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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CONTROL DE TEMPERATURA Y HUMEDAD PARA LA MADURACIÓN DEL PROCESO DE COMPOSTAJE ORGÁNICO
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
CONTROL DE TEMPERATURA Y HUMEDAD PARA LA MADURACIÓN DEL PROCESO DE COMPOSTAJE
ORGÁNICO
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
P R E S E N T A:
ROJAS NOVA OMAR ENRIQUE
SARABIA AGUIRRE MARTHA PATRICIA
SANTOS RAMÍREZ ELIOT ELJAIR
ASESORES:
ING. ANTONIO ÁNGELES ROCHA
M EN C. MIRIAM GÓMEZ ÁLVAREZ
M. EN C. LEONARDO GABRIEL VEGA MACOTELA
MÉXICO, D.F, 2012
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AGRADECIMIENTOS
Omar A Dios
Por ser mí fe en donde la ciencia no tiene respuestas.
A mis padres Carlos Enrique y Reyna
Por darme el mayor regalo, la vida; Por regalarme parte de su vida y
acompañarme en este camino de logros y caídas, de risas y llanto, por darme
su infinito amor y comprensión.
A mis hermanas Monserrat y Adriana Gabriela
Por ser parte de este camino, ser mis compañeras de desvelos y ser grandes
consejeras.
A mi tío Gerardo Nova
Por ser mi gran maestro y arquitecto de este proyecto llamado educación.
A Paty
Por brindarme su amor y comprensión, por ser un gran apoyo en los
momentos difíciles y compartir sonrisas en los logros.
A mi compañero Eliot
Por ser parte de este proyecto y brindarme su amistad.
A mis maestros Antonio Rocha, Gabriel Macotela y Miriam Gómez
Por confiar en mí y en mis compañeros en este viaje, por tenerme paciencia
y apoyarme en todo momento, por brindarme sus conocimientos y
experiencia, pero sobre todo por brindarme su amistad.
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Patricia A Dios
Por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi vida; Por ser mi
fortaleza, mi apoyo y mi luz para seguir adelante.
A mis padres Francisco y María
Por apoyarme siempre; Por haberme dado la oportunidad y el apoyo de
estudiar esta carrera, también por brindarme confianza, cariño y compresión
en cada momento de mi vida.
Gracias por llenar mi vida de alegrías y amor.
A mi hermana Monse
Por ser parte importante de mi vida, por su paciencia y motivación
constante y por todos los grandes momentos que hemos compartido.
A Kike
Quien siempre me ha brindado apoyo y confianza desde el día en que lo
conocí; Por su compañía y disposición a siempre brindar una sonrisa; pero
sobre todo por su paciencia y amor incondicional.
Al Ingeniero Antonio Ángeles Rocha
Por creer en mis compañeros de tesis y en mí. Por habernos brindado su
amistad, compartir sus conocimientos y experiencias y por habernos guiado
desde el inicio de nuestra tesis profesional. Le agradezco también por
habernos abierto las puertas de su casa y familia, quienes siempre nos
brindaron apoyo y amistad.
Al Maestro Leonardo Gabriel Vega Macotela
La confianza apoyo y dedicación que nos brindó. Gracias por la
oportunidad dada de trabajar a su lado y por los conocimientos
compartidos, pero sobre todo por su amistad.
A la Maestra Miriam Gómez
Por sus consejos, apoyo y la motivación que siempre nos dio, también, por
el tiempo que nos dedicó y especialmente por la amistad y confianza.
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Eliot
A mis padres
Que con su paciencia y amor lograron que saliera adelante con cada adversidad que
se ponía en frente. Gracias papá y mamá por sus esfuerzos ahora me toca a mí
afrontar el reto que el destino me depara y saber tomar decisiones que beneficien a
las personas que están a mi alrededor.
A mis hermanas Samantha, Hannya, y Darynka
Por quererme acompañarme, apoyarme, corregirme y alentarme a conseguir mis
metas. Gracias por todo las quiero mucho.
A mis compañeros Paty y Omar
Que fueron artífices clave en este proyecto que demostró trabajo en equipo y
solidaridad no olvidare esos momentos de trabajo y esfuerzo.
A mis profesores Miriam Gómez, Antonio Rocha, Gabriel Macotela, Edgar Maya
Que debido a su paciencia, enseñanzas, cariño, perseverancia y gran sentido de
profesionalismo lograron hacer de mí una persona de valía y que si no hubiera
conocido a estos formidables maestros no hubiese entendido el significado de estudiar
una carrera y atreverse a cuestionar y entender los diferentes puntos de vista y
criterios del ser humano.
“Hay que estar dispuestos a hacer hoy lo que otros no quieren para poder lograr mañana lo que otros no pueden”
(Luis Armando León Ávila)
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ÍNDICE
Página.
RESUMEN 1 ABSTRACT
2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
3
JUSTIFICACIÓN
4
OBJETIVO GENERAL
5
OBJETIVOS ESPECIFICOS
5
INTRODUCCIÓN
6
CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE
8
1.1 Biodegradabilidad de la materia orgánica 8
1.2 Métodos de biodegradabilidad de la materia orgánica 8
1.2.1 Aerobia 9
1.2.1.1 Técnicas de compostaje aerobio 10
1.2.1.2 Compostaje en hileras 10
1.2.1.3 Pilas estáticas 12
1.2.1.4 Reactores Cerrados 13
1.2.2 Anaerobia 13
1.2.3 Vermicomposta 14
1.3 Biología del proceso de Compostaje 14
1.4 Microbiología del compostaje 14
1.4.1 Bacterias 15
1.4.2 Actinomicetos 15
1.4.3 Protozoos 16
1.4.4 Hongos 16
1.4.5 Organismos Patógenos 16
1.5 Formación de la composta 17
1.5.1 Latente 18
1.5.2 Crecimiento 18
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1.5.3 Termofílica 19
1.5.4 Maduración 19
1.6 Parámetros que influyen en la elaboración de composta 19
1.6.1 Materia prima inicial 20
1.6.2 Relación Carbono - Nitrógeno (C / N ) 20
1.6.3 Humedad 21
1.6.4 Temperatura 22
1.6.5 Aireación 22
1.6.6 Potencial de Hidrógeno (pH) 24
1.6.7 Mezcla / Volteo 24
1.6.8 Condiciones climáticas 24
1.7 Características del producto 25
1.7.1 Fisiología vegetal 26
1.7.2 Acción física 27
1.7.3 Acción química 27
1.7.4 Acción biológica 27
1.8 Beneficios 27
CAPÍTULO 2 MÉTODOS Y MODELADO
29
2.1 Ubicación 29
2.2 Condiciones del proceso 29
2.2.1 Acopio de la materia prima 30
2.2.2 Mezcla de los insumos 31
2.2.2.1 Diseño y montaje de las pilas 31
2.2.3 Humectación 31
2.2.4 Volteos 31
2.2.5 Maduración 31
2.2.6 Cribado 32
2.2.7 Envasado 32
2.2.8 Venta 32
2.3 Monitoreo de las pilas 32
2.4 Selección de los parámetros a controlar 35
2.5 Normatividad 35
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2.6 Modelado del sistema de humedad y temperatura 36
2.6.1 Principios de la termodinámica 36
2.7 Modelado del sistema 39
2.7.1 Linealización de ecuación 43
2.7.2 Obtención de la función de transferencia 45
2.7.3 Simulación en lazo abierto 51
2.7.4 Parámetros y condiciones del proceso 51
2.7.5 Obtención de la función de los elementos de medición 53
2.7.6 Transmisor de temperatura 53
2.7.7 Transmisor de flujo 55
2.7.8 Válvula de control de flujo 56
CAPÍTULO 3 SIMULACIÓN Y PROPUESTA CONTROL DEL SISTEMA DE
TEMPERATURA
58
3.1 Tipos de sistemas de control 58
3.2. Sistemas de Control de Lazo Abierto (Open loop) 58
3.3. Sistemas de Control de Lazo Cerrado (Feedback) 58
3.4 Controlador Proporcional Integral Derivativo (PID) 59
3.4.1 Controlador proporcional (P) 60
3.4.2 Controlador integral (I) 60
3.4.3 Controlador derivativo (D) 61
3.5 Sintonización del sistema retroalimentado por Ziegler-Nichols 61
CAPÍTULO 4 IMPLEMENTACIÓN
66
4.1 Desarrollo del sistema 66
4.2 Descripción de la instrumentación del sistema 68
4.2.1 Principio de funcionamiento del sensor de humedad 68
4.2.2 Principio de funcionamiento del sensor de temperatura 72
4.2.3 Filosofía de Operación 77
4.2.4 Diagrama de tuberías e instrumentación 79
CAPÍTULO 5 ESTUDIO ECONOMICO
81
5.1 Ciclo de un proyecto (conceptualización) 82
5.1.1 Idea/estrategia 82
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5.1.2 Estudio de prefactibilidad/factibilidad 82
5.1.3 Ingeniería básica 83
5.1.4 Ingeniería de detalle 83
5.1.5 Licitaciones/subcontratos 83
5.2 Ciclo del proyecto 83
5.2.1 Construcción 83
5.2.2 Pruebas 84
5.2.3 Evaluación expost 84
5.2.4 Término o cierre 84
5.3 Formato para la planeación y evaluación del proyecto 84
5.3.1 Nombre de los coordinadores de proyecto 84
5.4 Avances y estrategias del proyecto 85
5.5 Costos de materiales 86
5.6 Formato de planeación del proyecto. 87
5.6.1 Calendario de actividades del proyecto 87
5.6.2 Previsiones de evaluación del proyecto 88
5.6.3 Gráfica de Gantt del proyecto 90
5.6.4 Costos de cada actividad (no se incluyen los materiales) 92
5.7 La evaluación económica 93
5.7.1 Conceptos previos 93
5.7.2 Clasificación de las inversiones 93
5.7.3 Capital de trabajo (según el ciclo productivo) 94
5.7.4 Financiamiento del proyecto 94
5.7.5 Flujos de fondos de un proyecto 94
5.7.6 Cálculo de la depreciación 95
5.8 Técnicas de evaluación 96
5.8.1 Algunos alcances matemáticos para comprender la tasa
de descuento.
96
5.8.2 Valor actual neto (VAN) 97
5.8.3 Tasa interna de retorno (TIR) 98
5.8.4 Tasa interna (TIR) Versus valor actual neto (VAN) 99
CONCLUSIONES
103
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RECOMENDACIONES 104 REFERENCIAS
106
GLOSARIO
108
ANEXO A
110
ANEXO B
111
ANEXO C
120
ANEXO D
123
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íNDICE DE TABLAS
Página.
Tabla 1. Producción de excreta 3
Tabla 1.1 Temperaturas y tiempos para la destrucción de patógenos 17
Tabla 1.2 Relación de moléculas del carbón-nitrógeno 21
Tabla 1.3 Materiales que contienen carbón y nitrógeno 21
Tabla 1.4 Composición Media del abono orgánico en % 25
Tabla 1.5 Abono Orgánico vs Estiércol en % 25
Tabla 2.1 Material orgánica utilizada 30
Tabla 2.2 Estudios de la aplicación de monitoreo de procesos de compostaje 32
Tabla 2.3 Definición de entradas y salidas 46
Tabla 2.4 Definición de las variables del proceso 51
Tabla 3.1 Valores de Kp, Ti y Td de acuerdo a la sintonización por
Ziegler-Nichols
62
Tabla 4.1 Relación de temperatura y voltaje 75
Tabla 5.1 Cuadro en el que se presentan de manera sintética las tareas a
realizar
85
Tabla 5.2 Cuadro en el que se detallan los costos de materiales 86
Tabla 5.3 Calendario de actividades del proyecto 87
Tabla 5.4 Evaluación del proyecto 89
Tabla 5.5 Costos de cada actividad 92
Tabla 5.6 Cálculo de la depreciación por año 96
Tabla 5.7 Tabla de tiempos de ingresos y tasa de inversión 99
Tabla 5.8 Tabla comparativa de diversos productos y empresas de compost 102
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ÍNDICE DE GRÁFICOS
Página.
Grafica 2.1 Comportamiento del transmisor de temperatura. 55
Grafica 2.2 Comportamiento del transmisor de flujo. 56
Grafica 2.3 Comportamiento de la válvula de flujo. 57
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ÍNDICE DE FIGURAS
Página.
Figura 1.1 Tratamientos biológicos. 9
Figura 1.2 Compostaje en Hilera 11
Figura 1.3 Perfil de Temperatura en una pila de Compost 11
Figura 1.4 Pilas Estáticas 12
Figura 1.5 Esquema general del proceso anaerobio 13
Figura 1.6 Comparación de los tiempos de degradación de la materia orgánica 18
Figura 2.1 Diagrama general de proceso 30
Figura 2.2 Comparación de las mediciones de humedad realizadas en Jaltepec,
Axapusco Estado de México y la humedad ideal del proceso.
33
Figura 2.3 Comparación de las mediciones de temperatura realizadas en
Jaltepec, Axapusco Estado de México y la temperatura ideal del
proceso.
33
Figura 2.4 Modelo del dispositivo de transferencia de calor 39
Figura 2.5 Diagrama a bloques del dispositivo de transferencia de calor. 46
Figura 2.6 Diagrama de bloques del modelado propuesto. 52
Figura 2.7 Respuesta de la simulación del modelo matemático. 52
Figura 2.8 Representación en diagrama de bloques del transmisor de
temperatura propuesto.
54
Figura 2.9 Representación en diagrama de bloques del transmisor de flujo
propuesto.
56
Figura 2.10 Representación en diagrama de bloques de la válvula de flujo
propuesta.
57
Figura 3.1 Diagrama de bloques de lazo abierto. 58
Figura 3.2 Diagrama de bloques de lazo cerrado retroalimentación positiva. 59
Figura 3.3 Diagrama de bloques de lazo cerrado retroalimentación negativa. 59
Figura 3.4 Respuesta del control Proporcional. 60
Figura 3.5 Respuesta del control Integral. 60
Figura 3.6 Respuesta del control Derivativo. 61
Figura 3.7 Oscilación del sistema retroalimentado. 62
Figura 3.8 Diagrama de bloques en lazo cerrado con PID. 63
Figura 3.9 Respuesta del sistema en lazo cerrado. 64
Figura 3.10 Respuesta afinada del sistema en lazo cerrado. 65
Figura 4.1. Diagrama de entradas y salidas del NI DAQ 6008. 66
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Figura 4.2. Diagrama del sistema en bloques. 67
Figura 4.3. Circuito oscilador para humedad. 68
Figura 4.4 Pantalla de configuración del DAQ Assistant. 69
Figura 4.5 Diagrama de bloques del instrumento virtual de la humedad. 70
Figura 4.6 Circuito de potencia para accionar la válvula de control de humedad. 70
Figura 4.7 Válvula solenoide 2 vías. 71
Figura 4.8 Válvula solenoide 2 vías acoplada a la toma de agua. 71
Figura 4.9 Sistema de riego. 72
Figura 4.10 Obtención de parámetros para el diseño del circuito de
acondicionamiento de temperatura.
73
Figura 4.11 Relación de tensión y temperatura en el termopar. 73
Figura 4.12 Circuito AD594. 74
Figura 4.13 Circuito de amplificación y acondicionamiento de la señal con un
valor de 143mV a la entrada y osciloscopios para ver la tensión
amplificada.
74
Figura 4.14 Instrumento virtual generado para la medición de temperatura. 76
Figura 4.15 Imágenes de la cosecha utilizando la composta producida por el
sistema,
80
Figura 4.16 Chilacayotes de gran tamaño producto de la composta. 80
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RESUMEN
En el presente proyecto se desarrolla un control de temperatura y humedad para acelerar el
proceso de producción de la composta orgánica. Este trabajo persigue desarrollar un esquema
de automatización utilizando instrumentación para medir las variables y controlar el proceso de
la compostaje. Debido a que todavía hoy en día no existe un sistema propiamente automatizado
ya que los métodos de manufactura utilizados actualmente son muy mecánicos y la parte de la
medición de variables no tiene una adquisición de los datos por ser métodos de análisis de
campo con dispositivos muy simples. Con el conocimiento y la implementación de los sistemas
embebidos se desarrolló en este trabajo un HMI que permite monitorear humedad y
temperatura y controlar la humedad que va relacionada con la parte de la temperatura.
La metodología en la cual se basa la investigación está documentada mediante pruebas de
campo realizadas por los mismos tesistas y sustentadas gracias a la documentación ya escrita
por otros especialistas que dejaron sus experiencias de la elaboración manual de la composta
ofreciendo suficiente información para mejorar la producción.
El método utilizado para compostar es el método de las pilas o método del montón el cual es
muy económico y rápido ya que de 3 a 4 meses se puede obtener composta y utilizando un
monitoreo y control de las variables críticas del proceso se puede acelerar la maduración de la
composta debido a la acción de los microrganismos que generan el calor necesario para
desarrollarse y poder matar a los patógenos como la Echerichia coli que es dañina para la
salud.
Para la creación del proyecto se utiliza LabView un potente software que permite programar en
bloques y de esta forma generar VI´s (instrumentos virtuales) que permiten al usuario diseñar
HMI´s (interface hombre maquina) para tener una mejor supervisión del proceso.
Se realizó el modelado de la planta mediante las variables críticas del sistema, de tal forma que
fue posible diseñar un controlador PID, de tal forma que el comportamiento de las variables del
sistema, se mantenga en el diapasón deseado. Por otro lado, se desarrolló un estudio
económico.
Al sistema de control y monitoreo de la maduración del proceso de compostaje orgánico de tal
forma que el proyecto sea una alternativa a considerar a escala mayor ya que el beneficio
económico resulta plenamente justificado.
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ABSTRACT
In this project we develop a temperature and humidity control to accelerate the production of
organic compost. This work aims to develop a new automation scheme using instrumentation to
measure and control the process variables of composting because even today there is no proper
system for automated manufacturing methods currently used are mechanical and part of
measurement variables have data acquisition being field analysis methods with very simple
devices. With the knowledge and implementation of embedded systems is developed in this
paper an HMI that allows monitoring humidity and temperature and humidity control which is
related to the temperature.
The methodology is based on research which is documented by field tests conducted by the
same thesis students and supported by written documentation and other composters who left
their experiences of making compost manual offering enough information to improve production.
The method used is the method of composting piles or pile method which is very economical
and fast as 3 to 4 months you can get compost and using a monitoring and control of critical
process variables can be accelerated maturation of the compost by the action of microorganisms
that generate the heat needed to develop and to kill pathogens such as Escherichia coli that is
harmful to health.
To create the project using LabView powerful software that lets you program into blocks and
thus generate VIs (virtual instruments) that allow the user to design HMI's (Human Machine
Interface) for a better monitoring of the process.
Coupled with research and analysis of the methods proposed in the past, clearly defined to
apply knowledge, concepts, and is complemented by the use of software tools such as LabView
above, Microsoft Word, Autocad, Origin, Mathlab, Simulink , Multisim that are of great
importance for the development of the project and the development of piping and
instrumentation diagrams (P&IDs).
This system of control and monitoring of the maturation process of organic compost is an
alternative to consider that may be implemented.
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Hoy en día las cifras de contaminación son alarmantes. El 80% de nuestros desperdicios se
alberga en rellenos sanitarios al aire libre donde no existe control sobre el manejo de estos. Más
de 30 mil toneladas diarias van a barrancos, ríos y terrenos baldíos convirtiéndose en agentes
contaminantes y fuentes de infección. La mayor parte de los desechos son reutilizables y
reciclables. De acuerdo a estadísticas proporcionadas por el Instituto Nacional de Ecología, la
basura se encuentra clasificada de la siguiente manera:
Tabla 1. Producción de excreta
Tipo de ganado Ton. De excreta al día
Bovino 155.7707
Porcino 107.0246.3
Ovino 4.62992
Caprino 4.2389.0
[1]. Cegarra, J., (1996).
De estos tipos de residuos, los que se reciclan en la Ciudad de México son: Metales ferrosos
(acero, aluminio y otros), vidrio, papel, cartón y plásticos, pero no existe una solución a los
desechos orgánicos y agropecuarios creando una grave problemática, ya que afectan
directamente al medio ambiente y se pueden convertir en una amenaza para la salud humana
gracias a la proliferación de agentes infecciosos. Por ello se requiere un método de solución
que pueda promover su conversión a productos que puedan ser usados como medio fertilizante
y mejorador de suelos a través de métodos normalizados y que no requieran mucha inversión.
Un método es el composteo utilizado actualmente en varios países.
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JUSTIFICACIÓN
Dado el grado de contaminación y el impacto ambiental que en conjunto representan los
residuos sólidos urbanos y los pecuarios, se ha planteado la búsqueda de alternativas que
permitan brindarles valor agregado para su reusó mediante métodos sustentables que eliminen
tal problemática.
La elaboración de abonos orgánicos usando el compostaje que es un sistema productivo
aerobio dando como resultado un abono orgánico, rico en macro nutrientes, micro nutrientes y
materia orgánica que puede utilizarse como mejorador de suelos, además, fortalece las plantas,
incrementa la producción por área cultivada, aumenta las propiedades físicas, químicas y
biológicas en donde se aplique no siendo necesario un análisis previo de suelos. Lo anterior se
logra en un periodo de tiempo corto (30-45 días) si se controlan total o parcialmente los
parámetros involucrados los cuales son: temperatura, humedad, pH, apariencia, olor, aireación.
Este trabajo se centrara solo en dos parámetros, la temperatura y la humedad, porque la
adquisición de datos y el control de estas variables usando sistemas embebidos, influye
directamente en los demás parámetros como pH, ya que al tener un control de los parámetros
previamente mencionados, el pH, la apariencia y el olor, se mantienen en parámetros
deseados.
La elaboración de composta es una solución eficiente para el aprovechamiento energético de
los residuos orgánicos que combina el aspecto económico y social. Producir composta
promueve los cultivos libres de químicos permitiendo la recuperación de los suelos; además,
facilita el acceso a estrategias de autosuficiencia alimentaria que reducen la pobreza y la
desnutrición. Se fortalece la economía interna al propiciar el autoempleo generando
microempresas verdes cada vez más innovadoras y creativas. Se promueven nuevas ofertas
tecnológicas y se incrementa el desarrollo de la investigación en sistemas de control con
componentes electrónicos embebidos económicos y fáciles de adquirir.
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OBJETIVO GENERAL
Realizar un sistema de control de las variables de temperatura y humedad en la etapa de
maduración de un proceso de compostaje orgánico por medio de la regulación del flujo y la
temperatura del fluido que estará en contacto con el proceso.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Facilitar la lectura de los valores de temperatura y humedad para determinar el estado
en el que se encuentra el sistema de compostaje.
Desarrollar el modelado y la simulación del sistema de calefacción del sistema de
compostaje.
Desarrollar una propuesta del control de humedad del sistema de compostaje.
Lograr una degradación acelerada para obtener una composta madura en un plazo de
35 días que se encuentre libre de patógenos.
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INTRODUCCIÓN
El compostaje era practicado en la antigüedad. Desde hace miles de años, los chinos han
recogido y compostado todas las materias de sus jardines de sus campos y de sus casas,
incluyendo materias fecales. En el Oriente Próximo, en las puertas de Jerusalén había lugares
dispuestos para recoger las basuras urbanas: unos residuos se quemaban y con los otros se
hacía compost [1].
El descubrimiento, después de la Primera Guerra Mundial, de los abonos de síntesis populariza
su utilización en la agricultura. En los últimos años se ha puesto de manifiesto que tales abonos
químicos empobrecen la tierra a medio plazo. En Baleares, existía asimismo la práctica de "sa
bassa", el cual se elabora a partir de desechos de vegetales, como forma tradicional de producir
compost, que desafortunadamente se ha perdido [1].
De forma tradicional, durante años, los agricultores han reunido los desperdicios orgánicos para
transformarlos en abono para sus tierras. Compostar dichos restos no es más que imitar el
proceso de fermentación que ocurre normalmente en un suelo de un bosque, pero acelerado y
dirigido. El abono resultante proporciona a las tierras a las que se aplica prácticamente los
mismos efectos beneficiosos que el humus para una tierra natural [1].
El desarrollo de la técnica de compostaje a gran escala tiene su origen en la India con las
experiencias llevadas a cabo por el inglés Albert Howard desde 1905 a 1947. Su éxito consistió
en combinar sus conocimientos científicos con los tradicionales de los campesinos. Su método,
llamado lndore, se basaba en fermentar una mezcla de desechos vegetales y excrementos
animales, y humedecerla periódicamente. La palabra compost viene del latín “componere”,
juntar; por lo tanto es la reunión de un conjunto de restos orgánicos que sufre un proceso de
fermentación y da un producto de color marrón oscuro, es decir, que en él el proceso de
fermentación está esencialmente finalizado. El abono resultante contiene materia orgánica así
como nutrientes: nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio, calcio y hierro, necesarios para la vida
de las plantas. Fue en el año 1925 cuando en Europa comenzó a estudiarse la posibilidad de
descomponer a gran escala las basuras de las ciudades con la puesta en marcha del método
indú lndore. En la ciudad holandesa de Hanmer se instaló en 1932 la primera planta de compost
hecho con las basuras urbanas. A principios de la década de los 60, había en Europa 37
plantas. Dicho número aumentó considerablemente durante dicha década, y a principios de los
70 se llegó a 230 plantas, destacando el Estado Francés y el Estado Español, instalándose en
este último sobre todo plantas de compost en el Levante y Andalucía. Sin embargo, a partir de
mediados de los setenta la evolución se estancó y se cerraron numerosas plantas. Una de las
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LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 7
causas de este estancamiento fue la deficiente calidad del compost producido (no se hacía
separación previa en origen de la materia orgánica de los residuos sólidos urbanos) y el poco
interés de los agricultores en utilizarlos. En la actualidad, según el Ministerio de Medio
Ambiente, las plantas de compost existentes en España son 24, que tratan 1.770.061 Tm y el
compost producido es de 365.239 Ton/año, con lo cual el rendimiento compost/RSU es de
21,98%. La calidad del producto es variable, pero puede afirmarse que su tendencia es a
mejorar por la implantación de modernas -instalaciones de refino y por la mejora de las
condiciones de fermentación. En general, según datos de los antiguos ministerios MAPA y
MOPTMA, difícilmente se puede absorber la actual producción de compost de R.S.U., sin hacer
un esfuerzo serio por mejorar la calidad del producto (con la creación de modelos mínimos de
calidad), y por establecer todo ello con las necesarias campañas de promoción [1].
Esencialmente, se trata de enriquecer la tierra del jardín o del huerto y, al mismo tiempo,
defender el medio ambiente. El jardín se enriquece y aporta un suelo más vivo en microbios e
invertebrados y más rico en minerales, si reproducimos racionalmente el ciclo de degradación
de los elementos vegetales que tiene lugar en la naturaleza.
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CAPÍTULO 1 ESTADO DEL ARTE
El compostaje es un proceso biológico en el que sustratos orgánicos son oxidados a formas
biológicamente estables como el humus debido a la acción de una población mixta de
microorganismos, obteniéndose un producto final denominado compost, orgánicamente estable,
libre de patógenos y semillas de malezas que puede ser aplicado de manera eficiente al suelo
para mejorar sus propiedades.
1.1 Biodegradabilidad de la materia orgánica
La transformación de los residuos sólidos en humus, puede ocurrir de dos formas distintas:
descomposición aerobia y anaerobia. En cuanto a la digestión aerobia, en esta variante
biotecnológica, predomina la acción de microorganismos cuyo metabolismo necesita de
oxígeno libre para su subsistencia y desarrollo. Se favorece una mayor oxigenación si la masa
de residuos se revuelve en forma manual o por medios mecánicos, obteniéndose como
productos principales, materiales orgánicos estabilizados, bióxido de carbono y agua.
Las reacciones bioquímicas que se llevan a cabo durante el proceso aeróbico son exotérmicas
y elevan la temperatura de la composta hasta cerca de 70°C [1], con lo cual se eliminan todos
los agentes patógenos que puedan estar presentes en la masa inicial.
Los residuos más susceptibles de compostar son: residuos de la agricultura, de jardín y cocina,
residuos sólidos municipales y lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales y las
deyecciones de la actividad pecuaria. Los diversos métodos de composteo utilizados
actualmente en varios países, generan un porcentaje en peso de composta orgánica que varía
entre 35 y 45% de la materia bruta inicial. Los materiales orgánicos que no se descomponen
fácilmente son: tela, cartón y papel. Estos residuos urbanos deben ser tratados en forma
diferente, de preferencia mediante el reciclaje (recuperación directa). Los sistemas de
tratamiento de residuos son esenciales en el control de la contaminación ambiental.
1.2 Métodos de biodegradabilidad de la materia orgánica
Esencialmente hay dos métodos para el compostaje dependiendo de la presencia o ausencia
de oxígeno, hablaremos de metabolismo aerobio o anaerobio (Figura 1.1). A demás de estos
dos tipos de composta existe una tercera denominada vermicomposta.
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Figura 1.1 Tratamientos biológicos.
1.2.1 Aerobia
Se denominan aerobios o aeróbicos a los organismos que necesitan del oxígeno para vivir o
poder desarrollarse. El adjetivo "aerobio" se aplica no sólo a organismos sino también a los
procesos implicados ("metabolismo aerobio") y a los ambientes donde se realizan. El
compostaje aerobio es un proceso de degradación biológica en donde los microorganismos
transforman los compuestos orgánicos mediante reacciones metabólicas, en las que se ionizan
los compuestos y se oxidan las estructuras de carbono a dióxido de carbono, amoniaco, agua y
otros gases [2]. El proceso de degradación alcanza una temperatura superior a los 70°C. El
proceso de biodegradación aeróbica se puede describir mediante la siguiente reacción general
[2]:
Esencialmente hay dos métodos para el compostaje aeróbico:
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Activo o caliente: se controla la temperatura para permitir el desarrollo de las bacterias activas,
matar la mayoría de patógenos y así producir un producto de forma rápida.
Pasivo o frío: sin control de temperatura, los procesos son los naturales a temperatura
ambiente.
La mayoría de plantas industriales y comerciales de compostaje utilizan procesos activos,
porque garantizan productos de mejor calidad en el menor plazo (3 meses). El mayor grado de
control suele conseguirse compostando en un contenedor cerrado con un control y ajuste
continuo de temperatura flujo de aire, humedad y la mezcla adecuada de componentes acorde
al estado de biodegradación que se tenga, entre otros parámetros. El compostaje casero es
más variado, fluctuando entre técnicas extremadamente pasivas hasta técnicas activas propias
de una industria.
1.2.1.1 Técnicas de compostaje aerobio
En el compostaje aerobio se presentan principalmente tres tipos de sistemas: hileras, pilas
estáticas y reactores cerrados. Las hileras y las pilas estáticas, que en ocasiones se citan como
sistemas abiertos, se emplean más que los reactores cerrados. En los sistemas abiertos el
material a compostar se apila en una plataforma impermeable, como hormigón o asfalto. A
veces se usa una capa de polietileno como precaución extra para asegurar que ningún
contaminante alcance el suelo a través de las grietas, en el caso de que existan.
El modo de aireación es lo que diferencia las hileras de las pilas estáticas. En la explotación de
una hilera se airea la pila volteando la mezcla de insumos, manual o mecánicamente. En las
pilas estáticas se utiliza la aireación forzada, colocando un sistema de tubos perforados en la
base de la pila a través de los cuales circula el aire. La aireación puede ser de cabeza positiva
si el aire es impulsado, o de succión negativa si se aplica vacío [6].
1.2.1.2 Compostaje en hileras
El nombre de este tipo de compostaje corresponde a la manera de apilar el material a
compostar, el cual se coloca sobre unas plataformas en grandes montones o hileras. Su tamaño
influye en el rendimiento de una pila de composta. Para mantener altas temperaturas en la
hilera, la pila de composta debe ser lo suficientemente grande para permitir que el calor
generado por los procesos metabólicos exceda a las pérdidas de calor de las superficies
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expuestas. En la hilera se retendrá mucho calor debido a su gran área transversal y a la
pequeña relación superficie – volumen.
La temperatura de la hilera puede controlarse volteando la pila, lo que también proporciona
aireación. El ancho de la pila se sitúa normalmente entre 3 y 4 m mientras que la altura puede
llegar a 1.2 y 1.5 m. (Ver figura 1.2)
El método de aireación empleado depende del tamaño de las hileras. La mezcla manual se
hace empleando una pala o instrumento que permita el volteo del material. La mezcla mecánica
se hace con una máquina volteadora. En el primer caso se requiere un trabajo intensivo de un
operario, los costos son menores pero la eficiencia de la mezcla está limitada. En el segundo
caso los costos son más elevados pero la aireación y mezcla son mejores.
Figura 1.2 Compostaje en Hilera
El volteo se hace para airear la pila y/o disipar calor y reducir la temperatura. Un perfil de
temperatura típico se presenta en la figura 1.3 La diferencia de temperaturas entre las zonas y
el tamaño de cada una depende en cierta forma de la frecuencia de volteo. Este ayuda a
redistribuir el perfil de temperatura para que las capas superiores que están a inferior
temperatura se expongan a las altas temperaturas del nivel interior. Las hileras se voltean en
frecuencias que oscilan entre una vez por día hasta tan poco como una vez por mes, e incluso
en algunos casos nunca en toda la duración del tratamiento [4].
Figura 1.3 Perfil de Temperatura en una pila de Compost [4].
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Generalmente el compostaje en hileras se lleva a cabo en entornos abiertos por lo que se hace
necesario construir una infraestructura que proteja las pilas de la lluvia, la erosión del viento,
mantenga la temperatura en el interior de la pila y controle la emisión de olores y compuestos
orgánicos volátiles peligrosos. En algunos casos se emplean materiales de cobertura sobre las
pilas de tipo sintético o alguna capa de materia orgánica como compost maduro o residuos de
césped.
1.2.1.3 Pilas estáticas
En esta configuración el material a compostar se coloca sobre un sistema de tubos perforados
conectados a un soplador o a una bomba de vacío. Generalmente se prefiere la aireación
inducida por vacío debido a la minimización de las emisiones de compuestos volátiles y gases
generadores de olor, aunque en climas fríos no es lo más aconsejable principalmente porque el
aire frío succionado puede hacer descender la temperatura de las pilas, especialmente en
capas exteriores.
En las pilas estáticas el flujo de aire se usa para controlar tanto la temperatura como la cantidad
de oxígeno en el interior de estas. El trazado de los tubos perforados y la tasa de aireación
empleados son parámetros de diseño básicos. Los tubos en la base están inmersos en una
capa de material muy permeable como grava, arena, virutas de madera o composta. La
capacidad para airear una mezcla estática sin alterar la mezcla de la composta permite diseñar
sistemas con dimensiones superiores a las de las hileras la literatura reporta alturas hasta de 3
m [agregar referncia], reportándose incluso alturas de 6 m. (Ver figura 1.4)
Figura 1.4 Pilas Estáticas
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1.2.1.4 Reactores Cerrados
El compostaje en reactores cerrados aunque precisa de costos elevados de inversión
proporciona el mayor control de proceso y tiene varias ventajas sobre los sistemas abiertos. Los
reactores cerrados se equipan, generalmente, con mecanismos combinados, diseñados para
permitir frecuentes sino continuas mezclas de residuos (Tambores rotatorios, tanques o
cámaras de mezcla). La mezcla genera la distribución del sustrato en la masa sometida a
compostaje, lo que conlleva a un mejor contacto con los microorganismos, incrementándose el
potencial de biodegradación.
1.2.2 Anaerobia
Se lleva a cabo en ausencia de aire y es una degradación de la materia orgánica, por medio de
una fermentación bacteriana productora de metano, en un recinto cerrado, caliente y en
ausencia de oxígeno.
Figura 1.5. Esquema general del proceso anaerobio
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1.2.3 Vermicomposta
El vermicompostaje se define como: la técnica para la transformación de los residuos sólidos
orgánicos por medio de la cría masiva de lombrices, las cuales se alimentan de los mismos y
excretan un humus. Su objetivo es otorgar a la lombriz las condiciones adecuadas para que
logre una eficiencia óptima de producción, que generalmente está representada por la
obtención de un 60% de humus y 40% de biomasa.
Generalmente está constituido por dos componentes que son el recipiente y lecho en sí. El
recipiente puede ser casi cualquier tipo de recipiente, desde alguno casero hasta grandes
recipientes adaptados para tal efecto e incluso una zanja en el suelo. El lecho o cama puede
ser de algún material basándose en celulosa (por ejemplo, papel u hojas secas), que es lo más
recomendable ya que proporciona una adecuada retención de humedad, y aeración; sin
embargo este método solo logra producir en un área de un metro, 30 kg a un tiempo de 3
meses [5].
1.3 Biología del proceso de Compostaje
En general se puede afirmar que los microorganismos de interés en el compostaje son
organismos heterótrofos que utilizan compuestos orgánicos como fuente de energía y
desarrollan tejido celular a partir de nitrógeno, fósforo, carbono y otros nutrientes necesarios.
Los organismos responsables de la transformación biológica de los materiales orgánicos en
composta son hongos, bacterias y actinomicetos. Adicionalmente es común encontrar agentes
patógenos en las pilas de composta especialmente cuando se utilizan materiales orgánicos
como lodos de aguas residuales domésticas o algunos tipos de residuos agroindustriales [6].
1.4 Microbiología del compostaje
Durante el compostaje ocurren cambios cualitativos y cuantitativos en la microflora activa.
Algunas especies se multiplican rápidamente al inicio cambiando el medio ambiente y luego
desaparecen para permitir ser sucedidos por otras poblaciones de microorganismos. Lo anterior
es debido a factores selectivos tales como, el contenido de humedad, la disponibilidad de
oxígeno, pH, temperatura y la relación C/N(Carbono-Nitrógeno), que determinan la prevalencia
y sucesión de la población microbiana .
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1.4.1 Bacterias
La mayoría de las bacterias en el proceso de compostaje son aerobias, aunque también existen
algunas especies facultativas dependiendo de las condiciones del ambiente en que ocurre la
biodegradación del sustrato. Las bacterias en el proceso de compostaje se pueden clasificar de
acuerdo al rango de temperatura en el que se desarrollan: mesófilas para temperaturas entre 20
a 40ºC y termófilas de 40 a 75ºC. Las bacterias son las responsables de la descomposición de
proteínas, lípidos y grasas a temperaturas termofílicas, así como de gran parte de la energía
calórica producida que conduce al incremento de temperatura en el material inicial.
1.4.2 Actinomicetos
Van a dar el olor característico a tierra ya que son especialmente importantes en la formación
del humus, son bacterias filamentosas, carecen de núcleo como las bacterias pero poseen
filamentos multicelulares como los hongos lo que los hace muy similares. Sus encimas les
permiten romper químicamente residuos ricos en celulosa, lignina, quitina y proteínas. Con
frecuencia producen antibióticos que inhiben el crecimiento bacteriano. Poseen forma alargada
con filamentos que se extienden como telas de araña grises, suelen aparecer al final del
proceso de descomposición en los primeros 10-15 centímetros de la superficie de a pila.
Los actinomicetos son un grupo considerado intermedio entre las bacterias procariotas más
primitivas y los hongos eucariotas. Su estructura es muy similar a la de los hongos presentando
un micelio ramificado, compuesto de hifas unicelulares de diámetro muy reducido y cuando
fructifican, este se divide en trozos pequeños, formando verdaderas cadenas igual que las
bacterias. Los actinomicetos pueden resistir condiciones adversas, para su nutrición
metabolizan toda clase de materia orgánica (glúcidos, almidones, alcoholes, ácidos orgánicos
etc.) generando proteasas, amilasas, lipasas etc. Forman ácidos orgánicos a partir de los
glúcidos y amoniaco a partir del nitrógeno orgánico. Comúnmente producen sustancias
antibióticas, las cuales pueden actuar sobre otras especies de actinomicetes, bacterias y
hongos. Algunas especies como los “Thermoactinomyces” pueden crecer a temperaturas de
68ºC y nunca inferiores a 45ºC, resistiendo las temperaturas que ocurren en el proceso de
compostaje.
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1.4.3 Protozoos
Son animales unicelulares que se encuentran en las gotas de agua presentes en el residuo a
compostar, su aportación en la descomposición es mínima, obtienen su alimento de la materia
orgánica de la misma manera que las bacterias aunque pueden actuar también como
consumidores de hongos y bacterias.
1.4.4 Hongos
Los hongos son muy importantes en la descomposición de materia orgánica compleja y de la
celulosa que es una de las partes más resistentes de la materia orgánica, la que en algunos
materiales representa hasta el 60 % de la masa total. Los hongos se destruyen a temperaturas
superiores a 55ºC, aunque algunos permanecen en estado de latencia reactivándose en la
etapa de enfriamiento del compost.
1.4.5 Organismos Patógenos
Diferentes sustratos utilizados en el proceso de compostaje contienen organismos patógenos
que pueden afectar al hombre, a las plantas y a los animales. [7], afirma que los patógenos más
numerosos y peligrosos se encuentran en los lodos de las PTAR (plantas de tratamiento de
aguas residuales). De los diferentes residuos que se utilizan para formar compost, los residuos
vegetales son los que contienen menor número de organismos patógenos.
El compost obtenido en un proceso bien controlado minimiza el riesgo de presencia de
patógenos, debido a los siguientes factores.
La temperatura alcanzada
El tiempo del proceso
Liberación de amoniaco durante el proceso.
La relación temperatura -tiempo es el factor más significativo de la causa de la muerte de los
patógenos. En la tabla 1 se presentan las temperaturas y tiempos de exposición para la
destrucción de algunos agentes patógenos. Las columnas identificadas como A y B indican el
tiempo mínimo al que debe someterse el residuo dependiendo si está a temperaturas altas o
moderadas.
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Tabla 1.1. Temperaturas y tiempos para la destrucción de patógenos [8].
Microorganismo
A B
Temperatura
°C
Tiempo
(min)
Temperatura
°C
Tiempo (min)
Salmonella tifosa 55-60 30 60 20
Salmonella sp 55 60 60 15-20
Shigela sp 50 60 60 15-20
Entamoeba histolitica 45 Pocos
segundos
55 Pocos segundos
Taenia 55 Pocos
segundos
- -
Larvas de Trichinella
spiralis
50 Pocos
segundos
60 Pocos segundos
Brucella Abortis 63 3 - -
Escherichia coli 55 60 60 15-20
Huevos de áscaris
lumbricoides
50 60 60 15-20
Microbacterias tuberculosis 66 15-20 - -
[7]. Martin,(1980)
1.5 Formación de la composta
La formación de la composta en cualquier proceso que se utilice, se lleva a cabo en diferentes
etapas que son: latente, crecimiento, termofílica y maduración (Figura 1.6). La humedad y
ventilación durante el proceso de compostaje son esenciales para maximizar la actividad
microbiana y por consiguiente el proceso en general. La primera se debe mantener siempre
entorno 40-60%, ya que el agua distribuye los nutrientes por la masa (C, N, P, K, B, Ca, Mg,
Na, etc.).
La ventilación debe ser adecuada sobre todo en las tres primeras etapas y con residuos densos
y ricos en N, pero nunca excesiva ya que al igual que el sol puede secar demasiado la pila de
materia a tratar. Si la selección inicial del residuo no fue adecuada o su área superficial es muy
reducida debido a que el tamaño de las partículas es excesivamente grande o pequeño, la
ventilación formara caminos preferenciales quedando otras zonas en ausencia de oxígeno.
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Figura 1.6. Comparación de los tiempos de degradación de la materia orgánica.
1.5.1 Latente
Esta fase comienza tan pronto como se establecen las condiciones de composteo y es un
periodo de adaptación de los microorganismos presentes en los residuos. En ella los
microorganismos utilizan los azúcares, la celulosa simple, los aminoácidos y almidones
presentes en los residuos crudos, rompiendo los compuestos complejos para liberar nutrientes,
con lo que la cantidad de microorganismos comienza a incrementar. Debido a ésta actividad, se
comienza a incrementar la temperatura en la masa de residuos. Cuando se encuentran grandes
cantidades de material altamente putrescible, el periodo de latencia es muy breve.
1.5.2 Crecimiento
Es un periodo de transición entre la fase de latencia y la fase termofílica, en la que hay un
crecimiento exponencial de la cantidad de microorganismos y por tanto una intensificación de
actividad biológica. Dicha actividad se manifiesta en un incremento abrupto e ininterrumpido de
temperatura en la masa de residuos y si no se toman las precauciones correspondientes, la
temperatura puede alcanzar más de 70°C.
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1.5.3 Termofílica
La temperatura continua ascendiendo hasta llegar a valores de 70ºC, las poblaciones de
bacterias y hongos mesofílicos mueren o permanecen en estado latente mientras que las
bacterias termofílicas, actinomicetos y hongos termofílicos encuentran su óptimo, generando
incluso más calor que los mesófilos.
La degradación de los ácidos obtenidos en la etapa anterior provoca el incremento del pH que
en un inicio es de 5.5 y alcanza un valor de 7.5 donde permanecerá casi constante hasta el final
del proceso, el color del compost se pone más oscuro paulatinamente y el olor original se
comienza a sustituir por olor a tierra. Es en esta etapa cuando comienza la esterilización del
residuo debido a las altas temperaturas, la mayoría de las semillas y patógenos mueren al estar
sometidos durante días a temperaturas superiores a 55ºC.
1.5.4 Maduración
Una vez que los nutrientes y energía comienzan a escasear, la actividad de los
microorganismos termofílicos disminuye, consecuentemente la temperatura desciende desde
los 70ºC hasta la temperatura ambiente, provocando la muerte de los anteriores y la reaparición
de microorganismos mesofílicos al pasar por los 40-45ºC, estos dominaran el proceso hasta
que toda la energía sea utilizada. El tiempo de maduración, está en función del substrato, las
condiciones ambientales y de operación, por lo que puede tomar desde unas cuantas semanas
hasta uno o dos años. En esta etapa la temperatura y pH se estabilizan, si el pH es ácido nos
indica que el compost no está aún maduro, los actinomicetos adquieren especial importancia en
la formación de ácidos húmicos y son frecuentemente productores de antibióticos que inhiben el
crecimiento de bacterias y patógenos.
El color del producto final debe ser negro o marrón oscuro y su olor a tierra de bosque, además
ya no se reconocen los residuos iniciales.
1.6 Parámetros que influyen en la elaboración de composta
Existen varios factores que se deben de cumplir para la elaboración de la composta ya que son
de vital importancia. Estas variables son: humedad, temperatura, aireación, pH, condiciones
climáticas, volteos y tamaño de partícula. A continuación se describirá la importancia de cada
parámetro dentro del proceso de compostaje [8].
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1.6.1 Materia prima inicial
El tipo de materia inicial seleccionada en el proceso de compostaje incide en la calidad del
producto final obtenido, por lo que se hace necesario un análisis previo que permita establecer
características específicas del mismo, tales como contenido en materia orgánica biodegradable,
disponibilidad de microorganismos, pH, tamaño de partícula, contenido de nitrógeno, contenido
de humedad y contenido de sales. Diversos materiales son susceptibles de ser transformados
en el proceso de compostaje.
Pueden citarse como aptos los siguientes grupos de residuos:
Agropecuarios tanto de naturaleza animal como vegetal, incluyendo desechos líquidos
como los purines de cerdo.
Urbanos, de carácter sólido (basuras) o líquido (lodos de plantas de tratamiento de
aguas residuales)
Desechos de la madera, como el aserrín y las virutas.
Agro industriales, como azucareros, vinícolas, cafeteros, de conservas vegetales etc.
Es importante tener en cuenta, que la mejor opción al proyectar sistemas de compostaje es
elaborar mezclas binarias o ternarias con materiales de diferente origen que tengan
características complementarias. De este modo se consigue preparar sustratos con un equilibrio
en el contenido de nutrientes, microorganismos y propiedades físicas y químicas que favorecen
el proceso y permiten obtener una mejor calidad del compost [1].
1.6.2 Relación Carbono - Nitrógeno (C / N)
En el proceso de compostaje el carbono es la fuente de energía utilizada por los
microorganismos para la activación de sus procesos metabólicos, mientras que el nitrógeno, es
el material básico para la síntesis de material celular, por lo tanto la relación C/N es uno de los
aspectos más importantes en el balance nutricional del compost. Es deseable que la relación
C/N este en el rango de 25:1 a 50:1en la mezcla Inicial. Un exceso de carbono asociado a
valores altos de la relación C/N, limitan la síntesis de material celular por parte de los
microorganismos disminuyendo su crecimiento y retardando el proceso de estabilización de la
materia orgánica. Si por el contrario, la pila está compuesta de elementos ricos en nitrógeno se
puede presentar solubilidad y posterior pérdida de este compuesto en forma de amoniaco
gaseoso, lo que no es conveniente ya que en el material final se pierde este valioso elemento.
La relación C/N se considera como un indicador del grado de avance del proceso, así al inicio
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del proceso esta relación debe ser del orden de 30:1 y al final cuando se alcanza la maduración
del compost puede ser de 10:1. En la tabla 1.2 y 1.3 se observan algunos valores
característicos.
Tabla 1.2. Relación de moléculas del carbón-nitrógeno.
Relación carbono: nitrógeno
Hojas secas 40-80:1
Papel 170:1
Residuos vegetales 15:1
Paja 80:1
Estiércol 35:1
Madera 500:1
[9]. Tchobanoglous G.,(1993).
Tabla 1.3. Materiales que contienen carbón y nitrógeno.
Materiales con alto contenido de carbón y nitrógeno
Carbón Nitrógeno
Hojas secas Grama
Papel Cascarones de huevo
Viruta Borra de café
Aserrín Desperdicios vegetales
Bagazo de caña Desperdicios frutales
Cascara de maní Estiércol de animales de finca
[10] Marcos Arturo Rodriguez, Ana Cordova.(2009),
1.6.3 Humedad
El control de humedad es un factor importante en el desarrollo del proceso de compostaje ya
que influye en el crecimiento bacteriano, debido a que los microorganismos requieren agua para
cumplir con sus necesidades fisiológicas y no pueden sobrevivir en ausencia de esta.
El contenido óptimo de humedad de los materiales para el compostaje es 50-60%. Cuando el
contenido de humedad está por debajo del 30% en peso, las reacciones biológicas en una pila
de compost se retardan considerablemente y la elevación de temperatura se limita; por debajo
del 12%, cesa prácticamente toda actividad biológica, siendo el proceso extremadamente lento.
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En contraste una humedad superior al 60% causa la saturación de la materia orgánica, todos
los espacios vacíos son ocupados por el agua, desencadenando olores desagradables,
descenso de la temperatura, lavado de nutrientes y prevalencia de condiciones anaeróbicas. En
los procesos aeróbicos el contenido de humedad está estrechamente relacionado con los
requerimientos de oxígeno. Si el contenido de humedad es demasiado alto los espacios entre
las partículas del material se saturan de agua, impidiendo el movimiento de aire dentro de la
pila.
1.6.4 Temperatura
Una considerable cantidad de calor se genera en la fermentación aeróbica de los residuos y es
retenida por una propiedad aislante, consecuentemente hay un aumento apreciable de la
temperatura en la masa orgánica. Generalmente, en las primeras 24 horas de digestión se
alcanzan temperaturas entre 45 y 50°C. Esta temperatura representa el límite superior para los
organismos mesófilos y una temperatura de 60 a 70°C, se obtiene después de dos a cinco días.
La declinación final de la temperatura es lenta e indica que el material ha sido digerido. Una
caída de la temperatura antes de la estabilización de la materia orgánica puede reflejar que
empieza la evolución hacia una digestión anaerobia.
Las temperaturas altas son necesarias para la destrucción de los organismos patógenos y las
semillas de diversas plantas, con lo cual se obtiene una composta de mejor calidad. La
temperatura óptima para la digestión aeróbica varía entre 50 – 70ºC, siendo probablemente los
60°C, la temperatura más satisfactoria. No es conveniente sobrepasar los 70°C por un período
prolongado, debido a que se reduce el número de organismos termófilos que activamente
actúan en el proceso de descomposición.
1.6.5 Aireación
La aireación es necesaria para aportar el oxígeno necesario para los microorganismos
involucrados en la degradación del material a compostear, puede ser natural o forzada. La
primera se realiza mediante volteos periódicos del material para remover la fase gaseosa y
capturar aire en los poros. En la aireación forzada, el material se mueve y se hace pasar aire a
través de él.
Dentro de los sistemas de aireación forzada se encuentran los de ventilación a presión y la
inducida por vacío. Puede recircularse el aire con su consecuente sofisticación en el control.
Con aireación natural al hacer los volteos, se puede romper el inicelio que se ha desarrollado
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por lo que se busca un compromiso entre necesidades físicas y biológicas: no dejar de voltear
para evitar zonas de anaerobiosis, pero no remover demasiado el material de modo que los
hongos o actinoinicetos no puedan invadir el material. La aireación es básica para la
descomposición termofílica de los residuos, con el propósito de lograr una rápida
transformación sin malos olores. La frecuencia de la aireación o número total de vueltas de la
pila del material en transformación, depende principalmente del contenido de humedad y del
tipo de material. El aire suministrado en un proceso de compostaje cumple cuatro propósitos
fundamentales:
1) Satisfacer la demanda de oxígeno necesaria para la descomposición del material
orgánico presente en el material compostado.
2) La cantidad de oxígeno presente en el proceso de compostaje limita la velocidad de
descomposición de los residuos ya que este es necesario para la respiración de los
microorganismos aerobios y para oxidar determinadas moléculas orgánicas de la masa
de fermentación, por ende es un factor determinante en la calidad del compost final.
3) Una transferencia deficiente de oxígeno, lleva a la sustitución de los organismos
aerobios por anaerobios, lo que retarda el proceso en tiempos hasta de cuatro a seis
meses. Adicionalmente se presentan problemas relacionados con la generación de
olores.
4) Regular el contenido de humedad del sustrato a través del secado:
El aire suministrado en el proceso arrastra parte de la humedad del material sometido a
compostaje, ayudando a su secado. Este fenómeno es importante especialmente cuando se
utilizan materiales de elevada humedad como lodos de Plantas de Tratamiento de Aguas
Residuales. Remoción del calor generado durante la descomposición orgánica con el propósito
de controlar el proceso de aumento de temperatura. Un aumento incontrolado de la temperatura
influencia la actividad microbiológica en el proceso de compostaje, ya que este depende de la
evolución completa de todo un ecosistema microbiano y no de una especie única, por ejemplo a
temperaturas superiores a 70ºC afectan a las bacterias termofílicas lo que no es benéfico para
completar el ciclo del compost. El aire suministrado previene la anterior situación.
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1.6.6 Potencial de Hidrógeno (pH)
El valor del pH óptimo para el compostaje está entre 6.5 y 8.0. Si el grado de descomposición
no es adecuado, el pH puede caer a valores entre 4 – 5, retrasándose el proceso. El pH del
material fermentado varía en el desarrollo del proceso así: durante los primeros días del
compostaje el pH cae a 5 o menos. Durante esta etapa el material orgánico se encuentra a
temperatura ambiente, comienza la reproducción de microorganismos mesofílicos y sube
rápidamente la temperatura. Entre los productos de esta etapa inicial están los ácidos orgánicos
simples que causan la caída del pH. Después de aproximadamente tres días, la etapa llega a la
temperatura termofílica y el pH debe subir de 8 a 8.5 unidades. El pH cae ligeramente durante
la etapa de enfriamiento y llega a un valor entre 7 a 8 en el compost maduro.
1.6.7 Mezcla / Volteo
La mezcla inicial de los residuos orgánicos es esencial para incrementar o disminuir el
contenido de humedad hasta un óptimo. La mezcla es utilizada para obtener una distribución
más uniforme de nutrientes y microorganismos. El volteo es uno de las labores más importantes
para generar el compost, ya que éste debe mantener la actividad aerobia. La frecuencia del
volteo depende del contenido de humedad, las características de los residuos o las necesidades
del aire, no se puede especificar un número de volteo mínimo ya que depende de los factores
explicados con anterioridad.
1.6.8 Condiciones climáticas
Las condiciones climáticas que influyen en el proceso de compostaje son: la temperatura, el
viento y la lluvia, fundamentalmente cuando se realiza a la intemperie. El viento fuerte tiene
doble efecto sobre el proceso; baja la temperatura y aumenta la evaporación, y
consecuentemente el secado del material, en especial en el frente de la pila que azota el viento.
La lluvia no tiene un efecto importante en el proceso siempre y cuando las pilas o camellones
sean redondeados para permitir que el agua escurra por la superficie y el terreno tenga un
drenaje apropiado. Si las lluvias son muy densas acompañadas de fuertes vientos logran
penetrar de 30 a 40 cm en el material, pero este efecto adverso se vence por medio de las
vueltas sucesivas. Sin embargo no se considera conveniente efectuar el volteo en un momento
de lluvia por que el material se humedecerá demasiado, y afectará la aireación.
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1.7 Características del producto
Es un producto negro (Pardusco) homogéneo; de forma granulada sin restos gruesos, también
es considerado como un producto húmico y cálcico; también es definido como un fertilizante
orgánico (natural) que aporta oligoelementos al suelo. Se obtiene por la descomposición
progresiva de los restos vegetales y animales que se van depositando en el suelo debido a la
acción saprofita de hongos y bacterias; también puede obtenerse por la fermentación controlada
de los residuos sólidos domiciliarios o la fracción biodegradable de los residuos sólidos urbanos
(RSU).
Tabla 1.4. Composición Media del abono orgánico en % [1].
*MO Total 36.000
MO Oxidable 8.000
N2 Total 0.550
P2O5 Total 0.300
K2O Total 0.240
Cal Total 7.000
Mg Total 0.015
Oligo elementos Diversos
Humedad Máxima 64.00
pH 7.5
Tabla 1.5. Abono Orgánico vs Estiércol en % [9].
Elemento Abono orgánico
(HUMITEC)
Estiércol
Humedad 64 70.000
Materia-Orgánica >70 18.000
Nitrógeno 1.65 0.500
P2O5 0.9 0.300
K2O 2.5 0.600
CIC meq/100g** 59 ND***
Fe 18.4 0.060
Mg 0.4 0.200
Mn 189 0.004
Ácido Húmico >60 ND***
Retención de Humedad 84% ND***
Espacio Poroso 81.7 ND***
* Materia Orgánica Total
** Capacidad de Intercambio Catiónico
*** No Determinado
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1.7.1 Fisiología vegetal
La aplicación de la composta en el suelo agrícola provoca alteraciones benéficas, entre las
cuales cabe destacar la mejora de la estructura a causa de la separación de los materiales
arcillosos y la agregación de los arenosos. Aumenta la porosidad del suelo, lo que permite la
permeabilidad del agua y su aireación. Eleva la capacidad de retención de agua, mantiene la
temperatura del suelo, aumenta la cantidad y diversidad de los hongos, actinomicetos, bacterias
aerobias, celulolíticos, lo que favorece la formación de micorrizas. Aumenta la actividad de
diferentes enzimas como la deshidrogenasa, la glucosidasa, la ureasa, la proteinasa, amilasa,
etc.
Al presentar pH cercanos a la neutralidad, la composta aumenta el pH de los suelos ácidos, lo
que favorece la absorción de los nutrientes por parte de la planta y evita que la planta asimile
elementos contaminantes, y en suelos básicos no genera mayores alteraciones. Aumenta los
niveles de hierro, manganeso, cobre, zinc y boro de los suelos calcáreos y aumenta la
resistencia de las plantas a las plagas y agentes patógenos. La composta actúa como un
regulador de elasticidad a través de su efecto amortiguador de cargas y a su acción
estabilizante de la estructura, por lo que ayuda a luchar contra la compactación y la erosión de
los suelos. La adición de enmiendas orgánicas a los suelos desciende su densidad aparente
entre un 5 a 40 % y puede dar lugar al incremento en la porosidad, llegando a ser del 5 al 45 %
dependiendo de la dosis y origen de la composta. La aplicación de enmiendas en la superficie
de los suelos impide que este se selle como consecuencia de las gotas de agua, por lo cual se
mejora la infiltración, se reportan datos de hasta 36% y una disminución de la escorrentía de
hasta el 75%. De igual forma se aumenta el agua útil entre un 30 y 65% La capacidad de
intercambio catiónico se ve mejorada por la mayor cantidad de MO. Todas estas mejoras en las
propiedades del suelo repercuten directamente en la producción y crecimiento de los cultivos.
Desde el punto de vista de la Fisiología vegetal surge la noción del termino de dualidad suelo-
planta que equivale a decir que no basta con atender las exigencias de los vegetales sino que
es preciso, además suministrar al suelo aquellos materiales imprescindibles para mantener y
mejorar sus características, es decir, el suelo debe mantener armonía con las condiciones,
físicas, químicas y biológicas, y para ello es absolutamente necesario que contenga la cantidad
necesaria de humus. Quedando claro que la materia orgánica no puede ser reemplazada por el
abono mineral ya que ambos se complementan.
Es de hacer notar que sin humus, no hay vida en el suelo y esto es debido a que éste realiza
una acción Física, Química y Biológica como se describe a continuación:
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1.7.2 Acción física
Da cuerpo a las tierras ligeras evitando la formación de costras; facilita el laboreo, mejora la
aireación de las raíces, aumenta la capacidad de retención del agua economizando su uso,
regula la permeabilidad y drenaje de los suelos.
1.7.3 Acción química
El Humus con la arcilla forma un complejo húmico-arcilloso que funciona como regulador de la
nutrición vegetal, aumenta la capacidad de intercambio de iones, economiza, y hace más
asimilables los abonos minerales, aminora la retrogradación del Potasio; mantiene al Fósforo en
estado de asimilación para la formación de complejos fosfo-húmicos; cura y previene la clorosis
férrica. Se aconseja su uso en la fruticultura porque proporciona gas carbónico que fomenta la
solubilidad de los elementos minerales, permitiendo obtener productos de mejor sabor, con
mayor capacidad de conservación y mayor resistencia en el transporte. Es de hacer notar, que
también contienen partículas coloidales ionizadas con propiedad de atraer iones a la superficie,
haciendo absorbibles los iones fertilizantes mediante las raíces, desempeñando al mismo
tiempo el papel de nutrientes de almacén y regulador del pH. También le confiere al suelo una
estructura estable dado que su composición en celulosa es del orden del 12%.
1.7.4 Acción biológica
El Humus revitaliza el suelo al aportar micro-organismos que viven a sus expensas y lo
transforman aumentando la resistencia de las plantas a todo tipo de enfermedades, está exento
de semillas y malas hierbas debido a las altas temperaturas que soporta durante la
fermentación eliminando cualquier riesgo de contaminación durante su obtención (manufactura),
requiere mucho menos espacio (área) de proceso que los tiraderos municipales; no genera
lixiviados o fauna nociva. Su máxima rentabilidad se obtiene a partir de las 500 Ton/mes.
1.8 Beneficios
El compost orgánico brinda beneficios debido a que es un acondicionador de suelos con
características húmicas, libre de patógenos y malezas, el cual no atrae insectos, el cual puede
ser manejado y almacenado sin riesgo y benéfico al crecimiento de las plantas. Se han
identificado tres funciones fundamentales del compost al aplicarse en suelos:
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1. El compost puede servir como fuente de materia orgánica para mantener o ayudar a la
formación del humus del suelo.
2. El compost puede mejorar el crecimiento de cultivos en la agricultura comercial y usos
domésticos debido a contiene valores apreciables de nutrientes como nitrógeno, fósforo
y una variedad de elementos traza esenciales.
3. El compost reduce los patógenos que atacan a las plantas y aumentan la resistencia a
las enfermedades.
Entre los numerosos campos de aplicación del abono orgánico, mencionaremos los siguientes:
abonado de frutales , abonado de olivares, abonado de viñas, cultivos hortícolas, cultivo de
remolacha, cultivo de gramíneas, floricultura, jardinería. Se puede obtener por medios rápidos y
económicos, una ventaja adicional es el que no siempre se puede obtener un abono orgánico
homogéneo en términos de sus componentes por la diversidad de insumos usados en su
producción y el método usado.
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CAPÍTULO 2 MÉTODOS Y MODELADO
La problemática que plantean los RSU como consecuencia de su incremento y de sus
implicaciones en la contaminación ambiental, así como el agotamiento de los recursos
naturales, hace que sea esencial la búsqueda de caminos para su gestión correcta desde el
punto de vista ambiental y socio-sanitario. La optimización del proceso de compostaje consiste
en el seguimiento y control de los parámetros operativos como son: temperatura, pH, humedad,
materia orgánica, relación C/N, aireación, condiciones climáticas, volteos, y tamaño de
partícula.
Se justifica el montaje de una instalación de compostaje orgánico con el objetivo impedir que los
desechos se conviertan en peligro para la salud humana, teniendo en cuenta la cantidad de
residuos a tratar, y los problemas de heterogeneidad en la composición de los residuos, con la
finalidad de disminuir el porcentaje de residuos que son llevados a los rellenos y utilizar este
medio para recuperar espacios de áreas verdes, etc. Para llevar a cabo este proceso fueron
seleccionadas las regiones de Jaltepec, Axapusco Estado de México y Prados Sur, Tultitlán,
Estado de México.
2.1 Ubicación
Se ubica un punto de producción, el cual se encuentra en Jaltepec, Axapusco, se localiza al
nor-oriente del Estado de México y forma parte del Valle de Teotihuacán. Por otro lado, el lugar
donde se realizan pruebas, se encuentra en Prados Sur, Tultitlán, que se localiza en la parte
norte-central del Estado de México y pertenece a la región II del mismo.
2.2 Condiciones del proceso
El diseño metodológico que se llevó a cabo como más adecuado, parte de una situación
teórico-práctica que permite un proceso de compostaje aerobio.
En la figura 2.1 se representa el proceso de compostaje paso por paso. En etapa de
Maduración se puede mejorar la velocidad de crecimiento si se mantiene la Temperatura óptima
de crecimiento de los microrganismos, el %Humedad y la aireación, es por ello que en el
presente trabajo se desarrolló un sistema de control y monitoreo en dicha etapa del compostaje.
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Figura 2.1 Diagrama general de proceso
A continuación se describen los aspectos generales del diagrama de bloques.
2.2.1 Acopio de la materia prima
Para la producción de composta en la comunidad de Jaltpec, Axapusco Edo. de Méx. Se utilizó
excreta de borrego, desechos orgánicos y maderosos, las cantidades se describen en la tabla
2.1. Posteriormente se llevó a cabo una corrida en la colonia Prados de Ecatepec, Edo. De Méx.
Utilizando diversos tipos de excretas.
Tabla 2.1 Material orgánica utilizada
.
2.2.2 Mezcla de los insumos
Acopio de materia prima
Mezcla de insumos
Humectación
Volteos Maduración Cribado
Envasado Venta
Material Cantidad (Ton)
Excreta 7
Desechos de jardín 2.5
Desechos vegetales 2.5
Desechos frutales 2.5
Aserrín 4
Hojas secas 1.5
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La excreta de borrego, desechos orgánicos y maderosos, se mezclaron manualmente con
ayuda de una pala hasta lograr un mezcla homogénea, para asegurar igualdad de condiciones
del proceso.
2.2.2.1 Diseño y montaje de las pilas
Una vez realizada la mezcla de los insumos, se formaron pilas con forma cónica, esto para
tener una mejor conservación de calor en la mezcla, las dimensiones de la pila fueron de 1.5 m
de alto, 2.5 m de ancho y 12 m de largo.
2.2.3 Humectación
Al inicio del proceso se tiene una humedad del 80% (el agua que se incorpora depende de la
humedad que contenga la materia prima) a la mezcla tomando el agua de la toma municipal y
con ayuda de un higrómetro se monitorio el porciento de humedad. Se observó durante el
monitoreo de la temperatura que cuando las pilas estaban humectadas la temperatura iba en
aumento y al disminuir el porciento de humedad la temperatura disminuía.
2.2.4 Volteos
Los volteos se realizaron de forma manual con palas, a una frecuencia de 7 días cada volteo
esto se realizó para tener una homogeneidad de la temperatura y humedad así como para
mantener aireada las pilas.
2.2.5 Maduración
En la primer semana de la etapa de maduración, la temperatura fue de 25 °C (temperatura
ambiente en la comunidad donde se ubica la producción) y una humedad del 80%, al principio
de la segunda semana, la temperatura alcanzo un máximo de 60°C y una humedad del 40%
debido a que no se tuvo un control sobre estos parámetros, a la tercer semana se obtuvo una
temperatura de 45°C y humedad de 40%, y finalmente durante la última etapa la temperatura y
la humedad decrecieron debido a que la materia orgánica se había degradado en su totalidad,
adquiriendo la composta una temperatura ambiente y una humedad del 30%.
2.2.6 Cribado
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Esta etapa se realizó con una criba para dar un tamaño de partícula pequeño de alrededor de
1mm, también para darle presentación, y evitar cualquier tipo de impureza como vidrio,
plástico, piedras, etc.
2.2.7 Envasado
Se envasa de acuerdo a las necesidades del cliente y estas son en presentaciones de 1, 5, 10,
20, 30 y 50 Kg.
2.2.8 Venta
El producto se vende a invernaderos, agricultores, amas de casa, jardineros, etc.
2.3 Monitoreo de las pilas
Desde el inicio del proceso se hizo seguimiento a variables como temperatura, pH, y humedad.
Para medir la temperatura se usó un termómetro bimetálico de carátula. Se escogieron 5 puntos
en cada pila para tomar la temperatura, uno en el centro y cuatro a los lados. La temperatura se
midió cada semana hasta que estabilizó, mientras que para la humedad se utilizó un higrómetro
y al igual que la temperatura, la humedad se monitorio hasta que alcanzo el 30%.
Tabla 2.2 Estudios de la aplicación de monitoreo de procesos de compostaje
Autor y año Método Condiciones Principales Resultados
A. Vergnoux, M. Guiliano,
Y. Le Dréau, J. Kister, N.
Dupuy, P. Doumenq.
Espectroscopia
de infrarrojo
cercano.
El proceso de
compostaje se inició
en febrero y terminó
en Julio. Al principio,
las temperaturas
ambientales podrían
disminuido por
debajo de 0°C, pero
no hay temperaturas
extremas fueron
capaces de afectar
el proceso de
compostaje.
Dos principales
Las temperaturas de la composta
dentro de los montones dan un
enfoque indirecto de OM madurez.
Los resultados muestran que
aumentó rápidamente hasta 70°C a
partir de la primera semana. A
continuación, la temperatura era de
más o menos estable durante los
dos primeros meses. Después de
dos meses, la temperatura
disminuyó más rápidamente hasta
40°C.
Observe que la disminución en la
tercera semana podría explicar por
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lluvias se produjeron
en la mitad del
proceso, en mayo y
junio.
la primera calle.
Después de las primeras lluvias
(semana 11), las temperaturas más
llegó a 60°C. A continuación, la
temperatura se redujo ligeramente y
aumentó de nuevo después de la
segunda lluvia.
E. Ccopa Rivera, F. Farias Junior, D. Ibraim Pires Atala, R. Ramos de Andrade, A. Carvalho da Costa, R. Maciel Filho
Red neuronal
perceptron
multicapa.
Ocho experimentos
por lotes a cabo en
el intervalo de
temperatura de 30 -
38°C se utilizan para
desarrollar los
sensores de
software. Otros dos
conjuntos de datos a
36,8 y 31,2°C se
utilizan después
para la prueba de
validación y de
predicción,
respectivamente.
Materiales y
métodos analíticos
para la
determinación de las
concentraciones de
biomasa, bioetanol.
Mediciones en línea
se llevaron a cabo
en el biorreactor y
se almacenan en el
ordenador a través
de una tarjeta de
adquisición de datos
asociado a un
software de gestión
aplicación
implementada en
LabVIEW.
Los resultados de las pruebas de
predicción del sistema de sensor
basado en software demostraron un
crecimiento exponencial que
después llega a una meseta en
crecimiento de temperatura
descendiendo en la curva y después
estabilizándose. En el caso de la
predicción de la biomasa empieza un
gran aumento y después disminuye
gradualmente la materia de la cual
se alimentan los microorganismos.
Para la predicción de la generación
de bioetanol en el reactor se
obtuvieron resultados dispersos sin
embargo después el crecimiento se
estabiliza logrando una aproximación
en los valores que concuerda con la
de los lotes antes muestreados, el
software del sensor tiene un buen
acuerdo con el experimento de datos
y no se ha visto afectada por el ruido
de cualquier entrada.
*[13] A. Vergnoux, M. Guiliano, Y. Le Dréau, J. Kister, N. Dupuy, P. Doumenq., [14] E. Ccopa
Rivera, F. Farias Junior, D. Ibraim Pires Atala, R. Ramos de Andrade, A. Carvalho da Costa, R.
Maciel Filho
A continuación las gráficas describen tanto el comportamiento ideal como experimental de los
parámetros temperatura y humedad.
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0 5 10 15 20 25 30 35
20
30
40
50
60
70
80
Hu
me
da
d [%
]
Dias
Ideal
Experimental
Figura 2.2 Comparación de las mediciones de humedad realizadas en Jaltepec, Axapusco
Estado de México y la humedad ideal del proceso.
0 5 10 15 20 25 30 35
20
30
40
50
60
70
Te
mp
era
tura
(K)
Dias)
Ideal
Experimental
Figura 2.3 Comparación de las mediciones de temperatura realizadas en Jaltepec, Axapusco
Estado de México y la temperatura ideal del proceso.
2.4 Selección de los parámetros a controlar
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Se decidió controlar la temperatura y humedad, debido a que juegan un papel importante para
el desarrollo de la vida microbiana, ya que los microorganismos que participan en la
biodegradación de la materia necesitan una temperatura de entre 60 a 70ºC y una humedad de
40 a 80% dependiendo de la fase en la que se encuentre el proceso es por ello que se justifica
el control de dichos parámetros, para así maximizar la actividad microbiana y por lo tanto el
proceso en general.
2.5 Normatividad
Las leyes en materia de medio ambiente y, en particular, sobre los RSU en los gobiernos de los
estados, se encuentra en proceso de desarrollo, y ya se han elaborado e instrumentado leyes
de protección al ambiente en las 32 entidades federativas, donde se aborda la problemática de
los residuos en mayor o menor medida. Sobresale la labor en cuatro entidades federativas que
han publicado recientemente leyes relacionadas con los residuos y la composta. El Distrito
Federal (DF) publico la Ley de Residuos Sólidos en 2003 que, en su capítulo II del título quinto,
establece solo normas generales para la composta. Entre estas, se destaca que el reglamento
de esta ley debe identificar las particularidades de los diversos tipos para su donación o
comercialización. En el año de 2005 se publicó la “Ley de Prevención y Gestión Integral de
Residuos del Estado de Querétaro”.
“La composta que se produzca no deberá contener objetos punzocortantes, ni concentraciones
de metales tóxicos que representen un riesgo, por lo cual deberá prepararse a partir de materia
orgánica que no haya sido mezclada con otros residuos, y ser lo suficientemente estable como
para poder ser almacenada o aplicada a los suelos sin crear molestias, problemas ambientales
o peligros para la salud.”[10].
En el Estado de México (EM) se ha publicado el nuevo Código de Biodiversidad que regula
diversos aspectos relacionados con el medio ambiente; la Norma Técnica Estatal Ambiental
NTEA-006-SMA-RS-2006. Que establece los requisitos como son el dimensionamiento de la
oferta de residuos orgánicos y de la demanda de composta; el desarrollo de guías técnicas,
criterios de calidad y medidas para prevenir riesgos; así como la planeación, infraestructura,
recursos y difusión de un programa de aprovechamiento de residuos, para la producción de los
mejoradores de suelos elaborados a partir de residuos orgánicos, publicada en el Periódico
Oficial "Gaceta del Gobierno" del Estado de México el 9 de octubre del 2006, [11].
2.6 Modelado del sistema de humedad y temperatura
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El objetivo de este capítulo es establecer la dinámica del sistema, para analizar su respuesta
tanto en estado transitorio como permanente, es necesario realizar su modelo matemático de
acuerdo a las leyes que rigen el comportamiento de los procesos térmicos.
2.6.1 Principios de la termodinámica
Si definimos un sistema termodinámico como cualquier porción del mundo físico separado
por paredes, el cual, puede ser abierto si intercambia materia, energía o información con
sus alrededores, semiabierto, si intercambia no todas las cosas anteriormente
mencionadas; y cerrados, si no intercambian ninguna de las tres.
La termodinámica es la ciencia que trata el estudio de comportamiento de estos sistemas. La
ley cero establece que todo sistema tiene una ecuación de estado que relaciona sus
variables de estado, con una variable de estado denominada temperatura.
F(X, Y, ….) =T (2-1)
Donde X,Y,…, son variables de estado del sistema y T es la temperatura del mismo. La
primera ley establece que en todo sistema existe una variable de estado denominada
energía interna U, que el calor Q es una forma de energía y que existe una relación entre
U y Q con el trabajo que realiza (o se realiza en) el sistema:
dU + dW = dQ (2-2)
De esta ecuación se harán las siguientes observaciones:
Es una ecuación en la que se expresa la conservación de la energía.
Que el trabajo y el calor no son variables de estado del sistema.
Asimismo, la segunda ley de la termodinámica establece que existe una variable de
estado que se denomina entropía S que se relaciona con el calor de la siguiente manera:
(2-3)
Por lo tanto, la ecuación de la energía quedaría de la siguiente manera:
dU + dW = TdS (2-4)
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Si el sistema es un fluido, que tiene un volumen V y una presión P como variables de
estado, entonces la ecuación anterior tiene la siguiente forma:
dU + PdV = Tds (2-5)
Esta ecuación representa una relación entre diferenciales, debido a que representa las
variaciones de las variables entre diferentes estados de equilibrio, infinitesimales, es decir, muy
cercanos. Estas últimas ecuaciones pueden ser representadas de otra manera, utilizando las
denominadas transformaciones de Legendre, otras variables de estado (tres más) entre ellas, la
que se considerará para el caso que nos ocupa, es la variable de estado denominada entalpía
H.
La entalpía se define de la siguiente manera:
H = U+PV (2-6)
Entonces, diferenciando, se tiene que:
dH = dU + PdV + VdP (2-7)
Pero se tiene que:
dU + pdV= dQ (2-8)
Por lo tanto, sustituyendo en la ecuación anterior se tiene que:
dH = dQ+VdP (2-9)
En procesos, a presión constante, como los tratados en el presente trabajo, se tiene que:
dP=0 (2-10)
Por lo tanto:
dH = dQ (2-11)
Es decir, la entalpía representa la cantidad de calor introducido al sistema desde una fuente
externa, lo cual explica el nombre de “calor total”, que se le da. Como puede observarse, si
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cada uno de los miembros de esta ecuación se divide entre el incremento de temperatura que
ocurre en el sistema, cuando recibe calor, se tiene:
(2-12)
En donde Cp es la capacidad calorífica a presión constante. Par los fines de este trabajo, esta
ecuación también puede escribirse de la siguiente manera:
(2-13)
Se puede observar que si se dividen ambos miembros de esta ecuación entre la masa m del
sistema, entonces esta ecuación mostraría que la entalpía específica entre la temperatura en
igual al calor específico. Antes es necesario considerar tanto la masa de la composta, como el
fluido calentador interaccionando entre sí. El fluido pasa a través de un sistema de calefacción,
lo cual provoca que su temperatura aumente, al absorberse el fluido por la masa de la
composta, también se logra un aumento de temperatura en esta. Así mismo, el sistema,
mantendrá una temperatura a un nivel aceptable para el funcionamiento del sistema.
Existe por lo tanto, un permanente intercambio de calor entre la masa de la composta y el
líquido calentador. Es precisamente para estos procesos de intercambio de calor, que se hace
necesario utilizar la entalpía, debido a que como ya se he señalado con anterioridad, que es
esta variable de estado termodinámica, la que representa el intercambio de calor entre un
sistema y sus alrededores.
2.7 Modelado del sistema
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LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 39
Para modelar el dispositivo de transferencia de calor, se recurre al esquema mostrado en la
figura 2.3, donde se representa esquemáticamente el flujo del fluido, implicado en el proceso:
Figura 2.4 Modelo del dispositivo de transferencia de calor.
Dónde:
qis= Flujo de entrada del fluido de servicio
Tis= Temperatura de entrada del fluido de servicio
qs= Flujo der salida del fluido de servicio
Ts= Temperatura de salida del fluido de servicio
Con base a este esquema, incluyendo las propiedades físicas del fluido de servicio (agua),
como las de la composta, así como sus magnitudes físicas como área y volumen, se encuentra
el balance térmico, lo que da origen al modelo matemático del sistema de transferencia de
calor. Sin embargo, para el tratamiento y simulación del proceso, se deben hacer las siguientes
suposiciones:
El líquido se considera homogéneo por lo cual la densidad y la capacidad calorífica es la misma
en todos los puntos donde fluye, y no cambia con la temperatura.
La masa del proceso es constante,
El área de transferencia de calor es constante.
El intercambiador de calor se considera aislado de las condiciones ambientales.
Ecuaciones de acuerdo a balance de energía.
Como se observa en la figura 2-4, intervienen en la transferencia de calor un fluido y la masa de
la composta, uno que cede calor y el otro que lo recibe, por lo cual, se debe hacer un balance
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de energía para el sólido del proceso y otro para el de fluido de servicio tomando como base la
ecuación de balance de energía.
Balance de energía para la composta:
(2-14)
Dónde:
= Entalpía del fluido de proceso, [J/kg]
= Proceso (masa de la composta), [kg]
= Capacidad calorífica a presión constante,[J/kg K]
= Temperatura de inicial de la masa proceso, [K]
(2-15)
Dónde:
= Proceso (masa de la composta), [kg]
= Entalpía del fluido de proceso (agua), [J/kg]
= Capacidad calorífica a presión constante, [J/kgK]
= Temperatura de final del proceso, [K]
(2-16)
El signo positivo significa que la composta está absorbiendo energía interna.
Dónde:
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= Coeficiente global de transferencia de calor, constante, [ J/ K s]
= Área de transferencia de calor, [
= Temperatura final de proceso, [K]
= Temperatura de salida del fluido de servicio.
(2-17)
Dónde:
= Volumen en el dispositivo de transferencia de calor del fluido de proceso,
= Capacidad calorífica a volumen constante, [J/kg K]
Realizando la sustitución de las ecuaciones (2-14), (2-15), (2-16) y (2-17) en la ecuación del
balance de energía, se tiene:
(2-18)
Se puede observar que existen dos incógnitas ( ) y una sola ecuación, por lo que es
necesario tener otra ecuación independiente, que es, la ecuación en estado dinámico para el
fluido de servicio, partiendo de la ecuación de balance de energía (como en el caso del solido
del proceso):
Balance de energía para el fluido de servicio.
(2-19)
Dónde:
=Flujo másico de entrada del fluido de servicio, [kg/s]
= Entalpía de entrada del fluido de servicio, [J/kg]
= Flujo de entrada del fluido de servicio, /s]
= Densidad del fluido de servicio, [kg/ ]
= Temperatura de entrada del fluido de servicio, [K]
= Capacidad calorífica a presión constante del fluido de servicio, [J/kgK]
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(2-20)
Dónde:
= Flujo másico del fluido de servicio,[ kg/s]
= Entalpía del fluido de servicio, [J/Kg]
= Flujo de salida del fluido de servicio,[ /s]
= Temperatura de salida del fluido de servicio,[ K]
= Densidad del fluido de servicio, [kg/ ]
= Capacidad calorífica a presión constante del fluido de servicio, [J/kgK]
(2-21)
Dónde:
= Coeficiente global de transferencia de calor, constante,[ J/K s]
= Área de transferencia de calor, ]
= Temperatura de salida del fluido de proceso, [K]
= Temperatura de salida del fluido de servicio, [K]
(2-22)
Dónde:
= Capacidad calorífica a volumen constante del fluido de servicio, [J/kgK]
= Volumen en el intercambiador de calor del fluido de servicio, ]
= Densidad del fluido de servicio, [kg/ ]
De igual manera se sustituyen las ecuaciones (2-19), (2-20), (2-21) y (2-22) en la ecuación del
balance de energía obteniendo la siguiente ecuación:
(2-23)
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Ahora se puede observar que ya se tienen dos ecuaciones y dos incógnitas, lo cual quiere decir
que el modelo es válido.
2.7.1 Linealización de ecuación
Las funciones de transferencia que se requieren se pueden obtener a partir de las ecuaciones
(2-18) y (2-23), pero debido a la no-linealidad del primer y último término del miembro izquierdo
de la igualdad de la ecuación (2-23), ésta se debe linealizar, para lo cual se utiliza la expansión
por series de Taylor para una función de dos variables, alrededor del punto (X,Y),
aproximándola a la primer derivada, en supuesto de que las diferenciales superiores, son tan
pequeñas que se pueden despreciar.
(2-24)
Teniendo entonces:
Para la ecuación (2-23), el primer término del lado izquierdo se linealiza de la siguiente manera:
(2-25)
Realizando las derivadas parciales se tiene que:
(2-26)
Y
(2-27)
Evaluando ambas para el punto de operación se tiene que:
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(2-28)
Y
(2-29)
Además se tiene que:
(2-30)
Sustituyendo las últimas tres ecuaciones en la ecuación (2-25) se obtiene:
Por último se encuentra la linealización del primer término que queda de la siguiente manera:
Al ordenar términos se tiene que:
(2-31)
De igual manera se aplica el mismo procedimiento para la ecuación.
Obteniendo como resultado:
(2-32)
Por lo tanto, la ecuación (2-23) linealizada queda de la siguiente manera:
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(2-33)
En el presente trabajo, el flujo de entrada y de salida del fluido r se considera el mismo.
Si se hacen las siguientes igualdades:
La ecuación queda de la siguiente manera:
(2-34)
Teniendo como variables desviadas:
2.7.2 Obtención de la función de transferencia
La obtención de la función de transferencia se logra a través de la relación de la entrada del
proceso entre la salida en el dominio de Laplace, para ello es necesario identificar en las
ecuaciones que modelan al proceso las variables en función del tiempo que son entradas y las
que son salidas. Estas son las siguientes:
Tabla 2.3 Definición de entradas y salidas
VARIABLE TIPO
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Temperatura de entrada del fluido de proceso Entrada
Temperatura de entrada del fluido de servicio Entrada
Flujo del fluido de servicio Entrada
Temperatura de salida del fluido de proceso Salida
Para poder realizar el análisis de entradas y salidas del modelado planteado en el presente
trabajo es necesario realizar un diagrama de bloques el cual ilustre tanto las entradas del
sistema, como las salidas del mismo, tal y como se muestra en la figura 2.5.
Figura 2.5 Diagrama a bloques del dispositivo de transferencia de calor.
Como se puede observar existen tres entradas (TIp(s) TiS(s), Qs(s)) y solo se considera una
sola salida (T(s)) por lo que podemos deducir que se pueden tener tres funciones de
transferencia que son las siguientes:
(2-35)
(2-36)
(2-37)
Se obtiene la transformada de Laplace de la ecuación (2-34):
(2-38)
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Se despeja T(S) de la ecuación (2-38):
(2-39)
Normalizando la ecuación (2-39) a la forma característica de un sistema de primer orden se
tiene:
(2-40)
Dónde:
(2-41)
(2-42)
(2-43)
Haciendo el análisis dimensional para las constantes de tiempo y para las ganancias se
tiene que:
; [Segundos]
; [Sin dimensión].
; [Sin dimensión].
Sustituyendo las ecuaciones (2-41), (2-42) y (2-43) en la ecuación (2-40) se tiene:
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(2-44)
Se obtiene la transformada de Laplace de la ecuación (2-44):
(2-45)
Normalizando la ecuación (2-45) se tiene:
(2-46)
De esta ecuación se tiene que:
(2-47)
(2-48)
(2-49)
(2-50)
Haciendo el análisis dimensional se tiene:
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; [Segundos]
[K/m3s]
[Sin dimensiones]
[Sin dimensiones]
Sustituyendo estas igualdades se tiene:
(2-51)
Se sustituye la ecuación (2-44) en la ecuación (2-51) y se tiene:
(2-52)
Desarrollando el producto se tiene:
(2-53)
Se agrupan los términos T(S) en el miembro izquierdo de la igualdad:
(2-54)
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Se realizan las operaciones de suma y resta en ambos miembros:
(2-55)
Como se puede observar tanto el término de la derecha como el de la izquierda están divididos
por , por lo tanto este factor se puede eliminar quedando la ecuación de la
siguiente manera:
(2-56)
Ahora, como se explicó anteriormente, el sistema tiene tres entradas, mismas que se
pueden ver en esta última ecuación, debido a eso se obtienen tres funciones de
transferencia, para ello, se toma en cuenta una entrada y las otras se consideran que valen
cero, para la primera función de transferencia se considera que es la entrada:
(2-57)
Teniendo ahora a como entrada:
(2-58)
Si se considera ahora a QS como entrada se tiene:
(2-59)
Para la obtención de la función de transferencia se ha despreciado la dinámica de las paredes
del intercambiador de calor, lo cual supone que ante cualquier cambio de temperatura o flujo
del fluido de servicio repercute directamente en la temperatura del flujo de proceso.
2.7.3 Simulación en lazo abierto
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La simulación del proceso para encontrar el comportamiento dinámico de la temperatura de
salida de proceso se hace teniendo en cuenta solo el cambio en escalón del fluido de servicio
por lo que la ecuación a utilizar es la ecuación (2-47) (véase tabla 2-3).
2.7.4 Parámetros y condiciones del proceso
Para la simulación de la respuesta dinámica del proceso se toman los valores del sistema
tomando como referencia los patrones de mediciones realizadas prácticamente con
anterioridad, ya que se pueden emplear diferentes tipos de componentes para la composta, en
este caso en particular se plantean los siguientes valores.
Tabla 2.4 Definición de las variables del proceso
Capacidad calorífica de la composta (Cp, Cv) *10.6
Temperatura inicial de la composta 273
Volumen del proceso
Temperatura de entrada del fluido de servicio 373
Temperatura de salida del flujo de servicio 293
Densidad del fluido de servicio 1000
Capacidad calorífica del fluido de servicio (Cv,Cp) 15.32
Volumen del flujo de servicio 0.0127
Coeficiente global de transferencia de calor 50
Área de transferencia
*[12]
Para llevar a cabo la simulación del modelo matemático que describe el comportamiento de la
temperatura de salida, es necesario realizar un diagrama de simulación en la herramienta
Simulink® incluida en el programa MATLAB® que es el que se muestra en la figura 2-6 (Véase
Anexo A)
(2-60)
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En esta figura 2.5 el bloque entrada es el flujo del agua de servicio con su respectivo valor de
entrada en escalón, como se menciona, en este caso se plantea una temperatura inicial del
proceso que es de 273°K, debido a que se trata de un calentador y si esta temperatura por
algún motivo no se controla de forma adecuada, el sistema no funcionara adecuadamente por
la falta de esta, la temperatura de entrada está representada por el bloque Tss el cual se suma
a la respuesta dinámica debido a la entrada en escalón.
Figura 2.6 Diagrama de bloques del modelado propuesto.
Entonces se tiene como respuesta del modelo propuesto la figura 2.7
Figura 2.7 Respuesta de la simulación del modelo matemático.
Cabe mencionar que el retardo de la función representa el tiempo que tarda en transferirse el
calor a través de la tubería del calentador. Este tiempo se determinó experimentalmente.
2.7.5 Obtención de la función de los elementos de medición
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En la investigación se tienen determinados intervalos de lectura de los transmisores, esto es
con el fin de poder emplear cualquier transmisor que dentro de sus características cuente con
los intervalos aquí establecidos, únicamente se realiza un cambio en los límites de las
ecuaciones. Las entradas y salidas de un controlador son normalmente señales analógicas,
típicamente de 0-20 mA o de 4-20 mA. La razón principal para el uso de 4 mA en vez de 0 mA,
como límite inferior, es que muchos transmisores están diseñados para su conexión con dos
hilos. Esto significa que el mismo hilo es usado tanto para manejar el transmisor como para
transmitir la información desde el transmisor hasta el controlador. En este caso, no sería posible
manejar el transmisor con una corriente de 0 mA. Por otra parte, la razón principal del uso de
corriente en vez de diferencia de potencial es evitar la influencia de las caídas de diferencia de
potencial, debidas a la resistencia a lo largo del recorrido del hilo.
2.7.6 Transmisor de temperatura
Debido a las características del sistema, se propone un transmisor de temperatura cuyos
intervalos se puedan modificar de tal modo que el mínimo de temperatura que puedan registrar
sea de 273 con 4 mA a la salida y el máximo de temperatura de censado sea de 373°K con
20 mA a la salida. Para definir el comportamiento de un transmisor se emplea tanto su
comportamiento es lineal, como una señal mínima de 4 mA y una máxima de 20 mA. Tomando
en cuenta lo anterior se puede definir su comportamiento como una recta, de la cual se parte
para obtener su ecuación y posteriormente poder agregarla en la simulación del sistema de
control.
Se tiene la ecuación general de una recta.
(2-61)
Dónde:
(2-62)
En el caso del transmisor la pendiente está dada por:
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(2-63)
Sustituyendo en (2-62)
(2-64)
Evaluando la ecuación en y =4; x =273 se tiene:
(2-65)
La ecuación del comportamiento del transmisor es:
(2-66)
Entonces es posible representar está a ecuación en forma del siguiente bloque con la
representación gráfica.
Figura 2.8 Representación en diagrama de bloques del transmisor de temperatura propuesto
Y=0.16x-39.68 Salida de
corriente ( Amp)
Entrada de temperatura
(273-373K)
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260 280 300 320 340 360 380
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Co
rrir
nte
(m
A)
Temperatura (K)
Grafica 2.1 Comportamiento del transmisor de temperatura.
2.7.7 Transmisor de flujo
Para el caso del transmisor de flujo se emplea la misma característica de los transmisores para
poder variar su intervalo de operación dadas las suposiciones de los valores se tiene como flujo
máximo 0.00034 .
En el caso del transmisor la pendiente está representada por:
(2-67)
Sustituyendo en (2-61)
(2-68)
Evaluando la ecuación en y =4; x =0 se tiene:
(2-69)
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Por lo tanto la ecuación del comportamiento del transmisor es:
(2-70)
Teniendo su representación en diagrama de bloques como se muestra en la figura 2.9.
Figura 2.9 Representación en diagrama de bloques del transmisor de flujo propuesto
0.0 1.0x10-4
2.0x10-4
3.0x10-4
4.0x10-4
5.0x10-4
6.0x10-4
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Co
rrie
nte
(m
A)
Flujo m3/s
Corriente
Grafica 2.2 Comportamiento del transmisor de flujo.
2.7.8 Válvula de control de flujo
Para la obtención de la ecuación de la válvula de control se tomó como base el principio de una
ecuación lineal, ya que en este caso se plantea una válvula, la cual tenga una acción lineal
sobre el proceso, es decir al estar cerrada no dejara pasar nada de flujo, y al estar abierta
dejara pasar el flujo máximo del calentador. Por lo cual se obtiene las siguientes ecuaciones:
Y= x+4 Salida de corriente
(4-20 mA)
Entrada de
flujo ( )
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(2-71)
Sustituyendo en (2-61)
(2-72)
Evaluando la ecuación en y =0; x =4 se tiene:
(2-73)
Por lo tanto la ecuación del comportamiento del transmisor es:
(2-74)
Teniendo su representación en diagrama de bloques como se muestra en la figura 2.10.
Figura 2.10 Representación en diagrama de bloques de la válvula de flujo propuesta.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
0.0
1.0x10-4
2.0x10-4
3.0x10-4
4.0x10-4
5.0x10-4
6.0x10-4
Flu
jo m
3/s
Corriente (mA)
Flujo
Grafica 2.3 Comportamiento de la válvula de flujo.
Y=0.00003375+ Entrada de corriente
(4-20 mA)
Salida de flujo
( )
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CAPÍTULO 3 SIMULACIÓN Y PROPUESTA CONTROL DEL SISTEMA DE
TEMPERATURA
3.1 Tipos de sistemas de control
Con base a su principio de funcionamiento, los sistemas de control pueden emplear,
información acerca del proceso, a fin de elaborar, estrategias de supervisión y control, En este
caso, se plantea una arquitectura de control de lazo cerrado.
3.2. Sistemas de Control de Lazo Abierto (Open loop)
Un sistema de control de lazo abierto es aquel en el cual no existe realimentación, del proceso
al controlador. Su principal ventaja consiste en su facilidad para implementarlo, además son
económicos, simples, y de fácil mantenimiento.
Sus desventajas consisten en que no son exactos, no corrigen los errores que se presentan, su
desempeño depende de la calibración inicial.
Se representa a través del siguiente diagrama de bloques:
Figura 3.1 Diagrama de bloques de lazo abierto
3.3. Sistemas de Control de Lazo Cerrado (Feedback)
Un sistema de control de lazo cerrado, es aquel en donde la señal de salida o parte de la señal
de salida es realimentada y tomada como una señal de entrada al controlador.
Existen dos tipos: de retroalimentación positiva, y de retroalimentación negativa.
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Retroalimentación Positiva: Es aquella en donde la señal realimentada se suma a la señal de
entrada. Se conoce también como regenerativa, no se aplica en el campo de control de
procesos industriales.
Se representa a través del siguiente diagrama de bloques:
Figura 3.2 Diagrama de bloques de lazo cerrado retroalimentación positiva
Realimentación Negativa: Es aquella en donde la señal realimentada, se resta de la señal de
entrada, generando un error, el cual debe ser corregido. Este es el caso común utilizado en el
campo del control de procesos industriales. Se representa a través del siguiente diagrama de
bloques:
Figura 3.3 Diagrama de bloques de lazo cerrado retroalimentación negativa.
3.4 Controlador Proporcional Integral Derivativo (PID)
Debido a la implementación de la arquitectura de control, es necesario un controlador industrial,
tal que permita manipular el sistema de acuerdo a la respuesta deseada, debido a las
condiciones en las que se encuentra el proceso, la implementación en un PLC parece ser la
mejor opción, por lo tanto, es necesario implementar una arquitectura de control basada en este
dispositivo, es por ello que resulta un PID la mejor opción para controlar las variables deseadas
del sistema. Este controlador permite manipular la respuesta del sistema mediante la adición de
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un par de ceros y un polo, tiene una respuesta más rápida en estado transitorio y con una
respuesta en estado estacionario con un error menor en comparación con un controlador PI o
PD siempre y cuando, este bien sintonizado. A continuación se brindará una breve información
acerca de las diferentes acciones de control con las que cuenta el controlador PID.
3.4.1 Controlador proporcional (P)
Es un control que se basa en la ganancia aplicada al sistema, se basa en el principio de que la
respuesta del controlador deber ser proporcional a la magnitud del error. No corrige ni elimina
perturbaciones, puede atenuar o aumentar la señal de error. Se representa a través del
parámetro Kp y define la fuerza o potencia con que el controlador reacciona frente a un error.
Figura 3.4 Respuesta del control Proporcional.
3.4.2 Controlador integral (I)
Conocido como RESET. Este tipo de controlador anula errores y corrige perturbaciones,
mediante la búsqueda de la seña l de referencia, necesita de un tiempo Ti para localizar dicha
señal. Se representa mediante el término Ki que es el coeficiente de acción integral y es igual a
1/Ti.
Figura 3.5 Respuesta del control Integral.
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3.4.3 Controlador derivativo (D)
Conocido como RATE. Este controlador por sí solo no es utilizado, necesita estar junto al
proporcional y al integral. Sirve para darle rapidez o aceleración a la acción de control. Necesita
de una diferencial de tiempo Td para alcanzar la señal de referencia, se representa mediante el
término Kd que es el coeficiente de acción derivativa y es igual a 1/Td.
Figura 3.6 Respuesta del control Derivativo
Conjuntando se tiene que en dominio de Laplace, la ecuación característica de un controlador
PID es:
3.5 Sintonización del sistema retroalimentado por Ziegler-Nichols
Se utiliza para sistemas que pueden tener oscilaciones sostenidas. Primero se eliminan los
efectos de la parte integral y derivativa. Después, utilizando solo la ganancia , por lo que se
debe hacer que el sistema tenga oscilaciones sostenidas. El valor de ganancia con que se
logre esto se llama ganancia crítica , lo que corresponde a un periodo crítico .
A continuación, empleando los valores calculados, es posible determinar los parámetros Kp, Ti
y Td a partir de la tabla 3.1.
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Tabla 3.1 Valores de Kp, Ti y Td de acuerdo a la sintonización por Ziegler-Nichols
Tipo de controlador
P ∞ 0
PI
0
PID
Para llevar a cabo este método de sintonización se debe de hacer que Ti = ∞ y Td = 0. Usando
sólo la acción de control proporcional, incrementando Kp de 0 a un valor crítico Kr en donde la
salida exhiba primero oscilaciones sostenidas.
Por tanto, la ganancia crítica Kr y el periodo Pcr correspondiente se determinan
experimentalmente (véase la figura 3.7), en este caso para que el sistema oscilara fue
necesaria una ganancia critica Kr=84.7.
Figura 3.7 Oscilación del sistema retroalimentado.
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Al realizar el análisis de las oscilaciones se obtuvieron los siguientes resultados:
0.6) (84.7) = 50.82
Figura 3.8 Diagrama de bloques en lazo cerrado con PID.
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Figura 3.9 Respuesta del sistema en lazo cerrado.
Una vez calculados los datos de la ganancia proporcional, integral y derivativa, se realizaron
más pruebas para una mejor respuesta del sistema obteniendo la respuesta de la figura 3.8.
50.82
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Figura 3.10 Respuesta afinada del sistema en lazo cerrado.
Los valores anteriormente mencionados son los necesarios para el sistema, si bien en un
sistema con respuesta más lenta, el máximo sobre impulso es alrededor del orden del 5% y
esto es indispensable ya que incrementos en la temperatura del sistema de compostaje influye
directamente en la calidad del crecimiento bacteriano (capitulo 1).
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CAPÍTULO 4 IMPLEMENTACIÓN
4.1 Desarrollo del sistema
Debido a la funcionalidad de las tarjetas de adquisición de datos de National Instruments y
como apoyo académico por parte del Politécnico se decidió utilizar la NI-DAQ USB-6008 ya que
ofrece conexión a ocho entradas analógicas (AI) canales, dos salidas analógicas (AO), 12
canales de entrada / salida digital (DIO) canales, y un contador de 32-bit con una interfaz de alta
velocidad USB. Para el uso de la NI-DAQ 6008 se debe tomar en cuenta los siguientes criterios:
Que la USB-6008 tiene una resolución de 12-bit y un rango mínimo de +/-1 volt. La USB-6009
tiene 14-bit de resolución con un mínimo de rango de +/- 1 volt. Esto da una resolución de 480 y
122 , respectivamente. La respuesta estimada de los diferentes tipos de termopares puede
obtenerse de la tabla de termopares de NIST. Por lo tanto la USB-6008 solo puede medir
cambios de aproximadamente 2-3 grados Celsius dependiendo del tipo de termopar que esté
utilizando.
Figura 4.1. Diagrama de entradas y salidas del NI DAQ 6008.
Para este proyecto es necesario adquirir las señales de la humedad y la temperatura ya que
ambas se relacionan [13], se puede desarrollar un instrumento virtual en LabView, sin embargo
antes hay que definir un esquema que pueda representar de forma sistematizada el uso de
dicha herramienta.
Para el monitoreo de la temperatura se optó por utilizar un termopar tipo J debido a su
precisión y por el tipo de vaina que se necesita para ser sumergida en la pila de composta. En
el caso de la humedad se utilizó un sensor que funciona bajo el principio de conductividad
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donde dependiendo de la conductividad de la tierra húmeda este capta las pulsaciones
eléctricas generadas por un timer y éste las transfiere al DAQ en forma de señales digitales.
A continuación se presenta el diagrama diseñado con las partes integrales que conforman el
sistema de adquisición de datos monitoreo y control del proceso. En el primero bloque tenemos
nuestro diagrama en lazo cerrado con 3 partes integrales el controlador con sus actuadores, el
elemento sensor y el proceso a controlar; en el segundo bloque se muestran los elementos que
conforman a los circuitos de acondicionamiento de la señales de nuestros sensores que en este
caso son la fuente de corriente, los amplificadores operacionales y la señal de PWM del LM555
estos principios de funcionamiento son la bases de nuestra arquitectura de adquisición de
datos; el tercer bloque lo representa la tarjeta de adquisición de datos NI-DAQ 6008 la cual
funciona como un pequeño SCADA (supervisory control and acquisition data) que recibe señal
de los sensores y al mismo tiempo manda la acción de control a los actuadores en este caso la
válvula solenoide; de este bloque deriva la HMI (human machine interface) la cual es nuestra
interfaz que nos permite monitorear y controlar el proceso desde la computadora utilizando
Labview. Para finalizar se tiene la parte de potencia que energiza con la suficiente potencia los
elementos finales de control que son la válvula que permite la apertura y cierre del sistema de
riego esta fase de potencia la integra el MOC3011 que permite utilizar la señal digital para
controlar dispositivos en corriente alterna.
Figura 4.2. Diagrama del sistema en bloques.
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4.2 Descripción de la instrumentación del sistema
Considerando las variables que se van a monitorear el sistema se diseñó de tal forma que los
sensores estén colocados en puntos críticos donde se desarrolla más temperatura y donde se
concentra más humedad. Para el desarrollo del instrumento virtual primero se propuso los
sensores con relación al principio de funcionamiento [14].
4.2.1 Principio de funcionamiento del sensor de humedad
Se utilizó el circuito LM555 en forma estable. Se abre la línea que conduce entre el pin 7 y 6
que está conectada al pin de disparo. Cuando el circuito esta al aire (abierto) la línea ve una alta
resistencia, la cual es la del aire y por tanto quedará encendido un LED. Al estar la resistencia
con un material húmedo, el cual tendrá en paralelo la resistencia del aire con la del material
húmedo. Este material puede ser arena, tierra húmeda, solidos altamente conductivos, etc. Al
ocurrir esta disminución en la resistencia, se logra una oscilación en el LM555 y se puede
visualizar en los diodos un parpadeo continuo que ocurre debido a la frecuencia generada por la
conductividad de la composta. La velocidad de oscilación será proporcional al grado de
humedad del material a medir, es decir cuánto más húmedo, más rápido será la oscilación.
En el paso siguiente se amplifica esta señal y se direcciona al DAQ para aplicar este circuito al
control real de los actuadores los cuales pueden manejarse a un voltaje diferente al de la
tarjeta, el cual es 5VCD.
Figura 4.3. Circuito oscilador para humedad.
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Una vez captada la señal del sensor se procede a desarrollar el instrumento virtual en LabView.
Se corre el programa y se inserta el bloque del DAQ Assist el cual permite configurar las salidas
y entradas del sistema para poder adquirir las señales de los sensores y que estas sean
procesadas a la computadora para su monitoreo y manipulación.
Se configura la tarjeta en las entradas digitales como pull down ya que los pulsos son captados
después de que el 555 genera la señal para que nuestra tarjeta tome como un uno lógico el
tiempo después de los 2.2Volts generados por el sensor.
Figura 4.4 Pantalla de configuración del DAQ Assistant.
Con la NI-DAQ 6008 configurada como contador se procede a armar el vi con los comparadores
condicionales que permiten captar la señal adquirida en constantes digitales, estos pulsos son
llevados al condicional y si son verdaderos de acuerdo a la constante que es definida en la
entrada activarán un LED en caso de ser falso el LED se apagará. Con estos comparadores se
determina el nivel de humedad de la composta comparando cada nivel con el número de pulsos
a los cuales ésta configurado cada comparador. En el último comparador se insertó un
convertidor de señal dinámica a señal discreta para poder activar la válvula solenoide que
efectúa el control de riego en caso de que el sensor detecte muy poca humedad.
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Figura 4.5 Diagrama de bloques del instrumento virtual de la humedad.
En el caso del elemento final de control que fue la válvula se diseñó un circuito de
acondicionamiento conformado por el moc3011, un condensador de 0.1µF resistencias de 180Ω
y 2.4KΩ, un TRIAC MAC218 y el elemento final de control una válvula solenoide de 125VCA la
cual es normalmente usada en lavadoras. En la Figura 3.5 se ilustra el circuito de potencia con
la comunicación del DAQ 6008 con la computadora y de este dispositivo también sale la señal
de control digital hacia el MOC3011 a la terminal del pin 2 aquí el diodo efectúa el disparo hacia
el DIAC interno del MOC 3011 este capta la señal y la direcciona al pin 4 hacia la compuerta del
TRIAC que permite la apertura y cierre de la válvula en la salida del nodo donde se conectan la
salida MT2 del TRIAC la resistencia de 2.4KΩ y la válvula.
Figura 4.6 Circuito de potencia para accionar la válvula de control de humedad.
En la Figura 4.7 se aprecia una imagen estándar del tipo de válvula que se utilizó para este
proyecto, es una válvula solenoide de 2 vías a 127VCA y trabaja a 60Hz de frecuencia.
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Figura 4.7 Válvula solenoide 2 vías.
Con la válvula configurada se procede a conectarla la toma de agua con un acoplador metálico
de ½” para que conecte adecuadamente con la manguera a la salida de la válvula se acopla
con caucho y un aro metálico debido al tamaño de la segunda vía que tiene ya la medida de ½”
como se muestra en la Figura 4.8.
Figura 4.8 Válvula solenoide 2 vías acoplada a la toma de agua.
Para el sistema de riego se diseñó un aspersor con mangueras, soportes de madera y T´s
acopladoras de 3 vías. Con un soplete y un clavo de 6” se calentó y perforo la manguera para
que el aspersor difunda el agua sobre de la composta.
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Figura 4.9 Sistema de riego.
4.2.2 Principio de funcionamiento del sensor de temperatura
Para el monitoreo de la temperatura se utilizó un termopar tipo J debido a que es el sensor más
comercial su resistencia térmica va desde los -210°C hasta los 600°C. Otra de sus
características es que la vaina de medición es de 1.5m de largo con lo cual se aseguró que la
medición en el punto donde se concentra el calor en la composta sea confiable. Haciendo las
mediciones correspondientes con un multímetro conectando las terminales del termopar en
positivo y negativo de multímetro y revisando con el voltímetro se pudo registrar variaciones de
tensión en el orden de los milivolts [mV] muy acercadas a la relación de tensión temperatura
que el termopar genera al manifestar una diferencia de temperatura en las terminales donde se
unen los metales y dan como resultado una tensión pequeña.
Para visualizar los rangos de temperatura del termopar se conectó el termopar a un multímetro
con la terminal roja negativa a la punta negra del multímetro y la blanca a la punta de prueba
roja. Se insertó el termopar en la composta y comparando con un instrumento de temperatura y
humedad se comprobó que los rangos de tensión son muy aproximados a los de temperatura
registrada en la Figura 4.10 Se observa las evidencias de la temperatura vs la tensión generada
por el termopar.
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Figura 4.10 Obtención de parámetros para el diseño del circuito de acondicionamiento de
temperatura.
En la figura 3.10 se puede apreciar el registro de una temperatura de 43°C y en el multímetro
una tensión de .4mV esto quiere decir que a 40°C nuestro sistema debe poder visualizar a partir
del circuito de acondicionamiento con el termopar que la señal de .4mV multiplicada es igual a
40°C.
Figura 4.11 Relación de tensión y temperatura en el termopar.
Para el circuito de acondicionamiento de la temperatura se utilizó el AD594 ya que este circuito
está listo para conectar el termopar con sus terminales. La acción del AD594 combina una
referencia con un amplificador pre-calibrado interno, para producir un alto nivel de exactitud
(10m/°C), esta referencia la toma de la temperatura a la que él se encuentre. También incluye
una alarma en caso de que los termopares se dañen o sean desconectados de las terminales
donde se está sensando la temperatura.
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La figura 4.12 muestra un diagrama del integrado AD594. El termopar se conecta en los pines 1
y 14. Este es un amplificador que usa la temperatura local como su referencia. El circuito de
compensación desarrolla un voltaje igual a la deficiencia que se da en la temperatura local del
termopar referenciado. Esta tensión se aplica a un segundo preamplificador cuya tensión se
suma con la tensión del amplificador de la entrada. La tensión resultante se aplica entonces a la
entrada de un amplificador de tensión. A través del camino de compensación, el amplificador
principal mantiene un equilibrio en sus entradas.
Figura 4.12 Circuito AD594.
Después de cablear el circuito linealizador AD594 se procede a calcular los operacionales que
amplifican la señal y la corrigen para llevarla a la tarjeta NI-DAQ 6008. Figura 4.13.
Figura 4.13 Circuito de amplificación y acondicionamiento de la señal con un valor de 143mV a
la entrada y osciloscopios para ver la tensión amplificada.
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Para el diseño del circuito se propuso por la medida que calibración ya linealizada que a 70°C
tenemos de la salida del AD 594 una tensión de 280mV y se estima una tensión de salida Vsal
de 7999mV= 8V entonces se hace el cálculo de las resistencias en la entrada del primer
operacional teniendo lo siguiente:
(3-1)
(3-2)
(3-3)
Con la resistencia ya calculada se procede a verificar a diferentes temperaturas si el termopar
está dando la señal en función a la linealización y el tipo del termopar.
Para tener una mejor referencia se enlisto las medidas tomadas sólo con el AD594 a la salida
para verificar su linealidad:
Tabla 4.1. Relación de Temperatura y voltaje
Temperatura Voltaje
70°C 280mV
68°C 238mV
66°C 214mV
64°C 200mV
62°C 188mV
60°C 186mV
58°C 184mV
56°C 175mV
54°C 172mV
52°C 168mV
50°C 161mV
48°C 152mV
46°C 141mV
44°C 135mV
42°C 130mV
40°C 123mV
38°C 120mV
36°C 115mV
34°C 110mV
32°C 105mV
30°C 94mv
28°C 78mV
26°C 70mV
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Las lecturas tomadas confirman que no hay tanta variación en volts en cada 2°C por lo que si es
viable confiar en la adquisición de la señal por este termopar sin embargo las pruebas también
arrojaron que la respuesta tarda en estabilizarse cuando la temperatura baja drásticamente.
Esto no es un problema en el proceso ya que el incremento y decremento de temperatura no
son rápidos el proceso es lento y es por eso que este método de medición es adecuado ya que
las lecturas pueden ser precisas más no exactas.
En la figura 3.14 se puede observar el VI generado en Labview con el bloque del DAQ Assist
configurado para adquirir señales analógicas ya que se está registrando una tensión que
siempre está variando.
Se fijó un valor que multiplica la señal para poder ser captada y escalada a 70°C en función de
la tensión linelizada del termopar. Haciendo referencia a las tablas se observa que la constante
de la fuerza electromotriz necesaria para poder monitorear 70°C a 4.02 volts en tensión
amplificada es de 7 y en la parte de la salida de la señal a hacia los comparadores indicadores
se multiplica para tener el valor estimado más próximo a la temperatura que se está censando.
[14].
Figura 4.14 Instrumento virtual generado para la medición de temperatura.
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Hay que considerar que por la longitud del termopar hay una pérdida de 70mV así que por eso
también se calculó la resistencia a 3.5KΩ para poder acercar el valor al de tablas. Debido a
estas pérdidas estamos teniendo una perturbación que produce un ruido sin embargo LabView
cuenta con un bloque de filtrado para corregir la señal.
A continuación se muestra el diagrama de tuberías e instrumentación (DTI) que representa el
sistema con la tubería de la toma de agua, las válvulas tanto de bola como solenoide, el sistema
aspersor y los instrumentos de campo.
4.2.3 Filosofía de Operación
Se describirá detalladamente la función y operación de cada uno de los elementos primarios,
analíticos y elementos finales de control en el diagrama de tuberías e instrumentación.
Una vez reunida la pila de composta y apilada dentro del sistema la acción de los
microorganismos produce calor por lo cual el proceso es exotérmico y genera temperaturas
desde los 0°C hasta los 70°C se debe cuidar la temperatura ya que una baja de temperatura
impide el desarrollo de los microorganismos y si se eleva la temperatura más allá de los
parámetros los microorganismos pueden morir. Para efectuar el control de la temperatura hay
que controlar directamente la humedad ya que estas variables se relacionan entre si dando
como parámetro de control inmediato la humedad para cual a continuación se describe el lazo
cerrado de humedad y el monitoreo en lazo abierto de la temperatura.
Se detectará el porcentaje de humedad con el sensor de humedad AE 100C1 en la composta
por lo que enviará una señal digital al controlador AIC 100C1, la acción de control de este será
dar apertura al elemento a la válvula AV 100C1 con la finalidad de permitir el paso del agua al
sistema de aspersión siempre y cuando el sistema detecte que la conductividad es baja.
En el momento en que el sensor AE 100C1 detecte que el nivel de humedad es muy alto el
controlador cerrara la válvula AV 100C1 para evitar un encharcamiento y evitar fugas en la
fuente de suministro de agua A-003 que es el agua de servicio municipal.
Se detectara la temperatura con el sensor de temperatura TE 100C1 el cual está directamente
insertado en la pila de composta y su vaina de protección tiene una longitud de 1.5m cuando la
temperatura sea menor se indicara en la pantalla del ordenador por software en el HMI (Interfaz
Humano Maquina) TI 100C1 el cual mediante LabView hará la indicación por un LED el cual si
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parpadea en el termómetro una temperatura debajo de los 20°C indicará que el sistema debe
elevar su temperatura para que los microorganismos se reproduzcan.
En el momento en que el sensor de temperatura TE 100C1 detecte que la temperatura sea
mayor se indicara en la pantalla del ordenador por software en el HMI (Interfaz Humano
Maquina) TI 100C1 el cual mediante LabView hará la indicación por un LED el cual si parpadea
en el termómetro una temperatura por encima de los 70°C indicará que el sistema debe
disminuir su temperatura para que los microorganismos permanezcan vivos.
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4.2.4 Diagrama de tuberías e instrumentación
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Figura 4.15 Imágenes de la cosecha utilizando la composta producida por el sistema.
Figura 4.16 Chilacayotes de gran tamaño producto de la composta.
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CAPÍTULO 5 ESTUDIO ECONÓMICO
La evaluación de un proyecto de inversión tiene por objeto conocer su rentabilidad económica y
social, de tal manera que asegure resolver una necesidad de manera eficiente y rentable. Para
hacer la inversión en un proyecto de ingeniería como el que se presentó en este trabajo de
tesis, se necesita hacer un estudio económico referente a lo que se invierte y a lo que se puede
ganar, para poder tomar la decisión de si se pone en marcha. Se debe recordar que este
proyecto se encamina en torno a un campo de investigación y/o generar composta orgánica
para ser comercializada. Mientras que en la primera opción, el mayor logro será la obtención de
investigaciones más acertadas para la producción de composta orgánica, y la segunda opción
se centra en la venta de dicho producto.
Sin embargo, si se quiere considerar de una manera más amplia la evaluación del proyecto,
deben considerarse todas las fases por las que éste ha pasado desde el planteamiento del
problema.
Para llevar a cabo el análisis económico es importante considerar la cotización de todos los
recursos humanos y no humanos, que lo integran, como características tiene: el perseguir
varios objetivos para completarse, tiene un tiempo de duración y recursos definidos.
Así mismo, un proyecto tiene un ciclo de vida que se inicia cuando se detecta la necesidad del
mismo. El equipo que formula el proyecto, normalmente asigna un 5% de los recursos
financieros que la empresa programa aplicar, para determinar metas y requerimientos, la “venta
de la idea” a la gerencia y los ajustes necesarios. En la siguiente etapa llamada de
“crecimiento”, se desarrolla el organigrama para formular el documento de proyecto. En esta
etapa se consume el 20% de los recursos programados y se tienen como tareas: formular el
documento de proyecto, identificar los objetivos e integrar el grupo de trabajo.
La ejecución del proyecto, corresponde a la etapa denominada “producción”, y en ella se aplica
la mayor proporción de los recursos financieros (60%), que se entiende ya fueron autorizados
para desarrollar el proyecto en cuestión. La última etapa, conocida como “declinación”,
corresponde a la terminación del proyecto y en ella se aplica el 15% de los recursos financieros,
mismos que se aplican en los detalles de la terminación de actividades como son: liquidación de
personal, transferencia de equipos, etc., y en los procesos de desincorporación.
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En una visión global, durante la formulación del proyecto deben intervenir el futuro responsable
del mismo y el equipo que integrará el grupo de ejecución. Se hace necesario que haya un líder
de proyecto quien será el responsable directo del proyecto, este líder, debe poseer una
combinación de habilidades incluyendo una gran capacidad inquisitiva, de detectar asunciones
sin especificar y de resolver conflictos interpersonales. Una de sus tareas más importantes es el
reconocimiento de los riesgos que afectan directamente las probabilidades de éxito del
proyecto, y la constante medición, formal e informalmente de dicho riesgo a lo largo del ciclo de
vida del proyecto.
5.1 Ciclo de un proyecto (conceptualización)
Todo proyecto, tiene teóricamente, un ciclo de vida el cual inicia con la concepción de la idea de
mejora y concluye con la implementación de ésta.
5.1.1 Idea/estrategia
Se han identificado las condiciones del mercado, posibilidades, dificultades y ventajas.
Se ha analizado el marco legal, garantías, situación de pertenencia.
Se ha propuesto un plan de trabajo general, el cual en este caso se ha planteado desde
el inicio del presente trabajo.
5.1.2 Estudio de prefactibilidad/factibilidad
El proyecto se ha considerado como factible debido a que forma parte de una mejora a
un proceso de abono orgánico.
En lo referente al análisis costo - beneficio, la inversión es poca como se muestra más
adelante y la recuperación es a corto plazo.
Se ha realizado también un análisis preliminar de alternativas.
La propuesta está completamente definida.
Se tiene el supuesto que en el caso de que alguna empresa acepte el proyecto, será
esta dependencia la fuente de financiamiento.
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5.1.3 Ingeniería básica
Estudios de ingeniería básica. A la fecha, se han realizado simulaciones con los
cambios propuestos.
Ingeniería conceptual (tamaños y formas) éstos, para el presente proyecto están en la
fase de simulación.
Evaluación económica. Con esta se concluye la presente fase.
Faltaría desarrollar con más detalle, (lo cual se haría en el momento en que se aprobara el
proyecto, pues ello permitiría ya en el sistema real hacer las pruebas necesarias).
5.1.4 Ingeniería de detalle
Estudios complementarios en caso necesario.
Ingeniería de detalle (diagramas y/o planos de construcción).
Ingeniería de especialidades.
Especificaciones técnicas.
Presupuesto detallado de la obra.
5.1.5 Licitaciones/subcontratos
Licitación.
Negociación.
Firma de subcontratos de construcción.
5.2 Ciclo del proyecto
El Ciclo de Proyecto contempla las Fases de construcción, pruebas y evaluación expost y
término o cierre del proyecto.
5.2.1 Construcción
Gestión de la elaboración de dispositivo (tubería).
Distribución de tareas.
Acondicionamiento del área de trabajo.
Instalación de los dispositivos.
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Servicios (canalizaciones, redes).
5.2.2 Pruebas
Pruebas de equipos.
Prueba de los sistema.
5.2.3 Evaluación expost
Analizar si el proyecto funciona de acuerdo a lo previsto.
Reestudiar la situación que dio lugar al proyecto. Para afirmar los propósitos del mismo.
Definir la necesidad de modificaciones mayores y/o menores a su actual operación para
aumentar producción, mejorar rentabilidad.
5.2.4 Término o cierre
Liquidación de bienes y contratos.
5.3 Formato para la planeación y evaluación del proyecto
Nombre del coordinador del proyecto y unidad o entidad responsable.
5.3.1 Nombre de los coordinadores de proyecto
Omar Enrique Rojas Nova
Martha Patricia Sarabia Aguirre
Elliot Eljair Santos Ramírez.
Puesto ocupado dentro de la organización
Responsables del proyecto.
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5.4 Avances y estrategias del proyecto
Se hace necesario esquematizar la información para ajustar las previsiones y las tareas a
realizar en el proyecto, para tener una visualización de las fases generales del mismo.
Tabla 5.1 Cuadro en el que se presentan de manera sintética las tareas a realizar.
CONCEPTO INGENIERÍA
CONCEPTUAL
INGENIERÍA DE
DETALLE
SITUACIÓN ACTUAL
COSTO
Costo de desarrollo de
la idea (desde su
concepción hasta su
diseño)
Se cuenta con los costos
de materiales y de
trabajo de ingeniería
Se desarrollaría
totalmente después
de la aprobación del
proyecto
DURACIÓN
Un mes
Se determinaría en
función de las facilidades
otorgadas por la
empresa.
Se desarrollaría
totalmente después
de la aprobación del
proyecto
CONTENIDO
Planos de tubería e
instrumentación del
sistema.
Diagramas de equipos e
instrumentación,
Especificaciones,
técnicas y condiciones
de construcción.
Se desarrollaría
totalmente después
de la aprobación del
proyecto
COMPLEJIDAD
Media
Alta
Se tiene un desarrollo
parcial ya de alto nivel
de complejidad, en
espera de aprobación
para pasar a la
segunda fase
(ingeniería de detalle)
FLEXIBILIDAD Alta Baja Los tiempos del
proyecto están en
función del apoyo que
la empresa.
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5.5 Costos de materiales
Se hace necesario hacer una estimación de los costos de los materiales que se van a utilizar
para la instrumentación del proyecto. En el entendido que de un tiempo a otro dichos costos se
modifican generalmente, sin embargo en cada uno de ellos la estimación se ha hecho con una
holgura del 15%.
Tabla 5.2 Cuadro en el que se detallan los costos de materiales
Descripción
Modelo
Fabricante /
distribuidor
Costo
unitario
(pesos)
Cantidad
Costo total
(pesos)
Sensor-
transmisor de
temperatura
Tipo j Endress-
Hauser®
$345.00 8 $2,760.00
Sensor-
transmisor de
humedad
Circuito LM555 Kecheng® $805.00 8 $6,440.00
Tarjeta de
adquisición de
datos
DAQ USB 6008 National
Instrument®
$3,000.00 2 $6,000.00
Fuente de
alimentación
1746-P1 Allen
Bradley®
$3,745.50 1 $3,745.50
Software LabVIEW® 2010 National
Instrument®
$16,871.00 1 $16,871.00
Software
Microsoft
Windows XP®
Microsoft®
Incluido en
Inspiron
530s
1 $0
Desktop
Inspiron 530s
DELL® $8,999 1 $8,999.00
Válvula de
control de flujo
válvula
solenoide de 2
vías
$460.00 8 $3,680.00
TOTAL 30 $48,495.50
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Gastos de ingeniería conceptual: $250,000.00
Costo total de la fase conceptual del proyecto: $298,495.50
5.6 Formato de planeación del proyecto.
Cronograma, calendario de actividades, para el cronograma de Gantt
5.6.1 Calendario de actividades del proyecto
Es necesario en una propuesta de fechas de inicio y terminación de las actividades por que la
realización de un proyecto implica compromisos en el tiempo con éste. Esto bajo la condición de
que la fechas de inicio y terminación pueden variar aunque siempre hay que considerar las
relaciones costo/tiempo.
Tabla 5.3 Calendario de actividades del proyecto.
N°
Actividad
Fecha de inicio
Fecha de terminación
Duración
días
1 Conceptualización de la idea 10-feb-2012 15-feb-2012 5
2 Esquematización del proceso 13-feb-2012 16-feb-2012 3
3 Planteamiento del problema 16-feb-2012 22-feb-2012 6
4 Formulación de posibles
soluciones
22-feb-2012 02-mar-2012 11
5 Fiabilidad de las soluciones 02-mar-2012 12-mar-2012 10
6 Selección de la solución
adecuada
12-mar-2012 22-mar-2012 10
7 Planteamiento del modelo de
solución en el sistema
22-mar-2012 25-abr-2012 34
8 Planteamiento de elementos
del sistema de control (sensor,
transmisor, controlador y
elemento final de control)
25-abr-2012 23-may-2012 31
9 Simulación de parámetros
ideales del sistema
23-may-2012 20-jun-2012 28
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10 Simulación del control del
sistema con parámetros ideales
20-jun-2012 05-jul-2012 15
11 Propuesta del sistema de
control
05-jul-2012 26-jul-2012 21
12 Desarrollo de una interfase de
monitoreo con sistema de
señalización visual en caso de
alarma y/o paro del sistema
26-jul-2012 16-ago-2012 21
13 Planteamiento económico dado
las características del sistema
ideal
16-ago-2012 01-nov-2012 77
14 Terminación del proyecto * * 15
Tiempo total 287
* Las fechas se determinaran a partir de la aprobación del proyecto, sin embargo se hace un
estimación de las duraciones respectivas.
5.6.2 Previsiones de evaluación del proyecto
Las metas y objetivos del proyecto deben cumplirse en tiempo y forma. Se hace necesario por
lo tanto elaborar juicios de valor acerca del nivel de cumplimiento de las metas y objetivos; y así
de esta manera tomar las medidas de ajuste en su caso para terminar el proyecto dentro de las
fechas comprometidas.
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Tabla 5.4 Evaluación del proyecto.
N°
Actividad
Peso en % Porcentaje
alcanzado
al corte de
evaluación
1 Conceptualización de la idea 5 Terminada
2 Esquematización del proceso 2 Terminada
3 Planteamiento del problema 2 Terminada
4 Formulación de posibles soluciones 2 Terminada
5 Fiabilidad de las soluciones 2 Terminada
6 Selección de la solución adecuada 2 Terminada
7 Planteamiento del modelo de solución en el sistema 3 Terminada
8 Planteamiento de elementos del sistema de control
(sensor, transmisor, controlador y elemento final de
control)
5 Terminada
9 Simulación de parámetros ideales del sistema 7 Terminada
10 Simulación del control del sistema con parámetros
ideales
5 Terminada
11 Desarrollo de una interfaz de monitoreo. 5 Terminada
12 Planteamiento económico dado las características del
sistema ideal
5 Terminada
13 Pruebas en el sistema real 10 Terminada
14 Planteamiento económico dado las características del
sistema real
10 *
15 Simulación del control del sistema con parámetros reales 10 *
16 Implementación del sistema de control de acuerdo a las
características del sistema real
10 *
17 Terminación del proyecto 15 *
100 *
*Las actividades restantes, se calcularán cuando se apruebe el proyecto por parte de la
empresa que adquirir el proyecto.
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5.6.3 Gráfica de Gantt del proyecto
N°
Tiempo
Actividad (Semanas)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
1 Conceptualización de la idea
2 Esquematización del proceso
3 Planteamiento del problema
4 Formulación de posibles soluciones
5 Fiabilidad de las soluciones
6 Selección de la solución adecuada
7 Planteamiento del modelo de solución en
el sistema
8 Planteamiento de elementos del sistema
de control (sensor, transmisor,
controlador y elemento final de control)
9 Simulación de parámetros ideales del
sistema
10 Simulación del control del sistema con
parámetros ideales
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N° Tiempo
(Semanas)
Actividad
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
11 Propuesta del sistema de control.
12 Desarrollo de una interface de monitoreo.
13 Planteamiento económico dado las
características del sistema ideal
14 Terminación del proyecto
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5.6.4 Costos de cada actividad (no se incluyen los materiales)
Además de los materiales que se utilizan para la instrumentación del proyecto se hace
necesario contar con el factor humano de la ingeniería en sus fases de acción, estas
actividades profesionales objeto de un contrato laboral es necesario considerarlas dentro del
costo total del proyecto, debido a que es una propuesta hecha por ingenieros que desarrollan
sus servicios profesionales fuera del ámbito de la empresa interesada.
Tabla 5.5 Costos de cada actividad
N° Actividad
Costo en pesos
1 Conceptualización de la idea $ 8,000
2 Esquematización del proceso $ 500
3 Planteamiento del problema $ 2,000
4 Formulación de posibles soluciones $ 2,000
5 Fiabilidad de las soluciones $ 3,000
6 Selección de la solución adecuada $ 2,000
7 Planteamiento del modelo de solución en el sistema $ 8,000
8 Planteamiento de elementos del sistema de control
(sensor, transmisor, controlador y elemento final de
control)
$ 2,000
9 Simulación de parámetros ideales del sistema $ 1,000
10 Simulación del control del sistema con parámetros ideales $ 1,000
11 Propuesta del sistema de control $ 3,000
12 Desarrollo de una interface de monitoreo con LabVIEW® $ 1,000
13 Planteamiento económico dado las características del
sistema ideal
$ 10,000
14 Pruebas en el sistema real $ 5,000
15 Planteamiento económico dado las características del
sistema real
$ 15,000
17 Implementación del sistema de control $ 5,000
TOTAL $68,500.00
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5.7 La evaluación económica
5.7.1 Conceptos previos
a. Depreciación: mide la desvalorización sobre la inversión en un activo fijo (exceptuando
el terreno), por el desgaste derivado de su uso. La depreciación no representa un flujo
real de dinero pero es un concepto de pérdida de valor que se descuenta como si fuera
un costo más al momento de determinar las utilidades y calcular los impuestos sobre
ellas.
b. Ciclo productivo: período que comienza con el primer desembolso para iniciar la
operación del proyecto y termina cuando los productos terminados son vendidos y su
retorno es recuperado quedando disponible para la compra de insumos que generen
otro ciclo de producción.
5.7.2 Clasificación de las inversiones
Habitualmente la mayor parte de las inversiones se realizan en el período de puesta en marcha
del proyecto. Sin embargo, no siempre esto ocurre así y hay proyectos que programan
crecimientos en el tiempo.
a. Activos fijos: bienes tangibles como terrenos, edificios, equipos, vehículos, oficinas y
equipamiento, infraestructura de servicios de apoyo (agua, energía, teléfonos). En
general todos los activos fijos están sujetos a depreciación, con excepción de los
terrenos.
b. Activos nominales: servicios o derechos adquiridos necesarios para la puesta en
marcha del proyecto como patentes, licencias, capacitación de personas, fondos para
imprevistos.
c. Capital de trabajo: en términos simples el capital de trabajo es considerado como los
recursos necesarios para la operación de un proyecto por un ciclo productivo.
En el caso del proyecto que en este trabajo se propone, proyectos de compostaje, el primer
ítem frecuentemente pasa a ser tanto o más importante que los demás. Esto debido a que el
ciclo de producción es largo, luego es una materia que requiere especial énfasis, poniéndolo en
términos prácticos.
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5.7.3 Capital de trabajo (según el ciclo productivo)
Capital de Trabajo=Ciclo Productivo × Costo Diario de Operación.
5.7.4 Financiamiento del proyecto
a. Fuentes propias: generadas por la empresa y que son las utilidades después de
impuesto y las reservas de depreciación.
Ventajas: al programar con capital propio se asume que existirá menor riesgo de
insolvencia.
b. Fuentes ajenas:
Bancos comerciales nacionales e internacionales.
Fundaciones.
Organismos internacionales.
Organismos estatales.
Créditos estatales.
Créditos de proveedores.
Leasing (arrendamiento financiero).
La elección de la fuente de financiamiento debe ser estudiada por el evaluador en el contexto.
En general, se produce que la situación más beneficiosa para el inversor es aquella que permite
pagar un crédito al final de la vida del proyecto.
En nuestro caso, se solicitará que la principal fuente de financiamiento sea una estancia
gubernamental que puede ser SAGARPA.
5.7.5 Flujos de fondos de un proyecto
Esta etapa de preparación del proyecto es la resultante de los datos obtenidos de los estudios
de mercado, técnico, legal y organizacional de los cuales se ha podido obtener los valores
esperados de ingresos, costos y el calendario de inversiones.
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El flujo de fondos requiere de esta información además de antecedentes sobre:
Tratamiento tributario de la depreciación.
Tratamiento tributario de las utilidades.
Valor residual del proyecto.
Financiamiento disponible.
A continuación, se abordarán estos aspectos, que serán la base para la evaluación económica
del proyecto, considerándolo como proyecto de inversión, de esta manera, se procederá a la
elaboración de algunos cálculos específicos.
5.7.6 Cálculo de la depreciación
Se hará primero un cálculo lineal, para estimar anualmente la depreciación del dispositivo, en el
supuesto de que el sistema se mantendrá funcionando de manera uniforme durante los cinco
años.
El costo total del presente proyecto, como ya se observó anteriormente, es de $298,495.50. El
sistema que se propone, tiene una vida de uso esperada de 5 años al cabo de los cuales se
estima que al final de los cinco años de trabajo, el dispositivo tendría un valor de $100,000.00.
El valor a depreciar entonces es de (298,495.50-100,000) en 5 años, vale decir $128,495.50/5 =
$39,699.10 anuales.
También se puede hacer una estimación más refinada, utilizando la denominada depreciación
acelerada por el método de los dígitos, la cual se hace de acuerdo con los siguientes pasos:
Se calcula un factor S:
2
1)n(nS
Donde S es un factor a aplicar y n es el número de años en los que se depreciará.
En nuestro caso, n=5 por lo tanto:
152
30
2
1)5(5S
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Por lo tanto, la depreciación de cada año se calculará como sigue:
Tabla 5.6 Cálculo de la depreciación por año
Año n/S × (Valor a depreciar del equipo) Depreciación
1 5/15 × 48495.50 16,165.16
2 4/15 × 48495.50 12,935.13
3 3/15 × 48495.50 9,699.10
4 2/15 × 48495.50 6,466.06
5 1/15 × 48495.50 3,233.03
Es más conveniente aplicar depreciación acelerada, para la evaluación del proyecto en
cuestión.
5.8 Técnicas de evaluación
La evaluación compara las corrientes, beneficio versus costos.
Las técnicas de evaluación se basan en el flujo de fondos “descontados” a tasas que les hacen
comparativos indicadores muy usados son el VAN y la TIR.
5.8.1 Algunos alcances matemáticos para comprender la tasa de descuento
Para el cálculo del valor del dinero en una inversión a plazos de interés compuesto, se utiliza la
siguiente fórmula:
VF= VP(1+i)n
VP = Valor presente
VF = Valor futuro
i = Tasa de interés
n = Número de años (o meses).
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Por otra parte, si se invierte dinero en el presente VP, y se conoce un valor futuro estimado a
una tasa de interés i. entonces, este valor presente se puede calcular despejándolo de la
fórmula anterior, como sigue:
ni)(1
VFVP
El cálculo del valor presente permite llevar flujos de distintos años base para poder operar con
ellos y obtener un resultado (positivo o negativo), y de esta manera se puede calcular tanto lo
que se conoce como el VAN (valor actual neto) del proyecto, como su TIR (tasa interna de
retorno).
5.8.2 Valor actual neto (VAN)
Es la diferencia entre los ingresos y egresos del proyecto expresado en moneda actual. Tiene la
siguiente expresión:
Dónde:
Yt = Ingresos en año t.
Et = Egresos en año t.
i = Tasa de interés.
n = Horizonte de evaluación n del proyecto.
Io = Inversión inicial.
Esta es equivalente a:
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Es importante señalar que un proyecto es conveniente cuando su VAN es mayor que cero. Que
es igual a cero no significa que no sea rentable sino que entrega igual utilidad que la inversión
alternativa. El proyecto recupera los desembolsos más el extra de ganancia que el inversionista
tiene como meta mínima.
Para esta evaluación se utiliza un tasa de interés i, que representa la rentabilidad mínima que
se le pedirá al proyecto.
5.8.3 Tasa interna de retorno (TIR)
Es la tasa de interés a la cual el proyecto iguala su VAN a cero.
Dónde:
Y = Ingresos.
E = Egresos.
r = es la tasa interna de retorno incógnita a calcular.
r es la tasa de costo de capital máxima a la que el proyecto podría acceder para que diera lo
mismo llevarlo a cabo o no. Si la TIR es mayor que el costo de capital con que se evaluaría el
proyecto, entonces el proyecto es atractivo. Si es menor, desde el punto de vista económico, no
es recomendable realizarlo.
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5.8.4 Tasa interna (TIR) Versus valor actual neto (VAN)
Al evaluar un sólo proyecto, ambas deben dar resultados complementarios. Cuando tiene más
de un proyecto para elegir podría tener seña les contrarias entre el VAN y el TIR.
Para este proyecto, se calcularán en seguida estos dos indicadores, para varios costos de
capital, es decir la factibilidad de desarrollar el proyecto del calentador y sistema de riego. Se
cuenta con una tasa de costo de capital de 1%. La legislación tributaria acepta la depreciación
acelerada. Se reitera que los costos del proyecto, serán absorbidos por la empresa que quiera
adquirir el proyecto.
También para fines de cálculo, se estima que la empresa tiene, ya descontando los egresos por
mantenimiento, un ingreso neto por año de $2,000,000.00, entonces calculamos con los datos
considerados primero el VAN a cinco años:
Se hará primero una tabla de tiempos:
Tabla 5.7 Tabla de tiempos de ingresos y tasa de inversión
Años 1 2 3 4 5
Ingresos netos $2,000,000.00 $2,000,000.00 $2,000,000.00 $2,000,000.00 $2,000,000.00
Tasa/coeficiente 0,9900 0,9802 0,9705 0,9609 0,9514
Entonces, el VAN a calcular, está dado aplicando las fórmulas anteriores de la siguiente
manera:
VAN=
50.504,657,950.495,48000,706,950.495,48)853.4(000,000,2
50.495,48)9514.09609.09705.09802.09900.0(000,000,2
50.48495)01.01(
000,000,2
)01.01(
000,000,2
)01.01(
000,000,2
)01.01(
000,000,2
01.01
000,000,250.495,48
)01.01(
120000
54
32
5
1nn
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Es decir:
VAN=$21,440.00
Como puede observarse, una evaluación a cinco años da un VAN con los datos y condiciones
ya estipulados.
Cabe señalar que aquí se ha considerado el interés del 1%, sin embargo, este puede variar., es
necesario entonces investigar cual es el interés que hay que pagar para que la inversión sea
rentable a cinco años.
Por lo tanto, es importante evaluar ahora, a partir de qué momento, la inversión empieza a ser
productiva, Para esta evaluación se calculará la Tasa Interna de Retorno o TIR de la inversión.
Por lo tanto, se hace el VAN igual a cero:
VAN=0
Es decir:
Por lo tanto lo que hay que hacer es calcular el valor de r para el cual la inversión de cumple.
Este valor de r es precisamente la tasa interna de retorno.
Para ello, se evaluará el VAN sucesivamente y en el valor de r para el cual haya cambio de
signo de positivo a negativo, se tendrá su primera aproximación.
El siguiente dígito en la aproximación, se puede hacer de dos maneras:
a).- por interpolación
b).- por aproximaciones sucesivas.
Debido a las facilidades en el cálculo que se tienen con el programa EXCEL, estas
aproximaciones se harán usando un sencillo macro.
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Anteriormente, ya se ha calculado el valor del VAN para r=0.1: calcularemos ahora el valor para
r=0.2, lo cual se hará en EXCEL, por lo que no se expondrán las operaciones explícitamente.
Para r=0.02
VAN=14462.97>0
Para r=0.03
VAN=7775.36>0
Para r=0.04
VAN=1381.11>0
Para r=0.05
VAN=-4736.17<0
Como puede observarse, la raíz de la ecuación para le TIR está entre r=0,04 r= 0.05
Entonces consideramos que r= 0.04, es la primera aproximación del valor de la tasa interna de
retorna. Se calculará ahora por aproximaciones sucesivas el siguiente dígito, usando como ya
se señaló el programa EXCEL.
Se tiene de esta manera que para:
r=0.042
VAN=136.0>0
Para r=0.043
VAN=-482.43<0
Entonces la siguiente aproximación es de r=0.043.
Por este método se podrían continuar las aproximaciones al nivel de precisión que se quisiera,
sin embargo para con esta estimación basta para considerar que la factibilidad del proyecto, es
aceptable a partir de que la tasa interna de retorno o costo de capital sea de r=4.3%.
Ahora bien, para finalizar se hace necesario señalar que las ganancias por año de $50000,
están en un mínimo. De hecho en la práctica se espera que se quintupliquen, sin embargo se
ha adoptado una ganancia conservadora, con la finalidad de que el proyecto, es totalmente
factible.
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Tabla 5.8 Tabla comparativa de diversos productos y empresas de compost
Empresa Producto Descripción del producto Presentación Precio
ANKARTE MICOROOT Producto resultado de la descomposición de materia orgánica minerales y de extractos vegetales, contiene hongos micorriza los cuales proporcionan fosforo soluble a la planta, la protege del daño de sequías, le dan mayor vigor promoviendo mayores rendimientos
1 L $220.00
Agrotecagrote
ch
Agrotechmx Producto derivado de la
biomasa del cocotero, rico en
potasio, mejora el manejo en el
tamaño de la planta.
1 Kg $17.00
Guanomeros
de México
SPR de RL
FERTIGUAN
O
biofertilizante 100% orgánico certificado, sustituto al 100% a los químicos, mejorador de suelos ,regulador d crecimiento, señalador de energía, protector de enfermedades.
1 L $260.00
HUMUS SOL HUMUS
SOLIDO
Fertilizante orgánico solido derivado de la acción digestiva de la lombriz roja californiana
1 Kg $15.00
ORGANIC
S.A. DE C.V.
BIONITRO Inoculante para semillas de maíz y gramíneas en general a base de bacterias fijadoras de Nitrógeno atmosférico, fósforo y otros elementos existentes
en el suelo.
(bolsa de 800 grs + 250 ml de adherente)
$2,080.00
IPN COMPOSTO
R
Fertilizante orgánico solido derivado de desechos vegetales, aserrín y residuos sólidos urbanos.
1 Kg $10.00
En la tabla 5.8 se realizó una búsqueda de las diferentes marcas, precios y características de
los productos fertilizantes que se encuentran en el mercado nacional, para hacer una
comparación de los existentes en el mercado vs el realizado en este trabajo.
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CONCLUSIONES
En el presente proyecto desarrollado se obtuvo una alternativa tecnológica para el
aprovechamiento de los residuos orgánicos que se generan en los desechos sólidos de la
ciudad y la zona conurbada.
El proceso de compostaje diseñado permitió acelerar la etapa de maduración al implementar un
sistema de control de temperatura y humedad que permite las condiciones apropiadas para el
desarrollo de la vida microbiana en el proceso. Comparando el tiempo con un sistema sin
control ni monitoreo se redujo de 4 meses a un mes con base a la experimentación de las
corridas.
En este proyecto se desarrolló una solución de ingeniería útil implementando tecnologías de
aplicación como software de alto nivel para la creación de instrumentos virtuales, conformando
así un sistema embebido que permita el monitoreo y control de los parámetros temperatura y
humedad los cuales son indispensables para el desarrollo del proceso de compostaje orgánico.
Se construyó la primera etapa de un sistema que logró monitorear temperatura y sólo controlar
humedad debido a la relación de estas variables ya que la instrumentación utilizada en este
proyecto fue la adecuada por los rangos de temperatura que van desde los 26°C hasta los 70°C
y el termopar que ese utilizo con las dimensiones demostró una respuesta requerida para el
proceso ya que el aumento de temperatura es algo lento por la actividad de los microrganismos.
En la parte de la humedad se desarrolló un sensor con puntas de prueba que conto los pulsos
de la conductividad de la composta y los transformo en señales digitales de 1.2V obtenidas por
la DAQ y registradas para su procesamiento que implemente una acción de control ON/OFF
para que la válvula solenoide regule la cantidad de agua.
Se eligió la instrumentación adecuada para censar las variables y se desarrollaron circuitos de
acondicionamiento de señales para poder manejar estas variables desde un sistema de
cómputo, así pues se llevó a la practica el conocimiento de los sistemas embebidos diseñando
instrumentos virtuales en el software LabView el cual es una plataforma de integración de
tecnologías computacionales, control, electrónica e instrumentación.
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RECOMENDACIONES
Fomentar una cultura de reciclaje de los residuos sólidos urbanos en los hogares y localidades
de las zonas rurales y urbanas para que se aproveche al máximo estos recursos ya que son de
mucho valor para el mantenimiento de nuestros suelos.
1.- Hacer un análisis de sistemas comparando este proyecto con sistemas que se han
desarrollado para que se tenga un enfoque de hasta donde se puede llegar con este proyecto.
2.-Investigar a fondo sobre los distintos tipos de producción del composta ya que puede ir
cambiando debido al desarrollo y aplicación de tecnologías más recientes ya que es posible
involucrarlos con el presente proyecto y poder mejorarlo.
3.-Hacer un estudio de los diferentes tipos de control ya que puede haber uno que mejor se
adecue a este tipo de procesos para abatir costos e implementar mejores arquitecturas de
control más económicas y factibles.
4.-Que se desarrolle este sistema de compostaje en diferentes localidades para generar
productos orgánicos de mayor calidad e inclusive generar empleos ya que se necesita personal
para su correcta operación.
En cuanto al sistema propuesto es importante que se genere un plan de general para el
mantenimiento con el fin primordial de que opere en las mejores condiciones posibles y se
detecten fallas o aparentes fallas en el mismo que pueden ser previstas o en su defecto
reparadas.
En una instalación de compostaje orgánico se debe llevar a cabo el mantenimiento productivo
total, ya que esta instalación, tiene el objetivo de impedir que los desechos orgánicos se
conviertan en un peligro para la salud humana, teniendo en cuenta la cantidad de residuos a
tratar, y los problemas de heterogeneidad en la composición de los residuos, con la finalidad de
disminuir el porcentaje de residuos que son llevados a los rellenos sanitarios; el compostaje es
un proceso biológico en el que sustratos orgánicos son oxidados a formas biológicamente
estables como el humus debido a la acción de una población mixta de microorganismos,
obteniéndose un producto final denominado, orgánicamente estable, libre de patógenos y
semillas de malezas, el cual puede ser aplicado de manera eficiente al suelo para mejorar sus
propiedades.
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Dicha instalación cuenta con un sistema de control en el cual intervienen actuadores como
válvulas y tubería para flujo de agua, los cuales por las condiciones del proceso necesitan
mantenimiento para prolongar su vida útil.
Verificar diariamente si hay fugas.
En caso de presentarse fugas verificar que las abrazaderas estén bien apretadas, si estas están
flojas apretarse con un desarmador plano medida 2 X 8”.
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REFERENCIAS
[1]. CEGARRA, J., Compostaje de desechos orgánicos y criterios de calidad del compost, Ed.
Palmira (1996).
[2]. EWEIS J. B., Principios de biorecuperación Tratamiento para contaminación y regeneración
de suelos y aguas subterráneas mediante procesos biológicos y fisicoquímicos, Ed. McGraw-
Hill., (1999).
[3]. HAY J.C., KUCHENRITHER R.T., "Fundamentals and Application of Windrow Composting,
Ed. Journal of Enviromental Engineering,(1990).
[4]. COOKSON J.T., Bioremediation Engineering Design and Applications, Ed. McGraw- Hill,
(1995).
[5]. González, Composta, SEDESOL,(1997).
[6]. KANE B.E., MULLINS J.T., "Thermofilic Fungi in a municipal Waste Compost System"
Mycologia, Ed. McGraw-Hill (1973).
[7]. Martin, Organismos patógenos,(1980).
[8]. HAUG. R. T, The practical Handbook of Compost Engineering, Ed. Lewis Publishers, (1993).
[9]. TCHOBANOGLOUS G., Gestión Integral de los residuos Sólidos, Vol. II, McGraw Hill,
(1993).
[10]. Marcos Arturo Rodriguez, Ana Cordova, Manual de compostaje municipal. Tratamiento de
residuos sólidos urbanos, Ed. G S.A. de C.V.(2009).
[11]. Lic. Jose Duarte, Gaceta del Gobierno de Mexico, (2009).
[12]. L. Sigauta, P. Knoblauchb, Capacidad calorífica y temperatura de Debye, UBA (2001). [13]. A. Vergnoux, M. Guiliano, Y. Le Dréau, J. Kister, N. Dupuy, P. Doumenq, Monitoring of the evolution of an industrial compost and prediction of some compost properties by NIR spectroscopy, Sciencie of Total Environment, (2008).
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LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA 107
[14]. Elmer Ccopa Rivera, Félix de Farias Junior, Daniel Ibraim Pires Atala, Rafael Ramos de Andrade, Aline Carvalho da Costa, Rubens Maciel Filho A LabVIEW-based intelligent system for monitoring of bioprocesses, 19thEuropean Symposium on Computer Aided Process Engineering (2009).
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GLOSARIO
Actinobacterias. Bacterias que jugando un importante rol en la descomposición de materia
orgánica, tales como la celulosa y quitina. Estas bacterias renuevan las reservas de nutrientes
en la tierra y son fundamentales en la formación de humus.
Actinomicetos. Clase de bacterias filamentosas consideradas durante mucho tiempo como
hongos.
Aeróbica. Organismos que necesitan del oxígeno biatómico para vivir o poder desarrollarse.
Amilasa. Enzima hidrolasa que tiene la función de digerir el glucógeno y el almidón para formar
azúcares simples.
Anaeróbica. Organismos que no utilizan oxígeno en su metabolismo.
Biodegradable. Producto o sustancia que puede descomponerse en elementos químicos
naturales por la acción de agentes biológicos.
Compost. Compuesta, composta.
Deshidrogenasa. Enzimas capaces de catalizar la oxidación o reducción de un sustrato por
sustracción o adición de dos átomos de hidrógeno.
Hifas. Elementos filamentosos cilíndricos característicos de la mayoría de los hongos.
Humectación. Acción y efecto de humedecer.
Humus. Sustancia compuesta por ciertos productos orgánicos, de naturaleza coloidal, que
proviene de la descomposición de los restos orgánicos (hongos y bacterias).
Mesofílicas. Organismos que crecen en ambiente de 20 °C hasta 40 °C.
Micorrizas. Unión simbiótica de las raíces de una planta con las hifas de determinados hongos.
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Microaerofilico. Organismo que es capaz de un crecimiento dependiente de oxígeno, pero no
puede crecer en la presencia de un nivel del oxígeno equivalente a 1 atmosfera de aire (oxigeno
de 21%).
MO. Materia orgánica.
Patógenos. Elemento o medio que origina y desarrolla las enfermedades.
Proliferar. Reproducción, multiplicación.
Protozoos. Organismos microscópicos, unicelulares que viven en ambientes húmedos o
directamente en medios acuáticos, ya sean aguas saladas o aguas dulces.
Purines. Excrementos líquidos del cerdo.
Quitina. Componentes principales de las paredes celulares de los hongos.
Simbiótica. Relación estrecha y persistente entre organismos de distintas especies.
Termófilas. Organismo que necesita temperaturas elevadas (<45°C) para su normal desarrollo.
Termofílicos. Organismos que crecen en ambiente hasta 70 °C, por encima de la temperatura
corporal de 37 °C.
Ureasa. Enzima que cataliza la hidrólisis de urea a dióxido de carbono y amoníaco.
Vermicomposta. Composta de lombrices.
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ANEXO A
Código fuente del modelado en el programa Mathlab
%declaracion de variables
a=0.01;
u=50;
cvp=6.4
cpp=6.4;
wp=0.3;
vp=0.1;
qs=0.00034;
denser=1000;
tis=373;
ts=293;
cvs=15.32;
cps=15.32;
vs=0.2;
c1=denser*cps*tis
c2=denser*cps*qs
%operaciones para la ft
k2=u*a/(u*a*cpp*wp);
k3=(denser*cps*tis-denser*cps*ts)/(u*a+denser*cps*qs);
k5=(u*a)/(u*a+denser*cps*qs)
tao1=(cvp*cpp)/(u*a+wp*cpp)
tao2=(vs*denser*cvs)/(u*a+denser*cps*qs)
ktrans1=k2*k3
s22=tao1*tao2
s11=tao1+tao2
indenpen=1-(k2*k5)
ktrans=(k2*k3/(1-k2*k5));
s2=((tao1*tao2)/(1-k2*k5));
s1=((tao1+tao2)/(1-k2*k5));
%obtencion de ft
num=[0 0 (ktrans1)]
den=[(s22) (s11) (indenpen)]
sys=tf(num,den)
rlocus(sys)
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ANEXO B
Introducción a LabView
Los programas de LabVIEW son llamados instrumentos virtuales o VIs ya que su apariencia y
operación imitan a los instrumentos físicos, como osciloscopios y multímetros. LabVIEW
contiene una extensa variedad de herramientas para adquirir, analizar, visualizar y almacenar
datos, así como herramientas para ayudarle a solucionar problemas en el código que escriba.
Cuando crea un nuevo VI verá dos ventanas - la ventana del panel frontal y el diagrama de
bloques.
Panel Frontal
Cuando abre un VI nuevo o existente, aparece la ventana del panel frontal del VI. La ventana
del panel frontal es la interfaz de usuario para el VI. La figura 1 muestra un ejemplo de una
ventana del panel frontal.
1 Ventana de Panel Frontal 2 Barra de Herramientas 3 Paleta de Controles
Figura 1. Ejemplo de un Panel Frontal
Paleta de Controles
La paleta de Controles contiene los controles e indicadores que utiliza para crear el panel
frontal. Puede tener acceso a la paleta de Controles de la ventana del panel frontal al
seleccionar View»Controls Palette o al dar clic con botón derecho en cualquier espacio en
blanco en la ventana del panel frontal. La paleta de Controles está dividida en varias categorías;
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puede exponer algunas o todas estas categorías para cumplir con sus necesidades. La figura 2
muestra la paleta de Controles con todas las categorías expuestas y la categoría Moderna
expandida.
Figura 2. Paleta de Controles
Para ver o esconder las categorías (subpaletas), seleccione el botón View en la paleta y
seleccione o anule la selección en la opción Always Visible Categories.
Controles e Indicadores
Usted crea el panel frontal con controladores e indicadores, los cuales son las terminales
interactivas de entrada y salida del VI, respectivamente. Los controles pueden ser perillas,
botones, barras deslizantes y otros dispositivos de entrada. los indicadores son gráficas, LEDs y
otras pantallas. Los controles simulan dispositivos de entrada de instrumentos y suministran
datos al diagrama de bloques del VI. Los indicadores simulan dispositivos de salida de
instrumentos y muestran los datos que diagrama de bloques adquiere o genera.
La Figura 1 tiene los siguientes objetos: dos controles: Number of Measurements and Delay
(sec). Tiene un indicador: una gráfica XY llamada Temperature Graph.
El usuario puede cambiar el valor de entrada para los controles Number of Measurements and
Delay (sec). El usuario puede ver el valor generado por el VI en el indicador Temperature
Graph. El VI genera los valores para los indicadores basados en el código creado en el
diagrama de bloques.
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Cada control o indicador tiene un tipo de datos asociado con él. Por ejemplo, el slide horizontal
Delay (sec) es un tipo de datos numérico. Los tipos de datos utilizados con mayor frecuencia
son numéricos, valor Booleano y cadena de caracteres.
Controles e Indicadores Numéricos
El tipo de datos numérico pueden representar números de varios tipos como un entero o real.
Los dos objetos numéricos comunes son el control numérico y el indicador numérico, como se
muestra en la figura 3. Los objetos como medidores y perillas también representan datos
numéricos.
1 Botones de Incremento/Reducción 2 Control Numérico 3 Indicador Numérico
Figura 3. Controles e Indicadores Numéricos
Para proporcionar o cambiar valores en un control numérico, haga clic en el botón de
incremento y reducción o haga doble clic en el número, introduzca un nuevo número y presione
la tecla.
Controles e Indicadores Booleano
El tipo de datos Booleano representa datos que solamente tienen dos estados posibles, como
TRUE y FALSE u ON y OFF. Use los controles e indicadores Booleano para proporcionar y
visualizar valores Booleano. Los objetos Booleano simulan interruptores, botones y LEDs. El
interruptor de encendido vertical y los objetos LED redondos se muestran en la figura 4.
Figura 4. Controles e Indicadores Booleano
Controles e Indicadores de Cadena de Caracteres
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El tipo de datos cadena de caracteres es una secuencia de caracteres ASCII. Use controles en
cadena para recibir texto desde el usuario como una contraseña o nombre de usuario. Use
indicadores en cadena para mostrar texto al usuario. Los objetos en cadena más comunes son
tablas y cuadros de texto, como se muestra en la figura 5.
Figura 5. Controles e Indicadores de cadena de caracteres
Diagrama de Bloques
Los objetos del diagrama de bloques incluyen terminales, subVIs, funciones, constantes,
estructuras y cables, los cuales transfieren datos junto con otros objetos del diagrama de
bloques.
1 Terminales de Indicador 2 Cables 3 Nodos 4 Terminales de Control
Figura 6. Ejemplo de un Diagrama de Bloques y Panel Frontal Correspondiente
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Ventana del Diagrama de Bloques
Después de que crea la ventana del panel frontal, añade código usando representaciones
gráficas de funciones para controlar los objetos del panel frontal. La ventana del diagrama de
bloques contiene este código de fuente gráfica.
Figura 7. Diagrama de Bloques
Terminales
Los objetos en la ventana del panel frontal aparecen como terminales en el diagrama de
bloques. Las terminales son puertos de entrada y salida que intercambian información entre el
panel frontal y diagrama de bloques. Las terminales son análogos a parámetros y constantes en
lenguajes de programación basados en texto. Los tipos de terminales incluyen terminales de
control o indicador y terminales de nodo. Las terminales de control e indicador pertenecen a los
controles e indicadores del panel frontal. Los datos que usted proporciona en los controles del
panel frontal (a y b en el panel frontal anterior) pasan al diagrama de bloques a través de las
terminales de control. Entonces los datos ingresan las funciones de Suma y Resta. Cuando las
funciones de Suma y Resta terminan sus cálculos, producen nuevos valores de datos. Los
valores de datos van a las terminales de indicador, donde actualizan los indicadores del panel
frontal (a+b y a-b en el panel frontal anterior).
Controles, Indicadores y Constantes
Los controles, indicadores y constantes se comportan como entradas y salidas del algoritmo del
diagrama de bloques. Considere la implementación del algoritmo para el área de un triángulo:
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Área = .5 * Base * Altura
En este algoritmo, Base y Altura son entradas y Área es una salida, como se muestra en la
figura 8.
Figura 8. Panel Frontal del Área de un Triángulo
El usuario no cambiará o tendrá acceso a la constante .5, así que no aparecerá en el panel
frontal a menos que se incluya como documentación del algoritmo.
La figura 9 muestra una posible implementación de este algoritmo en un diagrama de bloques
de LabVIEW. Este diagrama de bloques tiene cuatro terminales diferentes creadas por dos
controles, una constante y un indicador.
1 Controles 2 Indicador 3 Constante
Figura 9. Diagrama de Bloques del Área de un Triángulo con Vista de Terminal de Ícono
Note que las terminales del diagrama de bloques Base (cm) y Altura (cm) tienen una apariencia
diferente de la terminal Área (cm2). Existen dos características distintivas entre un control y un
indicador en el diagrama de bloques. La primera es una flecha en la terminal que indica la
dirección del flujo de datos. Los controles tienen flechas que muestran los datos que salen de la
terminal, mientras que el indicador tiene una flecha que muestra los datos que entran a la
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terminal. La segunda característica distintiva es el borde alrededor de la terminal. Los controles
tienen un borde grueso y los indicadores tienen un borde delgado.
Puede ver terminales con o sin vista de íconos. La figura 10 muestra el mismo diagrama de
bloques sin usar la vista de ícono de las terminales; sin embargo existen las mismas
características distintivas entre los controles y los indicadores.
Figura 10. Diagrama de Bloques del Área de un Triángulo sin Vista de Terminal de Ícono
Nodos de Diagrama de Bloques
Los nodos son objetos en el diagrama de bloques que tienen entradas y/o salidas y realizan
operaciones cuando el VI se ejecuta. Son análogos a instrucciones, operaciones, funciones y
sub rutinas en lenguajes de programación basados en texto. Los nodos pueden ser funciones,
subVIs o estructuras. Las estructuras son elementos de control de procesos, como Estructuras
de Casos, Ciclos For o Ciclos While. Las funciones de Suma y Resta en la Figura 6 son nodos
de función.
Funciones
Las funciones son los elementos de operación fundamentales de LabVIEW. Las funciones no
tienen ventanas del panel frontal o ventanas del diagrama de bloques pero no tienen paneles
conectores. Al hacer doble clic en la función solamente selecciona la función. Una función tiene
un fondo amarillo pálido en su ícono.
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SubVIs
Los subVIs son VIs que usted crea para usar dentro de otro VI o que usted tiene acceso en la
paleta de Funciones. Un subVI es similar a una función en un lenguaje de programación basado
en texto.
Cualquier VI tiene el potencial para ser usado como un subVI. Cuando hace doble clic en un
subVI en el diagrama de bloques, aparece la ventana del panel frontal. El panel frontal incluye
controles e indicadores. El diagrama de bloques incluye cables, íconos, funciones, subVIs
probables u otros objetos de LabVIEW.
Cada VI muestra un ícono en la esquina superior derecha de la ventana del panel frontal y la
ventana del diagrama de bloques. Un ejemplo del ícono predeterminado se muestra arriba. Un
ícono es una representación gráfica de un VI. El ícono puede contener texto e imágenes. Si usa
un VI como un subVI, el ícono identifica al subVI en el diagrama de bloques del VI. El ícono
predeterminado contiene un número que indica cuántos nuevos VI abrió después de iniciar
LabVIEW.
Para usar un VI como un subVI, necesita construir un panel conector, como se muestra arriba.
El panel conector es un conjunto de terminales en el ícono que corresponde a los controles e
indicadores de ese VI, similares a la lista de parámetros de una función llamada en lenguajes de
programación basados en texto. Obtenga acceso al panel conector al dar clic con botón
derecho en el ícono en la parte superior derecha de la ventana del panel frontal. Usted puede
tener acceso al panel conector desde el ícono en la ventana del diagrama de bloques.
Los subVIs también pueden ser Express VIs. Los Express VIs son nodos que requieren
cableado mínimo ya que usted los configura con ventanas de diálogo. Use Express VIs para
tareas de medidas comunes. Puede guardar la configuración de un Express Vi como un subVI.
Consulte el tema de Express VI de LabVIEW Help para más información sobre crear un subVI
desde una configuración de Express VI.
LabVIEW utiliza los íconos de colores para distinguir entre Express Vis y otros VIs en el
diagrama de bloques. Los íconos para Express VIs aparecen en el diagrama de bloques como
íconos rodeados por un campo azul y los íconos de subVIs tienen un campo amarillo.
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Paleta de Funciones
La paleta de Funciones contiene los VIs, funciones y constantes que usted utiliza para crear el
diagrama de bloques. Usted tiene acceso a la paleta de Funciones del diagrama de bloques al
seleccionar View»Functions Palette. La paleta de Funciones está dividida en varias categorías;
usted puede mostrar y esconder categorías para cumplir con sus necesidades. La figura. 11.
muestra la paleta de Funciones con todas las categorías expuestas y la categoría de
Programación expandida.
Figura 11. Paleta de Funciones
Para ver o esconder categorías, haga clic en el botón View en la paleta y seleccione o anule la
selección en la opción Change Visible Categories.
Buscar Controles, VIs y Funciones
Cuando usted selecciona View»Controls o View»Functions para abrir las paletas Controles y
Funciones, aparecen dos botones en la parte superior de la paleta.
Search—Cambia la paleta para el modo buscar, así usted puede realizar búsquedas basadas
en texto para ubicar los controles, VIs o funciones en las paletas. Mientras una paleta está en
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modo de búsqueda, haga clic en el botón Return para salir del modo de búsqueda y regresar a
la paleta.
View—Proporciona opciones para seleccionar un formato para la paleta actual, mostrar y
esconder categorías para todas las paletas y clasificar alfabéticamente elementos en los
formatos de Texto y Árbol. Seleccione Options del menú de acceso directo para mostrar la
página Controls/Functions Palettes de la ventana de diálogo Options, en la cual puede
seleccionar un formato para todas las paletas. Este botón aparece solamente si hace clic en la
tachuela en la esquina superior izquierda para prender la paleta.
Hasta que se familiarice con la ubicación de los VIs y funciones, busque la función o VI usando
el botón Search. Por ejemplo, si desea encontrar la función Random Number, haga clic en el
botón Search en la barra de herramientas de la paleta de Funciones y comience a escribir
Random Number en la ventana de diálogo en la parte superior de la paleta. LabVIEW enlista
todos los elementos parecidos que comienzan con o contienen el texto que escribió. Puede dar
clic en alguno de los resultados de búsqueda y arrástrelo al diagrama de bloques, como se
muestra en la figura 12.
Figura 12. Buscar un Objeto en la Paleta de Funciones
Haga doble clic en el resultado de la búsqueda para identificar su ubicación en la paleta.
Una vez con el conocimiento de los parámetros y la obtención de los resultados del proceso
manual de la elaboración de la composta, se procede a implementar instrumentación para
sensar las variables y así poder obtener datos de forma más sofisticada y útil con el uso de
Labview.
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ANEXO C
Estudio realizado, a una fracción de la composta manufacturada, en el Centro Internacional de
Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT)
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