Estudiantes: Daniel Alfonso García Lozano

Ricardo García Villamarín

Juan Sebastián Olivares Sánchez

Directores: Ing. Carlos Humberto Galeano

Ing. Juan Miguel Mantilla

AUTOMATIZACIÓN Y PUESTA A PUNTO DE UN

BANCO DE PRUEBAS PARA EXPANSIÓN DE

LÍQUIDOS

Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica

Línea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico

XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS

ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN

•La realización del banco surgió a partir de los requerimientos de una

empresa de determinar el punto de ebullición de ciertos refrigerantes

utilizados en automóviles.

•Según normas internacionales ASME y SAE, la determinación del

punto de ebullición de refrigerantes se realiza a presión atmosférica, no

existe documentación de pruebas para distintas presiones.

•El estudio del proceso de ebullición es un aporte a la formación

académica, de los estudiantes del departamento y de la facultad, en el

área de las ciencias térmicas, desarrollando un laboratorio

experimental en dicho campo.

FINANCIADOR: Grupo Investigación Biocombustibles Energías y Medio Ambiente

VALOR DEL PROYECTO: $3.500.000

TIEMPO DE DESARROLLO: Seis Meses

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

•Caracterización de un fluido, determinando su coeficiente de

expansión térmica y obteniendo la relación entre Temperatura y

Volumen cuando se somete a un proceso de calentamiento a presión

constante.

•Medición de variables importantes en el proceso tales como

Temperatura, Volumen y Presión.

•Automatización de la lectura de datos y el control de los movimientos

de la maquina, con el fin de obtener resultados mas precisos.

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

•Utilidad pedagógica para realización de pruebas de laboratorio en las

áreas de termodinámica y transferencia de calor.

• Facilidad de operación para el uso por parte de los estudiantes.

• Protección de los usuarios.

• Selección de la presión del fluido en la prueba.

• Control de posición manual.

• Control de presión automático.

• Medición de variables y trazado de curva T vs. V.

ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA (BENCHMARKING)

En Colombia no se encuentra ninguna empresa que fabrique este tipo

de equipamientos para la educación en ingeniería, pero en países

como Estados Unidos, Alemania, Inglaterra, se encuentran algunas

empresas que fabrican y comercializan equipos para la enseñanza en

las áreas de ingeniería, ciencias básicas y ciencias de la salud.

La empresa GUNT Hamburg en Alemania y la empresa TecQuipment

en Inglaterra, cuentan con dos equipos que sirven para determinar el

punto de ebullición en líquidos a presión atmosférica y con las cuales

se pueden estudiar los procesos de evaporación.

DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL

GENERACIÓN DEL CONCEPTO

En el banco de pruebas se tiene una cámara en la cual se

va contener el fluido de trabajo, esta cámara cuenta con un

volumen que puede cambiar de acuerdo a las necesidades

de la prueba.

Si se le induce al fluido calor incrementando la temperatura

del mismo, el fluido tiende a expandirse y para que la

presión del fluido sea constante una de las caras de la

cámara debe desplazarse aumentando así el volumen

contenedor del fluido.

GENERACIÓN DEL CONCEPTO

El funcionamiento de este sistema se da por un lazo

cerrado, en el cual se calienta el fluido por medio de las

resistencias, a medida que el fluido intente aumentar su

presión, el pistón es desplazado por medio del tornillo de

potencia aumentando así el volumen, dando como

resultado que la presión se mantenga constante.

DESARROLLO DE LA IDEA

A partir del requerimiento de determinar el punto de

ebullición de ciertos refrigerantes, surgió la idea de diseñar

un banco con la posibilidad de seleccionar una presión y

mantenerla constante, siendo viable la obtención de la

grafica Temperatura-Volumen.

La idea se complemento después al observarse que las

pruebas de este banco darán un aporte a la formación

académica al complementar los estudios en los procesos

de ebullición y las propiedades de los fluidos en estos

procesos.

PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y

JUSTIFICACIÓN

• Cámara de fluido.

Tubo de cobre horizontal y pistón metálico. Evacuación del aire

contenido inicialmente en la cámara y facilidad para el control de la

presión.

• Sistema de transmisión.

Correa sincrónica. Precisión en el control de la posición del motor.

Motorreductor con encoder. Medición de la posición y

controlabilidad.

• Sistema de calentamiento.

Tres resistencias helicoidales. Distribución del calor dentro del tubo.

GENERACIÓN DEL PRODUCTO

La construcción del banco fue realizada en la Universidad

Nacional de Colombia, contiene piezas mecanizadas, piezas

estándar seleccionadas, y componentes electrónicos.

DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA

La máquina cuenta con los siguientes componentes.

• Sistema de medición de variables (presión, temperatura

y volumen de la cámara).

• Sistema de transmisión con control automático.

• Sistema de seguridad. Protección contra quemaduras y

lesiones físicas.

• Sistema de adquisición y procesamiento de datos.

DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA

APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO

No se encontró documentación publica o comercial, de

un Banco de Expansión de líquidos, en el cual se pueda

determinar el comportamiento Temperatura Volumen,

para distintas Presiones.

La apertura de un nuevo campo de investigación en

Ciencias Térmicas en la Facultad de Ingeniería de la

Universidad Nacional de Colombia.

ANÁLISIS ECONÓMICO

• Para verificar el costo de un sistema similar se realizo

una cotización de los bancos de pruebas, los cuales

determinan el punto de ebullición en los líquidos pero

solamente a presión atmosférica, de la empresa GUNT

Hamburg; el costo de dichos bancos oscila entre 40 y 50

Millones de Pesos.

• En cuanto al banco de pruebas diseñado en la

Universidad Nacional, se contó con financiación por

parte del Grupo de Investigación en Biocombustibles,

Energías y Medio Ambiente. El costo aproximado de

fabricación fue de $3’500.000 pesos.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• En el proceso de diseño es importante seguir una metodología

clara y bien definida, para que el resultado sea el esperado.

• La asignatura Proyecto Interdisciplinario contribuye a la

formación de los futuros ingenieros, ya que permite poner en

practica los conceptos adquiridos académicamente.

• Las Ciencias Térmicas son un campo de investigación muy

amplio, y con este prototipo se busca incrementar su estudio

en la Facultad.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y HERRAMIENTAS DE

INGENIERÍA EMPLEADAS

NORTON, Diseño de Maquinas

SHIGLEY, Diseño en Ingeniería Mecánica

TIMOSHENKO, Mecánica de Materiales

INCROPERA, Transferencia de Calor

CENGEL, Termodinámica

Software:

LABVIEW 8.6

SOLID WORKS 2009

COSMOS 2009

MATLAB 2009

TK SOLVER 5

¿PREGUNTAS?

GRACIAS POR SU ATENCIÓN