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https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/6088| Título : | Diseño y construcción de un equipo didáctico para la enseñanza de transferencia de energía |
| Autor : | AGUAYO VALLEJO, JUAN PABLO |
| Fecha de publicación : | 2017 |
| Resumen : | El proyecto propuesto trata sobre el diseño y construcción de un equipo didáctico auxiliar en la enseñanza de asignaturas relacionadas con el tema "transferencia de energía térmica", el cual es fundamental en diversas ingenierías, tomando como caso particular la ingeniería química de la Facultad de Química de la UNAM, que abarca está área en las asignaturas de Transferencia de Energía, Ingeniería de Calor y cuatro prácticas del curso Laboratorio de Ingeniería Química II. Se pretende que el equipo a construir ayude al alumno a entender los conceptos de conducción, convección (libre y forzada) e incluso radiación, pero vistos en un sistema mas complejo que los equipos tradicionales de laboratorio, ya que en estos equipos, los fenómenos se observan/estudian de manera aislada, mientra que el equipo a construir ayudará a aclarar la interacción de dichos fenómenos, es decir, que el alumno pueda establecer en que condiciones domina uno sobre los otros, pues en un proceso industrial, estos fenómenos no se presentan de manera aislada, sino de forma simultánea. Entonces, las actividades consisten en un diseño de un circuito de flujo de agua dentro de un serpentín de aproximadamente 5 mm de diámetro. En un punto de entrada al serpentín, el agua entrará a una temperatura conocida (alrededor de 60 °C, tentativamente), superior a la del ambiente y que conforme el fluido avance por el serpentín, este irá perdiendo energía, pues el equipo estará expuesto al ambiente, es decir, el líquido perderá energía a través de las paredes del serpentín, y el aire (ambiente) recibirá dicha carga térmica. Para observar esta transferencia, se instalarán alrededor de siete u ocho sensores de temperatura, a ciertas distancias conocidas, permitiendo así establecer el cambio de temperatura en función de la posición del fluido. Estos datos serán enviados automáticamente a una computadora, la cual elaborará un gráfico de dicho perfil. Los fenómenos a estudiar son i ) conducción en fluidos y en sólidos ii ) convección forzada (interfacial) por el lado del fluido interno iii) convección natural o forzada (interfacial) por el lado del ambiente iv ) radiación (corrección del coeficiente de película para considerarla) Hay que mencionar que existen una gama de equipos de laboratorio específicos para la enseñanza; sin embargo, estos equipos tratan en general de aislar los fenómenos antes mencionados. Dicho enfoque es adecuado, aunque en nuestra opinión falta un equipo didáctico en el que participen varios de los mecanismos de transferencia de energía, y que así se estudien sus interacciones y representen un caso más cercano a uno presente en la industria. Este equipo no pretende substituir a los anteriores pero sería adecuado para ser utilizado en una práctica final o bien un proyecto experimental. |
| URI : | http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/6088 |
| metadata.dc.contributor.responsible: | AGUAYO VALLEJO, JUAN PABLO |
| metadata.dc.coverage.temporal: | 2017-2019 |
| metadata.dcterms.educationLevel.SEP: | Licenciatura |
| metadata.dc.description.hypothesis: | La hipótesis al plantear el proyecto es que el al estudiar un proceso de flujo con transferencia de energía, el cual involucra varios mecanismos de trasporte de energía térmica de manera simultánea, el alumno podrá determinar qué mecanismos son más relevantes a condiciones de flujo lento (laminar) y de flujo rápido (turbulento). Podrá entonces aclarar la importancia y validez de las diferentes suposiciones hechas en ingeniería con una sólida fundamentación basada en la comparación de los distintos modelos (suposiciones) con los resultados experimentales. |
| metadata.dc.description.strategies: | En la etapa de diseño se hará un dimensionamiento del circuito de flujo. Este análisis permitirá saber el flujo requerido para alcanzar los regímenes laminar y turbulento necesarios para la experimentación y así seleccionar el medidor de flujo, el sistema de bombeo y el tipo de válvula para poder alcanzar dichos regímenes. De éste análisis también se escogerá el volumen del contenedor de agua y a su vez, seleccionar el sistema de calentamiento de dicho contenedor.
El siguiente paso es el modelado del sistema de transferencia de energía para determinar la longitud necesaria del serpentín con el fin de observar experimentalmente un decaimiento suficiente en la temperatura en función de la distancia. Para este paso, se requiere de haber consultado referencias sobre las diversas formas de modelar el proceso. Se implementarán dichos modelos con sus respectivos algoritmos de solución.
Una vez teniendo los cálculos preliminares para el equipo y su diseño, se elaborará un informe técnico y se iniciará la etapa de construcción. El equipo consistirá tentativamente de:
a) tramo de tubería metálica (serpentín) de diámetro pequeño por el cual fluye agua que entra a una temperatura superior a la del ambiente. La longitud se debe determinar en base a los resultados de las simulaciones o aplicación de modelos.
b) un juego de 7 u 8 termopares, colocados a distintas longitudes del serpentín
c) tarjeta de adquisición de datos, que reporte las lecturas de los termopares y los envíe a una computadora
d) bomba sumergible que provoque el flujo a lo largo del circuito
d) válvula y medidor de flujo para controlar manualmente la velocidad del fluido dentro del serpentín.
e) tanque contenedor de agua, con sistema de calentamiento, necesario para la recirculación del fluido
f) ventilador(es) externos para forzar el flujo de aire externo al serpentín, con anemómetros con sensores de temperatura integrados, con el fin de determinar la velocidad del aire y su temperatura.
g) computadora en la que se enviarán los datos experimentales y contendrá la interfaz gráfica para la interpretación de resultados con los modelos programados.
h) accesorios como conexiones, cableado, etc.
Además de la construcción del equipo, se requiere la programación de una interfaz gráfica que permita la fácil adquisición de datos experimentales, que contenga además la programación de los modelos a utilizar y que permita hacer una comparación gráfica entre experimento y teoría(s).
Cuando el equipo y la interfaz gráfica estén listos para la experimentación, se harán las pruebas necesarias para determinar las condiciones experimentales adecuadas para la elaboración del guión de laboratorio; además en esta etapa, se enviará un artículo a un congreso tentativamente internacional.
Se tiene contemplado el usar al menos dos serpentines, de mismas dimensiones pero uno con una rejilla que extienda el área externa y se tenga entonces un incremento en la superficie de transferencia de energía, pero esto es algo tentativo. 1- Diseñar y construir un circuito de flujo con transporte de energía térmica, que permita obtener experimentalmente el cambio de la temperatura vs. posición de un fluido circulando dentro una tubería, que está perdiendo energía al intercambiarla con el ambiente. Además el equipo contará con una interfaz gráfica en la que se tendrán programadas las soluciones de varios modelos que representen el fenómeno de transferencia de energía con diversas suposiciones. También estará la opción de que el maestro bloquee las soluciones de los modelos más simplificados para que éstas sean resueltas por el alumno. 2- Se producirá un guión experimental que incluya instrucciones de uso del equipo, en el cual se proponga una práctica experimental que sirva de guía al alumno para afianzar los conceptos teóricos y que aclare la interacción entre estos. 3- Tanto el equipo como el guión experimental serán de utilidad en la impartición de las asignaturas de "transferencia de energía", "laboratorio de ingeniería química II" e "ingeniería de calor", impartidas en la carrera de ingeniería química de la Facultad de Química de la UNAM. |
| metadata.dc.description.goals: | Primer año: a) se llevó a cabo la revisión b) se obtuvieron dos soluciones analíticas del modelo del proceso, se programaron dichas soluciones en WOLFRAM MATHEMATICA, tanto las ecuaciones como las diversas correlaciones requeridas. También se hizo la simulación con el software ANSYS FLUENT para tener la solución más completa del modelo matemático que forzosamente requiere una solución de tipo numérica c) Con los modelos y su solución en condiciones esperadas, se hizo el dimensionamiento básico del sistema de flujo y ya con el simulador, se comprobó que las dimensiones eran adecuadas para la experimentación. d) El inicio de la etapa de construcción se demoró debido a problemas en las compras, en la disponibilidad de personal de apoyo en la construcción y en buen parte, por la inexperiencia en la construcción (manejo de torno, buril, equipo de soldar) del responsable del proyecto. e) el Informe técnico se retrasó hasta la etapa final del proyecto, ya que se requería de tener la construcción del equipo; sin embargo, el informe sí se elaboró y actualmente está en revisión por el comité editorial del ICAT (clave de control ICAT: II-INME-2019-527). Segundo año: a) La etapa de construcción se retrasó. Actualmente ya se tiene el equipo, faltando corregir una fuga en el sistema de agua de enfriamiento, agregar una válvula en la línea de alimentación de agua de enfriamiento y una vez que se entregue el equipo ya para su uso por alumnos, se instalarán los termopares. Además, falta ver si se adecua la línea de vapor del Laboratorio de Ingeniería Química (Facultad de Química) o se usa calentamiento eléctrico, el cual consistiría simplemente en agregar una o dos resistencias eléctricas al tanque contenedor de agua caliente. El equipo ya tiene las líneas de flujo instaladas, los sistemas de bombeo, la apertura para los termopares, y los medidores de flujo. Además, el equipo ya fue inspeccionado por una de las coordinadoras de las asignaturas del Laboratorio de Ingeniería Química, la ingeniera Ileana Rodríguez Castañeda, profesora de la Facultad de Química, y se están tomando en cuenta sus observaciones para obtener el prototipo final del equipo. b) Se tiene una interfaz gráfica que reporta el valor de temperatura del sistema de adquisición de datos. c) se elaboró una propuesta de guion experimental, que puede cambiarse al tener las opiniones de los profesores del del Laboratorio de Ingeniería Química. Este guion está incluido en el informe técnico. d) se envió y presentó exitosamente un artículo en el congreso del IMIQ, realizado en Villahermosa, Tabasco, en octubre de 2018. |
| metadata.dc.description.selfAssessment: | La parte de modelado teórico del proyecto se cumplió en su totalidad, presentado dos modelos teóricos y uno de simulación, los cuales arrojan diferencias entre ellos, pero siguiendo la misma tendencia. Esto, para nosotros es una señal que esta parte se concluyó satisfactoriamente. Estos tres modelos nos permitieron dimensionar el equipo. La parte de la construcción se retrasó por diversos motivos, entre estos están problemas con el sistema de compras, que el personal que apoyó en la construcción tuvo mucho trabajo de sus propias áreas y también la inexperiencia de mi parte para la construcción, principalmente en el uso eficiente de los equipos de manufactura. Sin embargo, considero que el proyecto entrega en equipo importante en la enseñanza en ingeniería, solo faltan ajustar algunas fugas y el sistema de calentamiento para que ya se entregue pronto al Laboratorio de Ingeniería Química de la Facultad de Química. |
| metadata.dc.description.goalsAchieved: | Primer año: a) Revisión bibliográfica sobre las distintas formas de modelar el proceso. b) Modelado y programación del proceso basándonos en los diferentes modelos reportados en la literatura. c) Diseño y dimensionamiento del equipo. d) Inicio de las etapas de construcción e implementación del sistema de adquisición de datos. e) Redacción de un informe técnico sobre el diseño conceptual y de detalle del equipo. Segundo año: a) Conclusión de las etapas de construcción, implementación del sistema de adquisición de datos. b) desarrollo de la interfaz gráfica que incorpore los modelos a utilizados previamente programados. d) preparación de un guión experimental. d) preparación de un artículo para un congreso. |
| metadata.dcterms.provenance: | Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología (ICAT) |
| metadata.dc.subject.DGAPA: | Ingenierías |
| metadata.dc.type: | Proyecto PAPIME |
| Aparece en las colecciones: | 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías |
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