un
contaminante específico en jarras, frascos por medio
de la adsorción y absorción en un sustrato químico
seleccionado. Después de su exposición durante un
apropiado período de muestreo, que varía desde un
par de horas hasta un mes, la muestra se regresa al
laboratorio, donde se realiza la recuperación del
contaminante y después se analiza cuantitativamente.
(P
(toneladas)
: Área del recipiente colector (km2)
T
: Tiempo de muestreo (mes)
Figura 01.Diseño del tubo pasivo con filtro colector
Análisis
Gravimétrico:
Método
analítico
cuantitativo en el cual la determinación de las
sustancias se llevaa a cabo por una diferencia de pesos.
Existen métodos para conocer la concentración de
una muestra en solución, que llevan a cabo
precipitaciones de la muestra por medio de la adición
de un exceso de reactivo y otros en los que
directamente se pesa el material
rial colectado en el filtro.
En este último, se determina la masa, pesando el
filtro antes y después del muestreo con una balanza a
temperatura y humedad relativa controladas.
Diámetro de Feret (dF): Es el valor medio de la
distancia entre pares de líneass paralelas, tangentes al
perímetro proyectado de una partícula, se ha
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Figura 02.Ubicación de la estación N°1
Página 45
Pto
2° MES (SIN
FILTRO)
Figura 03.Microfotografía de un filtro cuyas
dimensiones en micras son: 1011x758 µm
µ (estación
N°1)
CUADRO DE RESULTADOS
Límite de detección:Para los filtros:
L.D. = 0.80526087 + 3 (0.01559314) = 0.8520403
Repetibilidad:%C.V.= 0.03086825
Veracidad:
La veracidad no se pudo comprobar ya que los datos
de SENAMHI evidentemente difieren de los datos
obtenidos con la nueva metodología, ya que trae
consigo desde el principio una menor concentración,
es esta nueva relación la que se puede comparar
siempre y cuando hayan estado nuestras estaciones en
los mismos lugares donde dicha institución hace sus
mediciones. Ya que el caso no es ese, se compara con
los datos obtenidos de estaciones que
ue siguieron las
directivas que DIGESA propone y que si estuvieron
ubicadas en el mismo lugar de las estaciones de la
nueva metodología. Los datos se muestran a
continuación:
1° MES (SIN
FILTRO)
Pto
tonelada/k
m2
Pto
tonelada/k
m2
3
7
1
8.12
4.03
11.65
3
7
1
6.75
1.75
9.65
4
8
10.72
4
9.77
10.33
8
9.03
14
9.91
14
8.21
19
8.21
19
7.31
20
12.64
20
10.51
22
18.95
22
16.65
23
11.29
23
9.19
1° MES
(CON
FILTRO)
tonelada/k
m2
3
7.88
7
3.44
2° MES
(CON
FILTRO)
Pto
tonelada/k
m2
3
6.90
7
2.17
1
7.36
1
5.51
4
11.39
4
9.89
5
8.28
5
6.56
8
14.17
8
12.74
14
2.64
14
1.56
15
8.62
15
7.65
19
6.90
19
5.30
20
6.87
20
5.92
22
9.77
22
8.05
23
5.11
23
3.43
Figura 04, Cuadro comparativo para hallar el factor
de relación entre el método estándar y el método
propuesto (Redondeados)
De los cuadros arriba descritos, se tiene que el factor
de relación es:
M / km2 / mes = ( M f / km2 / mes + 1.57655108) ± 0.04546296
Donde:
M / km 2 / mes
: Concentración obtenida con el método
estandarizado.
M f / km2 / mes : Concentración obtenida con el método
de tubos pasivos con filtros colectores.
Incertidumbre:
Método
Tubos pasivos con
filtros colectores
Masa (filtro vacío)
Ue
0.82085401
0.0492
Figura 5, Cuadro de pesos del primer mes de
monitoreo, para las 23 estaciones.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 46
CURVAS CARACTERÍSTICAS
Concentracion de PAS en la UNMSM (MAYOJUNIO)
25.00
20.00
15.00
10.00
5.00
0.00
1
3
5
7
Concentración (número)
Concentración (ton/km2/mes)
Concentración VS Diámetro
9 11 13 15 17 19 21 23
Estación
12
y = 5E-07x4 - 0.000x3 + 0.015x2 - 0.714x + 12.39
R² = 0.981
10
8
6
4
2
0
Figura 6, Concentración por punto de monitoreo
usando el método de tubo pasivo con filtro colector.
(Ver detalle en el anexo 2).
0
20
40
60
Diámetro (micras)
80
100
Figura 9, Del gráfico se observa que las partículas de
menos de 40 micras de diámetro se encuentran en
mayor número con respecto a las de mayor diámetro
(ver detalle en el anexo 2).
Concentración (%)
Concentración VS Diámetro
(acumulado)
y = -8E-09x6 + 3E-06x5 - 0.000x4 + 0.020x3 - 0.683x2 + 11.85x 9.353
R² = 0.994
100
80
60
40
20
0
1
100
Figura 9, Concentración acumulada VS Diámetro
(micras), con un ajuste R2=0.9946, se puede observar
que aproximadamente el 60% de partículas tienen
menos de 10 micras de diámetro. (Ver detalle en el
anexo 2)
Figura 7, Cuadro de pesos del segundo mes de
monitoreo, para las 23 estaciones. (Los datos
faltantes fueron ocasionados por eventos fortuitos).
Climatologías que existía en los días de las pruebas
experimentales fueron muy variables; obteniéndose
mayores eficiencias con las plantas medicinales
Muña y Eucalipto y teniendo su mayor eficiencia a
los 120m. del inicio de la prueba (1:30 p.m.).
Concentración de PAS en la UNMSM (JUNIO-JULIO)
Concentración (ton/km2/mes)
10
Diámetro (micras)
25.00
20.00
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
15.00
10.00
5.00
1.
0.00
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
Estación
2.
Figura 8, Concentración por punto de monitoreo
usando el método de tubo pasivo con filtro colector.
(Ver detalle en el anexo 2).
3.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Los pesos del PAS en los tubos pasivos con
filtros son menores con respecto a los pesos
obtenidos en los tubos sin filtros.
Los filtros soportaron la intemperie durante todo
el mes que dura el muestreo. A pesar de que
hubo unas ligeras precipitaciones, estos filtros
cumplieron con el periodo programado,
demostrando de esa manera su aptitud para este
tipo de estudio.
El factor de corrección es de 1.57655108
toneladas por kilómetro cuadrado, para todos
los tubos sometidos a este estudio.
Página 47
4.
5.
6.
7.
Para el primer mes de monitoreo el 100% de las
estaciones superaron el límite permisible de la
OMS (5tn/km2/mes) mientras que para el
segundo mes, solamente el 67% de las estaciones
superaron este nivel.
Gracias al software de imágenes IMAGE J se
observó que las partículas de menor diámetro se
encuentran en mayor concentración que las de
mayor diámetro, y esto se ajusta con una curva
polinómica de orden 4, “y = 5E-07x4 - 0.0001x3
+ 0.0154x2 - 0.7145x + 12.394 ” con un ajuste
de R2 = 0.9914
Debido a diversas situaciones atípicas dentro del
área de muestreo (C.U.de UNMSM) tales como:
movilizaciones, obras no habituales en los
alrededores, etc.) es que aún queda a disposición
de los interesados en seguir el estudio
posteriormente.
Cabe destacar que el tema aun esta en pie de
investigación, ya que en nuestro país no existe
una cultura protectora del medio ambiente,
ámbito que debería reforzarse en un futuro
próximo.
RECOMENDACIONES DEL PROYECTO
1. Se debe tener cuidado en maniobrar los filtros
después del mes, ya que contienen las muestras que
son indispensables para el estudio.
2. Se debe contar con una buena organización del
equipo de trabajo, ya que al manejar muchas
muestras, estas deben ser trasladadas en orden y
realizar los análisis de laboratorio a la brevedad
posible.
3. No se recomienda utilizar este tipo de método en
lugares cuya precipitación sea lluvias superiores a
120 mm. de agua caída por mes.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL
PROYECTO
Como las principales ventajas tenemos:
1. El costo reducido de los materiales e insumos
utilizados.
2 La instalación práctica y rápida de los equipos,
ya que no necesitan de energía eléctrica ni
estar vigilados constantemente.
3 La obtención de resultados es en menos tiempo,
en el laboratorio el método estandarizado toma
hasta 5 veces el tiempo que demora analizar los
filtros.
4 Al utilizar papel tipo filtro la muestra puede
pasar por un análisis de imágenes, de esta
manera obtener no solo los datos de los pesos
sino también una distribución de los diversos
diámetros de las partículas sedimentadas. Esto es
de importancia en la relación con las
enfermedades pulmonares y cardiovasculares.
- Como las principales desventajas tenemos:
1. Al usar papel tipo filtro aumenta el margen de
error al pesar.
2. Los tubos tienen que ser reemplazados cada 6
meses.
3. Los papeles tipo filtro no son reutilizables, y la
venta no es en cualquier establecimiento, sino
que debe estar certificado para dicha venta.
4. En lugares donde hayan muchas lluvias (120
mm. /mes) no es posible su implementación sin
algunos acondicionamientos previos, elevando
así el costo y manipulación.
BIBLIOGRAFÍA
“Protocolo de muestreo y análisis de polvo
sedimentable”, DIGESA, Lima,2005
2. “Guías de calidad del aire de la OMS relativas al
material particulado, el ozono, el dióxido de
nitrógeno y el dióxido de azufre”, OMS, 2005
3. “Control de la Contaminación Atmosférica”,
Enciclopedia de Salud y Seguridad en el Trabajo.
4. "Ciencia y tecnología frente a la contaminación
Atmosférica" Comisión Nacional del Ambiente
(CONAMA) http:// www.conama.cl.htm.
5. Comision
Nacional
del
Ambiente
(CONAMA)http://www.conama.cl.htm
6. “Boletín Hidrometeorológico del Perú –
Evaluación de la contaminación atmosférica en
la zona metropolitana de Lima-Callao”, Servicio
Nacional de Meteorología e hidrología del Perú
www.senmahi.gob.pe. Ing. José Silva Cotrina,
Ing. Zarela Montoya Cabrera.
7. Reglamento de estándares nacionales de calidad
ambiental del aire. Decreto Supremo N° 0742001-PCM. CONAM. Lima, 2001.
8. “Manual de Laboratorio- Programa Aire Puro,
Fundación Suiza de Cooperacion para el
desarrollo técnico (Swiaacontact), Agosto 2001
9. “Descripción del arrastre de partículas en un
sistema de extracción de polvos generados en la
fabricación de papel sanitario”. Valdez Trejo,
Karen, México-2004.
10. “Distribución del tamaño de partículas en
Medellín, Particle size distribution in Medellín
City, Colombia”, Julián Bedoya V., Ph.D., Inés
Carmona M.S. y Astrid Blandón M.S.
1.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 48
ESTUDIO COMPARATIVO PARA LA DETERMINACION DEL
POLVO ATMOSFÉRICO SEDIMENTABLE EMPLEANDO LAS
METODOLOGÍAS DE TUBO PASIVO Y DE PLACAS
RECEPTORAS EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE SAN
MARCOS – LIMA
COMPARATIVE STUDY FOR THE DETERMINACION OF THE ATMOSPHERIC DUST
SEDIMENTABLE EMPLOYING THE METHODOLOGIES OF PASSIVE PIPE AND OF PLATES
RECEPTORAS IN THE UNIVERSITY CAMPUS OF SAN MARCOSS – LIMA
Rubén Marcos, Mileydi Cabrera, Héctor Laos, Dalma Mamani & Andrés Valderrama
_____________________________________________________________________________
RESUMEN
En el presente trabajo se realiza el análisis comparativo de resultados de las mediciones de los niveles de
concentraciones de polvo atmosférico (PS) obtenidas mediante dos metodologías validadas; la primera validada por
DIGESA, denominada “tubo pasivo” y la segunda polvo atmosférico sedimentable (PAS) validada por SENAMHI
denominada “placas receptoras”, para el trabajo experimental se ubican estaciones de monitoreo en la ciudad
universitaria de la UNMSM, la ubicación de estos puntos, han sido previamente evaluados de acuerdo a los factores
que influyen en la medición: velocidad y dirección del viento, humedad relativa, temperatura, densidad poblacional.
Los resultados del monitoreo de la concentración de PAS, PS de cada punto obtenidos mediante las dos
metodologías; son comparados con el nivel de referencia normado por los límites máximos permisible dado por la
OMS, que es de 0.5 mg/cm2/mes. El análisis comparativo permite determinar la estación que presenta la mayor
incidencia de concentración de polvo atmosférico sedimentable y polvo sedimentable
ABSTRACT
The present work is carried out comparative analysis of results of the measurements of the levels of concentration of
atmospheric dust sediments (PAS) obtained through two proven methodologies, the first validated by DIGESA,
called "passive tube" and the second called validated by SENAMHI "Plates reception" for the experimental work of
monitoring stations are located in the university town of UNMSM, the location of these points have been previously
assessed according to factors influencing the measurement: wind speed and direction, humidity relative temperature,
population density. The results of monitoring the concentration of PAS each point earned by the two methodologies;
are compared with the benchmark regulated by the maximum permissible given by WHO, which is 0.5
mg/cm2/mes. The comparative analysis identifies the station that has the highest incidence of concentration of
atmospheric dust sediments (PAS) and dust sediments (PS).
_________________________________________________________________________________________
INTRODUCCION
En la actualidad vivimos épocas de crecimiento en
donde la actividad del hombre a provocado una serie
de efectos negativos en el mundo, actividades que
han dado un gran apoyo al desarrollo industrial,
económico, agrario, etc., pero también a sido uno de
los factores preponderantes en el avance de la
Contaminación de la atmósfera del planeta en sus
diversas formas.
La atmósfera contaminada puede dañar la salud de las
personas y afectar a la vida de las plantas y los
animales. Pero, además, los cambios que se producen
en la composición química de la atmósfera pueden
cambiar el clima, producir lluvia ácida o destruir la
capa de ozono, fenómenos todos ellos de una gran
importancia global. Por este motivo el presente
estudio trata de determinar el método más eficiente a
través del método pasivo para medir las los niveles de
concentración a través de las metodologías de las
“partículas atmosféricas sedimentables (PAS) con
placas receptoras de vidrio untados con vaselina, y
“partículas sedimentables” (PS), con tubos pasivos
(recolección por jarras).
PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO
El estudio realizará la comparación de dos
metodologías: la primera de tubos pasivos (jarras) y
la segunda de placas receptoras (placas de vidrio); se
realizará el análisis de los niveles de concentración de
polvo atmosférico sedimentable, polvo sedmientable
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 49
que se encuentran en la ciudad universitaria de la
Universidad Nacional Mayor de San Marcos, para
poder determinar las zonas de mayor nivel de
concentración de PAS Y PS siguiendo los
procedimientos
determinados
por
ambas
metodologías, las cuales se evaluará con la
información
recopilada
de
los
parámetros
meteorológicos, densidad de personas y de la
ubicación respecto de la cercanía a las grandes
avenidas que rodean la ciudad universitaria, dentro de
esta se ubicarán 6 puntos de monitoreo que nos
permitan la toma de datos experimentales de los
niveles de la concentración de PAS en el aire.
Estos valores en promedio serán comparados con el
valor referencial de 0.5 mg/cm2/mes que nos da la
Organización Mundial De La Salud (OMS), entidad
que establece los límites máximos permisibles de la
calidad del aire y su impacto sobre la salud humana.
Se realizara también el análisis fluodinámico del aire
para las muestras mas representativas en ambas
metodologías, con ello se comprenderá como las
partículas se depositan en las estaciones.
El proyecto prevé las siguientes etapas:
1 Etapa.- Selección de las estaciones de monitoreo
Para ambas metodologías se tomarán las mismas
consideraciones en la instalación de las estaciones y
estas son:
1. Cantidad de la población universitaria.
2. Lugar de emplazamiento de la estación que debe
de estar libre de obstáculos (edificaciones en el
entorno inmediato, de áreas con árboles, de
tendederos), u otras fuentes de contaminación
que puedan ocasionar perturbaciones serias de
los valores obtenidos.
3. Las estaciones de tubos pasivos estarán
instaladas a una altura de 1.50m y las placas
receptoras a 1.5m sobre el nivel del suelo; estas
últimas son ubicadas de a Sur (S) a Norte (N) /
Fuente: SENMAHI
2 Etapa.- Instalación de las instalaciones, para los
tubos pasivos y para las placas receptoras.
1. De Tubos Pasivos
1. Antes de ser expuestos el frasco de muestreo,
serán lavados con detergente, luego de estar
expuesto en el ambiente se hará un lavado con
agua destilada.
2. En el campus se ubicará los frascos de PVC. en
cada estación antes ya instalada en los puntos de
monitoreo cada uno de ellos serán previamente
codificados para su análisis respectivo
2. De Placas Receptoras
• Antes de ser colocada las placas receptoras, se
hará la limpieza previa, luego se untará
uniformemente con vaselina con ayuda de una
paleta y empleando guantes, posteriormente se
realizará el codificado y pesado inicial de las
placas receptoras en la balanza electrónica.
Para ambas metodologías se medirán lo siguiente:
1. La concentración de material particulado de
polvo por un periodo de 1 mes.
2. Se harán anotaciones sobre eventos que ocurran
en las estaciones alrededor del mes ya que estas
afectan los resultados obtenidos.
3. Se instalará una estación meteorológica DAVIS
(WEATHER WIZARD III) donde se medirá la
velocidad y dirección del viento durante 4 meses
de estudio en la EAP ingeniería MECÁNICA DE
Fluidos.
3 Etapa.- Análisis de laboratorio
Al término del periodo de exposición se recogerán
las muestras, estas se someterán al análisis en el
laboratorio del Instituto de investigación de ciencias
Físicas por cada una las muestras obtenidas por
ambas metodologías antes mencionadas; se empleará
el método gravimétrico.
1. Para los tubos pasivos las muestras serán
llevados al laboratorio sellados herméticamente
para evitar los errores que generen en su traslado,
posteriormente pasa por una serie de pasos a
seguir de acuerdo a su metodología, obteniendo
posteriormente la concentración requerida para el
estudio.
2.
Para las placas receptoras de muestreo se
llevarán al laboratorio para ser pesadas
cuidadosamente en la balanza analítica y
anotadas en la bitácora de campo de acuerdo al
orden establecido en cada estación, teniendo en
cuenta las condiciones del medio ambiente en
que se realizan las mediciones, el laboratorio
deberá permanecer cerrado, evitando cualquier
influencia externa que pueda alterar la medición.
Para tener así calidad de los datos obtenidos.
Para ambas metodologías
• Con los datos de concentración de polvo
atmosférico, se evaluarán los valores de los
niveles de concentración en los puntos de
monitoreo mediante métodos estadísticos se
analizará también los valores extremos (máximo,
mínimo), para luego hacer una comparación con
la norma internacional vigente de la OMS (0.5
mg/(cm2/mes)).
• Mediante la estación meteorológica obtendremos
los valores de los parámetros meteorológicos
(temperatura, velocidad del aire, humedad
relativa, dirección del viento), solo en un punto
estratégico de las estaciones antes referidas.
• En la modelación numérica para cada punto de
las estaciones se necesita los datos
meteorológicos; se empleara dos softwares
libres llamados NAVIER2D y MESH2D los
cuales se accedieron por Internet así también
conocimientos en el lenguaje de programación
Matlab 6.5.
Empezaremos por delimitar los puntos de cada
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 50
estación. Posteriormente se hace un programa
extra que contenga puntos que delimiten la
estación, en el cual utilizaremos el MESH2D (se
construirá la malla de cada estación).
Al terminó de la malla, está se lleva al programa
de NAVIER2D, ejecutándolo siguiendo cada
paso de acuerdo a su manual.
4 Etapa.- Se concluirá con el Informe Técnico
detallado que contenga:
• Cálculo de la eficiencia de cada método; analizar
a que se debe los factores de diferencias en
ambas.
• En el modelamiento de los puntos de las
estaciones se observará el comportamiento del
flujo de aire, factor importante en la
concentración
del
polvo
atmosférico
sedimentable
• Datos meteorológicos en cada punto o estación.
• Se anotarán los daños que sufriesen las
estaciones durante el mes de exposición.
Se hará una selección entre todas las muestras de
concentración de PAS, para ser
llevadas al
laboratorio de Espectrofotometría de absorción
atómica para conocer qué tipos de componentes
contiene las muestras.
MARCO TEORICO
Se definen a continuación aspectos que tienen que ver
con el trabajo de investigación:
• Partículas.- Contaminantes generados por
procesos extractivos, transporte, concentración,
fundición, refinería y comercialización de la
actividad minera; quema de combustibles fósiles;
emisiones volcánicas; polen de la fase de
floración de las plantas; fotoquímica de gases
contaminantes primarios, etc. De las diferentes
fracciones de partículas, las más finas son las
más dañinas por su rápida penetración y
permanencia en el sistema respiratorio,
específicamente a nivel de los alvéolos
pulmonares.
•
Polvo Atmosférico Sedimentable (PAS) o
Polvo Sedimentable PS.- Constituido por
partículas contaminantes sólidas de un diámetro
equivalente mayor o igual a 10 micras (D≥10µ);
tamaño y peso que está dentro de la influencia de
la fuerza de atracción gravitatoria terrestre
(gravedad), por lo que sedimentan y se depositan
en forma de polvo en las diferentes superficies
(edificios y objetos en general de exteriores e
interiores, áreas verdes, avenidas y calles con o
sin asfalto), desde donde vuelven a ser
inyectados al aire por los llamados flujos
turbulentos de las zonas urbanas; de este grupo
de partículas, las más finas son las más
peligrosas ya que tienen una mayor capacidad de
penetración en el sistema respiratorio.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Hallar la concentración de polvo atmosférico
sedimentable en los distintos puntos de la ciudad
universitaria de San Marcos; utilizando ambas
metodologías y encontrar la zona de mayor
concentración de PAS.
Hacer un análisis fluodinámico en ambas
estaciones, para cada punto de monitoreo, que
explique la interacción de los sedimentos, el aire
al contacto con las estaciones.
•
Método Pasivo.- Caracterizado porque no
utilizan bombas para la succión del aire y
colectan un contaminante específico por medio
de su adsorción y absorción en un sustrato
químico seleccionado. Después de su exposición
durante un apropiado período de muestreo, que
varía desde un par de horas hasta un mes, la
muestra se regresa al laboratorio, donde se
realiza la recuperación del contaminante y
después se analiza cuantitativamente.
FORMULACIÓN DE HIPOTESIS
Como consecuencia de la ejecución de obras de
construcción alrededores de la ciudad
universitaria
existirán altos niveles de
concentración de PAS.
La ciudad universitaria de San Marcos está
rodeada de avenidas de alto flujo vehicular, que
emiten material particulado en forma de hollín,
monóxido de carbono, etc.
La dirección y velocidad del viento por la
ubicación de la ciudad universitaria de San
Marcos que está a 4 km. del mar
Existe mayor captación de concentración de PAS
en los tubos pasivos que en las plataformas
debido a que este tipo mayor área en contacto
que las plataformas.
•
Método Gravimétrico.- Método analítico
cuantitativo en el cual la determinación de las
sustancias, se lleva a cabo por una diferencia de
pesos. Existen métodos para conocer la
concentración de una muestra en solución, que
llevan a cabo precipitaciones de la muestra por
medio de la adición de un exceso de reactivo y
otros en los que directamente se pesa el material
colectado en el filtro. En este último, se
determina la masa, pesando el filtro antes y
después del muestreo con una balanza a
temperatura y humedad relativa controladas.
•
Monitoreo.- Medir. Incluye a todas las
metodologías diseñadas para muestrear, analizar
y procesar en forma continua las concentraciones
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 51
FORMULACION DE OBJETIVOS
•
•
•
•
•
•
•
OBJETIVO
Encontrar la metodología más
eficiente,
económica, manejable, para la localización de
puntos de monitoreo que sirvan como base para
posteriores estudios de calidad de aire de mayor
envergadura.
•
•
de sustancias o de contaminantes presentes en el
aire en un lugar establecido y durante un tiempo
determinado
Estaciones de Muestreo.- Emplazamiento
Emplazam
físico
determinado para la instalación de un sistema de
equipos e instrumentos de muestreo periódico
y/o aperiódico o el monitoreo continuo de la
calidad del aire.
Norma de Calidad Ambiental o Nivel
Referencial.- Dato numérico adoptado para
usarse como
omo marco de referencia con el cual se
comparan las mediciones ambientales con el
propósito de interpretarlas.
Normas Nacionales
En el Perú no se presenta ninguna norma o ley con
respecto a los límites máximos permisibles para
polvo sedimentable, Sin embargo
mbargo instituciones como
DIGESA Y SENAMHI cogen normas de OMS para
establecer estudios de monitoreo
Institución
Tiempo
promedio
Limites
Máximomg/cm2/30
días,
DIGESA
Dirección
General
de salud
ambiental
30 días
0.5
Gravimétrico
estudio de polvo
sedimentable
(jarras)
0.5
Gravimétrico
estudio de polvo
sedimentable,
(jarras),polvo
atmosférico
sedimentable
(Placas de vidrio)
SENAMHI
Servicio
Nacional de
Meteorología e
Hidrografía
30 días
Técnica Método
Tabla Nº 1Comparación de metodologías según sus
normas
Normas a Nivel Internacional
En la tabla siguiente se presenta estándares de calidad
de aire para el estudio de polvo sedimentable, cada
país tiene una norma reglamentada cuyos límites se
muestra a continuación cuyos los valores establecidos
en cada país se debe a su ubicación y zona
geográfica.
País
Tiempo
promedio
Limites
Máximo
mg/cm2/30 días
Técnica
Argentina
30 días
1
Gravimetría
suiza
30 días
0.6
Gravimetría
Cota Rica
30 días
1
Gravimetría
Ecuador
30 días
1
Gravimetría
Colombia
30 días
1
Gravimetría
Chile
30 días
0.5
Gravimetría
México
30 días
1
Gravimetría
estarán en unidades de miligramos entre centímetros
cuadrados en 1 mes, en ambas metodologías se
calcularán de la siguiente manera:
Para el caso de las placas receptoras
Los parámetros requeridos son el
Peso inicial (Pinicio), este es después de salir de
laboratorio.
- Peso final (Pfinal),
), este es después de estar
expuesta la placa de vidrio durante el mes de
muestreo,
- Área, es la superficie total de la placa, ancho por
largo.
- El mes que permanece constante.
Para el caso de los tubos pasivos
-
Wn, Peso neto del material recogido ((mg)
durante 1 mes
S, Superficie útil de la boca del frasco (cm2)
El mes que permanece constante.
2. PLANIFICACIÓN PARA EL MONITOREO.
Etapa 1 Ubicación Geográfica de la zona de
Estudio
El estudio se realizo en la ciudad universitaria de la
Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima
Perú; que se encuentra ubicado en el distrito del
Cercado, provincia y departamento de Lima, con
coordenada UTM latitud 12º03’20’’S longitud 77º
04’ 57” O, con un área aproximada de 10 hectáreas,
siendo
iendo sus linderos los siguientes, respecto al plano
de ubicación:
* Por el norte:: Con la Av. Oscar R. Benavides.
* Por el este: Con la Av. Germán Amezaga.
* Por el sur:: Con la Av. Venezuela.
* Por el oeste:: Con Propiedad del INC, Terrenos de
Terceros.
Que cuenta con una población estudiantil aproximada
de 29,000 estudiantes en pregrado y 5,000 en postpost
grado.
Fuente: Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria
CEPIS
PROCEDIMIENTO Y CÁLCULO
1. FÓRMULAS EMPLEADAS
Las partículas de polvo atmosférico sedimentable
Figura Nº1 Fotografía Satelital extraída de Google
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Página 52
Eart de UNMSM
Etapa 2 Determinación del Número de puntos de
monitoreo
Para determinar los puntos a instalar los muestradores
se tuvo en cuenta lo siguiente:
a. Los puntos de mayor flujo de personas
b. La cantidad de población universitaria por
cada Facultad
c. Seguridad de los puntos de monitoreo
2.1. Monitoreo del flujo de personas.personas. Para la
selección de puntos de monitoreo se toma como
referencia 31 puntos iníciales,
íciales, que se monitorean por
2 días, con una frecuencia de 10 - 15 minutos,
posteriormente se contabilizó la cantidad de personas
que transitaban por cada punto en la hora de mayor
afluencia durante el día. los resultados se muestran en
la tabla adjunta (anexo Nº1)
El análisis de los datos permite determinar los valores
más representativos para ubicar los puntos de
monitoreo a establecerse para los ensayos
experimentales, dichos resultados se muestran en el
gráfico siguiente:
Figura Nº2: Es la comparación entre el flujo de
Personas promedio por minuto que circulan en los
diferentes puntos de monitoreo.
2.2 Condiciones Meteorológicas.Meteorológicas.
Para la
evaluación de las condiciones meteorológicas de la
Zona CIUDAD UNIVERSITARIA se ha utilizado
ut
la
información como:
- Dirección y velocidad del viento en lima donde
predominan vientos en dirección norte
Fig. Nº3 Distribución del Viento Anual en Lima
Lima–
Callao
Fuente: SENAMHI Servicio Nacional de
Meteorología e Hidrología del Perú
Se realizo una comparación de datos para validar los
resultados obtenidos de la estación meteorológica que
se encuentra ubicado en la EAP ingeniería Mecánica
de Fluidos con la fig Nº3.
-Justificación
Justificación de la Dirección y velocidad del viento
en la Ciudad Universitaria de la UNMSM
Fig. Nº4 Hipótesis del Flujo de Dirección de viento
en la ciudad universitaria
SE observa en la Fig. Nº 3,4 y 5 que la dirección
predominante para zona de la ciudad universitaria es
de sur a norte (ver resultados en el anexo Nº2)
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Página 53
ABRIL
En la tabla siguiente presentamos los 6 puntos de
monitoreo de Polvo Atmosférico Sedimentable,
polvos sedimentable.
PTO
P1
Fig. Nº5 Distribución del Viento
Fuente: Estación meteorológica de la EAP.IMFUNMSM
UBICACION
Frente Cafetería de EAP. Ingeniería
Mecánica de Fluidos
Modulo de Comercio y Servicios
P2
puerta N° 3
Esquina de la explanada Fac.
P3
Ingeniería Industrial
P 4 Esquina de fac. Química / Comedor
provisional
Esquina cancha deportiva de gras
P5
de la huaca
Loza deportiva Fac. Odontología /
P6
Fac. sistemas
Tabla Nº2 Puntos de monitoreo a instalar en la
ciudad universitaria.
Luego de hacer el análisis de velocidad y dirección
de viento y el monitoreo de flujo de personas se
determino la cantidad de puntos las cuales fueron 6
puntos, teniendo en cuenta además que fueron las
más representativas, por su fácil puesta en el área y la
seguridad que se tiene para el estudio
Luego de realizar todos los análisis cuantitativos estadísticos que se muestra en la tabla Nº1 se empezó a localizar
los puntos de monitoreo en el mapa de la ciudad universitaria de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos
que a se presenta en el Mapa Nº1
MAPA Nº 1
ESTACIONES DE MONITOREO EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE LA
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
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Página 54
CUADRO DE RESULTADOS
1. Análisis de los datos de concentración
La evaluación de la comparación de las dos
metodologías del polvo atmosférico sedimentable se
realizó en el ámbito de la ciudad universitaria. La red
fue compuesta de 6 estaciones de muestreo.
1.1 Análisis de los niveles de concentración de
Polvo sedimentable, polvo atmosférico
sedimentable desde el 13/05/08 al 14/06/08
(1er mes)
Cuadro N° 2 Resultados del Segundo Mes
Cuadro N° 1 Resultados del Primer Mes
Se observado en el cuadro N° 1 lo siguiente:
1. Que el método de tubos pasivos presenta mayor
concentración de material particulado de polvo
a comparación de las placas receptoras.
2. El punto 2 ubicado en el Modulo de Comercio
y Servicios puerta N°3 supera los límites
máximos de concentración a comparación de
los demás puntos.
3. Que los puntos 1, 2, 4,6 analizados por la
concentración por polvo sedimentable superan
los límites máximos permisibles según la OMS
Se observado en el cuadro N° 2 lo siguiente:
1. Que el método de tubos pasivos presenta
mayor concentración de material particulado
de polvo a comparación de las placas
receptoras.
2. El punto 2 ubicado en el Modulo de Comercio
y Servicios puerta N°3 supera los límites
máximos de concentración a comparación de
los demás puntos.
3. Que los puntos 1, 2, 3,4,5,6 analizados por la
concentración por polvo sedimentable superan
los límites máximos permisibles según la OMS
1.3 Análisis De Comparación de los 2 Meses
1.
2.
3.
1.1 Análisis de los niveles de concentración de
Polvo sedimentable, polvo atmosférico
sedimentable desde el 13/05/08 al 14/06/08
(2do mes)
4.
Se observa que hubo un mayor incremento en
la concentración de de material particulado
esto se debe principalmente al aumento de la
humedad
existente por la estación de
invierno.
El punto 2 ubicado
en el Modulo de
Comercio y Servicios puerta N°3 supera los
límites máximos
de
concentración a
comparación de los demás puntos
Siendo el pico más alto el segundo punto de
monitoreo con 1.156 mg/cm2/mes con el
método de placas receptoras y con 1.586
mg/cm2/mes con el método de tubos pasivos.
El cuarto punto de monitoreo sufre un
incremento en su concentración y esto se debe
principalmente a la cercanía con las obras de
construcción que se encuentran en la av.
Venezuela y al incremento del tráfico
vehicular que se ha generado.
2. análisis de la modelación de las metodologías de
tubos pasivos
En los siguientes gráficos se hará un análisis de la
modelación tanto de los tubos pasivos como de las
placas receptoras, esto servirá para poder observar de
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 55
cuánto podría variar la concentración de material
particulado comparando las dos metodologías.
Para la modelación se empleo el programa de Navier
2d y el programa de Matlab. Teniendo en cuenta los
siguientes parámetros Velocidad y dirección de
viento, altura de los muestradores es de 1.5m sobre el
terreno, diámetro de las partículas
2.1.1 Metodología de Tubos pasivos
Fig. 2.3 Zona donde se genera vórtice
En esta figura se observa:
Dentro de los tubos se producen unos vórtices que
comparados con el flujo externo son menos intensos
(en velocidad).ver fig. (2.2).
Fig. 2.1. Vista frontal del tubo pasivo
Entonces en los bordes se está produciendo un
balance entre la fricción del tubo, la fuerza de
gravedad (para la partícula) y la fuerza de arrastre
producida por el vórtice. Ver fig. (2.3). Eso hace que
cualquier partícula que entre en esa región, disminuya
su velocidad y por efectos de gravedad van cayendo
en el fondo produciéndose la sedimentación, esto
depende del tamaño de las partículas las más gruesas
caerán en el fondo y algunas de las partículas finas
serán atrapadas por las paredes del tubo.
2.1.2Metodología de Placas Receptoras
Fig. 2.2.perfil de velocidades
Fig. 2.4 Vista Frontal de la plataforma donde se ubica
las placas de vidrio (04 placas)
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Página 56
En la fig.2.7 Cabe resaltar la importancia de la
geometría del techo de la plataforma de forma
triangular, esta región en particular hace que el
flujo desacelere su velocidad y como consecuencia
de esta acción las partículas transportadas por el aire
caigan por acción de la gravedad a las placas de
vidrio (con grandes esfuerzos viscosos).
Luego de ser saturadas en toda el área de la vaselina
en la placa de vidrio por PAS; el flujo de viento
arrastrara las partículas que están por encima de las
partículas.
CONCLUSIONES
Fig. 2.5.Perfil de velocidades
Se observa que debido a los grandes esfuerzos
viscosos que genera la vaselina de las placas de
vidrio en la plataforma se genera gradientes de
velocidades y esto facilita la adherencia de las
partículas que son transportadas por el aire.
Fig. 2.6 vista lateral del la plataforma
Luego de Haber realizado el análisis teórico,
ejecutado el monitoreo in situ en la ciudad
universitaria y determinado los puntos críticos de
mayor concentración de material particulado de polvo
atmosférico sedimentable y polvo sedimentable las
conclusiones siguientes son:
1. Se observo que se encontró la mayor
concentración de material particulado con la
metodología de tubos pasivos la cual presenta
mayor área de concentración
2. El punto 2 ubicado en el Modulo de Comercio y
Servicios puerta N°3 supera los límites máximos
de concentración a comparación de los demás
puntos estudiados por los dos tipos de
metodologías.
3. En el análisis de la velocidad y dirección de
viento predomínate en la estación meteorológica
ubicada en la EAP Ingeniería Mecánica de
Fluidos, el promedio de velocidad es de 3.25 m/s
y la Dirección de Viento predominante es de
N20ºO
4. El incremento de las PS y PAS en el segundo
mes, se debería a los factores siguientes:
i. Por las caídas de lluvias pequeñas (garúas),
por el cambio de estación de verano a invierno
ii. Incremento de la velocidad del viento por el
cambio de estación de verano a invierno, por
efecto del cambio de temperatura
iii. Incremento de la humedad relativa, por el
cambio de estación de verano a invierno.
5. Para el método de placas receptoras en el primer
mes el 16.7% de las estaciones sobrepasaron el
nivel referencial establecido por la Organización
Mundial de la Salud, en el segundo mes fue el
50% del total de las estaciones debido a que dos
de estas fueron dañadas.
6. Para el método de tubos pasivos en el primer mes
el 66.67% de las estaciones sobrepasaron el nivel
referencial establecido por la Organización
Mundial de la Salud, en el segundo mes fue el
100% del total de las estaciones
Fig. 2.7 Perfil de velocidades
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Página 57
RECOMENDACIONES
1. Extraer la mayor cantidad agua que podría
concentrarse en las placas de vidrio luego de
haber estado expuesta en lluvia la cual se tuvo
incidencia en los días de estudio.
2. Colocar un techo en los tubos pasivos para que
no pueden ser dañados con los excrementos de
palomas que podrían dañar las muestras
3. A la hora de untar las placas de vidrio se deben
hacer con sumo cuidado sin tocar la vaselina por
que podría ser afectado la muestra
4. Luego de haber estado expuestas las placas de
vidrio retirar, colocar con sumo cuidado para ser
llevado al laboratorio.
5. Se recomienda reglamentar a través de normas
nacionales utilizando estas metodologías por
método pasivo
con límites máximos
permisibles para la salud.
6. Se debe tener mucho cuidado en maniobrar los
filtros después del mes, ya que contienen las
muestras que son importantes e indispensables
para el estudio además de ello se debe tener
calibrada la balanza para evitar errores
7. Colocar los la estaciones en puntos seguras
libres de daños a ocasionar
8. Si se encontrase hojas, arañas, etc. que no
afecten al estudio en el tubo, se tendrá que sacar
con sumo cuidado con una pinza y luego
realizar el pesado.
9. Se recomienda adicionar un techo en los frascos
para que no sean afectados por el excremento de
palomas u otros desechos.
10. Se debe contar con una buena organización del
equipo, ya que al manejar muchas muestras,
estas deben ser trasladadas en orden y así
realizar los análisis en la mayor brevedad
posible.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL
PROYECTO
Ventajas:
1. Recomendar cuál de estas dos metodologías es la
más eficiente que no contenga muchos errores, en
el estudio de material particulado.
2. Conocer los Niveles de Concentración de material
particulado
por PAS, PS
en la Ciudad
Universitaria.
3. Que el costo que se emplea en el método pasivo
es el más económico a comparación del método
activo.
4. Incentivar el estudio de material particulado por
el método pasivo contando con los recursos
necesarios.
5. Fortalecer el monitoreo de la calidad del aire en el
área a estudiar, mediante la concentración de
material particulado sedimentable.
Desventajas
1. Durante el periodo de exposición pueden
efectuarse errores que dañarían al resultado.
2. Que durante el estudio las muestras deben no
deben estar expuestas en lluvias por que
afectarían a los resultados: tanto en los tubos
pasivos como en las placas receptoras.
3. En el caso de las placas receptoras en el
transporte de las muestras, estas se pueden dañar
debido a que la vaselina. Estos errores se
presentan en el pesado de las placas de vidrio
BIBLIOGRAFÍA
1. Korc Marcelo, Farías Fernando; “El Proceso de
Fijación y Revisión de Normas de calidad del
Aire”; editorial CEPIS-OPS; Lima 2000.
2. Lic. Nayhua Gamarra, Laura; “Prevalencia de
enfermedades respiratorias y factores asociados a
la calidad de aire”; DIGESA; Perú 2004-2005.
3. USEPA List of designated reference and
equivalent methods. Office of Research and
Development. Washington, 2004.
4. CONAMA; “Elaboración de reglamentos y
protocolos
de
procedimientos
para
el
aseguramiento de la calidad del monitoreo de
contaminantes atmosféricos”; CENMA; Chile
2003.
5. Dirección General de salud Ambiental DIGESA
www.digesa.minsa.gob.pe Ing. Francisco Fuentes
Paredes Dirección General de Salud Ambiental
INFORME N° 1516 – 2007/ DEPA – APCCADIGESA Abril 2007.
6. Ingeniería Ambiental Fundamentos, entornos,
tecnologías y sistemas de gestión Autor: Gerard
Kiely Editorial McGraw Hill
7. Libro “Contaminación y contaminantes, aspectos
científicos, teóricos y prácticos” Autor : Hugo
Sandoval L. Ing. Químico
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 58
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COCINAS NO
CONVENCIONALES PARA LA COMBUSTIÓN ÓPTIMA DE
MEZCLAS DE PETRÓLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA,
GIRASOL Y ALGODÓN
DESIGN AND CONSTRUCTION OF NOT CONVENTIONAL KITCHENS FOR THE OPTIMUM
COMBUSTION OF MIXTURES OF DIESEL FUEL 2 WITH BIODIESEL OF SOY, SUNFLOWER AND
COTTON
Rubén Marcos, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas, Andrés Valderrama
____________________________________________________________________________
RESUMEN
Durante la última década los derivados del petróleo (diesel 2 y kerosene) han adquirido gran importancia como
fuente de energía en cocinas domésticas no convencionales necesarias para la cocción de alimentos en hogares y
comedores populares de zonas rurales y de extrema pobreza de nuestro país; pero debido al continuo incremento de
los precios de estos combustibles la economía de estas familias se ve afectada económicamente; asimismo, debido a
la emisión de partículas y gases contaminantes productos de la combustión de estos combustible se emite hacia la
atmósfera, gases tales como: CO2, SO2, CH, CO, impactando sobre el medio circundante. En este contexto surge la
necesidad del uso de fuentes de energías renovables alternativas.
En el presente artículo, se muestran los criterios técnicos de diseño y construcción de una cocina doméstica no
convencional, usando como combustible alternativo la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón
en diferentes porcentajes en volumen. Los parámetros de variación son: distancia desde la salida del difusor a la
parrilla de la cocina, el diámetro de los pulverizadores y la presión de pulverización del combustible de cada
mezcla; para así determinar los parámetros constructivos y energéticos para el diseño de la cocina no convencional,
que permita obtener el máximo aprovechamiento de energía térmica y mayor eficiencia de combustión empleando
las diferentes mezclas.
ABSTRACT
During the last decade fuels derived from petroleum (diesel 2 and kerosene) have got a big importance like energy
source in no conventional domestic kitchen needed to cook the food in rural and marginal zones; because of the fuel
prices growth family economy is affected; and because of particle and gaseous pollutants from combustion, the
environmental impact is rising.
In this article, it is shown the construction and designing techniques criteria of a no conventional domestic kitchen
using an alternative fuel: the mixture of diesel 2 and biodiesel of soya, sunflower and cotton in different volume
percentages. The parameters to change are: distance from the diffuser exit to grill kitchen; diameter sprayer and
combustion pressure to decide the constructive and energetic parameters to determinate the construction and
designing parameter to obtain the most the thermal energy benefit and major combustion efficient with each
mixture.
_____________________________________________________________________________________
INTRODUCCIÓN
PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO
El presente proyecto de investigación tiene como
finalidad estudiar los parámetros energéticos y
Primera etapa. Calculo teórico del gasto de
constructivos de diseño para el empleo del biodiesel
combustible y del flujo calor de combustión que se
(elaborado a partir del aceite de soya, aceite de
produce al atravesar la aguja del pulverizador.
girasol y aceite de algodón) como fuente de energía
Se analizara la combustión usando 4 pulverizadores
calorífica en mezclas con petróleo diesel 2 en
de diferente geometría, como se indican en la
quemadores de cocinas. Los ensayos experimentales
siguiente tabla:
permitirán conocer los valores reales optimizados
para la construcción de la cocina no convencional
Cuadro. 01. Geometría de los pulverizadores
para combustión óptima de las mezclas de diesel 2 y
biodiesel.
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Geometría Pulv. 1
diámetro
entrada
Dp (m)
diámetro
salida dp
(m)
longitud L
(m)
Pulv. 2
Pulv. 3
Pulv. 4
0,0022
0,0025
0,00315
0,00021 0,00021 0,00035
0,0004
0,0085
0,0106
0,002
0,00845
0,01
OBJETIVOS GENERALES
Plantear los criterios técnicos de construcción de una
cocina doméstica no convencional, empleando como
combustible alternativo las mezclas en diferentes
porcentajes en volumen de diesel 2 con biodiesel de
soya, girasol y algodón, respectivamente.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Determinar el porcentaje de biodiesel presente en
la mezcla y el diámetro del pulverizador
adecuados para optimizar la combustión de las
mezclas de biodiesel y diesel 2.
2. Determinar
los
parámetros
constructivos
adecuados
para
obtener
el
máximo
aprovechamiento de la energía térmica y la
mayor eficiencia de la combustión.
FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS
HIPÓTESIS GENERAL
Fig. 01. Vista de los pulverizadores Nº 1, 2, 3 y 4
• Cálculo teórico del flujo de calor transferido al
agua contenida en la tetera.
• Planteamiento de las ecuaciones de balance de
energía
• Cálculo de los parámetros constructivos permitirá
conocer los siguientes parámetros óptimos:
a.
b.
c.
El porcentaje de biodiesel en la mezcla de diesel
2 y biodiesel de soya girasol y algodón
respectivamente.
El diámetro del pulverizador para lograr
optimizar la combustión.
La distancia desde el difusor a la parrilla para
cada presión de pulverización y para cada mezcla
óptima.
• Las variaciones de los parámetros constructivos
originan la variación en los parámetros de
transferencia de calor y del proceso de combustión;
por lo que permiten obtener un rango de valores
definidos para realizar los ensayos de combustión.
HIPÓTESIS ESPECÍFICAS
1.
Al realizar la combustión de una determinada
masa de combustible, para lograr una
combustión eficiente es necesario tener una
mayor relación aire-combustible que la
estequiométrica (>14,5) y por lo tanto reducir las
emisiones tóxicas
2.
Al variar la distancia del difusor a la base de la
parrilla en contacto con la base de la tetera; se
logra que la flama incida en toda la base de la
tetera logrando un mejor aprovechamiento del
calor de combustión.
Segunda etapa Ensayos de combustión variando los
parámetros constructivos:
• Se observará y medirá la longitud de la flama y el
tiempo que demora en hervir 1 litro de agua a las
presiones de 24 y 32 PSI; con los parámetros
obtenidos del análisis numérico (altura del difusor a
la parrilla, diámetro del difusor y porcentaje de
mezcla).
• Determinación y análisis de los calores que
intervienen en el proceso de combustión de las
mezclas.
Tercera etapa Construcción de la cocina no
convencional para la combustión óptima de mezclas
de diesel 2 y biodiesel
FORMULACIÓN DE OBJETIVOS
FUNDAMENTO TEÓRICO
1. Biodiesel.- la Sociedad Americana de Ensayos y
Materiales (ASTM) define al biodiésel como ésteres
monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga
derivados de insumos grasos renovables, como los
aceites vegetales o grasas animales.
El término bio hace referencia a su naturaleza
renovable y biológica en contraste con el combustible
diesel tradicional derivado del petróleo; mientras que
diesel se refiere a su uso en motores de este tipo.
Como combustible, el biodiesel puede ser usado en
forma pura o mezclado con petróleo diesel.
1.1 Materias primas para la elaboración del
biodiesel.- La fuente del aceite vegetal suele ser la
palma, soya, colza, girasol (variedades con mayor
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 60
rendimiento por hectárea), entre otros
2.4.3. Mezcla estequiométrica.- es toda mezcla que
contiene exactamente aire y combustible en
proporciones mínimas para producir una combustión
completa.
2.4.4. Mezcla pobre.- mezcla que contiene mayor
cantidad de aire que la mezcla estequiometrica. La
cantidad de aire garantiza la obtención de una
combustión completa, se dice que el aire se encuentra
en exceso.
Fig.02. Aceite vegetal
2. Combustión.- proceso en donde los constituyentes
del combustible son oxidados, acompañada de un
intenso desprendimiento de calor. En el tiempo que
ocurre la combustión, la masa total permanece casi
inalterada, de manera que al momento de balancear
las ecuaciones de reacción se puede aplicar la “ley de
la conservación de la materia”
2.1. Calor de combustión.- es la disminución de
entalpía de un cuerpo en condiciones normales de
presión y a una temperatura definida. Será entonces
el calor que se libera cuando el combustible arde en
una llama o cuando los componentes principales
reaccionan con el oxígeno
2.2. Combustión completa.- ocurre siempre que se
produzca en presencia de una cantidad suficiente
de oxidante y culmine con la oxidación completa
de los combustibles. Los productos gaseosos de la
combustión completa son fundamentalmente CO2,
H2O, N2. La combustión completa presenta llama azul
pálido, y es la que libera la mayor cantidad de calor –
comparada con la combustión incompleta.
2.3. Combustión incompleta.- ocurre cuando la
cantidad de O2 no es suficiente para quemar de modo
completo al combustible. Generalmente entre sus
productos se presenta CO (gas sumamente tóxico),
CO2, H2O y N2. Otro producto de una combustión
incompleta es el carbón, sólido, que por acción del
calor se pone incandescente y da ese color amarilloanaranjado a la llama, que por eso se le dice llama
luminosa o fuliginosa.
2.4. Combustión de aire.- el oxigeno puro es poco
frecuente encontrar, pero lo que sí ocurre con
frecuencia es la combustión con el oxígeno del aire, o
combustión con aire.
1kmol Aire = 1kmol (O + 3.76N ) ...… (01)
2
2
2.4.1 Aire teórico.- Toda combustión completa con
aire teórico implica que no existirá oxigeno entre los
productos. Al aire teórico también se le denomina
aire estequiométrico.
2.4.2 Aire real.- es la cantidad de aire que se
suministra durante el proceso de combustión para
iniciar, mantener y terminar la combustión.
2.4.5. Mezcla rica.- es toda mezcla que contiene
menor cantidad de aire que la mezcla
estequiométrica. En este caso se dice que el aire se
encuentra en defecto.
2.5. Temperatura de la flama adiabática o
temperatura
de
la
combustión
adiabática.
Considerando en el caso que no exista trabajo,
transmisión de calor o cambio alguno de energía
cinética y potencial, entonces toda la energía térmica
producida en la combustión elevara la temperatura de
los productos. Cuando la combustión es completa y
estequiométrica en tales circunstancias, se considera
que la máxima cantidad de energía química se ha
convertido en energía térmica, y que es máxima la
temperatura de los productos.
3. Transferencia de Calor.- es la energía en tránsito
debido a una diferencia de temperatura. Esta
transferencia se da por tres tipos de procesos.
3.1. Transferencia de calor por conducción.- para la
conducción de calor la ecuación o modelo se conoce
como ley de Fourier:
q
''
x
= − k
dT
dx
……...…… (02)
El flujo de calor o transferencia de calor q’’x (W/m2)
es la velocidad con que se transfiere el calor en la
dirección x por unidad de área unitaria perpendicular
a la dirección de transferencia de calor y es
proporcional al gradiente de temperatura, dT/dx es
esta dirección. La constante proporcional k, es una
propiedad de transporte conocida como propiedad
térmica (W/m.k) y es una característica del material.
El signo menos es una consecuencia del hecho que el
calor se transfiere en dirección de la temperatura
decreciente.
3.2. Transferencia de calor por convección.- se da a
través de la siguiente ecuación:
q
' ' = h ( Ts
− T
∞)
………… (03)
El flujo de calor por convección q’’ (W/m2) es
proporcional a la diferencial de temperaturas de la
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 61
superficie y del fluido, Ts, T∞, respectivamente. Esta
expresión se le conoce como ley de enfriamiento de
Newton, y la constante proporcional h (W/m2.k) se
denomina coeficiente de transferencia de calor por
convección. Este depende de las condiciones en la
capa límite en las que influyen la geometría de la
superficie, la naturaleza del movimiento del fluido y
una variedad de propiedades termodinámicas del
fluido y de transporte.
1. Calculo del flujo de calor teórico de la combustión
de las mezclas diesel y biodiesel.
Para el cálculo del flujo de calor producido por la
combustión se emplea la siguiente relación:
.
Q combustión = m combustibl e × H u
Donde:
3.3. Transferencia de calor por radiación.- el flujo de
calor emitido por una superficie está dado por:
q rad
''
Qcombustión (W): es el flujo de calor de la
combustión de las mezclas diesel y biodiesel.
• mcombustible(kg/s): Flujo másico de las mezclas
biodiesel y diesel 2.
• Hu (KJ/kg): poder calorífico de la mezcla
diesel 2 y biodiesel.
•
= εσ (T s4 − T air4 )……....… (04)
Donde:
Ts es la temperatura absoluta (K) de la superficie, σ
es la constante de Stefan Boltzmann ( σ = 5.67 x 10-8
W/m2K4) y Tair es la temperatura absoluta (K) de los
alrededores.
FORMULACIÓN DE ITEMS
¿Por qué el uso de las mezclas de biodiesel con diesel
2 como combustible alternativo a los derivados del
petróleo?
Debido al constante incremento del precio del
kerosene que es mucho mayor que el petróleo diesel
2, por lo que se propone el uso de estas mezclas,
cuyo costo de obtención es más barato que el costo
de kerosene. De igual manera es menos contaminante
que los derivados del petróleo.
¿Qué tan eficiente es el uso de estas mezclas de
biodiesel con diesel 2 en comparación con los
derivados del petróleo?
En los ensayos preliminares de combustión que se
hizo con estas mezclas se determinó, que su poder
calorífico es aproximado al poder calorífico de los
derivados del petróleo (kerosene, diesel2), también se
comprobó que era un buen combustible (densidad
energética >12).
¿Por qué se varia la altura desde el difusor hasta la
parrilla de la cocina?
Se observó en los ensayos de combustión, que para la
altura de diseño (cocina convencional) la longitud de
la flama se desborda por los lados de la base de la
tetera, produciéndose una elevada perdida de calor.
Por esto al aumentar esta altura se consigue una
mayor área de contacto y por ende un mayor calor
aprovechado.
… (05)
1.1 Cálculo del flujo másico del combustible.- Se
emplea la siguiente relación:
.
m combustible = ρ comb × V pulv × Apulv...(06)
Donde:
.
•
m combustibl e (kg/s): Flujo másico de la mezcla
biodiesel y diesel 2.
ρ comb (kg/m3): densidad de la mezcla
biodiesel y diesel 2.
• V pulverizador (m/s): velocidad del flujo de
combustible a la entrada del pulverizador.
• A pulverizador (m2): área de paso del flujo de
combustible a través del pulverizador.
•
1.2. Cálculo de la Velocidad de salida del
pulverizador.-
•
Para realizar este cálculo se hace necesario emplear
las ecuaciones de continuidad por el recorrido del
combustible desde el tanque, la tubería y el
pulverizador
A continuación se emplea la ecuación de continuidad
entre la tubería de salida del tanque y el pulverizador:
Q = Vtub × Atub = Vpulv × Apulv = cte..... (07)
Luego:
V pulv =
Vtub × Atub
A pulv
……….. (08)
Donde:
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
• Q (m3/s): caudal de combustible
• Vpulverizador (m/s): velocidad del flujo de
combustible en la entrada del pulverizador.
• Vtubería (m/s): velocidad del flujo de combustible
al pasar por la tubería.
Página 62
• Apulverizador (m2): área de paso del flujo de
combustible a través del pulverizador.
• Atubería (m2): área de paso del flujo de
combustible a través de la tubería.
1.3 Cálculo de la velocidad del combustible en la
tubería.- se utiliza la ecuación de Bernoulli desde la
superficie libre dentro del tanque hasta la tubería,
como se muestra a continuación:
Ptan que
Ptuberia
ρ
ρ
+ Z tan que × g =
Además:
+
P tanque
(Tf c − Tebu )
1
e
1
+
+
A1 .h gases A1 .k alu min io A1 .h agua
.. (10)
- En la parte media de la flama
Q2 =
2
Vtub
(09)
+ ztub × g
2g
• Ptanque (PSI): presión manométrica del tanque de
la cocina
• Ptuberia (PSI): presión manométrica
nométrica dentro de la
tubería.
• Ztasque (m): altura de la superficie libre de la
mezcla dentro del combustible.
• g (m2/s): aceleración de la gravedad
• r (kg/m3): densidad de la mezcla de D2 y
biodiesel.
La ecuación de Bernoulli se ha simplificado, la
velocidad en la superficie libre del combustible
dentro del tanque se considera estancada (Vo = 0).
La altura Ztub se toma como nivel de referencia (Ztub =
0)
A pulv
Q1 =
(Tf N − Tebu )
1
e
1
+
+
A 2 .h gases A 2 .k alu min io A 2 .h agua
...(11)
Donde:
• h gases (W/m2.k): coeficiente de convección de los
gases de combustión.
• h agua (W/m2.k): coeficiente de convección del
agua a Tebu
• k aluminio (W/m.k): coeficiente de conducción del
aluminio.
• T ebu (K): temperatura de ebullición del agua.
• T fc (K): temperatura de la flama en la corona.
• T fN (K): temperatura de la parte media de la
flama.
• A1 (m2): área circular de la base de la tetera.
• A2 (m2): área anular de la base de la tetera.
• e (m): es el espesor de la tetera.
En la fig. 03. se puede observar las áreas
transversales al flujo de calor del frente de flama.
A tubería
Área anular A2
Fig.03. Distribución de los parámetros para el cálculo
de la velocidad a la salida del pulverizador
2. Cálculo teórico del flujo de calor transferido al
agua dentro de la tetera.. El flujo de calor desprendido
de la combustión se
transmite en varias etapas,
primera etapa: existe transferencia de calor por
convección; transferencia de calor entre los gases de
la combustión (propiedades físicas aproximadas a los
valores de las propiedades físicas del aire) que
inciden sobre la base de la tetera. Segunda etapa
etapa:
transferencia de calor por conducción; transferencia
de calor a través del espesor de la placa de aluminio
de la base de la tetera. Tercera etapa:: transferencia de
calor entre la superficie de aluminio de la tetera y el
agua que se mueve sobre esta.
El proceso de transferencia de calor a través de los
tres modos se calcula mediante las siguientes
expresiones:
- En la corona de la flama
Área circular A1
Fig. 04. Áreas A1 y A2 de trasferencia de calor
2.1 Cálculo del área perpendicular al flujo de calor.
calor.Es función de la distancia (h) entre el difusor y la
parrilla, de la siguiente manera:
L H = H × tan α
R A.1 = rdifusor + LH × cos α
A=
π × R A.1 2
2
….. (12)
……...(13)
….. (14)
Donde:
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 63
•
•
•
•
•
LH (m): hipotenusa desde el difusor hasta la
parrilla.
RA1 (m): radio del área circular.
rdifusor (m):
m): radio de entrada del difusor.
a (ºC): ángulo de salida del difusor
A1: área circular sobre la base de la tetera.
% mezcla r (kg/m^3)
B10
SOYA + D2
En la fig. 04 se pude observar la geometría del
difusor de la cocina no convencional y la altura hasta
la parrilla que se encuentra en contacto con la base de
la tetara.
GIRASOL + D2
ALGODÓN +
D2
Fig. 05. geometría del difusor de la cocina no
convencional
A continuación, se calcula el área anular (A2):
A2 = A tetera - A1 ………….. (15)
2.2 Cálculo de la distancia desde la salida del difusor
a la parrilla de la cocina (H).- considerando que el
mayor porcentaje de calor de combustión es
transferido al agua contenido dentro de la tetera,
tenemos la siguiente aproximación:
Hu (KJ/Kg)
826,5
41760,15
B20
833
41524,03
B30
839,5
41291,58
B40
846
41062,70
B50
852,5
40837,30
B10
824
41851,69
B20
828
41704,82
B30
832
41559,35
B40
836
41415,28
B50
840
41272,58
B10
825,5
41849,49
B20
831
41700,96
B30
836,5
41554,39
B40
842
41409,74
B50
847,5
41266,96
Cuadro. 02. Característica físicas de la mezcla de
diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón
respectivamente
Qtransferido = Q1 + Q2 ≅ Qcombustión
…… (16)
Donde:
Q1 + Q2 (W): Flujo de calor transferido por
convección y conducción al agua dentro de la tetera.
Q combustión
(W): flujo de calor de combustión de las
mezclas D2 y biodiesel.
Empleando las ecuaciones 05, 10 y 11 se puede
determinar la altura (H) óptima, así como los demás
parámetros (presión
sión de pulverización, diámetro del
pulverizador) y en base a estos valores teóricos
óptimos, se pueden
realizar los ensayos de
combustión con las mezclas de D2 y biodiesel.
3. Característica físicas de las mezclas de diesel 2 y
biodiesel para el cálculo del flujo de calor de
Combustión ( combustión)
Para seleccionar las mezclas de diesel y biodiesel
óptimas cuyo calor de combustión sea el máximo, se
utiliza el siguiente cuadro:
Fig. 06. Flujo de Calor de Combustión de las mezclas
Diesel 2 y Biodiesel al pasar por el pulverizador del
quemador
En la figura 07 se observa una ampliación del
pulverizador el cual se analiza para hallar los
parámetros requeridos.
4. Parámetros de la transferencia de calor al agua
dentro de la tetera (Q1 + Q2)
Para hallar el cálculo se utiliza los siguientes
parámetros:
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Página 64
T base tetera, ºk
418
T ebullición, ºk
373
K alumínio (W/m ºk)
237
h agua (W/m2 ºk)
1500
Cuadro. 03. Datos para el proceso de la combustión
El coeficiente de transferencia de calor por
convección a través de las áreas A1 y A2, depende de
las condiciones de capa límite, en las que influyen la
geometría de la superficie (base de la tetera), la
naturaleza del movimiento del fluido y una variedad
de propiedades termodinámicas del fluido y de
transporte
5. Características geométricas del Quemador –
Tanque - Difusor de la cocina no convencional
Las características geométricas de la cocina no
convencional (quemador - pulverizador) son
empleadas en el cálculo del flujo de calor transmitido
al litro y medio de agua contenida en la tetera.
Los valores que se presentan el siguiente cuadro son
tomados directamente del diseño original de la cocina
no convencional de una sola hornilla.
Diámetro de base la
tetera
Espesor de la base de
la tetera
Distancia del difusor a
la parrilla
Longitud desde difusor
a la parrilla
Angulo del difusor
Diámetro de entrada
del difusor
Diámetro de salida del
difusor
Diámetro del
quemador
Diámetro de la tubería
de paso
Nomenclatura
Dimensión
D tetera
0.26 m
e tetera
0.002 m
H
0.0365 m
L
0.0424 m
a
49.3 º
D difusor entrada
0.065 m
D difusor salida
0.0857 m
Dq
0.063
D tub
0,019
Cuadro. 04. Datos Geométricos del quemador de la
cocina no convencional
Fig. 07. Geometría de las partes del Quemador –
difusor – tanque de la mezcla biodiesel con diesel 2
CUADRO DE RESULTADOS
1. Selección de las mezclas de diesel 2 y biodiesel
de soya, girasol y algodón de mayor flujo de calor
de combustión
En el siguiente cuadro se observa el flujo másico y el
flujo de calor de combustión para cada mezcla de
diesel 2 y biodiesel:
Cuadro. 05. Flujo másico y flujo de calor de
combustión de las mezclas diesel 2 y biodiesel
De acuerdo con el gráfico obtenido el Flujo de calor
de combustión es máximo al aumentar el porcentaje
de biodiesel en la mezcla, por esto seleccionamos las
siguientes mezclas para realizar los cálculos de
transferencia de calor:
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Página 65
SOYA +
D2
GIRASOL
+ D2
ALGODÓN
+ D2
%
Mezcla
Flujo
másico
(kg/s)
Q
combustión
(W)
B20
0,0269
1117,5112
B30
0,0271
1119,9265
B50
0,0275
1124,7572
B20
0,0268
1115,6396
B30
0,0269
1117,1191
B50
0,0271
1120,0781
B20
0,0268
1119,5783
B30
0,0270
1123,0271
B50
0,0274
1129,9248
Cuadro. 06. Selección de mezcla que entrega mayor
calor de combustión.
2. Flujo de calor transferido al litro de agua
dentro de la tetera
2.1 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro
de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y
biodiesel de soya
Q transferido
pulverizador
Biodiesel
Soya +
D2
Q 1(W)
Q 2(W)
pulv 1
309,091 594,701
pulv 2
308,586 588,654
pulv 3
312,273 613,474
pulv 4
312,684 602,196
Cuadro 07. Flujo de calor de transferido empleando
mezcla biodiesel de soya y D2.
Se observa que el mayor flujo de calor transferido
tanto a través del área 1 y área 2 se da en los
pulverizadores 3 y 4. El flujo de calor a través del
área perpendicular anular es mayor que el flujo de
calor de convección transferido a través del área
circular.
2.2 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro
de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y
biodiesel de girasol
Q transferido
pulverizador
Biodiesel
Girasol+
D2
pulv 1
Q 1(W)
Q 2(W)
230
485,845
pulv 2
251,142 556,504
pulv 3
255,631 593,657
pulv 4
274,436 607,53
Cuadro. 08. Flujo de calor de transferido empleando
mezcla biodiesel de soya y D2.
Se observa que el mayor flujo de calor transferido
tanto a través del área 1 y área 2 se da en los
pulverizadores 3 y 4. El flujo de calor a través del
área perpendicular anular es mayor que el flujo de
calor de convección transferido a través del área
circular.
2.3 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro
de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y
biodiesel de algodón
transferido
Biodiesel
Algodón
+ D2
Q
Pulver
Q 1(W)
Q 2(W)
pulv 1
240,870 442,816
pulv 2
295,332 575,278
pulv 3
298,178 594,060
pulv 4
301,334 600,151
Cuadro 09. Flujo de calor de transferido empleando
mezcla biodiesel de soya y D2.
Se observa que empleando los pulverizadores 1 y 2 la
transferencia de calor es menor, debido a que en los
ensayos experimentales el flujo de calor de
convección transferido a través del área circular fue
inferior.
3. Selección de pulverizadores para la mayor
transferencia de calor al agua dentro de la tetera.
De acuerdo a los cuadros anteriores se observa que
para las tres mezclas de diesel 2 y biodiesel la mayor
transferencia de calor se produce empleando
pulverizadores 3 y 4. Entonces se seleccionan los
siguientes pulverizadores
Mezcla
Pulverizador Q transferido (W)
pulv 3
925,747
pulv 4
914,880
pulv 3
849,288
Girasol+ D2
pulv 4
881,967
pulv 3
892,239
Algodón + D2
pulv 4
901,485
Cuadro. 10. Flujo de calor de transferido empleando
mezcla biodiesel de soya y D2.
4. Variación de la altura desde la salida del
difusor a la base de la parrilla (h) desde el difusor
a la base de la parrilla.
Soya + D2
La variación de las alturas está limitada por el calor
de combustión obtenido a partir del flujo másico de
combustible. Debido a que en toda combustión a
flama abierta existen pérdidas de calor se considera:
Q transferen cia = Q1 + Q 2 < Q combustión
La variación de la altura implica una mayor o menor
área de contacto entre la flama y la base de la tetera y
por ende una mayor o menor transferencia de calor
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 66
4.1 Variación de la altura desde la salida del difusor a
la base de la parrilla (h) empleando la mezcla
Biodiesel de Soya y diesel 2
Q transferencia (W)
Pulv.
h (m)
pulv 3
pulv 4
0,0365
925,747
914,880
0,045
936,688
926,804
0,05
943,533
934,262
0,055
950,706
942,080
5. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para las
mezclas y pulverizadores seleccionados
Se evalúa el Flujo de calor de transferido
(aprovechado) y la eficiencia de la combustión,
empleando las mezcla óptimas de D2 y biodiesel de
soya, girasol y algodón, con pulverizadores
seleccionados 3 y 4 para el H que permite la máxima
transferencia.
5.1
Flujo de calor aprovechado y eficiencia
para la combustión de las mezcla de
Biodiesel de soya
empleando el
pulverizador 3 y 4
Cuadro. 11. Flujo de calor de transferido empleando
mezcla biodiesel de soya y D2 variando H.
La transferencia de calor es mayor en el
pulverizadores 3 y 4 para la altura H=0.055 m.
4.2 Variación de la altura desde la salida del difusor a
la base de la parrilla (h) empleando la mezcla
Biodiesel de Girasol y diesel 2
Q transferencia (W)
Pulv.
h (m)
pulv 3
pulv 4
0,0365
861,562
881,967
0,05
868,053
888,694
0,07
879,245
900,293
0,09
892,357
913,883
Cuadro. 14. Flujo de calor aprovechado y eficiencia
para la altura óptima empleando mezcla óptimas de
soya y d2.
5.2 Máximo flujo de calor aprovechado y eficiencia
para la combustión de las mezcla de Biodiesel de
girasol empleando el pulverizador 3 y 4
Cuadro. 12. Flujo de calor de transferido empleando
mezcla biodiesel de girasol y D2 variando H.
4.3 Variación de la altura desde la salida del difusor a
la base de la parrilla (h) empleando la mezcla
Biodiesel de Algodón y diesel 2
Q transferencia (W)
Pulv.
h (m)
pulv 3
pulv 4
0,0365
892,239
901,485
0,045
902,023
911,389
0,055
902,023
911,389
0,075
943,159
953,026
Cuadro. 13. Flujo de calor de transferido empleando
mezcla biodiesel de algodón y D2 variando H.
La transferencia de calor es mayor en el
pulverizadores 3 y 4 para la altura H=0.075 m.
Cuadro. 15. Flujo de calor aprovechado y eficiencia
para la altura óptima empleando mezcla óptimas de
girasol y D2.
5.4 Máximo flujo de calor aprovechado y eficiencia
para la combustión de las mezcla de Biodiesel de
soya empleando el pulverizador 3 y 4
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 67
Cuadro. 16. Flujo de calor aprovechado y eficiencia
para la altura óptima empleando mezcla óptimas de
algodón y D2
Cuadro. 19. eficiencia de la combustión empleando
mezclas óptimas de algodón y D2.
Se observa que las eficiencias obtenidas en la
combustión de las mezclas optimas empleando los
pulverizadores óptimos para el pulverizador 3 varían
entre (66 y 71) % y para el pulverizador 4 varían
entre el del (68 y 78) %. Lo que ratifica que al
aumentar la distancia desde el difusor a la parrilla de
la cocina la eficiencia de combustión aumenta
llegando a valores mayores que el 80%.
CURVAS CARACTERÍSTICAS
En los cuadros resumen anteriores se observa que al
emplear el pulverizador 3 y el pulverizador
verizador 4, se
obtiene la mayor eficiencia se obtiene para la mezcla
B20. Además en la mayoría de las mezclas la
eficiencia de combustión sobrepasa el 80%
5. Ensayos de Combustión - Flujo de calor
aprovechado y eficiencia de combustión
Luego de hallar teóricamente las mezclas y
pulverizadores óptimos se realiza la combustión de
las mezclas de biodiesel y diesel 2 para la altura
desde la salida del difusor la parrilla original H=
0.0365 m. Además se trabaja a presiones de
pulverización dee 24 y 32 PSI, obteniéndose las
siguientes eficiencias:
Fig. 08. Flujo de calor transferido al agua
ag en la tetera
empleando pulverizadores 1, 2, 3 y 4.
Cuadro. 17. eficiencia de la combustión empleando
mezclas óptimas de girasol y D2.
Fig. 09. Flujo de calor de combustión de mezclas
biodiesel y D2.
Cuadro. 18. eficiencia de la combustión empleando
mezclas óptimas de soya y D2.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 68
Fig. 10. Variación de altura H (m) con mezcla soya y
D2
El calor transmitido al agua contenida en la tetera
aumenta al aumentar el valor de H (m) empleando el
pulverizador 3; pero al emplear el pulverizador 4
disminuye. En consecuencia para la mezcla de
biodiesel de soya y D2 se debe emplear el
pulverizador 3 y una altura de 0.055 m.
Fig. 12. Variación de
algodón y D2
altura H (m) con mezcla
El calor transmitido al agua contenida en la tetera
aumenta al aumentar el valor de H (m), este valor
tiende a mantenerse casi constante para los
pulverizadores 3 y 4. En consecuencia para la mezcla
de biodiesel de algodón y D2 se debe emplear el
pulverizador
zador 4 y una altura de 0.075 m
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
1. El flujo de calor de combustión se incrementa al
aumentar el porcentaje de biodiesel en la mezcla
y esto permite seleccionar solo tres mezclas y
disminuir los cálculos energéticos y los ensayos
experimentales de combustión.
Fig. 11. Variación de altura H (m) con mezcla girasol
y D2
Se observa que el calor transmitido al agua contenida
en la tetera aumenta al aumentar el valor de la altura
H (m) y el máximo valor se alcanza empleando el
pulverizador 4.
En consecuencia para la mezcla de biodiesel de
girasol y D2 se debe emplear el pulverizador 4 y una
altura de 0.07 m
2. El empleo de los pulverizadores 3 y 4 originan un
aumento del calor transferido al agua dentro de
la tetera, y por ende reducen se reducen las
pérdidas de calor, producto de las cenizas
desprendidas de la combustión y de las probables
grasas que obstruyen el pulverizador, que
impiden, la óptima pulverización de la mezcla
combustible.
3. La variación de la distancia de la salida del
difusor a la parrilla muestra que a mayor
distancia aumenta el calor aprovechado, aunque
se debe considerar que este calor no debe
exceder del calor de combustión entregado por la
mezcla.
4. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la
mezcla de biodiesel de soya y D2 se requiere una
altura desde el difusor a la parrilla mayor que
0.0365 m y menor que 0.055 m.
5. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la
mezcla de biodiesel de girasol y D2 se requiere
una altura desde el difusor a la parrilla mayor
que 0.0365 m y menor que 0.09 m.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Página 69
6. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la
mezcla de biodiesel de algodón y D2 se requiere
una altura desde el difusor a la parrilla mayor
que 0.0365 m y menor que 0.075 m.
7. Las eficiencias de combustión obtenidas al
aumentar las alturas de la parrilla de la cocina no
convencional son mayores a las obtenidas con la
altura no modificada.
5.
6.
7.
8. Toda cocina con quemador que trabaje con
presiones superiores a 1 bar (14.7 PSI), debe
emplear un manómetro instalado en el tanque de
mezcla.
Para tener una buena combustión y buen
aprovechamiento del
calor, se recomienda
alcanzar las presiones óptimas indicadas.
En el momento del encendido de la cocina
hacerlo en un lugar en el cual no haya fuertes
corrientes de aire para evitar mayores perdidas.
Usar las mezclas de biodiesel con diesel 2 en las
proporciones indicada en el presente proyecto,
caso contrario
no se obtendrán buenos
resultados de la combustión de estas.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL
PROYECTO
Ventajas
9. Los resultados experimentales indican que para
una transferencia de combustión óptima se
requiere emplear como combustible mezcla de
biodiesel de soya y D2 al 20% con pulverizador
3 y una altura de 0.055 m.
10. Los resultados experimentales indican que para
una transferencia de combustión óptima se
requiere emplear como combustible mezcla de
biodiesel de girasol y D2 al 20% con un
pulverizador 4 y una altura de 0.07 m
1.
2.
3.
4.
5.
11. Los resultados experimentales indican que para
una transferencia de combustión óptima se
requiere emplear como combustible mezcla de
biodiesel de algodón y D2 al 20% con un
pulverizador 4 y una altura de 0.075 m
RECOMENDACIONES DEL PROYECTO
1.
2.
3.
4.
Realizar mantenimiento cada 3 meses al
quemador y a la cocina no convencional
haciendo limpieza de tanque y cambio de
empaquetaduras
Elaborar una nueva empaquetadura para
incrementar el período de duración.
Adicionar un manómetro de presión
La mezcla de biodiesel con diesel 2 no debe
contener agua y glicerina ya que perjudica a la
combustión y acelera el desgaste
Reducción de los gases contaminantes productos
de la combustión en este tipo de cocinas.
Ahorro de costos en la adquisición de estos
combustibles en comparación con los derivados
del petróleo.
Optimización y adaptación del funcionamiento
de una cocina no convencional para el empleo de
mezclas de biodiesel y diesel 2.
Ccontrarresta la alta demanda del costo del
petróleo y sus derivados.
El uso de biocombustible (biodiesel) tendrá una
utilidad prolongada a comparación del gas
Desventajas
1. El diseño solo es para una cocina de una hornilla.
2. Los ensayos se realizaron solamente bajo las
condiciones de la ciudad de lima (temperatura,
presión, humedad )
BIBLIOGRAFÍA
1.
2.
3.
4.
5.
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT
Incropera, F.; “Fundamentos de Transferencia de
Calor y Masa”; editorial Prentice Hall, USA.
Postigo, J. & Cruz, J; “Termodinámica
Aplicada”; editorial UNI , Lima1985.
Marks; “Manual del Ingeniero Mecánico”,
editorial Mc Graw Hill, México 1988
Perry, Jhon; “Manual de Ingeniero Químico”,
editorial Mc Graw Hill, México 1992
Brian, Spalding; “Combustión y transferencia de
masa”, Mexico1983.
Página 70
INVESTIGACION DE LA INFLUENCIA DE LA LENGÜETA DEL
VENTILADOR RADIAL EN SUS CARACTERISTICAS ACUSTICAS
Y AERODINAMICAS
INVESTIGATION OF INFLUENCE OF CENTRIFUGAL FAN TONGUE UPON ACOUSTIC AND
AERODYNAMIC CHARACTERCTICS
M.A. Ormeño Valeriano, S. V. Tsulimov, A.K. Ivanov
People’s Friendship University of Russia
__________________________________________________________________________________________
RESUMEN
Es posible mejorar características acústicas y aerodinámicas de ventilador centrífugo con la ayuda de montar de
obstáculo en del cuerpo del ventilador de lengua.
ABSTRACT
It is possible to improve acoustic and aerodynamic characteristics of centrifugal fan with the help of obstacle
mounting on de body of the tongue fan.
_____________________________________________________________________________________________
Los Ventiladores son equipos de amplia aplicación en
la industria empleados en los sistemas de ventilación,
sistemas de calefacción, procesos tecnológicos y
siempre son acompañados de ruido. Es así que alto
nivel de ruido es tanto, que es el
principal
responsable de ruido en edificios y en zonas de
producción. El espectro de ruido siempre tiene
frecuencias discretas y a menudo en estas frecuencias
el nivel de presión acústica sobrepasa los 10-20 dB
dependiendo del tipo de ventilador y por ello la
importancia de reducir esta componente en primer
lugar, ya que ella constituye la mayor parte del nivel
total de ruido.
Con el fin de evaluar cómo influye la presencia de un
obstáculo [1] (fig.1) sobre la lengüeta del ventilador
centrifugo en su nivel de ruido y eficiencia fueron
realizados investigaciones experimentales en la serie
de ventiladores BZ-70-4 con 3000 rpm. Se investigó
3 variantes de lengüeta: la lengüeta original, lengüeta
con un obstáculo - Ø10 mm. y lengüeta con un
obstáculo de – Ø15 mm.
Como se puede observar en las fig.1 y fig.2, la
inclusión de un pequeño obstáculo permitió reducir el
ruido en la frecuencia de paso en 3-6 dB dependiendo
del caudal, la altura del ventilador se incremento en
2,6 % comparado con la lengüeta original, con
respecto a la eficiencia se pudo constatar un
incremento del 2 % en régimen de trabajo optimo.
Obstáculos en la zona de torbellino propicia la
generación de un incremento gradual del caudal en el
ducto del caracol que conlleva a su vez a un
incremento del caudal.
Es de conocimiento [2] que el flujo de fluido en la
región de la lengüeta es de carácter complicado. Es
así que la disminución del nivel de ruido se explica
debido a que el montaje del obstáculo aguas abajo
sobre la lengüeta influyo sobre la presión en la región
de la descarga formada por presencia del torbellino
sobre la lengüeta [2]. La aparición de torbellinos
sobre la lengüeta del caracol se origina por la caída
de la presión total y estática del flujo (fig.3a). Esto
trae como consecuencia el retorno del flujo muy
cercano a la superficie del caracol y cercano a la
lengüeta del ventilador.
El incremento de la presión se explica debido, a que
el torbellino unidireccional toma contacto con el flujo
principal y lentamente se fracciona formando un par
de torbellinos de direcciones opuestas, alejándose de
la lengüeta, este fenómeno se realiza al pasar el flujo
por el obstáculo (fig.3b), lo que permitió influir sobre
las líneas de corriente. Las presentes observaciones
deberán comprobarse mediante mediciones con
equipos de mayor exactitud.
Las mejoras de las características aerodinámicas se
explican con las mismas observaciones, que
introdujeron una menor resistencia en el ducto del
ventilador. El caso es que el torbellino reduce el área
de paso del ducto y por consiguiente el caudal de
aire, así mismo sustancialmente se incrementa la
resistencia en estas secciones. El montaje de estos
El utilizar un obstáculo de mayor diámetro sobre la
lengüeta empeoro las características del ventilador, lo
que se deduce la existencia de un diámetro óptimo de
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obstáculo. Aquí se deberá considerar la presencia de
otros factores, como: la reducción de la zona de paso,
incremento de la zona de torbellinos, etc.
Fig.1 Grafica altura - caudal, con la presencia de
diferentes diámetros de obstáculos sobre la lengüeta
El análisis [3] muestra, que las características
acústicas de Turbomaquinas, como regla, poseen un
carácter tonal (discreto). Y es de saber que la lucha
con este ruido aerodinámico en Turboma
Turbomaquinas
deberá
tener
primordial
importancia,
esta
disminución es posible gracias a la redistribución de
la energía de las ondas acústicas en el tiempo y
espacio con el desfase de las fuentes acústicas con la
ayuda de soluciones estructurales. Es por ello que
qu el
análisis de las comparaciones para la cuantificación
del ruido en ventiladores centrífugos toma mucho
interés tomando en cuenta los diferentes cambios
estructurales de la sección de paso en el ducto.
90
L, Db
88
86
84
lengüeta original
82
obstaculo menor
obstaculo mayor
80
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Q, m3/h
2200
lengüeta original
obstaculo menor
2000
Fig.2 Grafica del nivel de ruido en la frecuencia de
paso de alabes - caudal, con la presencia de diferentes
diámetros de obstáculos sobre la lengüeta
obstaculo mayor
H, Pa
1800
1600
parición del ruido aerodinámico al
Observemos la aparición
embestir un flujo irregular sobre la lengüeta con
obstáculo, se sabe [4], que la presión acústica en la
frecuencia de paso es ver ecuación (1):
1400
1200
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Q, m3/h
P =
1
396 , 76 ⋅
T
⋅
2
2
ϖ ⋅ τ1
ϖ ⋅ τ2
F
⋅ sin
⋅ sin
⋅ 10 0 , 05 [7 ,1 −141 , 7 ⋅ ∆ S + 254 , 8 ⋅(∆ S ) + (3072 , 7 (∆ h ) − 207 , 4 ⋅∆ h )] …(1)
r ⋅ τ1
2
2
Donde: T- temperatura absoluta del medio ambiente;
r - distancia hasta el punto de medición; k - numero
de onda; τ1 y τ2 - parámetros de tiempo en el perfil
del campo de presiones; s - holgura; h - altura del
obstáculo; R - radio del impulsor; ∆s
∆ - holgura
relativa, igual a s/R; ∆h - altura relativa del obstáculo
h/R.
∆hh se incluye como factor de corrección
correcci al máximo
valor del nivel de presión acústica, obtenida en los
ensayos realizados.
fig.3 Líneas de corriente sobre la lengüeta: a - sin
obstáculo; b - con obstáculo
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
∆V 2 
F = π ⋅ rlg ⋅ b ∆pct + ρ
 …(2)
4 

BIBLIOGRAFÍA
1.
Neise, Compendio de métodos en reducción del
ruido en ventiladores centrífugos, Moscú,
Konstruirubanie, 1982, t. 104
2.
Miftakhov A.A. Investigación, calculo y diseño
de dispositivos de descarga en compresores
centrífugos; Instituto químico tecnológico de
Kazan, 1980. pag. 78
3.
Khoroshev G.A., Petrov Y. I., Egorov N. F.
Lucha contra los ruidos en Ventiladores.- Moscú:
Energoizdat, 1981
4.
Vlasov E.H., E.B. Dedikov., A.L. Terekhov.,
C.B. Tsulimoz. Investigaciones y métodos de
reducción del ruido en las Turbomaquinas para
las estaciones de compresión en los gaseoductos.
Por redacción del profesor Vlasov E.H.- Moscú.:
IRZ Gasprom, 1998.-287
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Donde F – fuerza de pulsación aerodinámica ; ∆Pct cambio de la presión estática ; ∆V - cambio de la
velocidad de salida; b - ancho de la lengüeta; rlg radio de la lengüeta
Entonces el nivel de presión acústica en la
frecuencia de paso es:
L = 20 ⋅ lg
p ef
p0
= 20 ⋅ lg
p
2 ⋅ p0
…(3)
Donde po = 2·10-5, H/m2 (Pa) – nivel límite de la
presión acústica.
La ecuación propuesta que estima el ruido de tono es
de carácter preliminar; y es necesario realizar
mediciones gasodinamicas complementarias, para el
análisis del flujo de fluido en la zona de
investigación.
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