La Utilidad de Los Macros Para El Diseño, Cálculo y Especificación de Tuberías y Bombas.

LA UTILIDAD DE LOS MACROS PARA EL DISEÑO, CÁLCULO Y ESPECIFICACIÓN DE TUBERÍAS Y BOMBAS.

Dominga Ortiz Bautista*a, Eduardo Vázquez Zamora a, José Antonio Zamora Plata a Raúl Ramón Mora Hernández

a Ingeniería Química, Facultad de Estudios Superiores Zaragoza Prol. Plutarco Elías Calles s/n. col. Ejército de Oriente. Iztapalapa, D.F., 09230, México

[email protected] Resumen Los macros son programas que se desarrollan utilizando Excel en el modo de programación con Visual Basic; son una herramienta muy útil para resolver problemas en donde se requieren realizar cálculos repetitivos y tediosos; para ello se hace uso de los métodos numéricos que al operar de manera iterativa dan solución a la mayoría de los problemas. No obstante que los cálculos son sencillos, el hecho de realizar un gran número de operaciones, precisa el empleo de la computadora y los programas o macros en Excel. También, con el uso de la computadora se facilita la implementación de recursos digitales que permiten obtener mejores resultados y con ello una interpretación más adecuada. Actualmente existen en el medio comercial una extensa producción de programas o paquetes de cómputo destinados a la resolución de problemas de ingeniería que hacen uso de algún lenguaje de programación. El alumno que aprende a utilizar y generar macros en Excel tiene un ahorro económico en el uso del software y al mismo tiempo adquiere una visión más amplia sobre el diseño de programas de ingeniería que mas tarde tendrá que enfrentar en el campo laboral. Es importante que el alumno no se olvide de resolver los problemas a mano, en casa o durante clases, para que siga desarrollando la capacidad de análisis e interpretación de los resultados; para que luego los programe y compare los cálculos obtenidos a mano con los obtenidos por la computadora. Introducción El propósito principal de este trabajo es que el estudiante aplique los conocimientos y habilidades en la solución de problemas de flujo de fluidos, comparando los resultados de problemas hechos en clase con los de la computadora. El ambiente familiar de Excel permite al estudiante explorar los principios, leyes y teorías de la mecánica de fluidos de una forma rápida y sencilla, resaltando una comprensión completa de los principios implicados. Además los macros permiten optimizar el tiempo involucrado en la resolución de problemas difíciles en el tiempo normal de clase. Incluso con la ventaja de que se puede obtener la representación gráfica de varios problemas; como son cálculo de bombas y dimensionamiento de líneas, de ahí que los macros pueden ser una herramienta didáctica con gran potencial, aún aplicable en otros campos de la ingeniería química, como son sistemas de ecuaciones lineales, aplicaciones de balances de masa y energía, evaluaciones económicas y estudios técnicos y financieros con aplicaciones en la industria química. Metodología Se seleccionaron los problemas que estarían en el trabajo, entre ellos están cálculo de diámetros internos y áreas de tubería, cálculo de caudales en ramales, caídas de presión, pérdidas por fricción, y factores de fricción. Luego se desarrollan los problemas en clase y otros se dejan para tarea en casa.

Memorias del XXXIV Encuentro Nacional y III Congreso Internacional de la AMIDIQ7 al 10 de mayo de 2013, Mazatlán, Sinaloa, México

© 2013 Academia Mexicana de Investigación y Docencia en Ingeniería Química (AMIDIQ)ISBN: 978-607-95593-1-1

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Se utilizan métodos numéricos iterativos para resolver los problemas seleccionados desde los más simples hasta los más complejos. El material presentado está estructurado de tal forma que el estudiante refuerza sus conocimientos de flujo de fluidos y utiliza una herramienta básica que tiene una aplicación inmediata. En todo problema de flujo de fluidos seleccionado se debe seguir una metodología:

1. Realizar un diagrama para ayudar con la visualización física del proceso; y sobre el diagrama se proporcionada la información de manera descriptiva.

2. Especificar las propiedades físicas del fluido y las características de la tubería 3. Identificar las leyes y ecuaciones fundamentales que resuelven el problema, y

finalmente 4. Interpretar los resultados

Se procedió a realizar las hojas de cálculo en Excel con la metodología mencionada, y se verifico lo realizado en clase con los resultados obtenidos Resultados Se elaboró un cuaderno con problemas resueltos para el cálculo de diámetro óptimo de tuberías, cálculo de caudales, velocidades en tuberías, calculo de sistemas de bombeo, bombas en serie y en paralelo. Los problemas se resolvieron con programas utilizando Visual Basic y Excel. También se realizó la investigación del comportamiento de los flujos incompresibles y el funcionamiento de bombas y compresores, así como las ecuaciones que rigen cada uno de estos equipos. Confirmando que todos los cálculos de la materia de flujo de fluidos se pueden realizar en macros en Excel y también se observó que éstos se realizan de una manera más rápida, sobre todo en la elaboración de gráficas, ya que en clase se consume mucho tiempo. Se facilitó el cálculo en diferentes equipos, con diversos fluidos y diferentes condiciones de operación de manera rápida. Ejemplos de aplicación: Siguiendo la Metodología antes mencionada, se aplica métodos numéricos en la solución de un problema. Ejemplo 1. En una planta de proceso un tanque alimenta agua a un tanque de dilución y a un tanque lavador. Calcular el gasto volumétrico que circula por el sistema

Propiedades

del fluido Densidad = 62.37

lb/ft3 P atm = 1627.2

lbf/ft2 Datos de la tubería

Diámetro D interno (ft)

Área (ft2) Longitud (ft)

1” 0.08741 0.006

47

2” 0.1722 0.0233

40

4” 0.3354 0.0884

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Fig. 1 Diagrama del proceso Fig. 2 Propiedades del fluido y características de la tubería

Con estos datos se procede a utilizar la hoja de Excel que permite seleccionar la aplicación a través de un botón de comando. Las pantallas del programa se muestran en las siguientes figuras.



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Fig. 3 Inicio del macro de cálculo de problemas de flujo de fluidos

Fig. 4 Cálculo de coeficientes de resistencias

Fig. 5. Balances de energía Tanto los balances de energía y la obtención de resultados se obtienen por un método iterativo, y que en macros se realiza de manera más eficiente, ya que se presentan las cifras decimales, mostrando la convergencia y garantizando buenos resultados.



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Ejemplo 2. Para el caso muy particular de bombas se determinó el funcionamiento de una y dos bombas en serie y paralelo; así como las curvas del sistema analizado cada uno de los arreglos. A continuación la presentación de la hoja de cálculo, primero se realizo para cada una de las bombas, y luego se hizo funcionando en serie y en paralelo, y también se logra visualizar la representación gráfica de cada sistema, esto se logra de una manera rápida e instantánea.

Fig. 6 Diagrama de procesos de arrglo de bombas

Fig. 7 Bombas en serie y hoja de calculo

En Excel, tambien es posible desarrollar la base teórica de los problemas que se desean calcular en donde se dan los conceptos teóricos y que el alumno pueda consultar de una manera rápida, las ecuaciones que va a emplear.



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Fig. 8 Ecuaciones y conceptos básicos para elaboración de cálculos.

Fig. 9 Curva de las bombas vs curvas del sistema Fig. 10 Representación gráfica de las combas

Los datos obtenidos con las graficas de la hoja de Excel son muy exactos y así es posible obtener los resultados finales de potencia hidráulica y potencia real de la bomba.



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Fig. 11 Resultados obtenidos con las gráficas en la intersección

de las curvas de las bombas contra curva del sistema Conclusiones En los ejemplos, se observa claramente como un problema en que se aplica conceptos sencillos de flujo de fluidos y que no obstante la solución implica cálculos matemáticos muy complejos y además el estudiante tiene que aplicar y manejar métodos numéricos, modelos matemáticos buscar información tales como propiedades de los fluidos y características de la tubería, todo ello lleva tiempo cuando se trata de resolver los problemas en el aula de clases, entonces los problemas se resuelven más fácilmente en una hoja de cálculo, y es posible que el estudiante pueda hacer modificaciones en los datos dados y con respuestas inmediatas, así se pueden comprender e interpretar mejor los resultados. Agradecimiento: Por el financiamiento aprobado por Dirección General de Asuntos del Personal Académico (DGAPA) UNAM, Proyecto PAPIME 112703. Referencia 1. CRANE Flow of fluids through valves fittings an pipe, Technical paper No. 410 sixteenth printing,

(1980). 2. Hicks G. Tyler, T.W. Edwards, P.E. Pumps Application Engineering, McGraw Hill. USA (1971). 3. Ludwig E. Ernest Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants Gulf Publishing

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