revista científica cedit 2008

Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT Página 2

REVISTA CIENTIFICA CEDIT

CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACIÓN EN TERMOFLUIDOS CEDIT

Número 3 2008

Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Universidad del Perú , Decana de América)


UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

EAP INGENIERÍA MECÁNICA DE FLUIDOS

CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION EN TERMOFLUIDOS - CEDIT

REVISTA CIENTIFICA CEDIT

Dr. Luis Izquierdo Vásquez

Rector

Dr. Víctor Peña Rodríguez Vicerrector Académico

Dra. Aurora Marrou Roldán Vicerrectora de Investigación

Dr. Jorge Bravo Cabrejos

Decano de la Facultad de Ciencias Físicas

MSc. Ing. Sissi Santos Hurtado Director (a) de E.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos

COMITE EDITOR 2008

Centro de Publicación CEDIT

ASESORES

Ing. Andrés Valderrama Romero Ph. D.

Ing. José Aguilar Bardales Ing. Miguel Ángel Ormeño Valeriano Ph. D. Ing. Emanuel Jesús Guzmán Zorrilla.

La Revista de Investigación del Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT de la E.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos publica trabajos realizados por los docentes, estudiantes y egresados investigadores de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos

Para solicitar información, dirigirse a: E.A.P Ingeniería Mecánica de Fluidos UNMSM Ciudad Universitaria Av. Venezuela Cdra. 34 s/n Lima 1 Perú Apartado postal 14-0149 Lima 14- Perú Teléfono (51-1) 6197000 anexo 3819 / 3810 /3806

AÑO 2006

Edición Nº1


Email: [email protected] ___________________________________________________________________________________

REVISTA CIENTIFICA CEDIT _________________________________________________________________________________________________________

2008 NUMERO 3

INDICE

PRESENTACIÓN................................................................................................................................................. Pág. 5

CONSTRUCCIÓN DE UN GENERADOR DE OLAS ................................................................................................. Pág. 6 ARTIFICIALES ESTATICAS .................................................................................................................................... Pág. 6 CONSTRUCTION OF AN ARTIFICIAL STATIC WAVE GENERATOR ...................................................................... Pág. 6 Emanuel Guzmán, Eder Salcedo, Dennis Casas, Jimmy Mendoza, Héctor Alcalde ......................................... Pág. 6

CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SECADOR SOLAR POR CONVECCIÓN NATURAL PARA EL SECADO DE PLANTAS MEDICINALES NO TRADICIONALES ................................................................................................. Pág. 18 CALCULATION AND CONSTRUCTION OF A SOLAR DRYER BY NATURAL CONVECTION FOR DRYING OF NON-TRADITIONAL MEDICINAL PLANTS .................................................................................................................. Pág. 18 Clodoaldo Sivipaucar, Herve Curo, Eder Huancahuari, Víctor Llantoy, & Andrés Valderrama ....................... Pág. 18

ESTUDIO DE LOS NIVELES DE RUIDO EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE SAN MARCOS – LIMA ................ Pág. 31 STUDY OF NOISE LEVELS IN SAN MARCOS CAMPUS – LIMA .......................................................................... Pág. 31 Lorena Olivera, Jairo Pinedo, Rubén Romero, José Pizarro, Felipe Ancajima, Andrés Valderrama .............. Pág. 31

VALIDACIÓN DEL MÉTODO DE TUBOS PASIVOS CON FILTROS COLECTORES PARA DETERMINAR LA CONCENTRACIÓN DE MATERIAL SÓLIDO SEDIMENTABLE EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE SAN MARCOS ............................................................................................................................................................................ Pág. 42 VALIDATION OF THE METHOD OF PASSIVE PIPES WITH FILTERS COLLECTORS TO DETERMINE THE CONCENTRATION OF SOLID MATERIAL SEDIMENTABLE IN THE UNIVERSITY CAMPUS OF SAN FRAMEWORKS ............................................................................................................................................................................ Pág. 42 José Huallaro B., Héctor Laos V., Fred Gutarra D., Mileydi Cabrera R. & Andrés Valderrama R.................... Pág. 42 ESTUDIO COMPARATIVO PARA LA DETERMINACION DEL POLVO ATMOSFÉRICO SEDIMENTABLE EMPLEANDO LAS METODOLOGÍAS DE TUBO PASIVO Y DE PLACAS RECEPTORAS EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE SAN MARCOS – LIMA ................................................................................................................................................. Pág. 49 COMPARATIVE STUDY FOR THE DETERMINACION OF THE ATMOSPHERIC DUST SEDIMENTABLE EMPLOYING THE METHODOLOGIES OF PASSIVE PIPE AND OF PLATES RECEPTORAS IN THE UNIVERSITY CAMPUS OF SAN MARCOSS – LIMA ............................................................................................................................................... Pág. 49 Rubén Marcos, Mileydi Cabrera, Héctor Laos, Dalma Mamani & Andrés Valderrama ................................... Pág. 49

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COCINAS NO CONVENCIONALES PARA LA COMBUSTIÓN ÓPTIMA DE MEZCLAS DE PETRÓLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, GIRASOL Y ALGODÓN .................................................... Pág. 59 DESIGN AND CONSTRUCTION OF NOT CONVENTIONAL KITCHENS FOR THE OPTIMUM COMBUSTION OF MIXTURES OF DIESEL FUEL 2 WITH BIODIESEL OF SOY, SUNFLOWER AND COTTON .................................. Pág. 59 Rubén Marcos, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas, Andrés Valderrama ............................ Pág. 59

INVESTIGACION DE LA INFLUENCIA DE LA LENGÜETA DEL VENTILADOR RADIAL EN SUS CARACTERISTICAS ACUSTICAS Y AERODINAMICAS ........................................................................................................................ Pág. 71 INVESTIGATION OF INFLUENCE OF CENTRIFUGAL FAN TONGUE UPON ACOUSTIC AND AERODYNAMIC CHARACTERCTICS .............................................................................................................................................. Pág. 71 M.A. Ormeño Valeriano, S. V. Tsulimov, A.K. Ivanov ....................................................................................... Pág. 71


PRESENTACIÓN

La Investigación Científica como parte del proceso de enseñanza-aprendizaje, provee al estudiante de los caminos lógicos del pensamiento científico, que resultan imprescindibles para el desarrollo de las capacidades cognoscitivas en especial las creadoras, con las que el estudiante se apropia de conceptos, leyes y teorías que les permiten profundizar en la esencia de los fenómenos con ayuda del método investigativo, como vía fundamental del enriquecimiento del conocimiento científico. En esta oportunidad nos complace en presentar a la comunidad universitaria la tercera edición del Informe Científico de Investigación CEDIT de la E.A.P. Ingeniería Mecánica de Fluidos de la Facultad de Ciencias Físicas, parte de difusión del esforzado trabajo de investigación realizado por los docentes , estudiantes y egresados investigadores de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Hacemos Público nuestro agradecimiento a todos los autores por su desplegado desempeño para publicar sus trabajos, Además Debemos agradecer a las personas que han colaborado en la evaluación y revisión de los artículos tanto en el aspecto técnico como estilo, a fin de garantizar la calidad académica y científica. Asimismo, agradecemos al Ing. José Aguilar Bardales por el apoyo incondicional mostrado durante estos años.

Lima-Perú

2008


CONSTRUCCIÓN DE UN GENERADOR DE OLAS ARTIFICIALES ESTATICAS CONSTRUCTION OF AN ARTIFICIAL STATIC WAVE GENERATOR

Emanuel Guzmán, Eder Salcedo, Dennis Casas, Jimmy Mendoza, Héctor Alcalde

______________________________________________________________________________________

RESUMEN El planteamiento central del presente proyecto consiste en el diseño y construcción de un modelo a menor escala de un generador de olas artificiales estáticas. Actualmente existen grandes centros turísticos de recreación ubicadas en diversas partes del mundo como Norteamérica, Asia y Europa, que contienen atracciones como las piscinas de olas artificiales. Un ejemplo de ello es un modelo generador de olas artificiales llamado “Bruticus Maximus”, ubicado en San Francisco – Estados Unidos, este modelo genera una ola estática de hasta 2.5 metros a una velocidad de 50 kilómetros por hora y con un caudal de casi medio millón de litros por minuto. Esta atracción genera ganancias millonarias anuales y además ha revitalizado turísticamente el otrora decaído Parque Belmont, lugar donde queda ubicada la atracción. En este proyecto consiste en el diseño y construcción de un generador de olas artificiales a menor escala a través de diversas herramientas como: creación de maquetas y manejo de canales de pendiente variable. Los datos obtenidos luego son procesados para simular el funcionamiento de una ola estática a través de un modelamiento numérico y finalmente construirlo en tamaño real.

ABSTRACT

The main idea of this project is model’s construction and design of static artificial wave generator. Currently there are big tourist attractions located in different parts of the world such as North America, Asia, and Europe, which have got attractions as artificial wave pools. An example of that could be an artificial wave generator called: “Bruticus Maximums”, located in Saint Francisco-USA, this kind of pool generates artificial waves of 2.5 meters, 50 kilometres per hour and a half million litres per minute. This attraction produces millions in profits per year and it has revitalized the old Belmont’s Park. The present project shows the construction of a scale model with different tools such as: variable decline canal and different scale models. Then, some data are processed to simulate the waves using numerical modelling software to finally construct the generator in real size.

_______________________________________________________________________________________

INTRODUCCIÓN Actualmente existen grandes centros turísticos de recreación ubicadas en diversas partes del mundo como Norteamérica, Asia y Europa, que presentan como sus principales atracciones: las piscinas de olas artificiales. Precisamente se espera, al finalizar el proyecto, conocer los parámetros de funcionamiento de un generador de olas artificiales estáticas para fundamentar el diseño un módulo experimental funcional a escala.

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO Para poder realizar con éxito nuestro estudio es necesario responder estas preguntas, de esta manera, se plantean posibles soluciones a nuestras interrogantes, primero responderemos la pregunta ¿Qué velocidad debe tener el agua para sostener al surfista? Y para ello necesitamos saber ¿Qué hace que el agua sostenga al sufista en la superficie inclinada.

FORMULACIÓN DE OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL Generar un modelo a escala de un generador de olas artificiales. OBJETIVO ESPECÍFICO Calcular los parámetros de diseño para este modelo a escala, tales como: Radio de curvatura, caudal mínimo para que se pueda sostener un surfista, entre otros.

FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS Hipótesis 1. El movimiento del surfista en la delgada

capa de agua se debe a la gran velocidad

Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos CEDIT

del agua y la fuerza de arrastre que esta produce.

2. Se realizará un módulo experimental del cual se obtendrá un modelo en computadora.

3. Se construirá un canal de pendiente para analizar factores como rozamiento y fuerza de arrastre.

4. Se analizará el modelo en computadora y junto con los datos del canal se obtendrá las velocidades con la cual se debe lanzar el agua.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Fuerza de arrastre La fuerza de arrastre se define como la un objeto sólido y el fluido (un líquidoque se mueve. Para un sólido que se mueve por un fluido o gas, el arrastre es la suma de todas las fuerzas aerodinámicas o hidrodinámicasdirección del flujo del fluido externo. Por tanto, actúa opuestamente al movimiento del objeto, y en un vehículo motorizado esto se resuelve con el Pérdida de carga La perdida de carga en una tubería o pérdida de energía dinámica del fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las contiene.Pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidental o localizada, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una etc. Pérdida de carga en conducto rectilíneo Si el flujo es uniforme, es decir que la sección es constante, y por lo tanto la velocidad también es constante, el Principio de Bernoulli, entre dos puntos puede escribirse de la siguiente forma:

Donde:

= constante gravitatoria = altura geométrica en la dirección de la

gravedad en la sección ó = presión a lo largo de la línea de

corriente = densidad del fluido

: pérdida de carga; la distancia entre las secciones 1 y 2; y, gradiente o pendiente piezométrica, valor que se determina empíricamente para los diversos tipos de material, y es función del radio hidráulico y de la rugosidad


del agua y la fuerza de arrastre que esta

dulo experimental del cual se obtendrá un modelo en computadora.

canal de pendiente para analizar factores como rozamiento y fuerza de arrastre.

el modelo en computadora y junto con los datos del canal se obtendrá las velocidades con la cual se debe lanzar el agua.

FUNDAMENTO TEÓRICO

a fuerza de arrastre se define como la fricción entre líquido o gas) por el

que se mueve. Para un sólido que se mueve por un , el arrastre es la suma de todas las

hidrodinámicas en la dirección del flujo del fluido externo. Por tanto, actúa

stamente al movimiento del objeto, y en un vehículo motorizado esto se resuelve con el empuje.

o canal, es la pérdida de energía dinámica del fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra

la tubería que las contiene. Pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidental o localizada, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula,

Pérdida de carga en conducto rectilíneo

Si el flujo es uniforme, es decir que la sección es constante, y por lo tanto la velocidad también es

, entre dos puntos

…(1)

= altura geométrica en la dirección de la ó

a lo largo de la línea de

: pérdida de carga; siendo , la distancia entre las secciones 1 y 2; y, el gradiente o pendiente piezométrica, valor que se determina empíricamente para los diversos tipos de material, y es función del

rugosidad de las

paredes y de la velocidad media del agua. Expresiones prácticas para el cálculo

Para tubos llenos, donde , la se transforma en:

Los valores de son:

• 0.16 para tubos de acero • 0.20 para tubos de cemento• 0.23 para tubos de hierro fundido

Simplificando la expresión anterior phierro fundido:

La fórmula de Kutter, de la misma forma se puede simplificar:

Con m = 0.175;

Con m = 0.275;

Con m = 0.375; Pérdidas de carga localizadas Las pérdidas de carga localizada o accidental se expresan como una fracción o un múltiplo de la llamada "altura de velocidad" de la forma:

……(3)Donde:

= pérdida de carga localizada;V = velocidad media del agua, antes o después del punto singular, conforme el vaso; K = Coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular

Página 7

paredes y de la velocidad media del agua.

Expresiones prácticas para el cálculo

, la fórmula de Bazin

……(2)

sin soldadura cemento hierro fundido

Simplificando la expresión anterior para tubos de

……(2)

, de la misma forma se puede

carga localizadas

Las pérdidas de carga localizada o accidental se expresan como una fracción o un múltiplo de la

" de la forma:

……(3)

= pérdida de carga localizada; = velocidad media del agua, antes o

punto singular, conforme el

= Coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular


Cuadro 01. Constantes de singularidades.

FORMULACIÓN DE ÍTEMS ¿Qué velocidad debe tener el agua para sostener al surfista? -Esta velocidad depende de factores como la rugosidad de la superficie, la velocidad final en el recorrido del fluido y la forma geométrica de la superficie. ¿Qué hace que el agua sostenga al sufista en la superficie inclinada? -La gran fuerza de arrastre existente en el fluido que se mueve a gran velocidad permite que el surfista con su tabla se puedan mover sobre un espesor de agua de aproximadamente 15cm. ¿Qué forma debe tener la superficie para que se forme la ola? -Básicamente se necesita que sea curva para queforme la ola, ya que el agua seguirá la forma de la superficie si tiene la velocidad necesaria y la rugosidad es mínima. ¿Qué forma debe tener el “cigarro” para que suministre las velocidades necesarias? -La forma del cigarro depende de la cantidad yvelocidad del agua al momento de ser lanzada contra la superficie. ¿Qué escalas utilizar para que el modelo represente a un prototipo real? -Para realizar un prototipo que represente al real se debe cumplir que el número de Reynolds en el modelo y en el real sea el mismo, para ello se hace variar factores como la densidad del fluido, pero para el caso de nuestro módulo experimental no llegaremos a tanto por ser un proyecto aún en desarrollo.

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO Consideraremos que el surfista queda una fuerza de empuje y una fuerza de levante propias de el flujo de agua, detallando mejor se tendria:


Cuadro 01. Constantes de singularidades.

FORMULACIÓN DE ÍTEMS

¿Qué velocidad debe tener el agua para sostener al

ad depende de factores como la rugosidad de la superficie, la velocidad final en el recorrido del fluido y la forma geométrica de la

¿Qué hace que el agua sostenga al sufista en la

n el fluido que se mueve a gran velocidad permite que el surfista con su tabla se puedan mover sobre un espesor de agua de

¿Qué forma debe tener la superficie para que se

Básicamente se necesita que sea curva para que se forme la ola, ya que el agua seguirá la forma de la superficie si tiene la velocidad necesaria y la

¿Qué forma debe tener el “cigarro” para que

La forma del cigarro depende de la cantidad y velocidad del agua al momento de ser lanzada contra

¿Qué escalas utilizar para que el modelo represente a

Para realizar un prototipo que represente al real se debe cumplir que el número de Reynolds en el

real sea el mismo, para ello se hace variar factores como la densidad del fluido, pero para el caso de nuestro módulo experimental no llegaremos a tanto por ser un proyecto aún en

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

sostenido por una fuerza de empuje y una fuerza de levante propias de el flujo de agua, detallando mejor se tendria:

Fig. 01. Diagrama de fuerzas sobre el surfista.Donde:

E: El empuje D: La fuerza de arrastre W: El peso E: El levante

Consideraremos el sistema de fuerzas en la Fig. 01, de este D.C.L consideraremos las siguientes ecuaciones:

…………(4)

……….. (5) Si la hipótesis es correcta se plantea como solución al problema la construcción de una tabla a escala de la maqueta y un canal de pendiente variable donde se pueda medir el Cd de aquella tabla, pues se tiene que:

Donde: D: Arrastre

: Densidad del agua v: Velocidad del agua A: Área de la tabla perpendicular a la corriente

Despejando C d de (1) y (2) se tiene:

….(7)Donde:

W, Cd, ρ , θ son conocidos y A podría

mantenerse constante para el experimento en el canal.

Cuadro 02.Para hallar v:

Fig. 02. Esquema de prueba en el canal para hallar la velocidad.

De la ecuación de la energía:

g

v

g

PZ

g

v

g

P+=++

*2*1

*2*

222

211

ρρ

Como:

Página 8

Fig. 01. Diagrama de fuerzas sobre el surfista.

sistema de fuerzas en la Fig. 01, de este D.C.L consideraremos las siguientes

…………(4)

……….. (5)

Si la hipótesis es correcta se plantea como solución al problema la construcción de una tabla a escala de la

un canal de pendiente variable donde se de aquella tabla, pues se tiene que:

..…(6)

A: Área de la tabla perpendicular a la

de (1) y (2) se tiene:

….(7)

son conocidos y A podría

mantenerse constante para el experimento en

de prueba en el canal para hallar la

fHZg

++ 2..(8)


P1 = P2 = Presión atmosférica Además:

Dh

vXXfH media

f

212 )( ×−×

=…… (9)

Donde:

Perimetro

AreaDh

4=

...(10)

En el Cuadro 02 se aprecian los valores de fricciones en función del caudal y la pendiente para el canal de vidrio de ancho 15 cm.

Para hallar mediaV :

0SRhCVmedia ×= ……(11)

Donde:

C : Coeficiente de Chezy Rh : Radio Hidráulico S0 : Pendiente del canal

Según Bazin:

γ+=

Rh

RhC

87…..(12)

Donde γ es el Coeficiente de Bazin (para el vidrio

006.0=γ ).

Entonces la velocidad media queda en función de la pendiente.

2/1

0KSVmedia =

( ) 2/1θTanK=

Para hallar f , según Manning:

n

RhC

6/1

= ….(13)

Donde: n: Coficiente de Manning ( para el vidrio

01.0=n ) C: Coeficiente de Chezy

Por otro lado, sea la sección del Canal:

Fig. 03. Sección del Canal.

ab

ba

P

ARh

)(2 +==⇒ ……..(14)

Donde: a : Tirante b: Ancho del canal (15 cm)

Entonces: n

ab

ba

C

6/1)(2

+

= …(15)

Pero: 2/1

8

=

f

gC …….(16)

Igualando y despejando la fricción:

( )

3/1

2

2

8

+

=

ba

ab

gnf …(17)

Utilizando esta fórmula, realizamos pruebas en el canal de pendiente variable para caudales de 120 l/m, 60 l/m, 30 l/m haciendo variar las pendientes. Para calcular Hf:

De (9): Dh

VXXfH media

f

212 )( −

=

Donde: f : fricción

θcos2)( 12 =− XX

RhDh 4= Entonces la velocidad en un punto será:

fHgHSengvV −+= θ22 212

…(18)

Caudal (l/m)

Caudal tirante (cm)

tirante (m)

Fricción

ángulo de pendiente = 0

120 0.02 1.08 0.0108 0.057

60 0.01 0.96 0.0096 0.058

30 0.005 2.018 0.0201 0.052

ángulo de pendiente

=0.006

120 0.02 1.23 0.0123 0.0556

60 0.01 1.26 0.0125 0.0557

30 0.005 1.15 0.0115 0.0564

ángulo de pendiente =

0.012

120 0.02 1.266 0.0126 0.0556

60 0.01 1.106 0.0110 0.0568

30 0.005 1.167 0.0117 0.0563

ángulo de pendiente =

0.018

120 0.02 1.205 0.0120 0.0560

60 0.01 1.326 0.0132 0.0552

30 0.005 1.2 0.012 0.0561

a

b


11

A

QV =

Reemplazando en (18):

Dh

VHfgLsengvV

mediacos)(22

2212

θθ −+=

Además:

tablatabla

tabla

gVE

W

ρ=

= 9953.3

Entonces:

ataquemedia AV

senEWCd

2

)(2

ρ

θ−= ……(20)

Y del gráfico:

Fig. 03. Grafico del área de ataque.

αcos×= tablaataque AA ……(21)

Donde:

E: empuje θ :Ángulo de la pendiente α : Ángulo de inclinación de la tabla.ρ : Densidad

V: velocidad Por otro lado:

)cos(12 θHXX =− ……(22)

De (9):

Dh

vXXfH media

f

212 )( ×−×

=

Donde: f : Fricción del canal de vidrio

ángulo de pendiente

Caudal Perdida de

carga COEFICIENTE DE ARRASTRE

0 0,002

0 0,001

0 0,0005

0,006 0,002

0,006 0,001

0,006 0,0005

0,012 0,002 0,08716413 0,0836952

0,012 0,001 0,10008732 0,06454446

0,012 0,0005

0,018 0,002 0,18794147 0,0493547

0,018 0,001 0,12950277 0,00699859

0,018 0,0005

α E


media )(θ …(19)

: Ángulo de inclinación de la tabla.

: Fricción del canal de vidrio

Despejando v de la ecuación de la energía:

HgHvv −+= )sin(221 θ

Una vez conocido el Cd de nuestra pequeña tabla, se puede hallar la velocidad del agua necesaria para que sostenga al surfista más su tabla en la pendiente inclinada:

Considerando un peso de 150 gramos, un angulo de pendiente de 30 grados y un area de 0.00175 mtiene que la velocidad final es: 1.000896947 m/s Diseño del canal para el experimento El canal constará de las siguientes

• El difusor • Canales de vidrio (3) • Sistema para la pendiente y para sostener

al la pequeña tabla. • La tabla a escala

Fig. 04. Diseño de canal de pendiente variable. El Difusor Un difusor es un ensanchamiento de área u aumento de área cuya finalidad es reducir la velocidad yrecuperar la presión.

COEFICIENTE DE ARRASTRE

0,0836952

0,06454446

0,0493547

0,00699859

Página 10

Despejando v de la ecuación de la energía:

fH….(23)

de nuestra pequeña tabla, se puede hallar la velocidad del agua necesaria para que sostenga al surfista más su tabla en la pendiente

……(24)

Considerando un peso de 150 gramos, un angulo de pendiente de 30 grados y un area de 0.00175 m2 se tiene que la velocidad final es: 1.000896947 m/s

Diseño del canal para el experimento

las siguientes partes:

Sistema para la pendiente y para sostener

Fig. 04. Diseño de canal de pendiente variable.

Un difusor es un ensanchamiento de área u aumento de área cuya finalidad es reducir la velocidad y


Fig. 05. Diseño de difusor.

Fig.06. Difusor Construido El parámetro de un difusor es el coeficiente de

recuperación (C p), definido por:

…… (25) Donde:

Ps : Presión en la salida Pg : Presión en la garganta o entrada.

Pero de la ecuación de Bernoulli (sin considerar fricción):

…(26) Despejando se tiene que un Cp sin fricción seria:

Cp = 1 – 2

1

2

v

v... (27)

De la ecuación de continuidad se tiene que:

2211 AvAvQ == Reemplazando en (5) se tiene que:

Cp = 1– 2

1

2

−

A

A ... (28)

Altos Cp significan una buena recuperación de la presión y una reducción de la velocidad, además de una mejor distribución de velocidades en la salida. Para obtener la mejor aproximación de los valores de Cp se utiliza el diagrama completo de estabilidad

para difusores de paredes planas de Fox y Kline, donde los parámetros que se utilizan son:

ϑ : Angulo del difusor L: Longitud del difusor W1: Ancho en la entrada W2: Ancho en la salida


Fig. 05. Diseño de difusor.

Fig.06. Difusor Construido

coeficiente de

Pg : Presión en la garganta o entrada.

de la ecuación de Bernoulli (sin considerar

…(26)

Despejando se tiene que un Cp sin fricción seria:

De la ecuación de continuidad se tiene que:

Altos Cp significan una buena recuperación de la presión y una reducción de la velocidad, además de una mejor distribución de velocidades en la salida.

Para obtener la mejor aproximación de los valores de diagrama completo de estabilidad

de Fox y Kline, onde los parámetros que se utilizan son:

Para nuestro difusor tenemos que:A1 = 4104516.6 −× m2 ; A2 = 5.7 ×W1 = 0.0254m ; W2 = 0.15m De (17) se tiene:

Cp=1- 1 =0.26

… (29) Además:

Despejando de (16) se tiene que:

…...(30)

Se tiene que para que el difusor tenga la mejor distribución de velocidad en la salida, el Cp debe acercarse a donde esta la recta en la gráKline, para ello tabulamos los valores de “2“L/W1” y ubicamos los puntos en la mencionada grafica:

Fig. 07. Diagrama de Cp de Fox y Kline.

Cuadro 02. Longitud de difusor versus Angulo. De la grafica se observa que el punto que más acerca a la recta donde está el mejor Cp es:

• Ѳ= 3.5 • L/W=40

Reemplazando en (7), se tiene que para un

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Para nuestro difusor tenemos que: 410−× m2

de (16) se tiene que:

Se tiene que para que el difusor tenga la mejor distribución de velocidad en la salida, el Cp debe

a donde esta la recta en la gráfica de Fox y Kline, para ello tabulamos los valores de “2ѳ” versus “L/W1” y ubicamos los puntos en la mencionada

Fig. 07. Diagrama de Cp de Fox y Kline.

Cuadro 02. Longitud de difusor versus Angulo.

De la grafica se observa que el punto que más se el mejor Cp es:

Reemplazando en (7), se tiene que para un


L=1.016m, se va a tener en teoría el valor de Cp mas cercano a 0.26 y por lo tanto una mejo distribución de velocidades en la salida. Canales de vidrio Se han construido tres canales de vidrio de sección 15cmx8cm y con unas longitudes de 40cm, 60cm y 100cm, para poder probar el canal con diversos caudales sin correr el riesgo de que el agua se acumule.

Fig. 08. Diseño de canal.

Fig. 09. Canales construidos.

Sistema de tabla en miniatura-área de ataque Se ah mandado a tornear dos piezas que consisten en una tabla en miniatura unida a una varilla que puede modificar su pendiente. Una de estas piezas servirá para el análisis en el canal y la otra para en maqueta de la ola.

Fig. 10. Diseño de tabla en miniatura Sistema de carril para tabla en miniatura Pieza también torneada en aluminio que sirve para que la tabla en miniatura pueda deslizarse a lo largo del canal por causa de la fuerza de arrastre del agua.


L=1.016m, se va a tener en teoría el valor de Cp mas cercano a 0.26 y por lo tanto una mejo distribución de

canales de vidrio de sección 15cmx8cm y con unas longitudes de 40cm, 60cm y 100cm, para poder probar el canal con diversos caudales sin correr el riesgo de que el agua se

Fig. 08. Diseño de canal.

ruidos.

área de ataque

Se ah mandado a tornear dos piezas que consisten en una tabla en miniatura unida a una varilla que puede modificar su pendiente. Una de estas piezas servirá para el análisis en el canal y la otra para la el modelo

Fig. 10. Diseño de tabla en miniatura

Sistema de carril para tabla en miniatura

Pieza también torneada en aluminio que sirve para que la tabla en miniatura pueda deslizarse a lo largo

za de arrastre del agua.

Fig. 11. Diseño de sistema corredizo. ¿Qué forma debe tener la superficie para que se forme la ola? Para responder ah esta pregunta se creo un modulo experimental el cual se puede modificar en el estudio:

Fig. 12. Modulo experimental.

Después a esta superficie se le tomo coordenadas utilizando un aparato creado por nosotros bautizado ‘coordinometro’, el cual consiste en un carril con una placa móvil que tiene varios agujeros, en los cuales se introduce una varilla en la cual se mide la altura Z de la coordenada dada. Con el cual se tomaron 2450 puntos con coordenadas x, y z y utilizando el comando 3dmesh del Autocad se genero el siguiente modelo:

Fig. 13. Primera maya obtenida en

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Fig. 11. Diseño de sistema corredizo.

¿Qué forma debe tener la superficie para que se

Para responder ah esta pregunta se creo un modulo experimental el cual se puede modificar en el estudio:

experimental.

Después a esta superficie se le tomo coordenadas utilizando un aparato creado por nosotros bautizado ‘coordinometro’, el cual consiste en un carril con una placa móvil que tiene varios agujeros, en los cuales se

ual se mide la altura Z de la coordenada dada. Con el cual se tomaron 2450 puntos con coordenadas x, y z y utilizando el comando 3dmesh del Autocad se genero el siguiente

Fig. 13. Primera maya obtenida en Autocad.


Fig. 14. Otra vista de la maya obtenida en También en Matlab por medio de interpolación se obtuvo un modelo de nuestra superficie:

Fig. 15. Superficie obtenida por interpolación en Mathlab.

Sin embargo para poder analizar mejor el movimiento del agua en la superficie era necesario obtener la intersección de la superficie con planos cortantes, pero en Autocad no se podía obtener de manera directa, pues no es posible intersecar una maya con un plano. Así que se utilizó la rutina de Autocad M2s, el cual permite transformar mayas en sólidos.

Fig. 16. Superficie sólida Una vez que la superficie ya era sólida, separamos las secciones y la intersecamos con planos:

Fig. 17. Superficie separada en secciones.


Fig. 14. Otra vista de la maya obtenida en Autocad.

También en Matlab por medio de interpolación se obtuvo un modelo de nuestra superficie:

Fig. 15. Superficie obtenida por interpolación en

Sin embargo para poder analizar mejor el el agua en la superficie era necesario

obtener la intersección de la superficie con planos cortantes, pero en Autocad no se podía obtener de manera directa, pues no es posible intersecar una maya con un plano. Así que se utilizó la rutina de

el cual permite transformar mayas en

lida

Una vez que la superficie ya era sólida, separamos las secciones y la intersecamos con planos:

Fig. 17. Superficie separada en secciones.

Luego se obtuvieron 59 secciones todos los cortes que realizamos a la superficie sólida:

Fig. 18. Algunos perfiles simplificados Ahora se nota dos tipos de secciones como la sección 1 y la sección 11:

Fig. 19. Primer tipo de perfil predominante.

Fig. 20. Segundo tipo de perfil predominante. Después cada perfil se simplificórectas de tal manera que tomen la forma de la figura anterior:

Fig. 21. Sección sin simplificar.

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Luego se obtuvieron 59 secciones correspondientes a todos los cortes que realizamos a la superficie sólida:

Fig. 18. Algunos perfiles simplificados

se nota dos tipos de secciones predominantes, como la sección 1 y la sección 11:

Fig. 19. Primer tipo de perfil predominante.

Fig. 20. Segundo tipo de perfil predominante.

espués cada perfil se simplificó utilizando arcos y rectas de tal manera que tomen la forma de la figura

Fig. 21. Sección sin simplificar.


Fig. 22. Sección que esta siendo simplificada La primera sección se puede aproximar a la siguiente forma:

Fig. 21. Primer perfil reducido a una recta y dos arcos de circunferencia.

Cada sección simplificada se convirtió en sólido al extruirlo (realizarle una elevación de tal manera que se convierta en un sólido) 1cm, luego se unió todas las partes para generar nuestra superficie simplificada:

Fig. 23. Nueva superficie formada por las secciones simplificadas.

Fig. 24. Otra vista de la nueva superficie sólida.


Fig. 22. Sección que esta siendo simplificada

La primera sección se puede aproximar a la siguiente

Fig. 21. Primer perfil reducido a una recta y dos arcos

Cada sección simplificada se convirtió en sólido al extruirlo (realizarle una elevación de tal manera que

ta en un sólido) 1cm, luego se unió todas las partes para generar nuestra superficie

Fig. 23. Nueva superficie formada por las secciones

Fig. 24. Otra vista de la nueva superficie sólida.

De estas nuevas secciones obtuvimodatos geométricos, que se muestran en los cuadros 03 y 04: RECTA

Secciones X inicial

Y inicial

X final

Y final

1. 0.000 0.173 0.260 2. 0.000 0.167 0.196 3. 0.000 0.162 0r2247 4. 0.000 0.156 0.181 5. 0.000 0.151 0.213 6. 0.000 0.147 0.201 7. 0.000 0.144 0.190 8. 0.000 0.142 0.130 9. 0.000 0.140 0.195 10. 0.000 0.137 0.197 11. 0.000 0.135 0.174 12. 0.000 0.134 0.217 13. 0.000 0.133 0.216 14. 0.000 0.131 0.186 15. 0.000 0.131 0.136 16. 0.000 0.130 0.205 17. 0.000 Or127 0.249 18. 0.000 0.125 0.203 19. 0.000 0.125 0.241 20. 0.000 0.125 0.29 0 21. 0.000 0.125 0.244 22. 0.000 0.125 0r257 23. 0.000 0.125 0.262 24. 0.000 0.125 0.269 25. 0.000 0.125 0.279 26. 0.000 0.125 0.237 27. 0.000 0.125 0.292 28. 0.000 0.125 0.306 29. 0.000 0.125 0.330 30. 0.000 0.125 0.329 31. 0.000 0.125 0.336 32. 0.000 0.125 0.343 33. 0.000 0.125 0.343 34. 0.000 0.126 0.353 35. 0.000 0.127 0.354 36. 0.000 0.123 0.356 37. 0.000 0.131 0.355 38. 0.000 0.131 0.360 39. 0.000 0.133 0.354 40. 0.000 0.133 0.222 41. 0.000 0.135 0.227 42. 0.000 0.140 0.224 43. 0.000 0.140 0.201 44. 0.000 0.139 0.197 45. 0.000 0.139 0.204 46. 0.000 0.135 0.173 47. 0.000 0.116 0.278 48. 0.000 0.107 0.270 49. 0.000 0.103 0.231 50. 0.000 0.102 0.232 51. 0.000 0.102 0.267 52. 0.000 0.101 0.235 53. 0.000 0.101 0.266 54. 0.000 0.101 0.220 55. 0.000 0.101 0.245 56. 0.000 0.102 0.215 57. 0.000 0.104 0.171 58. 0.000 0.106 0.220

Cuadro 03. Propiedades geometricas de las rectas en los perfiles.

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De estas nuevas secciones obtuvimos los siguientes , que se muestran en los cuadros 03

Y final m b

0.173 0.000 0.173 0.163 0.008 0.167 0.165 0.021 0.162 0.156 0.000 0.156 0.155 0.002 0.151 0.150 0.019 0.147 0.146 0.013 0.144 0.144 0.008 0.142 0.142 0.010 0.140 0.140 0.020 0.137 0.139 0.020 0.135 0.141 0.036 0.134 0.139 0.033 0.133 0.133 0.010 0.131 0.132 0.004 0.131 0.133 0.016 0.130 0.144 0,053 0.127 0.132 0.027 0.125 0.133 0.027 0.125 0.143 0.090 0.125 0.133 0.031 0.125 0.134 0.035 0.125 0.133 0.029 0.125 0.131 0.022 0.125 0.134 0.032 0.125 0.131 0.021 0.125 0.130 0.017 0.125 0.130 0.017 0.125 0.134 0.027 0.125 0.133 0.023 0.125 0r132 0.021 0.125 0.129 0.012 0.125 0.128 0.008 0.125 0.130 0.015 0.126 0.130 0.009 0.127 0.129 0.004 0.128 0.132 0.004 0.131 0.133 0.004 0.131 0.133 0.001 0.133 0.150 0.076 0.133 0.164 0.124 0.135 0.162 0.110 0.140 0.159 0.094 0.140 0.153 0.066 0.139 0.156 0.097 0.139 0.153 0,064 0.135 0.104 0.045 0.116 0.100 0.022 0.107 0.105 0.007 0.103 0.110 0.031 0.102 0.106 0.014 0.102 0.104 0.029 0.101 0.106 0.023 0.101 0.103 0.029 0.101 0.112 0.053 0.101 0.104 0.012 0.102 0.108 0.020 0.104 0.116 0.069 0.106

Cuadro 03. Propiedades geometricas de las rectas en


Secciones h k r Longitud de arco 1 0.205 0.501 0.324 0.169 2 0.192 0.561 39.194 19.323 3 0.220 0.442 0.277 0.160 4 0.181 0.539 0.333 0.222 5 0.208 0.423 0.268 0.175 6 0.196 0.469 0.318 0.197 7 0.134 0.518 0.371 0.212 8 0.174 0.527 38.360 0.217 9 0.192 0.454 0.312 0.204

10 0.191 0.445 0,00415 0.196 11 0.164 0.539 0.399 0.236 12 0.306 0.433 3 0.292 0.201 13 0.207 0.423 0.233 0.177 14 0.182 0.494 0.351 0.219 15 0.133 0.496 0.364 0.241 16 0.198 0.438 0.354 0.268 17 0.234 0.289 0.234 0.192 18 0.191 0.500 0.370 0.270 19 0.234 0.391 0.259 0.209 20 0.279 0.327 0.134 0.176 21 0.236 0.333 0.259 0.226 22 0.486 0.367 0.249 0.202 23 0.255 0.353 0.234 0.193 24 0.264 0.341 0.222 0.198 25 0.273 0.315 0.207 0.137 26 0.233 0.315 0.134 0.194 27 0.289 0.300 0.134 0.193 28 0.303 0.303 0.169 0.175 29 0.326 0.269 0.139 0,1661 30 0.326 0.257 0.136 0.165 31 0.333 0.244 0.125 0.162 32 0.341 0.241 0.115 0.150 33 0.342 0.234 0.113 0.156 34 0.351 0.238 0.104 0.161 35 0.358 0.241 0.108 0.206 36 0.356 0.234 0.111 0.215 37 0.355 0.231 0.112 0.213 38 0.354 0.242 0.106 0.211 39 0.359 0.956 0.109 0.214 40 0.229 0.116 0.049 0.060 41 0.234 0.094 0.049 0.040 42 0.235 0.033 0.111 0.063 43 0.211 0.029 0.111 0.093 44 0.210 0.090 0.124 0.100 45 0.210 0.091 0.065 0.055 46 0.180 0.236 0.062 0.065 47 0.233 0.232 0.132 0.251 48 0.273 0.222 0.132 0.245 49 0.280 0.227 0.227 0.222 50 0.279 0.234 0.137 0.317 51 0.265 0.215 0.128 0.230 52 0.282 0.217 0.106 0.118 53 0.264 0.258 0.111 0.227 54 0.215 0.234 0.150 0.221 55 0.238 0.236 0.121 0.197 56 0.214 0.317 0.141 0.217 57 0.166 0.250 0.209 0.260 58 0.213 0.334 0.133 0.136 59 0.164 0.218 0.243

Cuadro 04. Propiedades geométricas de los arcos en las secciones. Analizando el grafico 1, perfil 1: Se tiene que la velocidad media de acuerdo a Darcy vale: � � ��……(24)

Donde: U: velocidad media C: Coeficiente de Chezy ��: Radio hidráulico m: Pendiente de recta �� = 4*(área/perímetro)

Según Bazing: � � 87 �� …….(25)

γ: Coeficiente de Bazing Despejando la velocidad inicial de la ecuación de la energía: �� 2 � �� 2 � ��2 � �1�…

(26) Donde:

Y a su vez:

Perimetro

AreaDh

*4=

Altura del perfil=h Espesura del perfil=b P2=P1=P atmosférica X2-X1= !"#$�%� � & ' Z2-Z1=K + r * seno (

'( � % � )��

K: Abscisa de el centro de la circunferencia H: Ordenada de el centro de la circunferencia α: Longitud del arco de circunferencia r: Radio del arco de circunferencia θ: Angulo de la pendiente de la recta L: Longitud de la recta

Despejando v1:

�� *�� 2 � + �! cos %�'� /012��345�� 63 �

2 � 78 � & sin 7'( � % � )�;;� ..(27)

Cuadros de resultados: Realizando una aproximación para ambos perfiles, considerándolos como pequeños canales:

Área= 0.5 10�?�� Perímetro = 2 10��

Tomando los valores de fricción correspondiente a los datos obtenidos del canal de fibra de vidrio, se obtuvo una frición aproximada para cada sección.

Dh

vXXfH media

f

212 *)(* −

=


Velocidad final = 1.000896947 m/s (realizado con las pruebas en el canal) Coeficiente de Bazing (paredes lisas y cemento pulido) = 0.06 Se obtuvieron los siguientes valores de las velocidades iníciales:

Secc Pendiente Fricción Velocidad Inicial:

1 0,00013807 0,05834331 3,73961274

2 0,00774811 0,05826795 3,97097204

3 0,02050086 0,05826795 3,57139795

4 0 0,05834331 3,95933006

5 0,0200679 0,05826795 3,54853059

6 0,01929817 0,05826795 3,73297431

7 0,01837155 0,05826795 3,90286558

8 0,00827538 0,05826795 4,67291097

9 0,01002243 0,06143836 3,69922492

10 0,01966454 0,06143836 3,6684469

11 0,02032906 0,06143836 4,01227374

12 0,03644163 0,06143836 3,65579853

13 0,03808995 0,06143836 3,57332976

14 0,01019644 0,06143836 3,81871165

15 0,0086073 0,05826795 3,89522566

16 0,01595745 0,06143836 3,92952609

17 0,08328487 0,06143836 3,71416189

18 0,0270501 0,06143836 3,98410677

19 0,02741371 0,06143836 3,53369483

20 0,0903768 0,06143836 3,26934337

21 0,0313743 0,06143836 3,54485831

22 0,03478586 0,06143836 3,45219276

23 0,02924307 0,06143836 3,38257001

24 0,02237732 0,06143836 3,34509545

25 0,03171714 0,06143836 3,26039475

26 0,0211336 0,06143836 3,22485796

27 0,01788918 0,06143836 3,17430356

28 0,01653133 0,06143836 3,04442069

29 0,02748488 0,06143836 2,98404556

30 0,02263648 0,06143836 2,93519392

31 0,02123125 0,06143836 2,86307923

32 0,01206129 0,06143836 2,81632027

33 0,00792424 0,05826795 2,79043051

34 0,01523867 0,05826795 2,78198305

35 0,00904629 0,05826795 2,78273269

36 0,00412053 0,05826795 2,79855606

37 0,00380791 0,05826795 2,79042748

38 0,00418185 0,05826795 2,77717814

39 0,00418185 0,05826795 2,01186944

40 0,00418185 0,05826795 2,14308381


(realizado con las

Coeficiente de Bazing (paredes lisas y cemento

Se obtuvieron los siguientes valores de las

Velocidad Inicial:

3,73961274

3,97097204

3,57139795

3,95933006

3,54853059

3,73297431

3,90286558

4,67291097

3,69922492

3,6684469

4,01227374

3,65579853

3,57332976

3,81871165

3,89522566

3,92952609

3,71416189

3,98410677

3,53369483

3,26934337

3,54485831

3,45219276

3,38257001

3,34509545

3,26039475

3,22485796

3,17430356

3,04442069

2,98404556

2,93519392

2,86307923

2,81632027

2,79043051

2,78198305

2,78273269

2,79855606

2,79042748

2,77717814

2,01186944

2,14308381

Cuadro 05. Velocidades iníciales requeridas para el modulo a escala.

Curvas características

Fig. 26. Diagrama velocidades iníciales vs. Pendiente de recta para la sección 1 (m=1).

Fig. 27. Diagrama velocidades iníciales vs. de recta para la sección 1

Fig. 28. Diagrama velocidades iníciales vs. Pendiente de recta vs. Longitud de recta para la sección 1.

Fig. 29. Diagrama velocidades iníciales vs. Secciones.

velocidad inicial:

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 10 20 30 40

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Velocidades iníciales requeridas para el modulo a escala.

Curvas características

Fig. 26. Diagrama velocidades iníciales vs. Pendiente

de recta para la sección 1 (m=1).

rama velocidades iníciales vs. Longitud

de recta para la sección 1 (m=5).

Fig. 28. Diagrama velocidades iníciales vs. Pendiente

de recta vs. Longitud de recta para la sección 1.

Fig. 29. Diagrama velocidades iníciales vs.

50

velocidad inicial:


RESULTADOS • Caudal total requerido para el funcionamiento

del módulo experimental 404.268 l/m. • La superficie simplificada para que funcione el

modelo es:

Fig. 30. Modelo final.

• La velocidad final mínima para que funciones el modelo es aproximadamente 1.000896947 m/s.

• El rozamiento del modulo experimental depende

de la pendiente de la sección, siendo la mayor de ellas 0.061438364.

CONCLUSIONES

• El generador de olas estáticas necesita bastante

caudal, específicamente en nuestro caso es de 404.268 l/m. La mayor velocidad inicial esta en la sección 8 con un valor de 4.672911 m/s

Fig. 31. Modulo experimental en plena acción.

• La rugosidad de la superficie es un factor determinante en la experiencia, pues las velocidades requeridas varían mucho con é


Caudal total requerido para el funcionamiento 404.268 l/m.

La superficie simplificada para que funcione el

La velocidad final mínima para que funciones el 1.000896947 m/s.

El rozamiento del modulo experimental depende la sección, siendo la mayor de

El generador de olas estáticas necesita bastante caudal, específicamente en nuestro caso es de

La mayor velocidad inicial esta en la sección 8 con un valor de 4.672911 m/s

g. 31. Modulo experimental en plena acción.

La rugosidad de la superficie es un factor determinante en la experiencia, pues las

es requeridas varían mucho con éstas.

• Las velocidades iniciales dependen también de la forma de la superficie que recorren.

• Para construir el modelo a tamaño real solo

habría que llevar la superficie ah escala, ya que se cuenta con el modelo en computadora, además las velocidades y el caudal se tendrían que voa calcular utilizando el mópero teniendo en cuenta relaciones como el número de Reynolds por ejemplo.

• Construir un modelo a escala real es una

posibilidad factible, ya que como se muestra en este informe no es tan difícil calcular los parámetros necesarios, es así que con apoyo de la inversión privada se podría generar este atractivo turístico que aun es desconocido en Sudamérica.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas • Generar un atractivo turístico que se puede

instalar en cualquier lugar. • Generar una fuente de empleo y de desarrollo al

ser un proyecto hecho con tecnología íntegramente peruana.

Desventajas • Este tipo de atracción demanda gran cantidad de

energía porque las bombas tienen que generar una gran cantidad de caudal.

BIBLIOGRAFÍA

1. FRANK M. WHITE. “Mecánica de Fluidos

McGraw-Hill. Interamericana de España. 2004.

2. DOMINGUEZ FRANCISCO J.

Editorial Universitaria Chile. 3. CÉSPEDES G. “Manual de Hidráulica”.

Hauser. 3era Edición. Buenos Aires, Argentina. 1948.

4. http://es.wikipedia.org/

Página 17

ciales dependen también de la recorren.

Para construir el modelo a tamaño real solo habría que llevar la superficie ah escala, ya que se cuenta con el modelo en computadora, además las velocidades y el caudal se tendrían que volver a calcular utilizando el módulo experimental

en cuenta relaciones como el mero de Reynolds por ejemplo.

Construir un modelo a escala real es una posibilidad factible, ya que como se muestra en este informe no es tan difícil calcular los parámetros necesarios, es así que con apoyo de la

sión privada se podría generar este atractivo turístico que aun es desconocido en

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Generar un atractivo turístico que se puede

Generar una fuente de empleo y de desarrollo al un proyecto hecho con tecnología

Este tipo de atracción demanda gran cantidad de energía porque las bombas tienen que generar

BIBLIOGRAFÍA

Mecánica de Fluidos”. nteramericana de España S. A. C.

DOMINGUEZ FRANCISCO J. “Hidráulica”. Chile. 1959

CÉSPEDES G. “Manual de Hidráulica”. F. H. 3era Edición. Buenos Aires, Argentina.


CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SECADOR SOLAR POR CONVECCIÓN NATURAL PARA EL SECADO DE PLANTAS MEDICINALES NO TRADICIONALES CALCULATION AND CONSTRUCTION OF A SOLAR DRYER BY NATURAL CONVECTION FOR DRYING OF NON-TRADITIONAL MEDICINAL PLANTS

Clodoaldo Sivipaucar, Herve Curo, Eder Huancahuari, Víctor Llantoy, & Andrés Valderrama _________________________________________________________________________________________

RESUMEN

En el mundo actualmente existe una elevada demanda de productos naturales, entre ellas las plantas medicinales; que para un mejor proceso de manipulación, industrialización y empleo, necesitan ser deshidratadas. El presente trabajo resume el objetivo central del proyecto de diseño, cálculo y construcción de un secador solar indirecto por convección natural para el secado de plantas medicinales aromáticas no tradicionales. Este equipo térmico, consta de tres partes: colector solar, cámara de secado y chimenea; aprovecha simultáneamente el fenómeno de radiación solar térmica con el proceso de convención natural. Las plantas medicinales aromáticas no tradicionales seleccionadas para los ensayos experimentales, para demostrar el funcionamiento del secador solar indirecto, inicialmente son: muña, toronjil, eucalipto y santa hierba. Éstas serán pesadas antes y después del proceso de secado para cada ensayo, para obtener la pérdida de humedad, que permitirá evaluar la calidad del proceso de secado; se miden las temperaturas en distintos puntos del secador solar y en cada etapa de secado de las plantas medicinales no tradicionales; se monitorean las condiciones climáticas del medio ambiente. Las plantas medicinales no tradicionales se podrían seleccionar de acuerdo a sus propiedades medicinales y a las zonas de su cultivo, lo que permitiría promover su sembrado en las zonas alto andinas del Perú e incentivar su industrialización. Palabras Clave: Secador solar, Convección, Humedad.

ABSTRACT

In the today’s world there is a great demand for natural products, including medicinal plants, which for better handling process, industrialization and employment, need to be dried. This article summarizes the central main objective of the project called design, calculation and construction of a solar dryer indirectly by natural convection for drying aromatic non-traditional medicinal plants. This heat equipment has three parts: solar collector, drying chamber and chimney, simultaneously it applies the phenomenon of solar radiation heat and natural convention process. The aromatic non-traditional medicinal plants selected for pilot testing, to demonstrate the operation of the indirect solar dryer, initially are: Muña, Toronjil, Eucalipto and Hierba Santa. These plants will be weighed before and after drying process for each test, for the loss of moisture, which will assess the quality of the drying process. Also temperatures in different parts inside the solar dryer and at every stage of non-traditional medicinal plants drying are measured. On the other hand, the climate conditions of the location are monitored. The non-traditional medicinal plants could be selected according to their medicinal properties and areas of growth, which would promote their sown areas high in the Andes of Peru and encourage their industrialization. Keywords: Solar dryer, convection, humidity.

_________________________________________________________________________________________

INTRODUCCIÓN

Uno de los principales problemas en la producción de plantas medicinales es contar con un método adecuado para su conservación, comercialización y distribución; el secado o deshidratación de dichos productos, es la solución más adecuada. En el Perú, precisamente en las zonas alto andinas, existe desde tiempos remotos, tradiciones ancestrales

relacionadas al uso de energía solar para el secado de diversos productos agrícolas. Esta labor se lleva a cabo mediante la exposición directa al sol de estos productos, el método es provechoso pero no regulable en cuanto a tiempo de secado, protección del producto y el uso de energía solar; variables que son determinantes en la optimización del proceso de deshidratación. Esta investigación propone un prototipo de secador solar indirecto para plantas medicinales no tradicionales, que será diseñado y


construido en base a los principios de Transferencia de Calor y Masa, Termodinámica y Flujo de Fluidos. Ventajas del secador solar indirecto

1. Son eficaces, económicamente rentables y fácil

de ser aceptados para algunos productos 2. Se reduce significativamente las mermas durante

el secado, a diferencia del secado tradicional donde se producen dichas mermas en mayor cantidad

3. Los resultados económicos son muy positivos en cuanto a la reducción de mermas en épocas de lluvia. Las mermas en otros periodos son escasos.

4. Permite obtener un producto final de mayor calidad.

5. Una disminución del tiempo de secado comparado con el secado directo

Desventajas del secador solar indirecto

Las plantas secan en el intervalo de tiempo que exista radiación solar de intensidad adecuada.

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO

El proyecto realiza el diseño, construcción y muestra el funcionamiento de un secador solar indirecto de convección natural, para la demostración experimental se ha decidido elegir las plantas medicinales no tradicionales siguientes: Eucalipto, Toronjil, Hierba Santa y Muña; para ello se tomarán las medidas de las temperaturas en diferentes zonas del secador solar como: salida del colector solar, cámara de secado en la chimenea, se determinará la humedad relativa y presión en la cámara de secado en función del tiempo, se procede al pesado inicial y final de las plantas medicinales para poder comparar las perdidas de humedad versus el tiempo de secado. Primera Etapa Cálculos termodinámicos y de transferencia de calor basados en las variables meteorológicas como: velocidad del viento, irradiación solar, latitud, humedad y temperatura del aire (información obtenida del lugar de prueba); los materiales para la construcción del colector solar de placa plana son conocidos: • Se realiza el balance de energía tomando en cuenta

el calor absorbido, el calor útil, y las perdidas en la parte superior e inferior del colector solar de placas planas.

• Se emplea las ecuaciones de transferencia de calor y se realiza el balance de energía que permite simular el comportamiento del aire dentro del colector.

• Se ejecuta el cálculo teórico de la eficiencia del colector solar de placas planas, determinándose el área de captación óptima y el área de paso (flujo de aire), con lo cual se puede optimizar las dimensiones para el colector (largo, ancho y alto).

Segunda etapa Cálculo y elección de las dimensiones de la cámara de secado, se toma como referencia la cantidad de producto a secar y el ancho del colector, similar al ancho de la cámara de secado. Tercera etapa Diseño del secador solar en el programa solidwork. Tomando en cuenta las ecuaciones previas realizadas para la determinación de las dimensiones, primero se diseña el colector solar, para la eficiencia del colector del (40 al 60) % por teoría de colectores solares planos y con los datos promedios obtenidos del lugar de instalación como son velocidad, radiación, temperatura ambiente y la latitud del lugar para dar la inclinación al colector solar, con estos datos se obtuvo un área de captación y un área de paso promedios que sirvió como base para el primer diseño; el cual fue perfeccionando con la utilización de los materiales para su construcción, debido a que en un primer momento se pensó la construcción total en madera y luego se cambio por la idea de una estructura de madera y una cubierta de triplay con tecnopor interno para lograr la disminución de costos, aumentando un acelerador de flujo a la entrada del colector solar y con una placa colectora de vidrio de espesor de 4mm, la inclinación del colector estará instalada a un ángulo de 12 grados con respecto a la horizontal; tomando como referencia a la base, ancho del colector y a la cantidad de material a secar se diseño la cámara de secado con el mismo principio de estructura de madera, cubierta de triplay y tecnopor, con una puerta en el lado izquierdo que facilite la carga y descarga de las plantas medicinales a secar.


Figura1. Vista del diseño del Secador Solar Indirecto.

Cuarta etapa Construcción del secador solar Los materiales empleados para la construcción del secador solar son los siguientes: 1. Madera Triplay (1.5 planchas), que emplea

como recubrimiento del secador, para ello se acondicionaron diversas tapas de acuerdo a los planos. Se eligió este material por ser ligero y trabajar como un aislante eficaz.

2. Teknopor (1 plancha), utilizado como

determinadas zonas del secador solar. 3. Madera Cedro, se elige este tipo de madera por

conservar sus características físicas durante su exposición al sol, fue usada para la estructura del secador.

4. Piedras de canto rodado, estas fueron pinta

de color negro para absorber eficientemente la radiación solar emitida por la fuente de energía radiante (el sol), nos referiremos a ellas como la placa absorbente, por estar distribuidas en el colector contiguamente.

5. Vidrio cristal, no referiremos más adelante a él

como la cubierta, esta placa de vidrio fue colocada sobre las pestañas laterales del colector, para evitar su deslizamiento.

En el proceso constructivo se presentaron ligeros inconvenientes, algunas medidas consideradas en los planos no se ejecutaron de forma exacta se


del diseño del Secador Solar

Los materiales empleados para la construcción del

Madera Triplay (1.5 planchas), que emplea como recubrimiento del secador, para ello se acondicionaron diversas tapas de acuerdo a los planos. Se eligió este material por ser ligero y

Teknopor (1 plancha), utilizado como aislante en determinadas zonas del secador solar.

Madera Cedro, se elige este tipo de madera por conservar sus características físicas durante su exposición al sol, fue usada para la estructura del

Piedras de canto rodado, estas fueron pintadas de color negro para absorber eficientemente la radiación solar emitida por la fuente de energía radiante (el sol), nos referiremos a ellas como la placa absorbente, por estar distribuidas en el

s adelante a él como la cubierta, esta placa de vidrio fue colocada sobre las pestañas laterales del colector, para evitar su deslizamiento.

En el proceso constructivo se presentaron ligeros inconvenientes, algunas medidas consideradas en los

ejecutaron de forma exacta se

aproximaron las dimensiones para la construcción del secador y modificar ligeramente algunas dimensiones para que el prototipo construido sea lo más estable y resistente posible. Quinta etapa Ensayos experimentales Los ensayos del secador solar se realizaron en Huarochirí (provincia de Lima Km. 42 carretera central) a una altitud de 700 msnm. Entre los meses de Mayo y Junio de 2008, se escogió este lugar debido a que existe un clima cálido todo el año. a) Preparación del secador solar El secador solar consta de tres partes las cuales deben estar unidas e instaladas como se muestra en la Fig. 3. Se instaló uno termómetro en la salida del colector solar, en la cámara de secado (ver Fig. 5) y uno en la chimenea. En la cámara de secado se instaló un higrómetro (ver Fig. 7) para poder medir la humedad. En la entrada del colector se instalo un anemómetro (Fig. 6) y un termómetro digital (Fig. 8.) para poder monitorear la velocidad del viento, temperatura, y humedad relativa respectivamente.

Partes del secador solar

Figura 2. Carcasa del colector solar

Figura 3. Secador solar completo

Página 20

aproximaron las dimensiones para la construcción del secador y modificar ligeramente algunas dimensiones para que el prototipo construido sea lo

Los ensayos del secador solar se realizaron en Huarochirí (provincia de Lima Km. 42 carretera central) a una altitud de 700 msnm. Entre los meses de Mayo y Junio de 2008, se escogió este lugar debido a que existe un clima cálido todo el año.

ción del secador solar

El secador solar consta de tres partes las cuales deben estar unidas e instaladas como se muestra en la Fig. 3. Se instaló uno termómetro en la salida del colector solar, en la cámara de secado (ver Fig. 5) y

la cámara de secado se instaló un higrómetro (ver Fig. 7) para poder medir la humedad. En la entrada del colector se instalo un anemómetro (Fig. 6) y un termómetro digital (Fig. 8.) para poder monitorear la velocidad del viento,

ativa respectivamente.

Partes del secador solar

Carcasa del colector solar

3. Secador solar completo


Figura 4. Cámara de secado

b) Estabilización y monitoreo de temperaturas en el secador solar.

Instalado el colector solar y la cámara de secado se deja operar para el proceso de estabilización térmica un tiempo de 40 minutos, hasta que alcance una temperatura de equilibrio a la salida del colector y en la cámara de secado. c) Toma de datos durante los ensayos Se mide simultáneamente las temperaturas en todos los puntos del secador solar indirecto. Se pesa cada 20 min. Las plantas medicinales no tradicionales, tomando simultáneamente la temperatura, velocidad del viento y humedad relativa en cada punto; antes de ejecutar las pesadas del producto.

Figura 5. Termómetro salida del colector Para la medición de velocidad del viento en la entrada del colector solar se tomaron las mediciones


b) Estabilización y monitoreo de temperaturas en

solar y la cámara de secado se deja operar para el proceso de estabilización térmica un tiempo de 40 minutos, hasta que alcance una temperatura de equilibrio a la salida del colector y en

c) Toma de datos durante los ensayos

simultáneamente las temperaturas en todos los puntos del secador solar indirecto. Se pesa cada 20 min. Las plantas medicinales no tradicionales, tomando simultáneamente la temperatura, velocidad del viento y humedad relativa en cada punto; antes

Figura 5. Termómetro salida del colector

Para la medición de velocidad del viento en la entrada del colector solar se tomaron las mediciones

cada 3 min. Antes y 3 min. Después de la toma de cada peso, (con medición en cada mpromediaron estas seis velocidades.

Equipos e instrumentos utilizados

Figura 6 Anemómetro de

copas y veletas Figura

Figura 8. Termómetro

digital Figura0.1g de precisión

Figura 10. Brújula


OBJETIVO GENERAL Diseño, construcción y puesta en marcha de un prototipo de secador solar para la reducción de humedad de las plantas medicinales no tradicionales consideradas. OBJETIVOS ESPECIFICOS 1. Calcular la eficiencia del colector solar y el

proceso de secado. 2. Reconocer las plantas medicinales no

tradicionales más apropiadas para que puedan ser industrializadas.

3. Determinar el tiempo óptimo de secado de las hojas de las plantas medicinales no tradicionales consideradas.

FORMULACIÓN DE HIPOTESIS 1. Se presume lograr un secado óptimo y eficiente

(por convección natural de 40% plantas medicinales no tradicionales

Página 21

cada 3 min. Antes y 3 min. Después de la toma de cada peso, (con medición en cada minuto), luego se promediaron estas seis velocidades.

Equipos e instrumentos utilizados

Figura 7 higrómetro

digital

Figura 9. Balanza 0.1g de precisión

Figura 11.

Termómetros


Diseño, construcción y puesta en marcha de un prototipo de secador solar para la reducción de humedad de las plantas medicinales no tradicionales

ESPECIFICOS

Calcular la eficiencia del colector solar y el

Reconocer las plantas medicinales no tradicionales más apropiadas para que puedan ser

Determinar el tiempo óptimo de secado de las ales no tradicionales

FORMULACIÓN DE HIPOTESIS

Se presume lograr un secado óptimo y eficiente (por convección natural de 40% - 60%) de las plantas medicinales no tradicionales


consideradas, de acuerdo a los parámetros meteorológicos en Huarochirí Lima (a 700 msnm).

2. Se ha previsto que las temperaturas internas de la cámara de secado no alcanzarán los 50ºC, de lo contrario podrían perjudicar las plantas medicinales en estudio.

3. Se espera que el tiempo de secado no difiera mucho del intervalo de mediciones asumido (entre 11am a 4 pm).

Teóricas de cálculo Para el colector Solar: • El régimen de flujo es estacionario (No varía con

el tiempo) • Las temperaturas del fluido y de la superficie

absorbente serán temperaturas medias Para la cámara de secado: • El agua extraída del producto se incorpora en

fase de vapor saturado a la corriente de aire. • El agua del producto (planta medicinal) esta en

estado líquido y distribuido uniformemente en su cuerpo.

• Se asume que la temperatura del aire a la entrada de la cámara de secado coincide con la temperatura a la salida del colector.

MARCO TEÓRICO

DEFINICIONES PREVIAS Secador solar Es un fenómeno complejo que involucra la transferencia de calor y masa (el transporte de calor hacia dentro del material y el transporte de agua hacia el exterior). Existen muchos mecanismos posibles de secado, pero aquellos que controlan el secado de una partícula dependen de su estructura y de los parámetros de secado-condiciones de secado (temperatura T, velocidad v y humedad relativa del aire), contenido de humedad, dimensiones, superficie expuesta a la velocidad de transferencia, y contenido de humedad de equilibrio de la partícula. Secadores solares indirectos Transmite el calor, por el movimiento del aire caliente; por ello, en este tipo de instalación la radiación solar es captada por calentadores de aire y después éste pasa a través del producto, donde elevan la temperatura y evapora el agua de su superficie. Este mismo aire arrastra la humedad del producto, produciendo su secado, en los secadores indirectos el secado del producto es más uniforme; la calidad del producto es mejor, al no incidir sobre el mismo la radiación solar directa; la cámara de secado puede ser de mayor capacidad con relación al volumen que

ocupa; la manipulación del producto es generalmente más fácil, por estar más concentrado; el control de los parámetros de secado es más sencillo, ya que puede regularse por medio del aire. Convección natural En el secador por convección natural, al calentarse el aire, se hace más ligero, asciende, con lo que crea corrientes de aire seco que extrae la humedad del objeto a secar. Convección forzada En el secador por convección forzada, el aire se mueve con el auxilio de ventiladores es el de más posibilidades para uso industrial; así como para el tratamiento de productos agropecuarios en grandes cantidades pueden ser diseñados con recirculación de aire y, por lo tanto, la eficiencia de la instalación aumenta. El secador por convección forzada Proceso de secado Contenido de humedad Las condiciones físicas del producto se modifican en el transcurso de la extracción de humedad. Así cuando la humedad se encuentra en la superficie sólo se necesita para el secado la evaporación superficial. Sin embargo, cuando la humedad se halla en el interior, el secado está influido por el movimiento de la humedad en la materia, que es consecuencia de fenómenos como la capilaridad, la difusión del vapor y el flujo de las moléculas La determinación directa del contenido de humedad implica medir la masa del producto y la masa seca correspondiente al eliminar el agua evaporable contenida en el, aplicando calor a una temperatura generalmente de 104 ºC hasta llegar a un peso constante de la muestra. Este método, aunque es el más utilizado, presenta como principal inconveniente el que al evaporar el agua se pueden eliminar, al mismo tiempo, otras sustancias del producto (volátiles) lo cual puede suponer errores en la obtención de dicha variable. El contenido de humedad en base húmeda, definido como el peso del agua presente en el producto por unidad de peso del material sin secar (1) El contenido de humedad en base seca, definido como el peso del agua presente en el producto por unidad de peso del material seco (2).

o

do

o

wwb

W

WW

W

WM

−== (1)

d

do

d

wdb

W

WW

W

WM

−== (2)

Donde:


Mwb: Humedad en base húmeda (Kg. agua / Kg. prod. húmedo) Mdb: Humedad en base seca (Kg. agua / Kg. prod. seco) Wo: Peso inicial de la materia sin secar (Kg.) Ww: Cantidad de agua en el producto húmedo (Kg.) Wd: Peso de la materia seca en el producto (Kg.) Ratio de Humedad El Ratio de humedad se expresa por la ecuación (3)

e

et

MM

MMMR

−

−=

0

(3)

Donde: MR: Ratio de humedad (dec. ó %)

tM : Contenido de humedad en cada instante

eM : Contenido de humedad en equilibrio

oM : Contenido de humedad inicial

Es habitual en las aplicaciones de secado despreciar

eM debido a que es un parámetro difícil de

determinar. El ratio de humedad se define de la siguiente manera

o

t

M

MMR = (4)

Ratio de Secado Al diferenciar el ratio de humedad en función al tiempo se obtiene la velocidad de secado que esta dada por la ecuación siguiente.

dt

MM

dt

dMDR tdtt −

== + (5)

Propiedades físicas del aire húmedo El comportamiento del aire húmedo varia con respecto a la temperatura (Tm) y de la dependencia con sus propiedades.

Calor específico Ce (J/kg.K)

3824 107581.610101.11434.02.999 mmm TTTCe ××−××+×+= −− (6)

Densidad ρ (kg / m3)

15.27344.353

+=

mTρ (7)

Viscosidad dinámica µ (N.s/m2)

mT××+×= −− 85 1062.410718.1µ (8)

Conductividad térmica Kv (W/m.K)

mv TK ××+= −4107673.00244.0 (9)

Coeficiente de expansión térmica β1

15.273

11

+=

mTβ (10)

Análisis del proceso de transferencia de calor en un colector de placa plana Ecuación de Balance Energético en colectores de placa plana

dt

duQQQ perdutilabs ++= (11)

Qabs (W): Es el calor total incidente absorbido por unidad de tiempo. Qútil (W): Es el calor útil que se trasfiere al fluido de trabajo. Qperd (W): Perdidas de calor (alrededores) por radiación, convección y conducción. du/dt (W): Rapidez del cambio de energía almacenada en el colector, despreciable.

0=dt

du (12)

)(ταcabs HAQ = (13)

H (W/m2): Es la energía solar incidente.

Ac (m2): Es el área efectiva del colector. τ: Transmitáncia solar efectiva de la cubierta del colector α: Absortáncia de la placa absorbente del colector Producto de transmisividad absortividad El producto (τα ) es una propiedad del conjunto cubierta translucida – superficie absorbedora, es el resultado de las sucesivas reflexiones que se producen entre ellas así τ es la transmisividad del recubrimiento en un determinado ángulo de incidencia y α es la absortividad angular de la superficie absorbedora, de toda la energía incidente, τα es absorbida por la placa y (1-α )τ es reflejado hacia la cubierta, siendo de esta última la cantidad τ (1-α )ρ reflejada de nuevo hacia la superficie absorbedora (ρ es la reflectividad para radiación difusa de la cubierta ). Este fenómeno se repite indefinidamente, de forma que la fracción de la energía incidente que es finalmente absorbida, resulta:


( ) ( )[ ]ρα

ατρααττα

)1(1

.1..

0 −−=−= ∑

∞

=

n

n

(14)

ρ: Es la refractancia difusa, toma diferentes valores según el número de cubiertas que se utilicen para 1 cubierta ρ = 0.16, para 2 cubiertas ρ = 0.24, para 3 cubiertas ρ = 0.29, para 4 cubiertas ρ = 0.3

dt

dTmCpQutil = (15)

m (kg): Masa de aire

Cp (J/kgºC): Capacidad calorífica del fluido

dT/dt (ºC/s): Rapidez del cambio de cambio de

temperatura con respecto al tiempo

)( apmclperd TTAUQ −= (16)

Ul (W/m2 ºC): Coeficiente de pérdidas de calor por

radiación, convección y conducción

Tpm (ºC): Temperatura media de la placa de absorción

Ta: Temperatura del ambiente.

La temperatura media es función del diseño del colector y a su vez este depende de la radiación solar incidente y la temperatura del fluido de trabajo al entrar al colector.

dt

duQQQ perdabsutil −−= (17)

Reemplazando (12), (13), (16) en (17)

−=

aT

pmT

cA

utilQ

lU-S

(18)

Análisis del circuito térmico de un colector con una cubierta La placa absorbente (piedras negras) debe estar bien aislada hacia abajo. La mayor parte de perdidas al exterior se producen a través de la superficie superior

(cubierta de vidrio), estando la placa absorbente a una temperatura (Tp) y la cubierta de vidrio a una temperatura (T1) Resistencias Las resistencias equivalentes que representan la oposición a las pérdidas de calor por convección (1/hc) y radiación (1/hr) y están representadas por R1 y R2, R3 representa la resistencia a la conducción a través del aislante térmico en la parte posterior y lados del colector y la R4 es usualmente muy pequeña (despreciable). La idea es tratar de obtener una resistencia equivalente (Req) esta resistencia es igual al inverso del coeficiente total de pérdidas de calor Req=1/Ul. Podemos decir entonces que Ul es la suma de varios coeficientes de pérdida de calor, que se puede expresar como el inverso de sus resistencias, así:

ebtl UUUU ++= (19)

Donde Ut es el coeficiente total de transferencia de calor para la parte superior del colector y es igual al inverso de las de la suma de las 2 primeras resistencias.

21

1RR

U t+

= (20)

Ub y Ue, son los coeficientes de pérdida de calor por conducción en el fondo y los lados respectivamente, que tienen que ver con R3. Además estos coeficientes también tienen relación las dimensiones del colector y el tipo y grosor del aislante utilizado, de manera que se escribe las relaciones:

3

1

RUU eb =+ (21)

l

KU a

b = (22)

c

ae

Al

MPKU

'= (23)

Ka: Es la conductividad térmica del aislante l: Espesor del aislante en el fondo l’: Espesor del aislante a los lados

P: Perímetro del colector M: Altura del colector Balance en la cubierta

0)()()( 1 =−+−+− cfcprcat TThTThTTU (24)

Balance en la placa absorbedora

0)()()( 2 =−+−+−+ pfpcrpab TThTThTTUS (25)

Balance en el fluido

ufpfc qTThTTh =−+− )()( 21 (26)


221

2

))((

))(()(

rrbrt

rbrtbttafrfc

hhhUhhU

hUhUUUhUTTShTT

−++++

+++−−=− (27)

Reemplazando

))((1aflu TTUSFq −−= (28)

221

2122111 ))((

)

rrbrt

rtr

hhhUhhU

hhhhhUhhF

−++++

+++= (29)

)(

))(())((

21221

212121

hhhhhUhh

hhUUhhhhhhUUU

rtr

tbrrtb

l+++

+++++= (30)

Calculo de Ut, coeficiente de transferencia de calor por convección, utilizados en colectores solares planos.

NfN

hN

TTTT

U

w

apmapmh

−+−+

++

++=

−

111

2

22

133.012))(000591.0(

))((

ε

εε

σ

(32)

hweapm

pm

t Uh

fN

TT

T

C

NU ++

+

−= −1)

1

)(

(

(33)

)000051.01(520 2radC β×−=

(34)

)100

1(430.0pmT

e −= (35)

N: Numero de cubiertas del colector

f, C, e: Constantes dependientes.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Las plantas medicinales fueron escogidas debido a su poder medicinal y sus características físicas similares, la parte principal de la planta medicinal a utilizar son las hojas debido a que presentan bajas características granulométricas que permite el paso del flujo de aire. Las plantas medicinales no tradicionales son: Eucalipto, Toronjil, Hierba Santa y Muña, obteniéndose los siguientes resultados

Producto: Eucalipto (11:40-03:20) Fecha: 17 – 05 - 08

Ingreso Colector Solar Cámara Secado

Higrómetro Chimene

a Radiación

Tiempo Humedad

(%)

Temp. Entrad (ºC)

Temp. salida(º

C)

Temp. En bandeja

Humedad (%)

Presión (mBar)

Temp. salida

W/m²

0 30 30 38 33,5 26 914 34.5 941,90

20 31 29 40 35,5 26 914 36 944,21

40 25 29 42 37,5 25 914 37 943,02

60 35 28 41 36 25 915 37 940,71

80 43 26,4 40 36 26 915 35 937,22

100 44 27 40 35,5 26 914 36 929,11

120 41 27 40 36 26 913 36 920,76

140 42 26,5 40 36 26 913 36 912,65

160 39 26,8 39 36 26 913 36 895,99

180 42 26 38 35 27 913 35 878,82

200 43 25,8 38 35 27 912 35 862,16

210 46 25 35,5 33 27 912 34 830,00 Tabla 1. Datos experimentales obtenidos en el secado de Eucalipto


Producto: Muña (12:00-03:20) Fecha:19 – 05 - 08


Higrómetro Chimene

a Radiación

Tiempo Humedad

(%)

Temp. Entrad (ºC)

Temp. salida(º

C)

Temp. En bandeja

Humedad (%)

Presión (mBar)

Temp. salida

W/m²

0 22 31 41,5 37 26 913 37 944,01

20 22 32,6 43,5 37,5 25 913 37 941,69

40 33 30,8 45 38,5 25 913 38 939,31

60 25 30,4 45 39,5 24 913 38 936,99

80 35 30 45,5 39,5 26 913 35 928,89

90 36 29,2 45 38,5 26 913 39 920,55

100 40 29 44,5 39 26 912 38 912,45

120 41 29 43,5 38 26 912 37 895,82

140 42 28,3 43 38 26 912 36 878,68

160 42 26,8 40,5 36 28 911 36 862,05

180 50 25,6 39 34,5 28 911 34 829,99

200 22 31 41,5 37 26 913 37 944,01

Tabla 2. Datos experimentales obtenidos en el secado de muña

Producto: Hierba Santa Fecha: 26 – 05 - 08


Higrómetro Chimenea

Radiación

Tiempo Humedad

(%)

Temp. Entrad (ºC)

Temp. salida(º

C)

Temp. En bandeja

Humedad (%)

Presión (mBar)

Temp. salida

W/m²

0 30 28 36,5 33,5 33 912 33,5 939,72

20 29 28 38 33 32 911 34,5 937,41

40 30 27,5 38 32 30 911 34 932,05

60 31 28,5 38 34 30 911 35 923,98

80 39 27,5 38,5 33 30 911 34 915,41

90 45 25 36,5 31 32 910 32,5 903,22

100 48 25 34,5 30 32 910 31 886,67

120 55 24 33,5 29 34 909 30,5 870,13

140 56 21,9 32 28,5 36 909 29 845,23

160 59 20,9 30,5 27 38 909 28 813,44

180 58 22,5 31 27,5 39 909 28,5 781,65

200 58 22 31,5 27 40 909 27,5 730,94

Tabla 3. Datos experimentales obtenidos en el secado de hierba santa


Producto: Toronjil Fecha: 11 – 06 - 08


Higrómetro Chimenea Radiación

Tiempo Humedad

(%)

Temp. Entrad (ºC)

Temp. salida(º

C)

Temp. En bandeja

Humedad (%)

Presión (mBar)

Temp. salida

W/m²

0 44 25,4 36 35 48 910 33 938,40

20 44 28,5 39 36 42 911 37 936,04

40 45 27 36 34 35 912 36 930,68

60 45 26 35 35 32 912 34 922,63

80 45 27 34 32 31 912 33 914,08

90 45 27 32 31 33 912 32 901,96

100 46 25 30,5 30 34 913 30,5 885,54

120 47 24 30 29 38 910 29 869,11

140 47 25 29,5 29 39 910 29 844,47

160 52 24 30 29 39 910 29 813,06

180 56 23,5 30 29 40 910 30 781,66

200 61 22 28 27,5 40 910 28 731,94

Tabla 4. Datos experimentales obtenidos en el secado de Toronjil

ANALISIS DE RESULTADOS Se presentan a continuación los resultados del proceso de secado de las plantas medicinales no tradicionales, eficiencia térmica del colector solar y eficiencia de secado para las plantas medicinales en estudio. 1. Humedad de las plantas medicinales durante el tiempo de secado.

Se aprecia que el Toronjil reduce su contenido de humedad con mayor facilidad, se inicia con 86,4% y concluye el proceso de deshidratación con 18.2% de humedad. Le siguen la Muña y el Eucalipto que se inicia con 74% y 61.4% y finalizan con 20.33% y 17% respectivamente. Por otro lado la hierba santa es la planta medicinal que posee menor velocidad de secado.

Figura 12. Variación del contenido de humedad de las plantas con respecto al tiempo de secado.

Humedad de las Plantas

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0 40 80 120 160 200

Tiempo(min)

%Humedad

Toronjil

Hierba Santa

Muña

Eucalipto


2. Eficiencia Térmica del colector solar para las plantas. se aprecia que hay una zona en donde la eficiencia experimental del Eucalipto y la Muña son mayores

que las eficiencias simuladas por el programa creado para el colector, esto se debe a que en esta zona se dio el mayor aprovechamiento de la energía solar y las condiciones del día de prueba (radiación y velocidad del viento) fueron óptimas.

Figura 13. Eficiencias simuladas y medidas en el colector solar para los productos Eucalipto, Muña.

3. Eficiencia térmica del colector.

Se aprecia una zona en donde la eficiencia experimental de la Hierba Santa y el Toronjil son mayores que las eficiencias simuladas por el

programa creado para el colector, esto se debe a que en esta zona se dio un aprovechamiento regular y las condiciones del día de prueba (radiación y velocidad del viento) no fueron los ideales.

Figura 14. Eficiencias simuladas y medidas en el colector solar para los productos Hierba Santa y Toronjil.

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

35

40

45

50

55

60

65

70

x

yEficie

ncia

(%

)

Tiempo(min)

Experimental SimuladaEucalipto ___________ - - - - - - - - Muña ___________ - - - - - - - -

Eficiencia térmica del Colector

ZONA 1

ZONA 2

ZONA 3

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

35

40

45

50

55

60

65

70

x

y

Eficie

ncia

(%

)

Tiempo(min)

Experimental SimuladaHierba Santa ___________ - - - - - - - - Toromjil ___________ - - - - - - - -

Eficiencia térmica del Colector

ZONA 1

ZONA 2

ZONA 3


Si se comparan las figuras 13 y 14, se observa lo siguiente: a) En todas las pruebas realizadas las eficiencias experimentales fueron mayores que las simuladas. b) Se aprecia la existencia de tres zonas: Zona I, en donde el secador esta en proceso de calentamiento; Zona II, en donde el colector trabajó con las mejores condiciones térmicas y Zona III, en donde el secador se encuentra en proceso de enfriamiento, debido a las condiciones climatológicas externas en el momento de los ensayos experimentales. Las eficiencias simuladas con el programa creado en base a las ecuaciones de balance de energía y los fenómenos de transferencia de calor son del 50% al 60%; cuando se realizaron los cálculos experimentales se obtuvieron eficiencias de (40% a 75%), esto se debe a que las condiciones

climatologías que existía en los días de las pruebas experimentales fueron muy variables; obteniéndose mayores eficiencias con las plantas medicinales Muña y Eucalipto y teniendo su mayor eficiencia a los 120m. del inicio de la prueba (1:30 p.m.). 4. Influencia del flujo másico en la eficiencia del colector solar. Se observa que el día de ensayos de la muña hubo mayor flujo másico de aire y se obtuvo una mayor eficiencia térmica del colector. Se debe tener en cuenta que un mayor flujo másico y una mayor eficiencia de secado no implica que se tenga una mayor pérdida de humedad en el secado debido a que el aumento de flujo másico de aire depende de la velocidad; al aumentar la velocidad disminuye la temperatura a la salida del colector solar que es la temperatura de inicio en la cámara de secado.

Figura 16. Flujo másico vs. Eficiencia del colector solar para los productos Eucalipto, Muña y hierba Santa.

5. Eficiencia térmica del secado. La mayor eficiencia de secado se logró con el toronjil, debido a que el toronjil fue uno de los productos de mayor humedad inicial (estructura

venosa con gran capacidad para almacenar agua) y debido a sus características biológicas y físicas de las hojas del toronjil, las condiciones de temperatura del aire el día de los ensayos experimentales fueron óptimas

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055

-10

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

x

y

Influencia del Flujo másico deaire en la eficiencia del colector

Flujo másico (kg/s)

Efi

cie

ncia

(%

)

ExperimentalEucalipto ___________Muña ___________Hierba Santa ___________Toronjil ___________


Figura 17. Variación de la eficiencia de secado para los diferentes productos.

CONCLUSIONES

Realizado el proceso de diseño, construcción y de ensayos experimentales del secador indirecto, se llega a las conclusiones siguientes: 1. Este proyecto demuestra que es posible

desarrollar tecnología apropiada para el secado de productos agrícolas en el Perú, en este caso se realizó el proceso de diseño, cálculo y construcción de un secador solar indirecto.

2. El Toronjil es la planta medicinal más apropiada para las características constructivas del secador indirecto debido a su elevada eficiencia de secado y a que la velocidad de secado es mayor que en las otras plantas medicinales.

3. La hierba santa es la planta medicinal que no se

adecua a las características constructivas del secador solar indirecto, debido a su baja eficiencia de secado y a su baja velocidad de secado en comparación con las otras plantas medicinales.

4. Los coeficientes convectivos entre el aire caliente y las plantas medicinales varían en el rango de (0.55 a 1.89) W/m2ºC, siendo mayor en el caso del Toronjil y menor en el caso del eucalipto.

5. Para un mayor aprovechamiento de la energía solar por el colector solar indirecto; las pruebas experimentales se deben realizar en el intervalo de tiempo que exista mejores condiciones de la variación de temperatura; en nuestro caso de 10 a.m. á 4 p.m.) en la ciudad de Huarochirí.

RECOMENDACIONES

• Se requiere el empleo de instrumentos (termómetros y manómetros) de mayor precisión para la obtención de valores más exactos para evaluar en detalle el proceso de secado.

• Durante el proceso de secado, se debe disminuir el tiempo de pesado para poder disminuir las perdidas de calor de las plantas medicinales.

BIBLIOGRAFÍA

1. Montero, Irene; “Modelado y construcción de un

secador solar hibrido para residuos biomásicos”; Universidad de Extremadura, España, 2005.

2. Centro de Energías Renovables (CER-UNI);

“Teoría y Práctica del Secado Solar”; editorial (CER-UNI), Lima1991.

3. Instituto tecnológico y estudios superiores de

occidente (ITESO); “Notas sobre el curso de ENERGIA SOLAR”, editora Miryan Mendoza Ramírez, México 1995

4. Perry, Jhon; “Manual de Ingeniero Químico”,

editorial Mc Graw Hill, México 1992. 5. Molina, J.; “Estudio económico referente a la

posibilidad de la instalación de una planta de aceite de soya”; Tesis, Lima ,1968.

Eficiencia de Secado

0 10

20

30

40

50

60

70

80

90

Plantas Medicinales

Eficiencia (%)

Eficiencia 72,31 72,53 51,42 78,88

Eucalipto Muña Hierba Santa Toronjil


ESTUDIO DE LOS NIVELES DE RUIDO EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE SAN MARCOS – LIMA STUDY OF NOISE LEVELS IN SAN MARCOS CAMPUS – LIMA

Lorena Olivera, Jairo Pinedo, Rubén Romero, José Pizarro, Felipe Ancajima, Andrés Valderrama

____________________________________________________________________________________________

RESUMEN

En el presente trabajo se realiza el monitoreo de los niveles de ruido dentro del recinto de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos; la metodología comprende una encuesta preliminar, dirigida a estudiantes, profesores, trabajadores y visitantes, para determinar la distribución de los puntos de monitoreo dentro de la Ciudad Universitaria (CU). En estos puntos de monitoreo se registra la intensidad de sonido y las condiciones meteorológicas de mayor influencia para el estudio, como son: presión, temperatura, porcentaje de humedad relativa, velocidad y dirección del viento. El análisis de los datos de monitoreo permitirá construir un mapa de riesgos por efecto del nivel de ruido en la CU San Marcos. Asimismo, se analizará el nivel de influencia en la desconcentración y pérdida de interés de profesores, estudiantes y personal administrativo en sus actividades al interior del recinto universitario; para el análisis comparativo se tomará como referencia los niveles de ruido establecidos en el D.S. Nº 085-2003-PCM y en la Ordenanza Nº 015 de la Municipalidad de Lima. Como recomendación del trabajo se plantearán algunos métodos y formas para controlar y disminuir los niveles de ruido en la CU San Marcos.

ABSTRACT

In the currently study it is made the noise levels monitoring inside the UNMSM, the methodology includes a preliminary survey, aimed to CU, to determinate the distribution of the monitoring points inside the CU. In these monitoring points it is registered the noise intensity and the meteorology conditions that have the mayor influence on this study, such as: pressure, temperature, relative moisture percentage, and speed and direction wind. The analysis of monitoring data will allow making a risk map because of the noise levels effects. Moreover, it will be analyzed the influence level on desconcentration, and the loss of interesting of the community in the CU, in their activities inside the University; to make the comparative analysis it will take as a reference the noise levels established in D.S. Nº 085-2003-PCM and Law Nº 015 – “Municipalidad de Lima”. As recommendations of the study it will make some methods and ways to control and reduce the noise levels the CU. _____________________________________________________________________________________________

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, en todas partes del mundo, se están viviendo los efectos del impacto ambiental, causados por el avance tecnológico en todos los campos de la ciencia que originan diferentes fuentes contaminantes que afectan la salud, el rendimiento físico, laboral y académico de las personas. La contaminación acústica es una consecuencia directa no deseada de actividades como el transporte, obras públicas de construcción (carreteras y edificaciones), centros de diversión (discotecas, casinos, conciertos), entre otras; cuyo aumento es influenciada por la modernización. El presente trabajo se llevó a cabo en el campus de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, con el fin de determinar las zonas donde existe mayor concentración de ruido, los cuales sobrepasaron los límites máximos permisibles establecidos en las

normas estándares, dadas por la municipalidad de Lima y otras instituciones del país. Los resultados de este proyecto se mostrarán a través de gráficas y cuadros, que se expondrán más adelante, donde se observará la variación de los niveles de ruido por zonas y estos a la vez se comparará con el Reglamento de Estándares Nacionales de Calidad Ambiental para Ruido (ECA), Aprobado por Decreto Supremo Nº 085-2003-PCM.

PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO

El estudio se realiza en las siguientes etapas: Etapa 1 Selección de las zonas de mayor impacto de niveles de ruido. • Elaboración y evaluación de una encuesta “Ruido: ¿peligro?” empleando la matriz de Leopold. Etapa 2 Medición de niveles de ruido en zonas críticas.


• Cronograma de monitoreo: 8:00 a 21:10 horas durante un periodo de 20 días, desde el 31 de marzo al 25 de abril. Etapa 3 Análisis de los Resultados. • Identificación de los Niveles máximos de ruido según la zona mediante un análisis estadístico. Etapa 4 Elaboración del mapa Acústico • Distribución de las curvas isofónicas en las zonas críticas.

FORMULACIÓN DE OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Conocer los valores cuantitativos del nivel de ruido en el interior de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos. OBJETIVOS ESPECIFICOS 1. Establecer la incidencia de los niveles de ruido

en la falta de concentración de los profesores, estudiantes y trabajadores de la ciudad universitaria, en las actividades que realizan.

2. Proponer métodos de mitigación de los niveles de ruido en el interior de la ciudad universitaria de San Marcos – Lima

3. Construir el plano de riesgos por efecto del ruido en la Ciudad Universitaria - San Marcos.

FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS

HIPÓTESIS GENERAL Establecer que los niveles de ruido dentro de la ciudad de Universitaria San Marcos, sobrepasan los niveles máximos permisibles establecidos por los Estándares Nacionales de Calidad Ambiental para Ruido (ECA) debido a la mala distribución de los edificios y zonas comerciales (restaurantes, fotocopiadoras, etc.). HIPÓTESIS ESPECÍFICAS Establecer que las zonas de mayor nivel de ruido se encuentran cercanas a las Av. Venezuela, Universitaria, debido a obras de construcción que allí de realizan. Establecer que los niveles de ruido afectan el desempeño de las actividades de tipo académico, laboral (de profesores, alumnos, personal administrativo y otros). Establecer que los niveles de ruido causadas por fuentes exteriores (paso vehicular) e interiores sobrepasan los niveles de ruido según la zona especial

FUNDAMENTO TEORICO

2.1. Definiciones a) Acústica: Energía mecánica en forma de ruido, vibraciones, trepidaciones, infrasonidos, sonidos y ultrasonidos. b) Barreras acústicas: Dispositivos que interpuestos entre la fuente emisora y el receptor atenúan la propagación aérea del sonido, evitando la incidencia directa al receptor. c) Contaminación Sonora: Presencia en el ambiente exterior o en el interior de las edificaciones, de niveles de ruido que generen riesgos a la salud y al bienestar humano. d) Decibel (dB): Unidad adimensional usada para expresar el logaritmo de la razón entre una cantidad medida y una cantidad de referencia. De esta manera, el decibel es usado para describir niveles de presión, potencia o intensidad sonora. e) Decibel A (dBA): Unidad adimensional del nivel de presión sonora medido con el filtro de ponderación A, que permite registrar dicho nivel de acuerdo al comportamiento de la audición humana. f) Emisión: Nivel de presión sonora existente en un determinado lugar originado por la fuente emisora de ruido ubicada en el mismo lugar. g) Estándares Primarios de Calidad Ambiental para Ruido.- Son aquellos que consideran los niveles máximos de ruido en el ambiente exterior, los cuales no deben excederse a fin de proteger la salud humana. Dichos niveles corresponden a los valores de presión sonora continua equivalente con ponderación A. h) Horario diurno: Período comprendido desde las 07:01 horas hasta las 22:00 horas. i) Horario nocturno: Período comprendido desde las 22:01 horas hasta las 07:00 horas del día siguiente. j) Inmisión: Nivel de presión sonora continua equivalente con ponderación A, que percibe el receptor en un determinado lugar, distinto al de la ubicación del o los focos ruidosos. k) Monitoreo: Acción de medir y obtener datos en forma programada de los parámetros que inciden o modifican la calidad del entorno. l) Nivel de Presión Sonora Continuo Equivalente con ponderación A (LAeqT): Es el nivel de presión sonora constante, expresado en decibeles A, que en el mismo intervalo de tiempo (T), contiene la misma energía total que el sonido medido.


m) Ruido: Sonido no deseado que moleste, perjudique o afecte a la salud de las personas. n) Ruidos en Ambiente Exterior: Todos aquellos ruidos que pueden provocar molestias fuera del recinto o propiedad que contiene a la fuente emisora. o) Sonido: Energía que es trasmitida como ondas de presión en el aire u otros medios materiales que puede ser percibida por el oído o detectada por instrumentos de medición. 2.2. Medición del ruido El ruido viene determinado, en gran medida, por la percepción subjetiva de las personas, que varía de un individuo a otro y, a menudo, en un mismo individuo según su disposición en ese momento. Dada su naturaleza subjetiva, el ruido no puede medirse en unidades objetivas. Pero para poder clasificar y comparar los diferentes casos de ruido es necesario por lo menos obtener una descripción cuantitativa aproximada. Con este fin, el "sonido", que es la parte física del ruido, es descrito mediante valores cuantitativos que se refieren a: • Intensidad.- La intensidad de un sonido se

expresa en términos de amplitud media de las ondas de presión acústica p y, generalmente, se determina por el nivel de presión acústica L p en decibelios (dB) a partir de la siguiente ecuación (p0 es la presión acústica de referencia de 20 µPa):

• La escala de decibelios varía de - a + pero el

oído humano sólo percibe niveles de presión acústica entre 0 dB (umbral de audibilidad humana normal) y cerca de 130 dB (umbral del dolor) /1/. Al igual que en la percepción subjetiva de los niveles sonoros de diferentes intensidades, un aumento de la presión acústica de un sonido puro estacionario de 10 dB tendrá como resultado una duplicación de la intensidad sonora.

• Frecuencia o escala de frecuencias.- La mayor

parte de los sonidos consisten en una mezcla de tonalidades con diferentes tonos y frecuencias, siendo estas frecuencias medidas en hertzios (Hz). El oído humano tiene una sensibilidad distinta para tonalidades de diferente frecuencia: es más sensible para tonalidades entre 1kHz y 5kHz, menos sensible para frecuencias más altas y aún mucho menos para frecuencias más bajas. Por lo tanto, en la mayoría de los casos el nivel sonoro está ponderado con la denominada ponderación "A" y, de este modo, se transforma en el nivel de presión acústica ponderado A ó L pA

• Evolución a lo largo del tiempo.- la mayor parte de los sonidos varían a lo largo del tiempo, pudiendo fluctuar en una escala muy pequeña (a una cierta distancia de una autopista) o en una escala muy amplia (cerca de un aeropuerto). Todos estos tipos de variación sonora deberían ser descritos mediante una única unidad. La descripción de todos los diferentes ruidos está basada en la hipótesis que a dosis de ruido iguales (lo que significa energía acústica multiplicada por el tiempo de exposición) resultan efectos sonoros iguales. Este método de obtención de valores a lo largo del tiempo es el llamado: nivel equivalente continúo de presión acústica L Aeq en dB (A).

• Características particulares.- Si el sonido está

compuesto de una única tonalidad o de tonalidades con frecuencias muy bajas, podría ser muy molesto. Por consiguiente, a veces se añaden "penalizaciones" al LAeq con objeto de tener en cuenta esta molestia.

2.3 Efectos del ruido

El ruido, por su mismo carácter de no deseado, simplemente molesta, incomoda, perturba, produciendo un estado de nerviosismo y stress, generalmente acompañado de una sensación de frustración e impotencia ante la imposibilidad de desactivar la fuente de ruido. Los efectos que causa el ruido sobre las personas son muy variados, los mas salientes son:

−−−− Perturbación del sueño −−−− Efectos del ruido en la salud mental e influencias

en el desempeño y productividad de las personas. −−−− Interferencias en la comunicación

2.4. Instrumentos y accesorios de medición de ruido

•••• Sonómetro Los sonómetros convencionales se emplean fundamentalmente para la medida del nivel de presión acústica con ponderación A (LpA) del ruido estable. •••• Analizador de frecuencia Determina el contenido energético de un sonido en función de la frecuencia. La señal que aporta el micrófono se procesa mediante filtros que actúan a frecuencias predeterminadas, valorando el contenido energético del sonido en ese intervalo. • Dosímetro Es un pequeño sonómetro integrador que permite calcular la dosis de ruido a la que está sometida una persona. •••• Calibrador acústico

LpA = 10 log (p/p0)² en dB…(2)

L p = 10 log (p/p0)² en dB …(1)


Instrumento que sirve para asegurar la fiabilidad de los sonómetros. Su misión es generar un tono estable de nivel a una frecuencia predeterminada y se ajusta la lectura del sonómetro haciéndola coincidir con el nivel patrón generado por el calibrador. En general, disponen de un selector que permite generar uno o más tonos a una frecuencia de 1 kHz. •••• Decibelímetro El decibelímetro es un instrumento que permite medir el nivel de presión acústica, expresado en dB. Proporcionar mediciones objetivas y reproducibles del nivel de presión acústica. •••• Pantalla anti viento Reduce el ruido producido por la turbulencia del viento contra el micrófono, ya que aumenta el radio de curvatura y favorece el flujo laminar. 2.5 Mapa de Ruido La Comunidad Europea ha adoptado una definición bastante amplia de mapa de ruido: “La presentación de datos sobre una situación acústica existente o pronosticada en función de un indicador de ruido, el rebasamiento de un valor límite, el número de personas afectadas en una zona dada, el número de viviendas expuestas a determinados valores de un indicador de ruido en una zona dada, o de datos sobre costos y beneficios, u otros datos económicos sobre las medidas correctoras o los modelos de lucha contra el ruido”

FORMULACIÓN ITEMS

¿De que manera influye en ruido en los seres humanos? Irritando nuestros nervios, afecta nuestras emociones y conducta de diversas maneras, produciendo molestias e interfiriendo con el trabajo, impide la concentración, el descanso y el sueño. Provocando tensión, excitación e irritabilidad. ¿El ruido repentino afecta más que los continuos? Los ruidos repentinos pueden ser peores que los continuos ya que sobresaltan a la persona y pueden provocar accidentes. ¿Cuales son las principales fuentes de emisión de ruido? Las fuentes generadoras de ruido son muy diversas, desde las obras de construcción o las fábricas industriales y locales musicales, pasando por los animales y personas, los aviones o ciertos fenómenos meteorológicos. Pero, sin duda, el tráfico se ha convertido hoy en uno de las principales focos de

ruido. El espectacular aumento del parque automovilístico en nuestro país.


1. Desarrollo de la encuesta “Ruido: ¿peligro?” dentro de la Ciudad Universitaria. Esta encuesta describe la intensidad de las molestias causadas por los niveles de ruido dentro de la Ciudad Universitaria; especificando las zonas (alrededores de las facultades – véase Anexo Nº1) y los horarios en que se percibe estas molestias. La encuesta se lleva a cabo en tres días característicos lunes, miércoles y viernes en tres periodos horarios: en la mañana de 8:00 a 10:00 horas en la tarde de 12:00 a 14:00 horas en la noche de 17:00 a 19:00 horas La Ciudad Universitaria fue dividida en 6 zonas y se encuesto a estudiantes, docentes y trabajadores (jardineros, comerciantes, etc.). El número de encuestados en cada zona fue el siguiente:

zona Numero de encuestados

1 186 2 194 3 175 4 142 5 129 6 106

2. Evaluación de la encuesta “Ruido: ¿peligro?” mediante la Matriz de Leopold (véase Anexo Nº2) A través de la matriz de Leopold se evalúa los factores de afectación sobre los individuos de una zona determinada dentro de la Ciudad Universitaria, causada por el nivel de ruido presente en dicha zona. Dentro de la Matriz de Leopold cada factor de afectación presenta un factor de riesgo, determinado según criterio de importancia sobre el impacto de Ruido. El Impacto de Ruido se evalúa a través de la siguiente fórmula:

….. (3) Donde: IR = Impacto de ruido A = Afectación de cada individuo f = factor de riesgo n = numero de individuos encuestados por zona

∑

∑

=

=

∗

=n

i

i

n

i

ii

R

f

fA

I

1

1


3. Criterio de selección de zonas críticas de monitoreo Los criterios que se toman en cuanta son:- Densidad poblacional: zonas críticas en el interior del recinto universitario de elevada densidad de estudiantes, profesores y personal administrativo- Molestia sobre la población universitaria: zonas que presenta mayor molestia en los de estudiantes, profesores y personal administrativo; según la encuesta. - Obras de construcción: zonas cercanas al área de obra que se realiza en los alrededores de la ciudad Universitaria. - Actividad no universitaria: zonas donde existen puestos de fotocopiadoras, restaurantes, canchas de fútbol, etc. 4. Puntos de monitoreo en zonas críticas� Los puntos de monitoreo se ubican en las 6 zonas establecidas � Se ubican 32 puntos de monitoreo, de acuerdo a los criterios ya establecidos 5. Cronograma de monitoreo •••• El tiempo de medición por cada punto de muestreo, es decir la constante de tiempo por medición es de una hora y cuarenta minutos, tomando el promedio de 6 valores por punto. •••• Se obtiene en total 6 mediciones por punto durante el día

Horario de medición: Puntos de monitoreo/día

MEDICIONES POR PUNTO AL DÍA

HORARIO

Primera vuelta 8:00 –

Segunda vuelta 10:00 –

Tercera vuelta 12:00 –

Cuarta vuelta 14:00 –

Quinta vuelta 17:30 –

Sexta vuelta 19:30 –

Cuadro.01. Horario de monitoreo

6. Ubicación del micrófono: �� Lejos de fachadas (a 2 m mínimo) �� Lejos de obstáculos �� A favor del viento �� En condiciones sin humedad �� Con velocidad del viento a 5 m/s �� Con el micrófono a 1.5 m sobre el nivel del suelo 7. Protocolo de ensayos Se construye un protocolo de ensayos en donde se anota las mediciones de nivel de ruido, la hora, velocidad y dirección del viento, humedad relativa y temperatura del aire, y la presión atmosférica. Además se anotaran las observacione


3. Criterio de selección de zonas críticas de

que se toman en cuanta son: Densidad poblacional: zonas críticas en el interior

del recinto universitario de elevada densidad de estudiantes, profesores y personal administrativo

Molestia sobre la población universitaria: zonas que tia en los de estudiantes,

profesores y personal administrativo; según la

Obras de construcción: zonas cercanas al área de obra que se realiza en los alrededores de la ciudad

Actividad no universitaria: zonas donde existen tos de fotocopiadoras, restaurantes, canchas de

Puntos de monitoreo en zonas críticas Los puntos de monitoreo se ubican en las 6 zonas

Se ubican 32 puntos de monitoreo, de acuerdo a

El tiempo de medición por cada punto de muestreo, es decir la constante de tiempo por medición es de una hora y cuarenta minutos, tomando el promedio de

Se obtiene en total 6 mediciones por punto durante

Horario de medición: Puntos de monitoreo/día

HORARIO

– 9:40

– 11:40

– 13:40

– 15:40

–19 :10

–1:10

Cuadro.01. Horario de monitoreo

Con el micrófono a 1.5 m sobre el nivel del suelo

Se construye un protocolo de ensayos en donde se anota las mediciones de nivel de ruido, la hora, velocidad y dirección del viento, humedad relativa y temperatura del aire, y la presión atmosférica. Además se anotaran las observaciones, incidentes,

etc. que se presentan al realizar las mediciones. (véase Anexo Nº4) 8. Instrumentos y accesorios de medición. a) Medidor digital de Nivel de Sonido407735 – Clase 2, con micrófono, pantalla LCD, y tornillo de ajuste de calibración pseleccionó: Compensación A., Tiempo de respuesta: lento, Escala de medición: baja: 35 a 90 b) Higrómetro Termo-higrómetro Digital4195, con certificación de calibración con ISO /IEC 17025 y ANSI/NCSL Z540-1. Mide la presión en mBar, la temperatura en ºC, y el % de humedad relativa c) Anemómetro: Modelo anemómetroWizard III. Mide la velocidad en m/s, la dirección del viento y la temperatura interior y exterior. Sus componentes aguantan vientos de fuerza huracán, embargo son sensibles a las ligeras brisas.

HIGROMETRO SONOMETRO

ANEMOMETRO

Fig.01. Instrumentos de medición 9. Análisis estadístico de los datos de Nivel de Media Aritmética: Medida descriptiva de tendencia central, llamada también promedio, según la ecuación siguiente:

Donde: n: número mediciones

xi: valores de las mediciones x: la media 10. Construcciones Se construyo una estación meteorológica la cual de tuvo que adaptar una bicicleta para que funcione

n

xxx

n

x

x

n

i

i +++==

∑= 3211

Página 35

etc. que se presentan al realizar las mediciones.

8. Instrumentos y accesorios de medición.-

Medidor digital de Nivel de Sonido Modelo: Clase 2, con micrófono, pantalla LCD, y

tornillo de ajuste de calibración para 94 dB. Se seleccionó: Compensación A., Tiempo de respuesta: lento, Escala de medición: baja: 35 a 90

higrómetro Digital: Modelo: 4195, con certificación de calibración con ISO /IEC

la temperatura en ºC, y el

Modelo anemómetro veleta Davis Mide la velocidad en m/s, la dirección del

viento y la temperatura interior y exterior. Sus componentes aguantan vientos de fuerza huracán, sin embargo son sensibles a las ligeras brisas.

HIGROMETRO SONOMETRO

ANEMOMETRO

Fig.01. Instrumentos de medición

9. Análisis estadístico de los datos de Nivel de Ruido Media Aritmética: Medida descriptiva de tendencia central, llamada también promedio, según la

.(4)

: valores de las mediciones

Se construyo una estación meteorológica la cual de tuvo que adaptar una bicicleta para que funcione

x n++ ...


como una estación meteorológica móvil, la cual estaba compuesta por los instrumentos y accesorios de medición mencionados anteriormente.

1.50 m

Fig.02. Estación meteorológica móvil

CUADRO DE RESULTADOS

Se muestra una grafica e n la cual obtenemos el impacto del ruido según las zonas

Fig.03. Impacto de ruido por zona

CURVAS CARACTERÍSTICAS

1. Análisis Cualitativo de los Niveles de Presión de Sonido Los datos obtenidos en el monitoreo, permiten conocer la variabilidad del Nivel de presión de Sonido (NPS) en cada estación. A continuación se observa algunos gráficos de los puntos de monitoreo:

Gráfico Nº 1. Variabilidad de los NPS en la Estación

Nº 27

Gráfico Nº 2. Variabilidad de los NPS en la Estación Nº 04

Gráfico Nº 3. Variabilidad de los NPS en la Estación Nº 01

0,00

0,40

0,80

1,20

1,60

2,00

2,40

2,80

3,20

3,60

4,00

4,40

zona 1 zona 2 zona 3 zona 4 zona 5 zona 6

4,131 4,192

3,799

4,299

3,231

4,078

Zonas

IMPACTO DE RUIDO POR ZONA


Gráfico Nº 4. Variabilidad de los NPS en la Estación

Nº 31

De los gráficos vistos se concluye que: En la estación Nº 27 ubicada en la Puerta 3 de la Ciudad Universitaria San Marcos la mayor variación del NPS se presentó en el horario de 8:00 a 14:00 horas debido al mayor flujo de personas y a las actividades de la obra de extensión de carriles en la avenida Amezaga (universitaria), estabilizándose a partir de las 14:00 a 21:00 horas. Mientras que la estación Nº13 ubicada en el comedor provisional, registra la mayor variabilidad desde las 12:43 a 14:43 horas, por encontrase en el periodo de almuerzo que es cuando se da la mayor presencia de alumnos. Además la estación Nº 06 ubicada frente al nuevo pabellón de electrónica presentó la mayor variabilidad respecto a los demás puntos, debido a la construcción de la segunda planta de este pabellón durante todo el periodo de medición.(Ver gráfica Nº1) 2. Análisis estadístico: Media Aritmética de los Niveles de presión de sonido (NPS) 2.1. Nivel de Presión de Sonido por Puntos de Monitoreo En la siguiente grafica se analiza la media aritmética de los niveles de presión de sonido obtenidos en los 32 puntos de monitoreo, distribuidos dentro de la Ciudad Universitaria San Marcos:

Gráfico Nº 6. Media Aritmética de los NPS por

puntos de Monitoreo

Se observa que el mayor nivel de presión de sonido se sitúa en el punto de monitoreo Nº 25 ubicada entre la Facultas de Ciencias Administrativas y la entrada a la Facultad de Letras y Ciencias Humanas, mientras que en el punto de monitoreo Nº 7 ubicado en la plaza de los Molles se encuentra el menor nivel de presión de sonido.

Gráfico Nº 7. Media Aritmética de los NPS en dos

Periodos 2.2. Niveles de Presión de Sonido en 2 Periodos La siguiente grafica de la media aritmética de los niveles de presión de sonido de los 32 puntos de monitoreo, se analiza en 2 periodos horarios: Periodo 1 de 8:00 a 13:40 horas y Periodo 2 de 14:00 a 21:40 horas.


Gráfico Nº 8. Media Aritmética de los NPS en dos Periodos

Se observa que durante el periodo 1, el punto de monitoreo de mayor NPS es el Nº 13 (ex loza deportiva de FQIQ actual comedor universitario provisional) y el de menor NPS es el Nº 7 (plaza de los Molles), mientras que durante el periodo 2 el


Gráfico Nº 8. Media Aritmética de los NPS en dos

Se observa que durante el periodo 1, el punto de monitoreo de mayor NPS es el Nº 13 (ex loza deportiva de FQIQ actual comedor universitario provisional) y el de menor NPS es el Nº 7 (plaza de los Molles), mientras que durante el periodo 2 el

punto de monitoreo de mayor NPS es el punto Nº 25 (entre la FCA y la entrada de FLCH) y el menor NPS es en el punto Nº 32 (esquina de la Facultad de Psicología) 2.3. Niveles de Presión de sonido por díasA continuación se muestra la grafica de la media aritmética de los niveles de presión de sonido analizada según los días académicos Ciudad Universitaria San Marcos.Se observa que el mayor NPS de los días lunes, martes, miércoles y viernes se encuentra en el punto de monitoreo Nº 25, mientras queel mayor NPS se ubica en el punto Nº 13 y los días sábados en el punto Nº 12. Además el menor NPS de los días martes, miércoles, jueves y sábados se encuentra en el punto Nº 7 en tanto que los días lunes en menor NPS se ubica en el punto Nº 5 y los días viernes en el punto Nº 32.

Página 38

itoreo de mayor NPS es el punto Nº 25 (entre la FCA y la entrada de FLCH) y el menor NPS es en el punto Nº 32 (esquina de la Facultad de

2.3. Niveles de Presión de sonido por días A continuación se muestra la grafica de la media

de los niveles de presión de sonido analizada según los días académicos – laborales en la Ciudad Universitaria San Marcos. Se observa que el mayor NPS de los días lunes, martes, miércoles y viernes se encuentra en el punto de monitoreo Nº 25, mientras que en los días jueves el mayor NPS se ubica en el punto Nº 13 y los días sábados en el punto Nº 12. Además el menor NPS de los días martes, miércoles, jueves y sábados se encuentra en el punto Nº 7 en tanto que los días lunes

unto Nº 5 y los días



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RESULTADOS Y CONCLUSIONES

1. De lo anterior, podemos señalar que el

ruido, superior a una determinada intensidad, es uno de los contaminantes acústicos que altera el desarrollo social de los seres humanos. Asi mismo es causante de trastorno psicofísico, conductas agresivas, estrés, pérdida de audición entre otros.

2. En el caso de nuestra Universidad, notamos

que existen factores externos e internos que influyen en el aumento del ruido, y por ende esto perjudica las labores cotidianas realizadas en nuestro aposento.

3. Nuestro estudio nos ha llevado a la

conclusión que los mayores niveles de concentración de ruido en la CU se ubican entre la Facultad de Administración y la Facultad de Letras. Así como también en las puertas de ingreso a la universidad.

4. En las graficas podemos observar que de

todos los días analizados, el día miércoles en casi todos los puntos es donde se localiza la mayor cantidad de ruido.



De lo anterior, podemos señalar que el ruido, superior a una determinada intensidad, es uno de los contaminantes acústicos que altera el desarrollo social de los seres humanos. Asi mismo es causante de trastorno psicofísico, conductas

érdida de audición entre

En el caso de nuestra Universidad, notamos que existen factores externos e internos que influyen en el aumento del ruido, y por ende esto perjudica las labores cotidianas realizadas en nuestro aposento.

Nuestro estudio nos ha llevado a la conclusión que los mayores niveles de concentración de ruido en la CU se ubican entre la Facultad de Administración y la Facultad de Letras. Así como también en las puertas de ingreso a la universidad.

odemos observar que de todos los días analizados, el día miércoles en casi todos los puntos es donde se localiza la

RECOMENDACIONES

1. Para disminuir el ruido generada por los vehículos de transporte alrededores de la universidad, es necesario que las paredes sean aislantes, para el caso de las facultades, colocar ventanas insonorizadas,(doble ventana) es decir dos ventanas que al cerrarse crean una cámara de aire entre ambas.

2. Para evitar que el ruido continué incomodando a los alumnos, profesores y personal administrativo es necesario situar áreas ecológicas que sirva de pantalla acústica en las entradas al campus universitario (puertas).

3. Es necesario una plantación densa y ancha (más de 50m) con follaje hasta el nivel del suelo para que haya una absorción significativa de sonido, así se puede obtener una reducción de alrededor de 0.1 dB por metro de espesor.

4. Es necesario se hagan plantaciones con las características ya especificadas cerca de las avenidas y en las zonas que considerablemente el nivel máximo permisible.

5. Es necesario situar áreas ecológicas que sirva de pantalla acústica en lugares de niveles altos de ruido, así como hacer unadecuada zonificación de la CU.

6. Por último, pensamos que es importante tomar conciencia y concienciar a la

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RECOMENDACIONES

Para disminuir el ruido generada por los vehículos de transporte alrededores de la

ad, es necesario que las paredes sean aislantes, para el caso de las facultades, colocar ventanas insonorizadas,(doble ventana) es decir dos ventanas que al cerrarse crean una cámara

Para evitar que el ruido continué os alumnos, profesores y

personal administrativo es necesario situar áreas ecológicas que sirva de pantalla acústica en las entradas al campus

Es necesario una plantación densa y ancha (más de 50m) con follaje hasta el nivel del suelo para que haya una absorción significativa de sonido, así se puede obtener una reducción de alrededor de 0.1 dB por

Es necesario se hagan plantaciones con las características ya especificadas cerca de las avenidas y en las zonas que exceden considerablemente el nivel máximo

Es necesario situar áreas ecológicas que sirva de pantalla acústica en lugares de niveles altos de ruido, así como hacer una

e la CU. último, pensamos que es importante

tomar conciencia y concienciar a la


comunidad con el fin de disminuir los efectos de la contaminación acústica que nosotros mismos provocando.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROYECTO

Ventajas: 1. Al saber el nivel de ruido que existe en el área

donde estamos estudiando y/o laborando se pueda tomar las precauciones necesarias para disminuir el nivel de ruido.

2. Mayor concentración en las labores que se realizan.

Desventajas: 1. Una desventaja en el caso de que se colocase

ventanas insonoras es el factor económico. 2. Las medidas tomadas tienen un cierto límite de

error humano ya que no se cuentas con un sistema automatizado.

BIBLIOGRAFIA

1. ARELLANO DÍAZ, Ana María. “Distribución de Ruido Ambiental en el Campus de la Universidad Nacional

2. Agraria La Molina en el periodo Enero – Marzo del 2007”. Universidad Nacional Agraria La Molina, Departamento de Ingeniería Ambiental, 2008.

3. BRUEL & KJAER. 2000. Ruido Ambiental, Sound & Vibration Measurement A/S.

4. DIGESA; “Plan a Corto Plazo para la Reducción de la Exposición a Contaminantes en la Av. Abancay”; Coordinadora del Área de prevención y Control de la Contaminación Atmosférica; 2007

5. HARRIS CYTRIL M. 1995. Manual Acústica y Control del Ruido, Vol II. Mac Graw Hill Tercera Edición.

6. KIELY G., 1999. Ingeniería Ambiental, Fundamento, Entorno, Tecnologías y Sistemas de Gestión, Mc Graw Hill, Madrid – España


VALIDACIÓN DEL MÉTODO DE TUBOS PASIVOS CON FILTROS COLECTORES PARA DETERMINAR LA CONCENTRACIÓN DE MATERIAL SÓLIDO SEDIMENTABLE EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE SAN MARCOS VALIDATION OF THE METHOD OF PASSIVE PIPES WITH FILTERS COLLECTORS TO DETERMINE THE CONCENTRATION OF SOLID MATERIAL SEDIMENTABLE IN THE UNIVERSITY CAMPUS OF SAN FRAMEWORKS

José Huallaro B., Héctor Laos V., Fred Gutarra D., Mileydi Cabrera R. & Andrés Valderrama R.

_____________________________________________________________________________________

RESUMEN

En el presente artículo se determina la concentración de material sólido sedimentable utilizando un nuevo método de medición el cual utiliza tubos pasivos que contienen filtros colectores, que serán ubicados en varias estaciones dentro de la ciudad universitaria de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, así, además de poder determinar las zonas de mayor concentración de material particulado y asegurarnos de que no excedan el nivel referencial permisible de la OMS de 5 t/km2/mes, los resultados obtenidos con este método serán comparados con los resultados de un método estandarizado, tomaremos para este estudio el método de tubos pasivos de DIGESA; con el fin de validar esta nueva alternativa metodológica, para aminorar costos y ahorrar tiempo. Asimismo con la ayuda de un microscopio electrónico y un software de imagen IMAGEJ se podrá determinar la concentración de material sólido sedimentable de diversos tamaños: de 2 micras hasta 100 micras. Palabras Clave: Material particulado, Tubos pasivos.

ABSTRACT

In the currently study it is made the noise levels monitoring inside the UNMSM, the methodology includes a preliminary survey, aimed to CU, to determinate the distribution of the monitoring points inside the CU. In these monitoring points it is registered the noise intensity and the meteorology conditions that have the mayor influence on this study, such as: pressure, temperature, relative moisture percentage, and speed and direction wind. The analysis of monitoring data will allow making a risk map because of the noise levels effects. Moreover, it will be analyzed the influence level on desconcentration, and the loss of interesting of the community in the CU, in their activities inside the University; to make the comparative analysis it will take as a reference the noise levels established in D.S. Nº 085-2003-PCM and Law Nº 015 – “Municipalidad de Lima”. As recommendations of the study it will make some methods and ways to control and reduce the noise levels the CU. Keywords: Private material, passive Pipes

_________________________________________________________________________________________

INTRODUCCIÓN

Debido a la contaminación atmosférica que se presenta principalmente en las ciudades, se hace necesario generar políticas y proyectos de mejoramiento de la calidad de aire para proteger la salud de sus habitantes, siendo el primer paso el de monitorear para conocer cuál es la calidad del aire, Para ello se utilizan diversos procedimientos o métodos como son el método activo y el método pasivo, este último no implica el uso de equipos de alto costo, por ello resulta mas factible usarlos; en nuestro estudio utilizaremos el método de tubos

pasivos con filtros colectores dentro de la ciudad

universitaria de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos (UNMSM) que para su validación será comparado con el método de tubos pasivos ya estandarizado.


Para lograr nuestro objetivo principal que es validar la metodología de monitoreo alternativa, es necesario hacer una descripción de la forma como fueron evaluados los siguientes parámetros: intervalo lineal y de trabajo, límite de detección y de cuantificación, exactitud (repetibilidad y veracidad), robustez e incertidumbre.


Metodología de tubos pasivos con filtros colectores Preliminares. El contaminante a ser estudiado es el: polvo atmosférico sedimentable, cuya concentración limite promedio es de 5 t/km2/mes según la Organización Mundial de la Salud (OMS) Entre los diversos equipos utilizados tenemos: Balanza analítica, modelo “770”marca “Kern”, un microscopio electrónico Digital blue, modelo QX5, marca Microscope, sensibilidad de hasta 200X, estufa calibrada, desecador, y diversos equipos e instrumentos de laboratorio.

PROCEDIMIENTO:

Ubicación. El sitio de muestreo debe permitir una exposición libre, de tal manera que la muestra sea colectada únicamente por gravedad. Debe estar libre de fuentes de contaminación y libre de interferencias de edificios u otros objetos altos o estructuras. Instalación.- Se entierran los postes (40 cm. aprox.) previamente cortados, lijados y pintados para que no afecten a los colectores. Preparación.- Los tubos son cortados con dimensiones: 4 pulg. de diámetro y 10 pulg. de alto, lavados con detergente y luego con agua destilada, al igual que las tapas, se secan con papel tissue, y después son tapados con papel aluminio para evitar su contaminación. Los papeles tipo filtro son pesados en una balanza analítica para su posterior exposición. Esto se realiza con elevados cuidados y precauciones. Monitoreo.- Se empieza el monitoreo colocando los filtros en las tapas realizando un cierre ajustado con el tubo y sellando la unión con cinta, asegurándonos de que la contaminación se produce solo por la boca superior del tubo. Durante los siguientes 30±2 días que dura el monitoreo, se harán los respectivos inventarios del estado de las estaciones, así como su mantenimiento dos veces por semana. En esta parte que se realiza la eliminación de algunas estaciones según sea el caso, (vandalismo, aves, insectos grandes, etc.) Después del periodo de exposición, se procede a recoger las tapas con los filtros incluidos, que inmediatamente serán cubiertos con papel aluminio (esto es para que no sea alterada la muestra y se pueda sustraer con mas cuidado en el laboratorio). Esto se realiza con guantes quirúrgicos, pinzas y algunas herramientas manuales necesarias en ese momento. Las muestras son llevadas al laboratorio de la Facultad de Ciencias Físicas para someterlas a los análisis de gravimetría. Se toman microfotografías de los filtros con ayuda de un microscopio electrónico, modelo QX5, marca Microscope. Estas imágenes son analizadas mediante el software libre IMAGE J, obteniendo de esa manera los diámetros de las

partículas y sus respectivas concentraciones. * Los parámetros tomados en cuenta son: Linealidad (R). Al comparar los datos obtenidos en los filtros y los datos obtenidos mediante la metodología de DIGESA, se obtiene un factor constante de correlación, este factor debe ser lineal y como resultado de todos los datos, se reduce el riesgo de error en los cálculos. Límite de detección. En esta sección el límite de detección se determina con la siguiente formula:

bb sy 3 L.D. += ……….. 01)

Donde: L. D.: Límite de detección.

by : Promedio de mediciones

bs : Desviación estándar de las mediciones

Se tomaron 23 puntos de monitoreo mensual durante 2 meses; se analizaron 22 muestras aproximadamente (algunas muestras se eliminaron por diversos factores). Se obtuvo como límite de detección en gramos L.D= 0.8520403 Exactitud. Para ver si existen efectos aleatorios y/o sistemáticos en los resultados obtenidos para la determinación de PAS, utilizando el método de tubos pasivos con filtros, se evaluaran la precisión (repetibilidad) y la veracidad como parámetros de validación. Repetibilidad. La precisión del método de tubos pasivos con filtros se determinará en términos de repetibilidad. Se evaluará realizando 10 mediciones de cada una de las muestras, los resultados se expresaran como coeficiente de variación (%CV). Veracidad. La veracidad del método desarrollado se evaluó midiendo el contenido de PAS en documentos de referencia. Los resultados obtenidos se compararan con los valores obtenidos del método que DIGESA emplea, y con los datos que SENAMHI publica para la zona en la que se encuentra la UNMSM Robustez. La robustez se evaluará al analizar la información obtenida de nuestro método con el método estandarizado, sometidos a distintas velocidades y direcciones de viento, ya que las 23 estaciones están ubicadas en toda la UNMSM. Incertidumbre. La evaluación de la incertidumbre se realizó de acuerdo a la metodología propuesta por la ISO (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) [GUM 1993], se consideró la siguiente ecuación:


derivacorrecciónmasamasa m ++= … (02)

Donde:

mmasa : Es el peso de la muestra

corrección : Se calcula en el proceso de calibración de la balanza y se considera la diferencia entre el valor asignado de las masas patrón y el valor proporcionado por la balanza al pesar la masa patrón. deriva : Debida a dos causas: 1) con el paso del tiempo la balanza se va descalibrando; y 2) error sistemático debido a la diferencia entre la temperatura a la que se calibra la balanza (20°C) y la temperatura a la que se pesa la muestra. A la incertidumbre estándar así obtenida se le multiplica por 2 (factor de cobertura) para obtener la incertidumbre total expandida, Ue

kuUe = …….. (03)

Donde: k=2 (Factor de cobertura)

dcm uuuu222 ++= ... (04)

Donde: um : Medida de la masa

uc : Calibración de la balanza (realizado por el laboratorio)

ud : Deriva de la balanza (viene especificado en el equipo)

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Validar nuestra metodología usando como base el método usado por la Dirección General de Salud y Ambiente (DIGESA). OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Determinar mediante un software de imágenes

los distintos diámetros de las partículas de PAS. 2. Usando los parámetros de validación comprobar

nuestra validación. 3. Elaborar los cuadros comparativos de los pesos

obtenidos con ambas metodologías.

HIPÓTESIS

1) Debe existir un factor de correlación directo entre los datos obtenidos con el método estandarizado y con los datos obtenidos con el método propuesto.

2) Se espera que los papeles filtro usados permitan obtener concentraciones representativas en cada estación para poder utilizar el método gravimétrico.

3) El nivel de contaminación excede los límites máximos permisibles en la ciudad universitaria.

MARCO TEÓRICO

Monitoreo atmosférico: Se define como todas las metodologías diseñadas para muestrear, analizar y procesar en forma continua las concentraciones de sustancias o de contaminantes presentes en el aire en un lugar establecido y durante un tiempo determinado. Su importancia radica en: a) Formular los estándares de calidad de aire. b) Llevar a cabo estudios epidemiológicos que relacionen los efectos de las concentraciones de los contaminantes con los daños en la salud. c) Especificar tipos y fuentes emisoras. d) Llevar a cabo estrategias de control y políticas de desarrollo acordes con los ecosistemas locales. e) Desarrollar programas racionales para el manejo de la calidad del aire. Se requiere de una base de datos que aporte información para la realización de todos estos estudios la cual se genera a partir del monitoreo atmosférico. Polvo Atmosférico: Dependiendo de su tamaño, las partículas pueden sedimentar o flotar. Los contaminantes sólidos sedimentables, polvo atmosférico o deposición ácida seca incluyen al grupo de partículas de hasta un diámetro de aproximadamente 100µ (100 micras), considerando que el polvo de mayor tamaño tiende a sedimentar rápidamente; de este grupo, las partículas más finas, son las más peligrosas ya que tienen una mayor penetración en el sistema respiratorio. Abundantes trabajos de investigación demuestran la relación directa entre el polvo atmosférico y partículas respirables con enfermedades respiratorias, digestivas, dermatológicas, reumáticas, nerviosas y oculares Sedimentación gravitacional: Es proporcional a la velocidad de deposición de la partícula y al tiempo disponible para sedimentar. Como la velocidad decrece en los conductos estrechos del sistema, el efecto gravitacional se ve aumentado. Medición del polvo sedimentable y sus compuestos metálicos: Para recoger el polvo sedimentable se utilizan dos métodos totalmente diferentes: • Muestreo en colectores y • Muestreo en superficies adhesivas. Un procedimiento habitual para medir el polvo sedimentable (polvo depositado) es el método Bergerhoff, que consiste en recoger durante 30 ± 2 días toda la precipitación atmosférica (precipitación seca y húmeda) en colectores situados a 1,5 - 2,0


metros por encima del nivel del suelo (precipitación aparente). A continuación, los colectores se envíanlaboratorio y se preparan mediante filtrado, evaporación del agua, secado y pesado. El resultado se calcula en función de la superficie del colector y el tiempo de exposición (g/m2/día). El límite relativo de detección es de 0,035 g/m2/día. Otros procepara la recogida del polvo sedimentable son el aparato de Liesegang-Löbner y los métodos que recogen el polvo depositado sobre láminas adhesivas.Las mediciones del polvo sedimentable son valores relativos que dependen del aparato utilizado, ya qen la separación del polvo influyen, además de otros parámetros, las condiciones del flujo en el dispositivo. Las diferencias entre los valores obtenidos con los diferentes métodos pueden llegar a ser hasta del 50 %. También influye la composición del polvo depositado como, por ejemplo, el contenido de plomo, cadmio u otros compuestos metálicos. Los métodos analíticos utilizados en este caso son prácticamente iguales a los utilizados para el polvo en suspensión. Las ventajas del método de sistemas pasien el hecho de solventar las dificultades esenciales que manifiestan los instrumentos automáticos en continuo. Algunas de sus características más conspicuas como son el bajo costo de adquisición y analítico, la sencillez en su manipulación, yafacilidad de transporte. Se pueden utilizar en mayor cantidad. Durabilidad de los colectores. El colector de partículas sedimentables no es desechable y se puede utilizar en promedio durante 6 meses Método Pasivo: Caracterizado porque no utilizan compresor para la succión del aire y colectan un contaminante específico en jarras, frascos por medio de la adsorción y absorción en un sustrato químico seleccionado. Después de su exposición durante un apropiado período de muestreo, que varía desde un par de horas hasta un mes, la muestra se regresa al laboratorio, donde se realiza la recuperación del contaminante y después se analiza cuantitativamente. Análisis Gravimétrico: Método analítico cuantitativo en el cual la determinación de las sustancias se lleva a cabo por una diferencia de pesos. Existen métodos para conocer la concentración de una muestra en solución, que llevan a cabo precipitaciones de la muestra por medio de la adición de un exceso de reactivo y otros en los que directamente se pesa el material colectado en el filtro. En este último, se determina la masa, pesando el filtro antes y después del muestreo con una balanza a temperatura y humedad relativa controladas. Diámetro de Feret (dF): Es el valor medio de la distancia entre pares de líneas paralelas, tangentes al perímetro proyectado de una partícula, se ha


metros por encima del nivel del suelo (precipitación aparente). A continuación, los colectores se envían al laboratorio y se preparan mediante filtrado, evaporación del agua, secado y pesado. El resultado se calcula en función de la superficie del colector y el tiempo de exposición (g/m2/día). El límite relativo de detección es de 0,035 g/m2/día. Otros procedimientos para la recogida del polvo sedimentable son el

Löbner y los métodos que recogen el polvo depositado sobre láminas adhesivas. Las mediciones del polvo sedimentable son valores relativos que dependen del aparato utilizado, ya que en la separación del polvo influyen, además de otros parámetros, las condiciones del flujo en el dispositivo. Las diferencias entre los valores obtenidos con los diferentes métodos pueden llegar a ser hasta del 50 %. También influye la composición

olvo depositado como, por ejemplo, el contenido de plomo, cadmio u otros compuestos metálicos. Los métodos analíticos utilizados en este caso son prácticamente iguales a los utilizados para el polvo en

Las ventajas del método de sistemas pasivos se basan en el hecho de solventar las dificultades esenciales que manifiestan los instrumentos automáticos en continuo. Algunas de sus características más conspicuas como son el bajo costo de adquisición y analítico, la sencillez en su manipulación, ya la facilidad de transporte. Se pueden utilizar en mayor

El colector de partículas sedimentables no es desechable y se puede

Caracterizado porque no utilizan resor para la succión del aire y colectan un

contaminante específico en jarras, frascos por medio de la adsorción y absorción en un sustrato químico seleccionado. Después de su exposición durante un apropiado período de muestreo, que varía desde un

horas hasta un mes, la muestra se regresa al laboratorio, donde se realiza la recuperación del contaminante y después se analiza cuantitativamente.

Método analítico cuantitativo en el cual la determinación de las

a a cabo por una diferencia de pesos. Existen métodos para conocer la concentración de una muestra en solución, que llevan a cabo precipitaciones de la muestra por medio de la adición de un exceso de reactivo y otros en los que

rial colectado en el filtro. En este último, se determina la masa, pesando el filtro antes y después del muestreo con una balanza a temperatura y humedad relativa controladas.

Es el valor medio de la s paralelas, tangentes al

perímetro proyectado de una partícula, se ha

observado que el diámetro Feret es igual al diámetro de un círculo con el mismo perímetro que el proyectado por la partícula.


La precipitación de polvo en toneladas por kilómetro cuadrado y día

(tn/km2 d) se calcula de la siguiente forma:

( )TA

PPPAS

inicialfinal

×

−= ………….. (04)

[ kmtnPAS //: 2

finalP : Peso final del recipiente

colector (toneladas)

inicialP : Peso inicial del recipiente colector

(toneladas) A : Área del recipiente colector (km

T : Tiempo de muestreo (mes)

Figura 01.Diseño del tubo pasivo con filtro colector

Figura 02.Ubicación de la estación N°1

Página 45

observado que el diámetro Feret es igual al diámetro de un círculo con el mismo perímetro que el


toneladas por kilómetro cuadrado y día

d) se calcula de la siguiente forma:

………….. (04)

]mes

: Peso final del recipiente

colector (toneladas)

: Peso inicial del recipiente colector

A : Área del recipiente colector (km2) T : Tiempo de muestreo (mes)

tubo pasivo con filtro colector

Figura 02.Ubicación de la estación N°1


Figura 03.Microfotografía de un filtro cuyas dimensiones en micras son: 1011x758 µN°1)


Límite de detección:Para los filtros: L.D. = 0.80526087 + 3 (0.01559314) = 0.8520403

Repetibilidad:%C.V.= 0.03086825

Veracidad: La veracidad no se pudo comprobar ya que los datos de SENAMHI evidentemente difieren de los datos obtenidos con la nueva metodología, ya que trae consigo desde el principio una menor concentración, es esta nueva relación la que se puede comparar siempre y cuando hayan estado nuestras estaciones en los mismos lugares donde dicha institución hace sus mediciones. Ya que el caso no es ese, se compara con los datos obtenidos de estaciones que siguieron las directivas que DIGESA propone y que si estuvieron ubicadas en el mismo lugar de las estaciones de la nueva metodología. Los datos se muestran a continuación:

1° MES (SIN FILTRO)

Pto tonelada/k

m2 1° MES (CON

FILTRO)

Pto

3 8.12 3

7 4.03 7

1 11.65 1

4 10.72 4

8 10.33 8

14 9.91 14

19 8.21 19

20 12.64 20

22 18.95 22

23 11.29 23


Figura 03.Microfotografía de un filtro cuyas dimensiones en micras son: 1011x758 µm (estación


+ 3 (0.01559314) = 0.8520403

La veracidad no se pudo comprobar ya que los datos de SENAMHI evidentemente difieren de los datos obtenidos con la nueva metodología, ya que trae

concentración, es esta nueva relación la que se puede comparar siempre y cuando hayan estado nuestras estaciones en los mismos lugares donde dicha institución hace sus mediciones. Ya que el caso no es ese, se compara con

ue siguieron las directivas que DIGESA propone y que si estuvieron ubicadas en el mismo lugar de las estaciones de la nueva metodología. Los datos se muestran a

Pto tonelada/k

m2

6.75

1.75

9.65

9.77

9.03

14 8.21

19 7.31

20 10.51

22 16.65

23 9.19

2° MES (SIN FILTRO)

Pto tonelada/k

m2 2° MES (CON

FILTRO)3 7.88

7 3.44

1 7.36

4 11.39

5 8.28

8 14.17

14 2.64

15 8.62

19 6.90

20 6.87

22 9.77

23 5.11

Figura 04, Cuadro comparativo para hallar el factor de relación entre el método estándar y el método propuesto (Redondeados) De los cuadros arriba descritos, se tiene que el factor de relación es:

1.57655108/2/(/2/ += meskmfMmeskmM

Donde:

meskmM /2/ : Concentración obtenida con el método estandarizado.

meskmfM /2/ : Concentración obtenida con el método

de tubos pasivos con filtros colectores.Incertidumbre:

Método Masa (filtro vacío)

Tubos pasivos con filtros colectores

0.82085401

Figura 5, Cuadro de pesos del primer mes de monitoreo, para las 23 estaciones.

Página 46

2° MES (CON

FILTRO)

Pto tonelada/k

m2

3 6.90

7 2.17

1 5.51

4 9.89

5 6.56

8 12.74

14 1.56

15 7.65

19 5.30

20 5.92

22 8.05

23 3.43

Figura 04, Cuadro comparativo para hallar el factor el método estándar y el método

De los cuadros arriba descritos, se tiene que el factor

0.04546296 ) 1.57655108 ±

: Concentración obtenida con el método

: Concentración obtenida con el método

de tubos pasivos con filtros colectores.

Masa (filtro vacío) Ue

0.82085401 0.0492

Figura 5, Cuadro de pesos del primer mes de

23 estaciones.


Figura 6, Concentración por punto de monitoreo usando el método de tubo pasivo con filtro colector. (Ver detalle en el anexo 2).

Figura 7, Cuadro de pesos del segundo mes de monitoreo, para las 23 estaciones. (Los datos faltantes fueron ocasionados por eventos fortuitos).

Figura 8, Concentración por punto de monitoreo usando el método de tubo pasivo con filtro colector. (Ver detalle en el anexo 2).


Figura 9, Del gráfico se observa que las partículas de menos de 40 micras de diámetro se encuentran en mayor número con respecto a las de mayor diámetro (ver detalle en el anexo 2).

Figura 9, Concentración acumulada VS Diámetro (micras), con un ajuste R2=0.9946, se puede observar que aproximadamente el 60% de partículas tienen menos de 10 micras de diámetro. (Ver detalle en el anexo 2)

Climatologías que existía en los días de las pruebas experimentales fueron muy variables; obteniéndose mayores eficiencias con las plantas medicinales Muña y Eucalipto y teniendo su mayor eficiencia a los 120m. del inicio de la prueba (1:30 p.m.).


1. Los pesos del PAS en los tubos pasivos con filtros son menores con respecto a los pesos obtenidos en los tubos sin filtros.

2. Los filtros soportaron la intemperie durante todo el mes que dura el muestreo. A pesar de que hubo unas ligeras precipitaciones, estos filtros cumplieron con el periodo programado, demostrando de esa manera su aptitud para este tipo de estudio.

3. El factor de corrección es de 1.57655108 toneladas por kilómetro cuadrado, para todos los tubos sometidos a este estudio.

0.005.00

10.0015.0020.0025.00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Co

ncen

tra

ció

n (

ton

/km

2/m

es)

Estación

Concentracion de PAS en la UNMSM (MAYO-JUNIO)

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Co

nce

ntr

ació

n (to

n/k

m2/m

es

)

Estación

Concentración de PAS en la UNMSM (JUNIO-JULIO)

y = 5E-07x4 - 0.000x3 + 0.015x2 - 0.714x + 12.39R² = 0.981

0

2

4

6

8

10

12

0 20 40 60 80 100

Co

ncen

tra

ció

n (n

úm

ero

)

Diámetro (micras)

Concentración VS Diámetro

y = -8E-09x6 + 3E-06x5 - 0.000x4 + 0.020x3 - 0.683x2 + 11.85x -9.353

R² = 0.994

0

20

40

60

80

100

1 10 100

Co

nc

en

tra

ció

n (%

)

Diámetro (micras)

Concentración VS Diámetro(acumulado)


4. Para el primer mes de monitoreo el 100% de las estaciones superaron el límite permisible de la OMS (5tn/km2/mes) mientras que para el segundo mes, solamente el 67% de las estaciones superaron este nivel.

5. Gracias al software de imágenes IMAGE J se observó que las partículas de menor diámetro se encuentran en mayor concentración que las de mayor diámetro, y esto se ajusta con una curva polinómica de orden 4, “y = 5E-07x4 - 0.0001x3 + 0.0154x2 - 0.7145x + 12.394 ” con un ajuste de R2 = 0.9914

6. Debido a diversas situaciones atípicas dentro del área de muestreo (C.U.de UNMSM) tales como: movilizaciones, obras no habituales en los alrededores, etc.) es que aún queda a disposición de los interesados en seguir el estudio posteriormente.

7. Cabe destacar que el tema aun esta en pie de investigación, ya que en nuestro país no existe una cultura protectora del medio ambiente, ámbito que debería reforzarse en un futuro próximo.

RECOMENDACIONES DEL PROYECTO

1. Se debe tener cuidado en maniobrar los filtros

después del mes, ya que contienen las muestras que son indispensables para el estudio.

2. Se debe contar con una buena organización del equipo de trabajo, ya que al manejar muchas muestras, estas deben ser trasladadas en orden y realizar los análisis de laboratorio a la brevedad posible.

3. No se recomienda utilizar este tipo de método en lugares cuya precipitación sea lluvias superiores a 120 mm. de agua caída por mes.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL

PROYECTO

Como las principales ventajas tenemos: 1. El costo reducido de los materiales e insumos utilizados. 2 La instalación práctica y rápida de los equipos, ya que no necesitan de energía eléctrica ni estar vigilados constantemente. 3 La obtención de resultados es en menos tiempo,

en el laboratorio el método estandarizado toma hasta 5 veces el tiempo que demora analizar los filtros.

4 Al utilizar papel tipo filtro la muestra puede

pasar por un análisis de imágenes, de esta manera obtener no solo los datos de los pesos sino también una distribución de los diversos diámetros de las partículas sedimentadas. Esto es de importancia en la relación con las enfermedades pulmonares y cardiovasculares.

- Como las principales desventajas tenemos: 1. Al usar papel tipo filtro aumenta el margen de

error al pesar. 2. Los tubos tienen que ser reemplazados cada 6

meses. 3. Los papeles tipo filtro no son reutilizables, y la

venta no es en cualquier establecimiento, sino que debe estar certificado para dicha venta.

4. En lugares donde hayan muchas lluvias (120 mm. /mes) no es posible su implementación sin algunos acondicionamientos previos, elevando así el costo y manipulación.

BIBLIOGRAFÍA

1. “Protocolo de muestreo y análisis de polvo sedimentable”, DIGESA, Lima,2005

2. “Guías de calidad del aire de la OMS relativas al material particulado, el ozono, el dióxido de nitrógeno y el dióxido de azufre”, OMS, 2005

3. “Control de la Contaminación Atmosférica”, Enciclopedia de Salud y Seguridad en el Trabajo.

4. "Ciencia y tecnología frente a la contaminación Atmosférica" Comisión Nacional del Ambiente (CONAMA) http:// www.conama.cl.htm.

5. Comision Nacional del Ambiente (CONAMA)http://www.conama.cl.htm

6. “Boletín Hidrometeorológico del Perú – Evaluación de la contaminación atmosférica en la zona metropolitana de Lima-Callao”, Servicio Nacional de Meteorología e hidrología del Perú www.senmahi.gob.pe. Ing. José Silva Cotrina, Ing. Zarela Montoya Cabrera.

7. Reglamento de estándares nacionales de calidad ambiental del aire. Decreto Supremo N° 074-2001-PCM. CONAM. Lima, 2001.

8. “Manual de Laboratorio- Programa Aire Puro, Fundación Suiza de Cooperacion para el desarrollo técnico (Swiaacontact), Agosto 2001

9. “Descripción del arrastre de partículas en un sistema de extracción de polvos generados en la fabricación de papel sanitario”. Valdez Trejo, Karen, México-2004.

10. “Distribución del tamaño de partículas en Medellín, Particle size distribution in Medellín City, Colombia”, Julián Bedoya V., Ph.D., Inés Carmona M.S. y Astrid Blandón M.S.


ESTUDIO COMPARATIVO PARA LA DETERMINACION DEL POLVO ATMOSFÉRICO SEDIMENTABLE EMPLEANDO LAS METODOLOGÍAS DE TUBO PASIVO Y DE PLACAS RECEPTORAS EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE SAN MARCOS – LIMA COMPARATIVE STUDY FOR THE DETERMINACION OF THE ATMOSPHERIC DUST SEDIMENTABLE EMPLOYING THE METHODOLOGIES OF PASSIVE PIPE AND OF PLATES RECEPTORAS IN THE UNIVERSITY CAMPUS OF SAN MARCOSS – LIMA

Rubén Marcos, Mileydi Cabrera, Héctor Laos, Dalma Mamani & Andrés Valderrama _____________________________________________________________________________

RESUMEN

En el presente trabajo se realiza el análisis comparativo de resultados de las mediciones de los niveles de concentraciones de polvo atmosférico (PS) obtenidas mediante dos metodologías validadas; la primera validada por DIGESA, denominada “tubo pasivo” y la segunda polvo atmosférico sedimentable (PAS) validada por SENAMHI denominada “placas receptoras”, para el trabajo experimental se ubican estaciones de monitoreo en la ciudad universitaria de la UNMSM, la ubicación de estos puntos, han sido previamente evaluados de acuerdo a los factores que influyen en la medición: velocidad y dirección del viento, humedad relativa, temperatura, densidad poblacional. Los resultados del monitoreo de la concentración de PAS, PS de cada punto obtenidos mediante las dos metodologías; son comparados con el nivel de referencia normado por los límites máximos permisible dado por la OMS, que es de 0.5 mg/cm2/mes. El análisis comparativo permite determinar la estación que presenta la mayor incidencia de concentración de polvo atmosférico sedimentable y polvo sedimentable

ABSTRACT The present work is carried out comparative analysis of results of the measurements of the levels of concentration of atmospheric dust sediments (PAS) obtained through two proven methodologies, the first validated by DIGESA, called "passive tube" and the second called validated by SENAMHI "Plates reception" for the experimental work of monitoring stations are located in the university town of UNMSM, the location of these points have been previously assessed according to factors influencing the measurement: wind speed and direction, humidity relative temperature, population density. The results of monitoring the concentration of PAS each point earned by the two methodologies; are compared with the benchmark regulated by the maximum permissible given by WHO, which is 0.5 mg/cm2/mes. The comparative analysis identifies the station that has the highest incidence of concentration of atmospheric dust sediments (PAS) and dust sediments (PS).

_________________________________________________________________________________________

INTRODUCCION En la actualidad vivimos épocas de crecimiento en donde la actividad del hombre a provocado una serie de efectos negativos en el mundo, actividades que han dado un gran apoyo al desarrollo industrial, económico, agrario, etc., pero también a sido uno de los factores preponderantes en el avance de la Contaminación de la atmósfera del planeta en sus diversas formas. La atmósfera contaminada puede dañar la salud de las personas y afectar a la vida de las plantas y los animales. Pero, además, los cambios que se producen en la composición química de la atmósfera pueden cambiar el clima, producir lluvia ácida o destruir la capa de ozono, fenómenos todos ellos de una gran

importancia global. Por este motivo el presente estudio trata de determinar el método más eficiente a través del método pasivo para medir las los niveles de concentración a través de las metodologías de las “partículas atmosféricas sedimentables (PAS) con placas receptoras de vidrio untados con vaselina, y “partículas sedimentables” (PS), con tubos pasivos (recolección por jarras).

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO El estudio realizará la comparación de dos metodologías: la primera de tubos pasivos (jarras) y la segunda de placas receptoras (placas de vidrio); se realizará el análisis de los niveles de concentración de polvo atmosférico sedimentable, polvo sedmientable


que se encuentran en la ciudad universitaria de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, para poder determinar las zonas de mayor nivel de concentración de PAS Y PS siguiendo los procedimientos determinados por ambas metodologías, las cuales se evaluará con la información recopilada de los parámetros meteorológicos, densidad de personas y de la ubicación respecto de la cercanía a las grandes avenidas que rodean la ciudad universitaria, dentro de esta se ubicarán 6 puntos de monitoreo que nos permitan la toma de datos experimentales de los niveles de la concentración de PAS en el aire. Estos valores en promedio serán comparados con el valor referencial de 0.5 mg/cm2/mes que nos da la Organización Mundial De La Salud (OMS), entidad que establece los límites máximos permisibles de la calidad del aire y su impacto sobre la salud humana. Se realizara también el análisis fluodinámico del aire para las muestras mas representativas en ambas metodologías, con ello se comprenderá como las partículas se depositan en las estaciones. El proyecto prevé las siguientes etapas: 1 Etapa.- Selección de las estaciones de monitoreo Para ambas metodologías se tomarán las mismas consideraciones en la instalación de las estaciones y estas son: 1. Cantidad de la población universitaria. 2. Lugar de emplazamiento de la estación que debe

de estar libre de obstáculos (edificaciones en el entorno inmediato, de áreas con árboles, de tendederos), u otras fuentes de contaminación que puedan ocasionar perturbaciones serias de los valores obtenidos.

3. Las estaciones de tubos pasivos estarán instaladas a una altura de 1.50m y las placas receptoras a 1.5m sobre el nivel del suelo; estas últimas son ubicadas de a Sur (S) a Norte (N) / Fuente: SENMAHI

2 Etapa.- Instalación de las instalaciones, para los tubos pasivos y para las placas receptoras. 1. De Tubos Pasivos 1. Antes de ser expuestos el frasco de muestreo,

serán lavados con detergente, luego de estar expuesto en el ambiente se hará un lavado con agua destilada.

2. En el campus se ubicará los frascos de PVC. en cada estación antes ya instalada en los puntos de monitoreo cada uno de ellos serán previamente codificados para su análisis respectivo

2. De Placas Receptoras • Antes de ser colocada las placas receptoras, se

hará la limpieza previa, luego se untará uniformemente con vaselina con ayuda de una paleta y empleando guantes, posteriormente se realizará el codificado y pesado inicial de las placas receptoras en la balanza electrónica.

Para ambas metodologías se medirán lo siguiente: 1. La concentración de material particulado de

polvo por un periodo de 1 mes. 2. Se harán anotaciones sobre eventos que ocurran

en las estaciones alrededor del mes ya que estas afectan los resultados obtenidos.

3. Se instalará una estación meteorológica DAVIS (WEATHER WIZARD III) donde se medirá la velocidad y dirección del viento durante 4 meses de estudio en la EAP ingeniería MECÁNICA DE Fluidos.

3 Etapa.- Análisis de laboratorio Al término del periodo de exposición se recogerán las muestras, estas se someterán al análisis en el laboratorio del Instituto de investigación de ciencias Físicas por cada una las muestras obtenidas por ambas metodologías antes mencionadas; se empleará el método gravimétrico. 1. Para los tubos pasivos las muestras serán

llevados al laboratorio sellados herméticamente para evitar los errores que generen en su traslado, posteriormente pasa por una serie de pasos a seguir de acuerdo a su metodología, obteniendo posteriormente la concentración requerida para el estudio.

2. Para las placas receptoras de muestreo se llevarán al laboratorio para ser pesadas cuidadosamente en la balanza analítica y anotadas en la bitácora de campo de acuerdo al orden establecido en cada estación, teniendo en cuenta las condiciones del medio ambiente en que se realizan las mediciones, el laboratorio deberá permanecer cerrado, evitando cualquier influencia externa que pueda alterar la medición. Para tener así calidad de los datos obtenidos.

Para ambas metodologías • Con los datos de concentración de polvo

atmosférico, se evaluarán los valores de los niveles de concentración en los puntos de monitoreo mediante métodos estadísticos se analizará también los valores extremos (máximo, mínimo), para luego hacer una comparación con la norma internacional vigente de la OMS (0.5 mg/(cm2/mes)).

• Mediante la estación meteorológica obtendremos los valores de los parámetros meteorológicos (temperatura, velocidad del aire, humedad relativa, dirección del viento), solo en un punto estratégico de las estaciones antes referidas.

• En la modelación numérica para cada punto de las estaciones se necesita los datos meteorológicos; se empleara dos softwares libres llamados NAVIER2D y MESH2D los cuales se accedieron por Internet así también conocimientos en el lenguaje de programación Matlab 6.5. Empezaremos por delimitar los puntos de cada


estación. Posteriormente se hace un programa extra que contenga puntos que delimiten la estación, en el cual utilizaremos el MESH2D (se construirá la malla de cada estación). Al terminó de la malla, está se lleva al programa de NAVIER2D, ejecutándolo siguiendo cada paso de acuerdo a su manual.

4 Etapa.- Se concluirá con el Informe Técnico detallado que contenga: • Cálculo de la eficiencia de cada método; analizar

a que se debe los factores de diferencias en ambas.

• En el modelamiento de los puntos de las estaciones se observará el comportamiento del flujo de aire, factor importante en la concentración del polvo atmosférico sedimentable

• Datos meteorológicos en cada punto o estación. • Se anotarán los daños que sufriesen las

estaciones durante el mes de exposición. Se hará una selección entre todas las muestras de concentración de PAS, para ser llevadas al laboratorio de Espectrofotometría de absorción atómica para conocer qué tipos de componentes contiene las muestras.

FORMULACION DE OBJETIVOS OBJETIVO

• Encontrar la metodología más eficiente, económica, manejable, para la localización de puntos de monitoreo que sirvan como base para posteriores estudios de calidad de aire de mayor envergadura.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Hallar la concentración de polvo atmosférico sedimentable en los distintos puntos de la ciudad universitaria de San Marcos; utilizando ambas metodologías y encontrar la zona de mayor concentración de PAS.

• Hacer un análisis fluodinámico en ambas estaciones, para cada punto de monitoreo, que explique la interacción de los sedimentos, el aire al contacto con las estaciones.

FORMULACIÓN DE HIPOTESIS

• Como consecuencia de la ejecución de obras de construcción alrededores de la ciudad universitaria existirán altos niveles de concentración de PAS.

• La ciudad universitaria de San Marcos está rodeada de avenidas de alto flujo vehicular, que emiten material particulado en forma de hollín, monóxido de carbono, etc.

• La dirección y velocidad del viento por la ubicación de la ciudad universitaria de San Marcos que está a 4 km. del mar

• Existe mayor captación de concentración de PAS en los tubos pasivos que en las plataformas debido a que este tipo mayor área en contacto que las plataformas.

MARCO TEORICO Se definen a continuación aspectos que tienen que ver con el trabajo de investigación: • Partículas.- Contaminantes generados por

procesos extractivos, transporte, concentración, fundición, refinería y comercialización de la actividad minera; quema de combustibles fósiles; emisiones volcánicas; polen de la fase de floración de las plantas; fotoquímica de gases contaminantes primarios, etc. De las diferentes fracciones de partículas, las más finas son las más dañinas por su rápida penetración y permanencia en el sistema respiratorio, específicamente a nivel de los alvéolos pulmonares.

• Polvo Atmosférico Sedimentable (PAS) o

Polvo Sedimentable PS.- Constituido por partículas contaminantes sólidas de un diámetro equivalente mayor o igual a 10 micras (D≥10µ); tamaño y peso que está dentro de la influencia de la fuerza de atracción gravitatoria terrestre (gravedad), por lo que sedimentan y se depositan en forma de polvo en las diferentes superficies (edificios y objetos en general de exteriores e interiores, áreas verdes, avenidas y calles con o sin asfalto), desde donde vuelven a ser inyectados al aire por los llamados flujos turbulentos de las zonas urbanas; de este grupo de partículas, las más finas son las más peligrosas ya que tienen una mayor capacidad de penetración en el sistema respiratorio.

• Método Pasivo.- Caracterizado porque no utilizan bombas para la succión del aire y colectan un contaminante específico por medio de su adsorción y absorción en un sustrato químico seleccionado. Después de su exposición durante un apropiado período de muestreo, que varía desde un par de horas hasta un mes, la muestra se regresa al laboratorio, donde se realiza la recuperación del contaminante y después se analiza cuantitativamente.

• Método Gravimétrico.- Método analítico

cuantitativo en el cual la determinación de las sustancias, se lleva a cabo por una diferencia de pesos. Existen métodos para conocer la concentración de una muestra en solución, que llevan a cabo precipitaciones de la muestra por medio de la adición de un exceso de reactivo y otros en los que directamente se pesa el material colectado en el filtro. En este último, se determina la masa, pesando el filtro antes y después del muestreo con una balanza a temperatura y humedad relativa controladas.

• Monitoreo.- Medir. Incluye a todas las

metodologías diseñadas para muestrear, analizar y procesar en forma continua las concentraciones


de sustancias o de contaminantes presentes en el aire en un lugar establecido y durante un tiempo determinado

• Estaciones de Muestreo.- Emplazamdeterminado para la instalación de un sistema de equipos e instrumentos de muestreo periódico y/o aperiódico o el monitoreo continuo de la calidad del aire.

• Norma de Calidad Ambiental o Nivel

Referencial.- Dato numérico adoptado para usarse como marco de referencia con el cual se comparan las mediciones ambientales con el propósito de interpretarlas.

Normas Nacionales

En el Perú no se presenta ninguna norma o ley con respecto a los límites máximos permisibles para

polvo sedimentable, Sin embargo instituciones como DIGESA Y SENAMHI cogen normas de OMS para

establecer estudios de monitoreo

Institución Tiempo

promedio

Limites Máximo-

mg/cm2/30 días,

DIGESA Dirección General de salud

ambiental

30 días 0.5

SENAMHI Servicio

Nacional de Meteorología e

Hidrografía

30 días 0.5

Tabla Nº 1Comparación de metodologías según sus normas Normas a Nivel Internacional En la tabla siguiente se presenta estándares de calidad de aire para el estudio de polvo sedimentable, cada país tiene una norma reglamentada cuyos límites se muestra a continuación cuyos los valores establecidos en cada país se debe a su ubicación y zona geográfica.

País Tiempo

promedio

Limites Máximo

mg/cm2/30 días

Argentina 30 días 1

suiza 30 días 0.6

Cota Rica 30 días 1

Ecuador 30 días 1

Colombia 30 días 1

Chile 30 días 0.5

México 30 días 1

Fuente: Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria CEPIS

PROCEDIMIENTO Y CÁLCULO1. FÓRMULAS EMPLEADAS Las partículas de polvo atmosférico sedimentable


de sustancias o de contaminantes presentes en el aire en un lugar establecido y durante un tiempo

Emplazamiento físico determinado para la instalación de un sistema de equipos e instrumentos de muestreo periódico y/o aperiódico o el monitoreo continuo de la

Norma de Calidad Ambiental o Nivel Dato numérico adoptado para

omo marco de referencia con el cual se comparan las mediciones ambientales con el

En el Perú no se presenta ninguna norma o ley con respecto a los límites máximos permisibles para

mbargo instituciones como DIGESA Y SENAMHI cogen normas de OMS para

establecer estudios de monitoreo

Técnica Método

Gravimétrico estudio de polvo

sedimentable (jarras)

Gravimétrico estudio de polvo

sedimentable, (jarras),polvo atmosférico

sedimentable (Placas de vidrio)

Tabla Nº 1Comparación de metodologías según sus

En la tabla siguiente se presenta estándares de calidad de aire para el estudio de polvo sedimentable, cada país tiene una norma reglamentada cuyos límites se muestra a continuación cuyos los valores establecidos

cada país se debe a su ubicación y zona

/30 días Técnica

Gravimetría

Gravimetría

Gravimetría

Gravimetría

Gravimetría

Gravimetría

Gravimetría

Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria

PROCEDIMIENTO Y CÁLCULO

Las partículas de polvo atmosférico sedimentable

estarán en unidades de miligramos entre centímetros cuadrados en 1 mes, en ambas metodologías se calcularán de la siguiente manera:Para el caso de las placas receptoras

Los parámetros requeridos son el Peso inicial (Pinicio), este es después de salir de laboratorio. - Peso final (Pfinal), este es después de estar

expuesta la placa de vidrio durante el mes de muestreo,

- Área, es la superficie total de la placa, ancho por largo.

- El mes que permanece constante. Para el caso de los tubos pasivos

- Wn, Peso neto del material recogido (

durante 1 mes - S, Superficie útil de la boca del frasco (cm- El mes que permanece constante. 2. PLANIFICACIÓN PARA EL MONITOREO.Etapa 1 Ubicación Geográfica de la zona de Estudio El estudio se realizo en la ciudad universitaria de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima Perú; que se encuentra ubicado en el distrito del Cercado, provincia y departamento de Lima, con coordenada UTM latitud 12º03’20’’S longitud 77º 04’ 57” O, con un área aproximada de 10 hectáreas, siendo sus linderos los siguientes, respecto al plano de ubicación: * Por el norte: Con la Av. Oscar R. Benavides. * Por el este: Con la Av. Germán Amezaga.* Por el sur: Con la Av. Venezuela.* Por el oeste: Con Propiedad del INC, Terrenos de Terceros. Que cuenta con una población estudiantil aproximada de 29,000 estudiantes en pregrado y 5,000 en postgrado.

Figura Nº1 Fotografía Satelital extraída de Google

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miligramos entre centímetros cuadrados en 1 mes, en ambas metodologías se calcularán de la siguiente manera: Para el caso de las placas receptoras

), este es después de salir de

), este es después de estar expuesta la placa de vidrio durante el mes de

Área, es la superficie total de la placa, ancho por

constante.

Para el caso de los tubos pasivos

Wn, Peso neto del material recogido (mg)

S, Superficie útil de la boca del frasco (cm2) El mes que permanece constante.

EL MONITOREO. Etapa 1 Ubicación Geográfica de la zona de

El estudio se realizo en la ciudad universitaria de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima

encuentra ubicado en el distrito del Cercado, provincia y departamento de Lima, con coordenada UTM latitud 12º03’20’’S longitud 77º 04’ 57” O, con un área aproximada de 10 hectáreas, iendo sus linderos los siguientes, respecto al plano

: Con la Av. Oscar R. Benavides. Con la Av. Germán Amezaga.

: Con la Av. Venezuela. : Con Propiedad del INC, Terrenos de

Que cuenta con una población estudiantil aproximada estudiantes en pregrado y 5,000 en post-

Fotografía Satelital extraída de Google


Eart de UNMSM Etapa 2 Determinación del Número de puntos de monitoreo Para determinar los puntos a instalar los muestradores se tuvo en cuenta lo siguiente:

a. Los puntos de mayor flujo de personasb. La cantidad de población universitaria por

cada Facultad c. Seguridad de los puntos de monitoreo

2.1. Monitoreo del flujo de personas.selección de puntos de monitoreo se toma como referencia 31 puntos iníciales, que se monitorean por 2 días, con una frecuencia de 10 -posteriormente se contabilizó la cantidad de personas que transitaban por cada punto en la hora de mayor afluencia durante el día. los resultados se muestran en la tabla adjunta (anexo Nº1) El análisis de los datos permite determinar los valores más representativos para ubicar los puntos de monitoreo a establecerse para los ensayos experimentales, dichos resultados se muestran en el gráfico siguiente:

Figura Nº2: Es la comparación entre el flujo de Personas promedio por minuto que circulan en los diferentes puntos de monitoreo. 2.2 Condiciones Meteorológicas.evaluación de las condiciones meteorológicas de la Zona CIUDAD UNIVERSITARIA se ha utinformación como: - Dirección y velocidad del viento en lima donde predominan vientos en dirección norte


Etapa 2 Determinación del Número de puntos de

Para determinar los puntos a instalar los muestradores

Los puntos de mayor flujo de personas La cantidad de población universitaria por

Seguridad de los puntos de monitoreo

2.1. Monitoreo del flujo de personas.- Para la selección de puntos de monitoreo se toma como

íciales, que se monitorean por - 15 minutos,

posteriormente se contabilizó la cantidad de personas que transitaban por cada punto en la hora de mayor

los resultados se muestran en

El análisis de los datos permite determinar los valores más representativos para ubicar los puntos de monitoreo a establecerse para los ensayos experimentales, dichos resultados se muestran en el

Figura Nº2: Es la comparación entre el flujo de Personas promedio por minuto que circulan en los

2.2 Condiciones Meteorológicas.- Para la evaluación de las condiciones meteorológicas de la Zona CIUDAD UNIVERSITARIA se ha utilizado la

Dirección y velocidad del viento en lima donde

Fig. Nº3 Distribución del Viento Anual en LimaCallao

Fuente: SENAMHI Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú

Se realizo una comparación de datos para validar los resultados obtenidos de la estación meteorológica que se encuentra ubicado en la EAP ingeniería Mecánica de Fluidos con la fig Nº3. -Justificación de la Dirección y velocidad del viento en la Ciudad Universitaria de la UNMSM

Fig. Nº4 Hipótesis del Flujo de Dirección de viento en la ciudad universitaria

SE observa en la Fig. Nº 3,4 y 5 que la dirección predominante para zona de la ciudad universitaria es de sur a norte (ver resultados en el anexo

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Distribución del Viento Anual en Lima–

Fuente: SENAMHI Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú

Se realizo una comparación de datos para validar los resultados obtenidos de la estación meteorológica que se encuentra ubicado en la EAP ingeniería Mecánica

Justificación de la Dirección y velocidad del viento Universitaria de la UNMSM

Hipótesis del Flujo de Dirección de viento

en la ciudad universitaria SE observa en la Fig. Nº 3,4 y 5 que la dirección predominante para zona de la ciudad universitaria es de sur a norte (ver resultados en el anexo Nº2)


Fig. Nº5 Distribución del Viento Fuente: Estación meteorológica de la EAP.IMF-UNMSM Luego de hacer el análisis de velocidad y dirección de viento y el monitoreo de flujo de personas se determino la cantidad de puntos las cuales fueron 6 puntos, teniendo en cuenta además que fueron las más representativas, por su fácil puesta en el área y la seguridad que se tiene para el estudio

En la tabla siguiente presentamos los 6 puntos de monitoreo de Polvo Atmosférico Sedimentable, polvos sedimentable.

PTO UBICACION P 1 Frente Cafetería de EAP. Ingeniería

Mecánica de Fluidos P 2 Modulo de Comercio y Servicios

puerta N° 3 P 3 Esquina de la explanada Fac.

Ingeniería Industrial P 4 Esquina de fac. Química / Comedor

provisional P 5 Esquina cancha deportiva de gras

de la huaca P 6 Loza deportiva Fac. Odontología /

Fac. sistemas Tabla Nº2 Puntos de monitoreo a instalar en la ciudad universitaria.

Luego de realizar todos los análisis cuantitativos estadísticos que se muestra en la tabla Nº1 se empezó a localizar los puntos de monitoreo en el mapa de la ciudad universitaria de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos que a se presenta en el Mapa Nº1

MAPA Nº 1 ESTACIONES DE MONITOREO EN LA CIUDAD UNIVERSITARIA DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

ABRIL


CUADRO DE RESULTADOS 1. Análisis de los datos de concentración La evaluación de la comparación de las dos metodologías del polvo atmosférico sedimentable se realizó en el ámbito de la ciudad universitaria. La red fue compuesta de 6 estaciones de muestreo. 1.1 Análisis de los niveles de concentración de

Polvo sedimentable, polvo atmosférico sedimentable desde el 13/05/08 al 14/06/08 (1er mes)

Cuadro N° 1 Resultados del Primer Mes Se observado en el cuadro N° 1 lo siguiente:

1. Que el método de tubos pasivos presenta mayor concentración de material particulado de polvo a comparación de las placas receptoras.

2. El punto 2 ubicado en el Modulo de Comercio y Servicios puerta N°3 supera los límites máximos de concentración a comparación de los demás puntos.

3. Que los puntos 1, 2, 4,6 analizados por la concentración por polvo sedimentable superan los límites máximos permisibles según la OMS

1.1 Análisis de los niveles de concentración de

Polvo sedimentable, polvo atmosférico sedimentable desde el 13/05/08 al 14/06/08 (2do mes)

Cuadro N° 2 Resultados del Segundo Mes

Se observado en el cuadro N° 2 lo siguiente:

1. Que el método de tubos pasivos presenta mayor concentración de material particulado de polvo a comparación de las placas receptoras.

2. El punto 2 ubicado en el Modulo de Comercio y Servicios puerta N°3 supera los límites máximos de concentración a comparación de los demás puntos.

3. Que los puntos 1, 2, 3,4,5,6 analizados por la concentración por polvo sedimentable superan los límites máximos permisibles según la OMS

1.3 Análisis De Comparación de los 2 Meses

1. Se observa que hubo un mayor incremento en la concentración de de material particulado esto se debe principalmente al aumento de la humedad existente por la estación de invierno.

2. El punto 2 ubicado en el Modulo de Comercio y Servicios puerta N°3 supera los límites máximos de concentración a comparación de los demás puntos

3. Siendo el pico más alto el segundo punto de monitoreo con 1.156 mg/cm2/mes con el método de placas receptoras y con 1.586 mg/cm2/mes con el método de tubos pasivos.

4. El cuarto punto de monitoreo sufre un incremento en su concentración y esto se debe principalmente a la cercanía con las obras de construcción que se encuentran en la av. Venezuela y al incremento del tráfico vehicular que se ha generado.

2. análisis de la modelación de las metodologías de tubos pasivos En los siguientes gráficos se hará un análisis de la modelación tanto de los tubos pasivos como de las placas receptoras, esto servirá para poder observar de


cuánto podría variar la concentración de material particulado comparando las dos metodologías. Para la modelación se empleo el programa de Navier 2d y el programa de Matlab. Teniendo en cuenta los siguientes parámetros Velocidad y dirección de viento, altura de los muestradores es de 1.5m sobre el terreno, diámetro de las partículas 2.1.1 Metodología de Tubos pasivos

Fig. 2.1. Vista frontal del tubo pasivo

Fig. 2.2.perfil de velocidades

Fig. 2.3 Zona donde se genera vórtice En esta figura se observa: Dentro de los tubos se producen unos vórtices que comparados con el flujo externo son menos intensos (en velocidad).ver fig. (2.2). Entonces en los bordes se está produciendo un balance entre la fricción del tubo, la fuerza de gravedad (para la partícula) y la fuerza de arrastre producida por el vórtice. Ver fig. (2.3). Eso hace que cualquier partícula que entre en esa región, disminuya su velocidad y por efectos de gravedad van cayendo en el fondo produciéndose la sedimentación, esto depende del tamaño de las partículas las más gruesas caerán en el fondo y algunas de las partículas finas serán atrapadas por las paredes del tubo.

2.1.2Metodología de Placas Receptoras

Fig. 2.4 Vista Frontal de la plataforma donde se ubica las placas de vidrio (04 placas)


Fig. 2.5.Perfil de velocidades Se observa que debido a los grandes esfuerzos viscosos que genera la vaselina de las placas de vidrio en la plataforma se genera gradientes de velocidades y esto facilita la adherencia de las partículas que son transportadas por el aire.

Fig. 2.6 vista lateral del la plataforma

Fig. 2.7 Perfil de velocidades

En la fig.2.7 Cabe resaltar la importancia de la geometría del techo de la plataforma de forma triangular, esta región en particular hace que el flujo desacelere su velocidad y como consecuencia de esta acción las partículas transportadas por el aire caigan por acción de la gravedad a las placas de vidrio (con grandes esfuerzos viscosos). Luego de ser saturadas en toda el área de la vaselina en la placa de vidrio por PAS; el flujo de viento arrastrara las partículas que están por encima de las partículas.

CONCLUSIONES Luego de Haber realizado el análisis teórico, ejecutado el monitoreo in situ en la ciudad universitaria y determinado los puntos críticos de mayor concentración de material particulado de polvo atmosférico sedimentable y polvo sedimentable las conclusiones siguientes son:

1. Se observo que se encontró la mayor

concentración de material particulado con la metodología de tubos pasivos la cual presenta mayor área de concentración

2. El punto 2 ubicado en el Modulo de Comercio y Servicios puerta N°3 supera los límites máximos de concentración a comparación de los demás puntos estudiados por los dos tipos de metodologías.

3. En el análisis de la velocidad y dirección de viento predomínate en la estación meteorológica ubicada en la EAP Ingeniería Mecánica de Fluidos, el promedio de velocidad es de 3.25 m/s y la Dirección de Viento predominante es de N20ºO

4. El incremento de las PS y PAS en el segundo mes, se debería a los factores siguientes: i. Por las caídas de lluvias pequeñas (garúas),

por el cambio de estación de verano a invierno ii. Incremento de la velocidad del viento por el

cambio de estación de verano a invierno, por efecto del cambio de temperatura

iii. Incremento de la humedad relativa, por el cambio de estación de verano a invierno.

5. Para el método de placas receptoras en el primer mes el 16.7% de las estaciones sobrepasaron el nivel referencial establecido por la Organización Mundial de la Salud, en el segundo mes fue el 50% del total de las estaciones debido a que dos de estas fueron dañadas.

6. Para el método de tubos pasivos en el primer mes el 66.67% de las estaciones sobrepasaron el nivel referencial establecido por la Organización Mundial de la Salud, en el segundo mes fue el 100% del total de las estaciones


RECOMENDACIONES

1. Extraer la mayor cantidad agua que podría concentrarse en las placas de vidrio luego de haber estado expuesta en lluvia la cual se tuvo incidencia en los días de estudio.

2. Colocar un techo en los tubos pasivos para que no pueden ser dañados con los excrementos de palomas que podrían dañar las muestras

3. A la hora de untar las placas de vidrio se deben hacer con sumo cuidado sin tocar la vaselina por que podría ser afectado la muestra

4. Luego de haber estado expuestas las placas de vidrio retirar, colocar con sumo cuidado para ser llevado al laboratorio.

5. Se recomienda reglamentar a través de normas nacionales utilizando estas metodologías por método pasivo con límites máximos permisibles para la salud.

6. Se debe tener mucho cuidado en maniobrar los filtros después del mes, ya que contienen las muestras que son importantes e indispensables para el estudio además de ello se debe tener calibrada la balanza para evitar errores

7. Colocar los la estaciones en puntos seguras libres de daños a ocasionar

8. Si se encontrase hojas, arañas, etc. que no afecten al estudio en el tubo, se tendrá que sacar con sumo cuidado con una pinza y luego realizar el pesado.

9. Se recomienda adicionar un techo en los frascos para que no sean afectados por el excremento de palomas u otros desechos.

10. Se debe contar con una buena organización del equipo, ya que al manejar muchas muestras, estas deben ser trasladadas en orden y así realizar los análisis en la mayor brevedad posible.


PROYECTO Ventajas: 1. Recomendar cuál de estas dos metodologías es la

más eficiente que no contenga muchos errores, en el estudio de material particulado.

2. Conocer los Niveles de Concentración de material particulado por PAS, PS en la Ciudad Universitaria.

3. Que el costo que se emplea en el método pasivo es el más económico a comparación del método activo.

4. Incentivar el estudio de material particulado por el método pasivo contando con los recursos necesarios.

5. Fortalecer el monitoreo de la calidad del aire en el área a estudiar, mediante la concentración de material particulado sedimentable.

Desventajas 1. Durante el periodo de exposición pueden

efectuarse errores que dañarían al resultado. 2. Que durante el estudio las muestras deben no

deben estar expuestas en lluvias por que afectarían a los resultados: tanto en los tubos pasivos como en las placas receptoras.

3. En el caso de las placas receptoras en el transporte de las muestras, estas se pueden dañar debido a que la vaselina. Estos errores se presentan en el pesado de las placas de vidrio

BIBLIOGRAFÍA

1. Korc Marcelo, Farías Fernando; “El Proceso de

Fijación y Revisión de Normas de calidad del Aire”; editorial CEPIS-OPS; Lima 2000.

2. Lic. Nayhua Gamarra, Laura; “Prevalencia de enfermedades respiratorias y factores asociados a la calidad de aire”; DIGESA; Perú 2004-2005.

3. USEPA List of designated reference and equivalent methods. Office of Research and Development. Washington, 2004.

4. CONAMA; “Elaboración de reglamentos y protocolos de procedimientos para el aseguramiento de la calidad del monitoreo de contaminantes atmosféricos”; CENMA; Chile 2003.

5. Dirección General de salud Ambiental DIGESA www.digesa.minsa.gob.pe Ing. Francisco Fuentes Paredes Dirección General de Salud Ambiental INFORME N° 1516 – 2007/ DEPA – APCCA- DIGESA Abril 2007.

6. Ingeniería Ambiental Fundamentos, entornos, tecnologías y sistemas de gestión Autor: Gerard Kiely Editorial McGraw Hill

7. Libro “Contaminación y contaminantes, aspectos científicos, teóricos y prácticos” Autor : Hugo Sandoval L. Ing. Químico


DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE COCINAS NO CONVENCIONALES PARA LA COMBUSTIÓN ÓPTIMA DE MEZCLAS DE PETRÓLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, GIRASOL Y ALGODÓN

DESIGN AND CONSTRUCTION OF NOT CONVENTIONAL KITCHENS FOR THE OPTIMUM COMBUSTION OF MIXTURES OF DIESEL FUEL 2 WITH BIODIESEL OF SOY, SUNFLOWER AND COTTON

Rubén Marcos, Lorena Olivera, Clodoaldo Sivipaucar, Jhoan Cubas, Andrés Valderrama

____________________________________________________________________________

RESUMEN

Durante la última década los derivados del petróleo (diesel 2 y kerosene) han adquirido gran importancia como fuente de energía en cocinas domésticas no convencionales necesarias para la cocción de alimentos en hogares y comedores populares de zonas rurales y de extrema pobreza de nuestro país; pero debido al continuo incremento de los precios de estos combustibles la economía de estas familias se ve afectada económicamente; asimismo, debido a la emisión de partículas y gases contaminantes productos de la combustión de estos combustible se emite hacia la atmósfera, gases tales como: CO2, SO2, CH, CO, impactando sobre el medio circundante. En este contexto surge la necesidad del uso de fuentes de energías renovables alternativas. En el presente artículo, se muestran los criterios técnicos de diseño y construcción de una cocina doméstica no convencional, usando como combustible alternativo la mezcla de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón en diferentes porcentajes en volumen. Los parámetros de variación son: distancia desde la salida del difusor a la parrilla de la cocina, el diámetro de los pulverizadores y la presión de pulverización del combustible de cada mezcla; para así determinar los parámetros constructivos y energéticos para el diseño de la cocina no convencional, que permita obtener el máximo aprovechamiento de energía térmica y mayor eficiencia de combustión empleando las diferentes mezclas.

ABSTRACT

During the last decade fuels derived from petroleum (diesel 2 and kerosene) have got a big importance like energy source in no conventional domestic kitchen needed to cook the food in rural and marginal zones; because of the fuel prices growth family economy is affected; and because of particle and gaseous pollutants from combustion, the environmental impact is rising. In this article, it is shown the construction and designing techniques criteria of a no conventional domestic kitchen using an alternative fuel: the mixture of diesel 2 and biodiesel of soya, sunflower and cotton in different volume percentages. The parameters to change are: distance from the diffuser exit to grill kitchen; diameter sprayer and combustion pressure to decide the constructive and energetic parameters to determinate the construction and designing parameter to obtain the most the thermal energy benefit and major combustion efficient with each mixture. _____________________________________________________________________________________

INTRODUCCIÓN

El presente proyecto de investigación tiene como finalidad estudiar los parámetros energéticos y constructivos de diseño para el empleo del biodiesel (elaborado a partir del aceite de soya, aceite de girasol y aceite de algodón) como fuente de energía calorífica en mezclas con petróleo diesel 2 en quemadores de cocinas. Los ensayos experimentales permitirán conocer los valores reales optimizados para la construcción de la cocina no convencional para combustión óptima de las mezclas de diesel 2 y biodiesel.


Primera etapa. Calculo teórico del gasto de combustible y del flujo calor de combustión que se produce al atravesar la aguja del pulverizador. Se analizara la combustión usando 4 pulverizadores de diferente geometría, como se indican en la siguiente tabla:

Cuadro. 01. Geometría de los pulverizadores


Fig. 01. Vista de los pulverizadores Nº 1, 2, 3 y 4 • Cálculo teórico del flujo de calor transferido al

agua contenida en la tetera. • Planteamiento de las ecuaciones de balance de

energía • Cálculo de los parámetros constructivos permitirá

conocer los siguientes parámetros óptimos:

a. El porcentaje de biodiesel en la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya girasol y algodón respectivamente.

b. El diámetro del pulverizador para lograr optimizar la combustión.

c. La distancia desde el difusor a la parrilla para cada presión de pulverización y para cada mezcla óptima.

Segunda etapa Ensayos de combustión variando los parámetros constructivos: • Se observará y medirá la longitud de la flama y el tiempo que demora en hervir 1 litro de agua a las presiones de 24 y 32 PSI; con los parámetros obtenidos del análisis numérico (altura del difusor a la parrilla, diámetro del difusor y porcentaje de mezcla). • Determinación y análisis de los calores que intervienen en el proceso de combustión de las mezclas. Tercera etapa Construcción de la cocina no convencional para la combustión óptima de mezclas de diesel 2 y biodiesel


OBJETIVOS GENERALES Plantear los criterios técnicos de construcción de una cocina doméstica no convencional, empleando como combustible alternativo las mezclas en diferentes porcentajes en volumen de diesel 2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, respectivamente. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Determinar el porcentaje de biodiesel presente en

la mezcla y el diámetro del pulverizador adecuados para optimizar la combustión de las mezclas de biodiesel y diesel 2.

2. Determinar los parámetros constructivos adecuados para obtener el máximo aprovechamiento de la energía térmica y la mayor eficiencia de la combustión.

FORMULACIÓN DE HIPÓTESIS

HIPÓTESIS GENERAL

• Las variaciones de los parámetros constructivos

originan la variación en los parámetros de transferencia de calor y del proceso de combustión; por lo que permiten obtener un rango de valores definidos para realizar los ensayos de combustión.

HIPÓTESIS ESPECÍFICAS

1. Al realizar la combustión de una determinada

masa de combustible, para lograr una combustión eficiente es necesario tener una mayor relación aire-combustible que la estequiométrica (>14,5) y por lo tanto reducir las emisiones tóxicas

2. Al variar la distancia del difusor a la base de la

parrilla en contacto con la base de la tetera; se logra que la flama incida en toda la base de la tetera logrando un mejor aprovechamiento del calor de combustión.

FUNDAMENTO TEÓRICO

1. Biodiesel.- la Sociedad Americana de Ensayos y Materiales (ASTM) define al biodiésel como ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de insumos grasos renovables, como los aceites vegetales o grasas animales. El término bio hace referencia a su naturaleza renovable y biológica en contraste con el combustible diesel tradicional derivado del petróleo; mientras que diesel se refiere a su uso en motores de este tipo. Como combustible, el biodiesel puede ser usado en forma pura o mezclado con petróleo diesel. 1.1 Materias primas para la elaboración del biodiesel.- La fuente del aceite vegetal suele ser la palma, soya, colza, girasol (variedades con mayor

Geometría Pulv. 1 Pulv. 2 Pulv. 3 Pulv. 4

diámetro entrada Dp (m)

0,002 0,0022 0,0025 0,00315

diámetro salida dp

(m) 0,00021 0,00021 0,00035 0,0004

longitud L (m)

0,0085 0,00845 0,01 0,0106


rendimiento por hectárea), entre otros Fig.02. Aceite vegetal 2. Combustión.- proceso en donde los constituyentes del combustible son oxidados, acompañada de un intenso desprendimiento de calor. En el tiempo que ocurre la combustión, la masa total permanece casi inalterada, de manera que al momento de balancear las ecuaciones de reacción se puede aplicar la “ley de la conservación de la materia” 2.1. Calor de combustión.- es la disminución de entalpía de un cuerpo en condiciones normales de presión y a una temperatura definida. Será entonces el calor que se libera cuando el combustible arde en una llama o cuando los componentes principales reaccionan con el oxígeno 2.2. Combustión completa.- ocurre siempre que se produzca en presencia de una cantidad suficiente de oxidante y culmine con la oxidación completa de los combustibles. Los productos gaseosos de la combustión completa son fundamentalmente CO2, H2O, N2. La combustión completa presenta llama azul pálido, y es la que libera la mayor cantidad de calor –comparada con la combustión incompleta. 2.3. Combustión incompleta.- ocurre cuando la cantidad de O2 no es suficiente para quemar de modo completo al combustible. Generalmente entre sus productos se presenta CO (gas sumamente tóxico), CO2, H2O y N2. Otro producto de una combustión incompleta es el carbón, sólido, que por acción del calor se pone incandescente y da ese color amarillo-anaranjado a la llama, que por eso se le dice llama luminosa o fuliginosa. 2.4. Combustión de aire.- el oxigeno puro es poco frecuente encontrar, pero lo que sí ocurre con frecuencia es la combustión con el oxígeno del aire, o combustión con aire. ...… (01) 2.4.1 Aire teórico.- Toda combustión completa con aire teórico implica que no existirá oxigeno entre los productos. Al aire teórico también se le denomina aire estequiométrico. 2.4.2 Aire real.- es la cantidad de aire que se suministra durante el proceso de combustión para iniciar, mantener y terminar la combustión.

2.4.3. Mezcla estequiométrica.- es toda mezcla que contiene exactamente aire y combustible en proporciones mínimas para producir una combustión completa. 2.4.4. Mezcla pobre.- mezcla que contiene mayor cantidad de aire que la mezcla estequiometrica. La cantidad de aire garantiza la obtención de una combustión completa, se dice que el aire se encuentra en exceso. 2.4.5. Mezcla rica.- es toda mezcla que contiene menor cantidad de aire que la mezcla estequiométrica. En este caso se dice que el aire se encuentra en defecto. 2.5. Temperatura de la flama adiabática o temperatura de la combustión adiabática. Considerando en el caso que no exista trabajo, transmisión de calor o cambio alguno de energía cinética y potencial, entonces toda la energía térmica producida en la combustión elevara la temperatura de los productos. Cuando la combustión es completa y estequiométrica en tales circunstancias, se considera que la máxima cantidad de energía química se ha convertido en energía térmica, y que es máxima la temperatura de los productos. 3. Transferencia de Calor.- es la energía en tránsito debido a una diferencia de temperatura. Esta transferencia se da por tres tipos de procesos. 3.1. Transferencia de calor por conducción.- para la conducción de calor la ecuación o modelo se conoce como ley de Fourier: ……...…… (02) El flujo de calor o transferencia de calor q’’

x (W/m2) es la velocidad con que se transfiere el calor en la dirección x por unidad de área unitaria perpendicular a la dirección de transferencia de calor y es proporcional al gradiente de temperatura, dT/dx es esta dirección. La constante proporcional k, es una propiedad de transporte conocida como propiedad térmica (W/m.k) y es una característica del material. El signo menos es una consecuencia del hecho que el calor se transfiere en dirección de la temperatura decreciente. 3.2. Transferencia de calor por convección.- se da a través de la siguiente ecuación:

)TT(hq s'' ∞−= ………… (03) El flujo de calor por convección q’’ (W/m2) es proporcional a la diferencial de temperaturas de la

)76.3(11 22 NOkmolAirekmol +=

dx

dTkq x −=''


superficie y del fluido, Ts, T∞, respectivamente. Esta expresión se le conoce como ley de enfriamiento de Newton, y la constante proporcional h (W/m2.k) se denomina coeficiente de transferencia de calor por convección. Este depende de las condiciones en la capa límite en las que influyen la geometría de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido y una variedad de propiedades termodinámicas del fluido y de transporte. 3.3. Transferencia de calor por radiación.- el flujo de calor emitido por una superficie está dado por: ……....… (04) Donde: Ts es la temperatura absoluta (K) de la superficie, σ es la constante de Stefan Boltzmann (σ = 5.67 x 10-8 W/m2K4) y Tair es la temperatura absoluta (K) de los alrededores.

FORMULACIÓN DE ITEMS

¿Por qué el uso de las mezclas de biodiesel con diesel 2 como combustible alternativo a los derivados del petróleo? Debido al constante incremento del precio del kerosene que es mucho mayor que el petróleo diesel 2, por lo que se propone el uso de estas mezclas, cuyo costo de obtención es más barato que el costo de kerosene. De igual manera es menos contaminante que los derivados del petróleo. ¿Qué tan eficiente es el uso de estas mezclas de biodiesel con diesel 2 en comparación con los derivados del petróleo? En los ensayos preliminares de combustión que se hizo con estas mezclas se determinó, que su poder calorífico es aproximado al poder calorífico de los derivados del petróleo (kerosene, diesel2), también se comprobó que era un buen combustible (densidad energética >12). ¿Por qué se varia la altura desde el difusor hasta la parrilla de la cocina? Se observó en los ensayos de combustión, que para la altura de diseño (cocina convencional) la longitud de la flama se desborda por los lados de la base de la tetera, produciéndose una elevada perdida de calor. Por esto al aumentar esta altura se consigue una mayor área de contacto y por ende un mayor calor aprovechado.


1. Calculo del flujo de calor teórico de la combustión de las mezclas diesel y biodiesel.

Para el cálculo del flujo de calor producido por la combustión se emplea la siguiente relación:

… (05)

Donde:

• Qcombustión (W): es el flujo de calor de la combustión de las mezclas diesel y biodiesel.

• mcombustible(kg/s): Flujo másico de las mezclas biodiesel y diesel 2.

• Hu (KJ/kg): poder calorífico de la mezcla diesel 2 y biodiesel.

1.1 Cálculo del flujo másico del combustible.- Se

emplea la siguiente relación:

...(06)

Donde:

• (kg/s): Flujo másico de la mezcla biodiesel y diesel 2.

• ρ comb (kg/m3): densidad de la mezcla

biodiesel y diesel 2. • V pulverizador (m/s): velocidad del flujo de

combustible a la entrada del pulverizador. • A pulverizador (m2): área de paso del flujo de

combustible a través del pulverizador. •

1.2. Cálculo de la Velocidad de salida del pulverizador.- Para realizar este cálculo se hace necesario emplear las ecuaciones de continuidad por el recorrido del combustible desde el tanque, la tubería y el pulverizador A continuación se emplea la ecuación de continuidad entre la tubería de salida del tanque y el pulverizador: ..... (07) Luego:

pulv

tubtub

pulvA

AVV

×= ……….. (08)

Donde:

• Q (m3/s): caudal de combustible • Vpulverizador (m/s): velocidad del flujo de

combustible en la entrada del pulverizador. • Vtubería (m/s): velocidad del flujo de combustible

al pasar por la tubería.

)( 44''airsrad TTq −= εσ

uecombustiblcombustión HmQ ×=.

pulvpulvcombecombustibl AVm ××= ρ.

ecombustiblm.

cteAVAVQ pulvpulvtubtub =×=×=


• Apulverizador (m2): área de paso del flujo de combustible a través del pulverizador.

• Atubería (m2): área de paso del flujo de combustible a través de la tubería.

1.3 Cálculo de la velocidad del combustible en la tubería.- se utiliza la ecuación de Bernoulli desde la superficie libre dentro del tanque hasta la tubería, como se muestra a continuación: Además:

• Ptanque (PSI): presión manométrica del tanque de la cocina

• Ptuberia (PSI): presión manométrica dentro de la tubería.

• Ztasque (m): altura de la superficie libre de la mezcla dentro del combustible.

• g (m2/s): aceleración de la gravedad• r (kg/m3): densidad de la mezcla de D2 y

biodiesel. La ecuación de Bernoulli se ha simplificado, la velocidad en la superficie libre del combustible dentro del tanque se considera estancada (Vo = 0).La altura Ztub se toma como nivel de referencia (Z0) P tanque

A pulv A tubería

Fig.03. Distribución de los parámetros para el cálculo de la velocidad a la salida del pulverizador2. Cálculo teórico del flujo de calor transferido al agua dentro de la tetera. El flujo de calor desprendido de la combustión se transmite en varias etapas, primera etapa: existe transferencia de calor por convección; transferencia de calor entre los gases de la combustión (propiedades físicas aproximadas a los valores de las propiedades físicas del aire) que inciden sobre la base de la tetera. Segunda etapatransferencia de calor por conducción; transferencia de calor a través del espesor de la placa de aluminio de la base de la tetera. Tercera etapa: transferencia de calor entre la superficie de aluminio de la tetera y el agua que se mueve sobre esta. El proceso de transferencia de calor a través de los tres modos se calcula mediante las siguientes expresiones: - En la corona de la flama

g

VPgZ

Ptubtuberia

que

que++++++++====××××++++

2

2

tantan

ρρρρρρρρ


): área de paso del flujo de pulverizador.

): área de paso del flujo de

1.3 Cálculo de la velocidad del combustible en la se utiliza la ecuación de Bernoulli desde la

superficie libre dentro del tanque hasta la tubería,

(09)

(PSI): presión manométrica del tanque de

nométrica dentro de la

(m): altura de la superficie libre de la

/s): aceleración de la gravedad ): densidad de la mezcla de D2 y

La ecuación de Bernoulli se ha simplificado, la velocidad en la superficie libre del combustible dentro del tanque se considera estancada (Vo = 0).

se toma como nivel de referencia (Ztub =

tanque

Fig.03. Distribución de los parámetros para el cálculo de la velocidad a la salida del pulverizador

flujo de calor transferido al . El flujo de calor desprendido

de la combustión se transmite en varias etapas, transferencia de calor por

convección; transferencia de calor entre los gases de la combustión (propiedades físicas aproximadas a los valores de las propiedades físicas del aire) que

Segunda etapa: por conducción; transferencia

de calor a través del espesor de la placa de aluminio : transferencia de

calor entre la superficie de aluminio de la tetera y el

de calor a través de los tres modos se calcula mediante las siguientes

- En la parte media de la flama Donde:

• h gases (W/m2.k): coeficiente de convección de los gases de combustión.

• h agua (W/m2.k): coeficiente de convección del agua a Tebu

• k aluminio (W/m.k): coeficiente de conducción del aluminio.

• T ebu (K): temperatura de ebullición del agua.• T fc (K): temperatura de la flama en la corona. • T fN (K): temperatura de la parte media de la

flama. • A1 (m

2): área circular de la base de la tetera.• A2 (m

2): área anular de la base de la tetera.• e (m): es el espesor de la tetera.

En la fig. 03. se puede observar las áreas transversales al flujo de calor del frente de flama.

Área circular A

Área anular A2

Fig. 04. Áreas A1 y A2 de trasferencia de calor2.1 Cálculo del área perpendicular al flujo de calor.Es función de la distancia (h) entre el difusor y la parrilla, de la siguiente manera:

2

RA

2A 1.

×π= ….. (14)

Donde:

gztub ××××++++

iominalu1gases1

ebucf1

Ak.A

e

h.A

1

)TT(Q

++

−=

2iominalu2gases2

ebuNf2

Ak.A

e

h.A

1

)TT(Q

++

−=

α×= tanHLH

α×+= cosLrR HdifusorA 1.

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.. (10)

...(11)

.k): coeficiente de convección de los

.k): coeficiente de convección del

(W/m.k): coeficiente de conducción del

(K): temperatura de ebullición del agua. (K): temperatura de la flama en la corona.

(K): temperatura de la parte media de la

): área circular de la base de la tetera. área anular de la base de la tetera.

e (m): es el espesor de la tetera. En la fig. 03. se puede observar las áreas transversales al flujo de calor del frente de flama.

Área circular A1

de trasferencia de calor 2.1 Cálculo del área perpendicular al flujo de calor.- Es función de la distancia (h) entre el difusor y la

….. (12)

……...(13)

agua1 h.A

1

agua2 h.

1


• LH (m): hipotenusa desde el difusor hasta la parrilla.

• RA1 (m): radio del área circular. • rdifusor (m): radio de entrada del difusor.• a (ºC): ángulo de salida del difusor• A1: área circular sobre la base de la tetera.

En la fig. 04 se pude observar la geometría del difusor de la cocina no convencional y la altura hasta la parrilla que se encuentra en contacto con la base de la tetara.

Fig. 05. geometría del difusor de la cocina no convencional

A continuación, se calcula el área anular (AA2 = A tetera - A1 ………….. (15)

2.2 Cálculo de la distancia desde la salida del difusor a la parrilla de la cocina (H).- considerando que el mayor porcentaje de calor de combustión es transferido al agua contenido dentro de la tetera, tenemos la siguiente aproximación: Donde: (W): Flujo de calor transferido por convección y conducción al agua dentro de la tetera.

(W): flujo de calor de combustión de las mezclas D2 y biodiesel. Empleando las ecuaciones 05, 10 y 11 se puede determinar la altura (H) óptima, así como los demás parámetros (presión de pulverización, diámetro del pulverizador) y en base a estos valores teóricos óptimos, se pueden realizar los ensayos de combustión con las mezclas de D2 y biodiesel. 3. Característica físicas de las mezclas de diesel 2 y biodiesel para el cálculo del flujo de calor de

Combustión ( combustión) Para seleccionar las mezclas de diesel y biodiesel óptimas cuyo calor de combustión sea el máximo, se utiliza el siguiente cuadro:

combustiónotransferid QQQQ ≅+= 21

21 QQ ++++

combustiónQ


(m): hipotenusa desde el difusor hasta la

m): radio de entrada del difusor. a (ºC): ángulo de salida del difusor

: área circular sobre la base de la tetera.

En la fig. 04 se pude observar la geometría del difusor de la cocina no convencional y la altura hasta

contacto con la base de

geometría del difusor de la cocina no

A continuación, se calcula el área anular (A2): ………….. (15)

2.2 Cálculo de la distancia desde la salida del difusor considerando que el

mayor porcentaje de calor de combustión es transferido al agua contenido dentro de la tetera,

…… (16)

(W): Flujo de calor transferido por convección y conducción al agua dentro de la tetera.

(W): flujo de calor de combustión de las

Empleando las ecuaciones 05, 10 y 11 se puede determinar la altura (H) óptima, así como los demás

sión de pulverización, diámetro del pulverizador) y en base a estos valores teóricos óptimos, se pueden realizar los ensayos de combustión con las mezclas de D2 y biodiesel.

Característica físicas de las mezclas de diesel 2 y biodiesel para el cálculo del flujo de calor de

Para seleccionar las mezclas de diesel y biodiesel óptimas cuyo calor de combustión sea el máximo, se

Cuadro. 02. Característica físicas de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón respectivamente

Fig. 06. Flujo de Calor de Combustión de las mezclas Diesel 2 y Biodiesel al pasar por el pulverizador del quemador En la figura 07 se observa una ampliación del pulverizador el cual se analiza para hallar los parámetros requeridos. 4. Parámetros de la transferencia de calor al agua dentro de la tetera (Q1 + Q2) Para hallar el cálculo se utiliza los siguientes parámetros:

% mezcla r (kg/m^3)

SOYA + D2

B10 826,5

B20 833

B30 839,5

B40 846

B50 852,5

GIRASOL + D2

B10 824

B20 828

B30 832

B40 836

B50 840

ALGODÓN + D2

B10 825,5

B20 831

B30 836,5

B40 842

B50 847,5

combustión

Página 64

Cuadro. 02. Característica físicas de la mezcla de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón

Flujo de Calor de Combustión de las mezclas Diesel 2 y Biodiesel al pasar por el pulverizador del

En la figura 07 se observa una ampliación del pulverizador el cual se analiza para hallar los

transferencia de calor al agua

Para hallar el cálculo se utiliza los siguientes

r (kg/m^3) Hu (KJ/Kg)

826,5 41760,15

833 41524,03

839,5 41291,58

846 41062,70

852,5 40837,30

824 41851,69

828 41704,82

832 41559,35

836 41415,28

840 41272,58

825,5 41849,49

831 41700,96

836,5 41554,39

842 41409,74

847,5 41266,96


T base tetera, ºk 418

T ebullición, ºk 373

K alumínio (W/m ºk) 237

h agua (W/m2 ºk) 1500

Cuadro. 03. Datos para el proceso de la combustión El coeficiente de transferencia de calor por convección a través de las áreas A1 y A2, depende de las condiciones de capa límite, en las que influyen la geometría de la superficie (base de la tetera), la naturaleza del movimiento del fluido y una variedad de propiedades termodinámicas del fluido y de transporte

5. Características geométricas del Quemador – Tanque - Difusor de la cocina no convencional Las características geométricas de la cocina no convencional (quemador - pulverizador) son empleadas en el cálculo del flujo de calor transmitido al litro y medio de agua contenida en la tetera. Los valores que se presentan el siguiente cuadro son tomados directamente del diseño original de la cocina no convencional de una sola hornilla.

Nomenclatura Dimensión

Diámetro de base la tetera

D tetera 0.26 m

Espesor de la base de la tetera

e tetera 0.002 m

Distancia del difusor a la parrilla

H 0.0365 m

Longitud desde difusor a la parrilla

L 0.0424 m

Angulo del difusor a 49.3 º

Diámetro de entrada del difusor

D difusor entrada 0.065 m

Diámetro de salida del difusor

D difusor salida 0.0857 m

Diámetro del quemador

D q 0.063

Diámetro de la tubería de paso

D tub 0,019

Cuadro. 04. Datos Geométricos del quemador de la cocina no convencional

Fig. 07. Geometría de las partes del Quemador – difusor – tanque de la mezcla biodiesel con diesel 2


1. Selección de las mezclas de diesel 2 y biodiesel de soya, girasol y algodón de mayor flujo de calor de combustión En el siguiente cuadro se observa el flujo másico y el flujo de calor de combustión para cada mezcla de diesel 2 y biodiesel:

Cuadro. 05. Flujo másico y flujo de calor de combustión de las mezclas diesel 2 y biodiesel De acuerdo con el gráfico obtenido el Flujo de calor de combustión es máximo al aumentar el porcentaje de biodiesel en la mezcla, por esto seleccionamos las siguientes mezclas para realizar los cálculos de transferencia de calor:


%

Mezcla

Flujo másico (kg/s)

Q combustión

(W)

SOYA + D2

B20 0,0269 1117,5112

B30 0,0271 1119,9265

B50 0,0275 1124,7572

GIRASOL + D2

B20 0,0268 1115,6396

B30 0,0269 1117,1191

B50 0,0271 1120,0781

ALGODÓN + D2

B20 0,0268 1119,5783

B30 0,0270 1123,0271

B50 0,0274 1129,9248

Cuadro. 06. Selección de mezcla que entrega mayor calor de combustión. 2. Flujo de calor transferido al litro de agua dentro de la tetera 2.1 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro

de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y biodiesel de soya

Biodiesel Soya +

D2

Q transferido pulverizador

Q 1(W) Q 2(W)

pulv 1 309,091 594,701

pulv 2 308,586 588,654

pulv 3 312,273 613,474

pulv 4 312,684 602,196

Cuadro 07. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de soya y D2. Se observa que el mayor flujo de calor transferido tanto a través del área 1 y área 2 se da en los pulverizadores 3 y 4. El flujo de calor a través del área perpendicular anular es mayor que el flujo de calor de convección transferido a través del área circular.

2.2 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro

de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y biodiesel de girasol

Biodiesel Girasol+

D2

Q transferido pulverizador

Q 1(W) Q 2(W)

pulv 1 230 485,845

pulv 2 251,142 556,504

pulv 3 255,631 593,657

pulv 4 274,436 607,53

Cuadro. 08. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de soya y D2. Se observa que el mayor flujo de calor transferido

tanto a través del área 1 y área 2 se da en los pulverizadores 3 y 4. El flujo de calor a través del área perpendicular anular es mayor que el flujo de calor de convección transferido a través del área circular.

2.3 Flujo de calor transferido al litro de agua dentro

de la tetera utilizando como mezcla diesel 2 y biodiesel de algodón

Biodiesel Algodón

+ D2

Q transferido Pulver

Q 1(W) Q 2(W)

pulv 1 240,870 442,816

pulv 2 295,332 575,278

pulv 3 298,178 594,060

pulv 4 301,334 600,151

Cuadro 09. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de soya y D2.

Se observa que empleando los pulverizadores 1 y 2 la transferencia de calor es menor, debido a que en los ensayos experimentales el flujo de calor de convección transferido a través del área circular fue inferior. 3. Selección de pulverizadores para la mayor transferencia de calor al agua dentro de la tetera. De acuerdo a los cuadros anteriores se observa que para las tres mezclas de diesel 2 y biodiesel la mayor transferencia de calor se produce empleando pulverizadores 3 y 4. Entonces se seleccionan los siguientes pulverizadores

Mezcla Pulverizador Q transferido (W)

Soya + D2 pulv 3 925,747 pulv 4 914,880

Girasol+ D2 pulv 3 849,288 pulv 4 881,967

Algodón + D2 pulv 3 892,239 pulv 4 901,485

Cuadro. 10. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de soya y D2. 4. Variación de la altura desde la salida del difusor a la base de la parrilla (h) desde el difusor a la base de la parrilla. La variación de las alturas está limitada por el calor de combustión obtenido a partir del flujo másico de combustible. Debido a que en toda combustión a flama abierta existen pérdidas de calor se considera: La variación de la altura implica una mayor o menor área de contacto entre la flama y la base de la tetera y por ende una mayor o menor transferencia de calor

combustiónciatransferen QQQQ <+= 21


4.1 Variación de la altura desde la salida del difusor a la base de la parrilla (h) empleando la mezcla Biodiesel de Soya y diesel 2

Q transferencia (W)

Pulv. h (m)

pulv 3 pulv 4

0,0365 925,747 914,880

0,045 936,688 926,804

0,05 943,533 934,262

0,055 950,706 942,080

Cuadro. 11. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de soya y D2 variando H. La transferencia de calor es mayor en el pulverizadores 3 y 4 para la altura H=0.055 m. 4.2 Variación de la altura desde la salida del difusor a la base de la parrilla (h) empleando la mezcla Biodiesel de Girasol y diesel 2

Q transferencia (W)

Pulv. h (m)

pulv 3 pulv 4

0,0365 861,562 881,967

0,05 868,053 888,694

0,07 879,245 900,293

0,09 892,357 913,883

Cuadro. 12. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de girasol y D2 variando H. 4.3 Variación de la altura desde la salida del difusor a la base de la parrilla (h) empleando la mezcla Biodiesel de Algodón y diesel 2

Q transferencia (W)

Pulv. h (m)

pulv 3 pulv 4

0,0365 892,239 901,485

0,045 902,023 911,389

0,055 902,023 911,389

0,075 943,159 953,026

Cuadro. 13. Flujo de calor de transferido empleando mezcla biodiesel de algodón y D2 variando H. La transferencia de calor es mayor en el pulverizadores 3 y 4 para la altura H=0.075 m.

5. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para las mezclas y pulverizadores seleccionados Se evalúa el Flujo de calor de transferido (aprovechado) y la eficiencia de la combustión, empleando las mezcla óptimas de D2 y biodiesel de soya, girasol y algodón, con pulverizadores seleccionados 3 y 4 para el H que permite la máxima transferencia.

5.1 Flujo de calor aprovechado y eficiencia para la combustión de las mezcla de Biodiesel de soya empleando el pulverizador 3 y 4

Cuadro. 14. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para la altura óptima empleando mezcla óptimas de soya y d2. 5.2 Máximo flujo de calor aprovechado y eficiencia para la combustión de las mezcla de Biodiesel de girasol empleando el pulverizador 3 y 4

Cuadro. 15. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para la altura óptima empleando mezcla óptimas de girasol y D2. 5.4 Máximo flujo de calor aprovechado y eficiencia para la combustión de las mezcla de Biodiesel de soya empleando el pulverizador 3 y 4


Cuadro. 16. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para la altura óptima empleando mezcla óptimas de algodón y D2 En los cuadros resumen anteriores se observa que al emplear el pulverizador 3 y el pulverizador 4, se obtiene la mayor eficiencia se obtiene para la mezcla B20. Además en la mayoría de las mezclas la eficiencia de combustión sobrepasa el 80% 5. Ensayos de Combustión - Flujo de calor aprovechado y eficiencia de combustión Luego de hallar teóricamente las mezclas y pulverizadores óptimos se realiza la combustión de las mezclas de biodiesel y diesel 2 para la altura desde la salida del difusor la parrilla original H= 0.0365 m. Además se trabaja a presiones de pulverización de 24 y 32 PSI, obteniéndose las siguientes eficiencias:

Cuadro. 17. eficiencia de la combustión empleando mezclas óptimas de girasol y D2.

Cuadro. 18. eficiencia de la combustión empleando mezclas óptimas de soya y D2.


Cuadro. 16. Flujo de calor aprovechado y eficiencia para la altura óptima empleando mezcla óptimas de

En los cuadros resumen anteriores se observa que al verizador 4, se

obtiene la mayor eficiencia se obtiene para la mezcla B20. Además en la mayoría de las mezclas la eficiencia de combustión sobrepasa el 80%

Flujo de calor aprovechado y eficiencia de combustión

Luego de hallar teóricamente las mezclas y pulverizadores óptimos se realiza la combustión de las mezclas de biodiesel y diesel 2 para la altura desde la salida del difusor la parrilla original H= 0.0365 m. Además se trabaja a presiones de

e 24 y 32 PSI, obteniéndose las

Cuadro. 17. eficiencia de la combustión empleando

Cuadro. 18. eficiencia de la combustión empleando

Cuadro. 19. eficiencia de la combustión empleando mezclas óptimas de algodón y D2.Se observa que las eficiencias obtenidas en la combustión de las mezclas optimas empleando los pulverizadores óptimos para el pulverizador 3 varían entre (66 y 71) % y para el pulverizador 4 varían entre el del (68 y 78) %. Lo que ratifica que al aumentar la distancia desde el difusor a la parrilla de la cocina la eficiencia de combustión aumenta llegando a valores mayores que el 80%.


Fig. 08. Flujo de calor transferido al agempleando pulverizadores 1, 2, 3 y 4.

Fig. 09. Flujo de calor de combustión de mezclas biodiesel y D2.

Página 68

la combustión empleando

mezclas óptimas de algodón y D2. Se observa que las eficiencias obtenidas en la combustión de las mezclas optimas empleando los pulverizadores óptimos para el pulverizador 3 varían entre (66 y 71) % y para el pulverizador 4 varían

Lo que ratifica que al aumentar la distancia desde el difusor a la parrilla de la cocina la eficiencia de combustión aumenta llegando a valores mayores que el 80%.


Fig. 08. Flujo de calor transferido al agua en la tetera empleando pulverizadores 1, 2, 3 y 4.

Fig. 09. Flujo de calor de combustión de mezclas


Fig. 10. Variación de altura H (m) con mezcla soya y D2 El calor transmitido al agua contenida en la tetera aumenta al aumentar el valor de H (m) empleando el pulverizador 3; pero al emplear el pulverizador 4 disminuye. En consecuencia para la mezcla de biodiesel de soya y D2 se debe emplear el pulverizador 3 y una altura de 0.055 m.

Fig. 11. Variación de altura H (m) con mezcla y D2 Se observa que el calor transmitido al agua contenida en la tetera aumenta al aumentar el valor de la altura H (m) y el máximo valor se alcanza empleando el pulverizador 4. En consecuencia para la mezcla de biodiesel de girasol y D2 se debe emplear el pulverizador 4 y una altura de 0.07 m


Fig. 10. Variación de altura H (m) con mezcla soya y

El calor transmitido al agua contenida en la tetera valor de H (m) empleando el

pulverizador 3; pero al emplear el pulverizador 4 disminuye. En consecuencia para la mezcla de biodiesel de soya y D2 se debe emplear el

Fig. 11. Variación de altura H (m) con mezcla girasol

Se observa que el calor transmitido al agua contenida en la tetera aumenta al aumentar el valor de la altura H (m) y el máximo valor se alcanza empleando el

En consecuencia para la mezcla de biodiesel de emplear el pulverizador 4 y una

Fig. 12. Variación de altura H (m) con mezcla algodón y D2 El calor transmitido al agua contenida en la tetera aumenta al aumentar el valor de H (m), este valor tiende a mantenerse casi constante para los pulverizadores 3 y 4. En consecuencia para la mezcla de biodiesel de algodón y D2 se debe emplear el pulverizador 4 y una altura de 0.075 m


1. El flujo de calor de combustión se incrementa al

aumentar el porcentaje de biodiesel en la mezcla y esto permite seleccionar solo tres mezclas y disminuir los cálculos energéticos y los ensayos experimentales de combustión.

2. El empleo de los pulverizadores 3 y 4 originan un

aumento del calor transferido al agua dentro de la tetera, y por ende reducen se reducen las pérdidas de calor, producto de las cenizas desprendidas de la combustión y de lasgrasas que obstruyen el pulverizador, que impiden, la óptima pulverización de la mezcla combustible.

3. La variación de la distancia de la salida del

difusor a la parrilla muestra que a mayor distancia aumenta el calor aprovechado, aunque se debe considerar que este calor no debe exceder del calor de combustión entregado por la mezcla.

4. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la mezcla de biodiesel de soya y D2 se requiere una altura desde el difusor a la parrilla mayor que 0.0365 m y menor que 0.055 m.

5. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la

mezcla de biodiesel de girasol y D2 se requiere una altura desde el difusor a la parrilla mayor que 0.0365 m y menor que 0.09 m.

Página 69

Fig. 12. Variación de altura H (m) con mezcla

El calor transmitido al agua contenida en la tetera aumenta al aumentar el valor de H (m), este valor tiende a mantenerse casi constante para los pulverizadores 3 y 4. En consecuencia para la mezcla de biodiesel de algodón y D2 se debe emplear el

zador 4 y una altura de 0.075 m


El flujo de calor de combustión se incrementa al aumentar el porcentaje de biodiesel en la mezcla y esto permite seleccionar solo tres mezclas y disminuir los cálculos energéticos y los ensayos experimentales de combustión.

El empleo de los pulverizadores 3 y 4 originan un aumento del calor transferido al agua dentro de la tetera, y por ende reducen se reducen las pérdidas de calor, producto de las cenizas desprendidas de la combustión y de las probables grasas que obstruyen el pulverizador, que impiden, la óptima pulverización de la mezcla

La variación de la distancia de la salida del difusor a la parrilla muestra que a mayor distancia aumenta el calor aprovechado, aunque

considerar que este calor no debe exceder del calor de combustión entregado por la

Para mejorar la eficiencia de la combustión de la mezcla de biodiesel de soya y D2 se requiere una altura desde el difusor a la parrilla mayor que

que 0.055 m.

Para mejorar la eficiencia de la combustión de la mezcla de biodiesel de girasol y D2 se requiere una altura desde el difusor a la parrilla mayor que 0.0365 m y menor que 0.09 m.


6. Para mejorar la eficiencia de la combustión de la mezcla de biodiesel de algodón y D2 se requiere una altura desde el difusor a la parrilla mayor que 0.0365 m y menor que 0.075 m.

7. Las eficiencias de combustión obtenidas al

aumentar las alturas de la parrilla de la cocina no convencional son mayores a las obtenidas con la altura no modificada.

8. Toda cocina con quemador que trabaje con

presiones superiores a 1 bar (14.7 PSI), debe emplear un manómetro instalado en el tanque de mezcla.

9. Los resultados experimentales indican que para

una transferencia de combustión óptima se requiere emplear como combustible mezcla de biodiesel de soya y D2 al 20% con pulverizador 3 y una altura de 0.055 m.


una transferencia de combustión óptima se requiere emplear como combustible mezcla de biodiesel de girasol y D2 al 20% con un pulverizador 4 y una altura de 0.07 m


una transferencia de combustión óptima se requiere emplear como combustible mezcla de biodiesel de algodón y D2 al 20% con un pulverizador 4 y una altura de 0.075 m

RECOMENDACIONES DEL PROYECTO

1. Realizar mantenimiento cada 3 meses al quemador y a la cocina no convencional haciendo limpieza de tanque y cambio de empaquetaduras

2. Elaborar una nueva empaquetadura para incrementar el período de duración.

3. Adicionar un manómetro de presión 4. La mezcla de biodiesel con diesel 2 no debe

contener agua y glicerina ya que perjudica a la combustión y acelera el desgaste

5. Para tener una buena combustión y buen aprovechamiento del calor, se recomienda alcanzar las presiones óptimas indicadas.

6. En el momento del encendido de la cocina hacerlo en un lugar en el cual no haya fuertes corrientes de aire para evitar mayores perdidas.

7. Usar las mezclas de biodiesel con diesel 2 en las proporciones indicada en el presente proyecto, caso contrario no se obtendrán buenos resultados de la combustión de estas.


PROYECTO

Ventajas

1. Reducción de los gases contaminantes productos de la combustión en este tipo de cocinas.

2. Ahorro de costos en la adquisición de estos combustibles en comparación con los derivados del petróleo.

3. Optimización y adaptación del funcionamiento de una cocina no convencional para el empleo de mezclas de biodiesel y diesel 2.

4. Ccontrarresta la alta demanda del costo del petróleo y sus derivados.

5. El uso de biocombustible (biodiesel) tendrá una utilidad prolongada a comparación del gas

Desventajas 1. El diseño solo es para una cocina de una hornilla. 2. Los ensayos se realizaron solamente bajo las

condiciones de la ciudad de lima (temperatura, presión, humedad )

BIBLIOGRAFÍA

1. Incropera, F.; “Fundamentos de Transferencia de

Calor y Masa”; editorial Prentice Hall, USA. 2. Postigo, J. & Cruz, J; “Termodinámica

Aplicada”; editorial UNI , Lima1985. 3. Marks; “Manual del Ingeniero Mecánico”,

editorial Mc Graw Hill, México 1988 4. Perry, Jhon; “Manual de Ingeniero Químico”,

editorial Mc Graw Hill, México 1992 5. Brian, Spalding; “Combustión y transferencia de

masa”, Mexico1983.


INVESTIGACION DE LA INFLUENCIA DE LA LENGÜETA DEL VENTILADOR RADIAL EN SUS CARACTERISTICAS ACUSTICAS Y AERODINAMICAS INVESTIGATION OF INFLUENCE OF CENTRIFUGAL FAN TONGUE UPON ACOUSTIC AND AERODYNAMIC CHARACTERCTICS

M.A. Ormeño Valeriano, S. V. Tsulimov, A.K. Ivanov People’s Friendship University of Russia

__________________________________________________________________________________________

RESUMEN

Es posible mejorar características acústicas y aerodinámicas de ventilador centrífugo con la ayuda de montar de obstáculo en del cuerpo del ventilador de lengua.

ABSTRACT

It is possible to improve acoustic and aerodynamic characteristics of centrifugal fan with the help of obstacle mounting on de body of the tongue fan. _____________________________________________________________________________________________

Los Ventiladores son equipos de amplia aplicación en la industria empleados en los sistemas de ventilación, sistemas de calefacción, procesos tecnológicos y siempre son acompañados de ruido. Es así que alto nivel de ruido es tanto, que es el principal responsable de ruido en edificios y en zonas de producción. El espectro de ruido siempre tiene frecuencias discretas y a menudo en estas frecuencias el nivel de presión acústica sobrepasa los 10-20 dB dependiendo del tipo de ventilador y por ello la importancia de reducir esta componente en primer lugar, ya que ella constituye la mayor parte del nivel total de ruido. Con el fin de evaluar cómo influye la presencia de un obstáculo [1] (fig.1) sobre la lengüeta del ventilador centrifugo en su nivel de ruido y eficiencia fueron realizados investigaciones experimentales en la serie de ventiladores BZ-70-4 con 3000 rpm. Se investigó 3 variantes de lengüeta: la lengüeta original, lengüeta con un obstáculo - Ø10 mm. y lengüeta con un obstáculo de – Ø15 mm. Como se puede observar en las fig.1 y fig.2, la inclusión de un pequeño obstáculo permitió reducir el ruido en la frecuencia de paso en 3-6 dB dependiendo del caudal, la altura del ventilador se incremento en 2,6 % comparado con la lengüeta original, con respecto a la eficiencia se pudo constatar un incremento del 2 % en régimen de trabajo optimo.

Es de conocimiento [2] que el flujo de fluido en la región de la lengüeta es de carácter complicado. Es así que la disminución del nivel de ruido se explica debido a que el montaje del obstáculo aguas abajo sobre la lengüeta influyo sobre la presión en la región de la descarga formada por presencia del torbellino sobre la lengüeta [2]. La aparición de torbellinos sobre la lengüeta del caracol se origina por la caída de la presión total y estática del flujo (fig.3a). Esto trae como consecuencia el retorno del flujo muy cercano a la superficie del caracol y cercano a la lengüeta del ventilador. El incremento de la presión se explica debido, a que el torbellino unidireccional toma contacto con el flujo principal y lentamente se fracciona formando un par de torbellinos de direcciones opuestas, alejándose de la lengüeta, este fenómeno se realiza al pasar el flujo por el obstáculo (fig.3b), lo que permitió influir sobre las líneas de corriente. Las presentes observaciones deberán comprobarse mediante mediciones con equipos de mayor exactitud. Las mejoras de las características aerodinámicas se explican con las mismas observaciones, que introdujeron una menor resistencia en el ducto del ventilador. El caso es que el torbellino reduce el área de paso del ducto y por consiguiente el caudal de aire, así mismo sustancialmente se incrementa la resistencia en estas secciones. El montaje de estos

Obstáculos en la zona de torbellino propicia la generación de un incremento gradual del caudal en el ducto del caracol que conlleva a su vez a un incremento del caudal.

El utilizar un obstáculo de mayor diámetro sobre la lengüeta empeoro las características del ventilador, lo que se deduce la existencia de un diámetro óptimo de


obstáculo. Aquí se deberá considerar la presencia de otros factores, como: la reducción de la zona de paso, incremento de la zona de torbellinos, etc. El análisis [3] muestra, que las características acústicas de Turbomaquinas, como regla, poseen un carácter tonal (discreto). Y es de saber que la lucha con este ruido aerodinámico en Turbomadeberá tener primordial importancia, esta disminución es posible gracias a la redistribución de la energía de las ondas acústicas en el tiempo y espacio con el desfase de las fuentes acústicas con la ayuda de soluciones estructurales. Es por ello quanálisis de las comparaciones para la cuantificación del ruido en ventiladores centrífugos toma mucho interés tomando en cuenta los diferentes cambios estructurales de la sección de paso en el ducto.

1 2sin

r

F

T76,396

1P

τ⋅ϖ⋅

τ⋅⋅

⋅=

Donde: T- temperatura absoluta del medio ambiente; r - distancia hasta el punto de medición; k de onda; τ1 y τ2 - parámetros de tiempo en el perfil del campo de presiones; s - holgura; hobstáculo; R - radio del impulsor; ∆relativa, igual a s/R; ∆h - altura relativa del obstáculo h/R. ∆h se incluye como factor de correccivalor del nivel de presión acústica, obtenida en los ensayos realizados.

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2000 3000 4000 5000 6000

Q, m3/h

H, P

a

lengüeta original

obstaculo menor

obstaculo mayor


obstáculo. Aquí se deberá considerar la presencia de de la zona de paso,

incremento de la zona de torbellinos, etc.

El análisis [3] muestra, que las características acústicas de Turbomaquinas, como regla, poseen un carácter tonal (discreto). Y es de saber que la lucha con este ruido aerodinámico en Turbomaquinas deberá tener primordial importancia, esta disminución es posible gracias a la redistribución de la energía de las ondas acústicas en el tiempo y espacio con el desfase de las fuentes acústicas con la ayuda de soluciones estructurales. Es por ello que el análisis de las comparaciones para la cuantificación del ruido en ventiladores centrífugos toma mucho interés tomando en cuenta los diferentes cambios estructurales de la sección de paso en el ducto.

Fig.1 Grafica altura - caudal, con la presencia dediferentes diámetros de obstáculos sobre la lengüeta

Fig.2 Grafica del nivel de ruido en la frecuencia de paso de alabes - caudal, con la presencia de diferentes diámetros de obstáculos sobre la lengüeta Observemos la aparición del ruido aerodinámico al embestir un flujo irregular sobre la lengüeta con obstáculo, se sabe [4], que la presión acústica en la frecuencia de paso es ver ecuación (1):

( ) (([ h7,3072S8,254S7,1411,705,021 2

102

sin ∆+∆⋅+∆⋅−⋅τ⋅ϖ

⋅

temperatura absoluta del medio ambiente; distancia hasta el punto de medición; k - numero

parámetros de tiempo en el perfil holgura; h - altura del

radio del impulsor; ∆s - holgura altura relativa del obstáculo

h se incluye como factor de corrección al máximo valor del nivel de presión acústica, obtenida en los

fig.3 Líneas de corriente sobre la lengüeta:

obstáculo; b - con obstáculo

6000 7000

lengüeta original

obstaculo menor

obstaculo mayor

80

82

84

86

88

90

2000 3000 4000 5000

Q, m3/h

L,

Db

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caudal, con la presencia de diferentes diámetros de obstáculos sobre la lengüeta

Grafica del nivel de ruido en la frecuencia de caudal, con la presencia de diferentes

diámetros de obstáculos sobre la lengüeta

parición del ruido aerodinámico al embestir un flujo irregular sobre la lengüeta con obstáculo, se sabe [4], que la presión acústica en la

ver ecuación (1):

) )]h4,207h 2 ∆⋅− …(1)

Líneas de corriente sobre la lengüeta: a - sin con obstáculo

5000 6000 7000

lengüeta original

obstaculo menor

obstaculo mayor


∆+∆⋅⋅=

4

2

lg

VpbrF ct ρπ …(2)

Donde F – fuerza de pulsación aerodinámica ; ∆Pct - cambio de la presión estática ; ∆V - cambio de la velocidad de salida; b - ancho de la lengüeta; rlg - radio de la lengüeta Entonces el nivel de presión acústica en la

frecuencia de paso es:

00 2lg20lg20

p

p

p

pL

ef

⋅⋅=⋅= …(3)

Donde po = 2·10-5, H/m2 (Pa) – nivel límite de la presión acústica.

La ecuación propuesta que estima el ruido de tono es de carácter preliminar; y es necesario realizar mediciones gasodinamicas complementarias, para el análisis del flujo de fluido en la zona de investigación.

BIBLIOGRAFÍA

1. Neise, Compendio de métodos en reducción del

ruido en ventiladores centrífugos, Moscú, Konstruirubanie, 1982, t. 104

2. Miftakhov A.A. Investigación, calculo y diseño de dispositivos de descarga en compresores centrífugos; Instituto químico tecnológico de Kazan, 1980. pag. 78

3. Khoroshev G.A., Petrov Y. I., Egorov N. F. Lucha contra los ruidos en Ventiladores.- Moscú: Energoizdat, 1981

4. Vlasov E.H., E.B. Dedikov., A.L. Terekhov., C.B. Tsulimoz. Investigaciones y métodos de reducción del ruido en las Turbomaquinas para las estaciones de compresión en los gaseoductos. Por redacción del profesor Vlasov E.H.- Moscú.: IRZ Gasprom, 1998.-287

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