ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DEL LITORAL Facultad de Ingeniera en Mecnica y Ciencias de la Produccin Implementacin de un sistema de monitoreo para un intercambiador de calor en tiempo real por Internet: diseo y construccin del equipo experimental TESIS DE GRADO Previo la obtencin del Ttulo de: INGENIEROS MECNICOS Presentada por: Oscar Luis Antepara Zambrano Jos Wilson Burgos Rivera GUAYAQUIL ECUADOR AO: 2010 A G R A D E C I M I E N T O A Dios,a nuestras familias y a todas las personas que de una uotraformacolaboraronen larealizacindeestetrabajo. AlosingenierosJorgeDuque, Director de Tesis y Jorge Roca por su invaluable ayuda. D E D I C A T O R I A ADios.Amispadres.Ami hermano. Oscar ADios.Amispadresporsu amor,pacienciay comprensin. A mis hermanos queaunenladistanciahan sabido transmitirme su cario, soporteyalientopara conseguir mis metas. Jos TRIBUNAL DE GRADUACIN Ing. Francisco Andrade S. Ing. Jorge Duque R. DECANO DE LA FIMCP DIRECTOR DE TESIS PRESIDENTE Ing. Jorge Roca G. VOCAL PRINCIPAL DECLARACIN EXPRESA La responsabilidad del contenido de esta Tesis deGrado,noscorrespondeexclusivamente;y elpatrimoniointelectualdelamismaala ESCUELASUPERIORPOLITCNICADEL LITORAL (Reglamento de Graduacin de la ESPOL) Oscar Luis Antepara Zambrano Jos Wilson Burgos Rivera II RESUMEN El desarrollo de un laboratorio digital en Internet puede ser muy beneficioso, yaqueestossistemassondebajocosto,fcildeinstalar,ypermitenla comunicacin de vdeo y datos en tiempo real con cualquier equipo remoto. En esta tesis se presenta el diseo y construccin de un equipo experimental quepermiteelmonitoreoremoto,atravsdelinternet,delasvariables termodinmicas de un intercambiador de calor de flujo cruzado aire/agua. El equipo experimental y las partes principales se describen. Lastemperaturas se miden tanto para el fluido fro (agua) y el fluido caliente (aire) con termocuplas y se transmiten a travs de Internet, en tiempo real a cada cliente remoto enlazado con el laboratorio digital. Para este proyecto se utilizellenguajedeprogramacingrficadeLabViewdeNational Instruments,atravsdelpuertoUSBparalacomunicacinentreel ordenadoryelequipoexperimental.Losprogramasfueronimplementados paralinealizarlalecturadeltermopar,ylosfiltrosfueroncolocadospara eliminar las seales ruidosas de los sensores de temperatura. III Enelpanelfrontaldelsistema,semuestranlosdatosmsimportantesdel intercambiadordecalor,sepuederevisarloscambiosdela temperaturade losfluidosconeltiempo.Apartirdeestosdatossepuedecalcularel coeficiente de transferencia de calor U. El sistema muestra el experimento (video) y los datos del panel frontal en una pgina webacada equipo que estconectado con el laboratorio digital, de modoqueelclienteremotopuedetomarelcontrolparcialototaldel experimento en tiempo real desde cualquier ordenador. Latesisdocumentalosexperimentos,lasmedicionesyanlisisde resultados.Finalmente,sepresentalasprcticasparadesarrollarlos experimentos de laboratorio. IV NDICE GENERAL RESUMEN..II NDICE GENERALIV ABREVIATURASVIII SIMBOLOGA....IX INDICE DE FIGURASX INDICE DE TABLAS..XII INDICE DE PLANOS.XIII INTRODUCCIN1 CAPTULO 1 1. DESCRIPCIN DEL EQUIPO EXPERIMENTAL 1.1 Generalidades3 1.2 Diseo y construccin del equipo experimental...4 1.2.1 Descripcin y esquema del sistema.4 1.2.2 Elementos del sistema7 1.2.2.1 Descripcin de los tanques reservorios...8 1.2.2.2 Descripcin de los sensores de temperatura...12 1.2.2.3 Descripcin de la bomba DC..13 1.2.2.4 Descripcin de la fuente de poder de la bomba DC..151.2.2.5 Descripcin de la pistola de calor..16 1.2.2.6 Descripcin del intercambiador de calor...18 V 1.2.2.7 Soportes metlicos...21 1.2.2.8 Tuberas..22 CAPTULO 2 2. INTERFASE Y EQUIPOS PARA LA ADQUISICIN DE DATOS 2.1 Adquisicin de datos del sistema utilizando Labview..23 2.1.1 Descripcin del NI USB 6009..25 2.1.2 Descripcin del software..27 2.2 Sensores de temperatura..28 2.2.1 Descripcin de las termocuplas..28 2.2.2 Calibracin de las termocuplas...29 2.3 Acondicionamiento de seales.33 2.3.1 Eliminacin del ruido.33 2.3.2 Sensibilidad de la medicin.35 2.4 Control on-off.37 2.4.1 Descripcin del control on-off37 2.4.2 Bomba DC..38 2.4.3 Pistola de calor..39 CAPTULO 3 3. LABVIEW Y MONITOREO REMOTO..41 3.1 Programa Labview..41 VI 3.2 Diseo de instrumentacin virtual.44 3.2.1 Descripcin de un VI.45 3.2.2 Descripcin del panel frontal..46 3.2.3 Configuracin de VI para adquisicin de datos48 3.2.4 Generacin de reportes con Labview.51 3.3 Configuracin del NI Vision Acquisition..52 3.4 Publicacin en web56 3.4.1 Herramienta de publicacin web: Servidor web.57 CAPTULO 4 4. DESARROLLO DE PRCTICAS PARA ESTUDIANTES.59 4.1 Manejo general del equipo59 4.2 Determinacin del coeficiente de transferencia de calor en unintercambiador de calor.63 4.2.1 Objetivo...64 4.2.2 Teora..64 4.2.3 Procedimiento70 4.2.4 Clculos..70 CAPTULO 5 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES..78 5.1 Conclusiones...78 VII 5.2 Recomendaciones..79 APNDICES BIBLIOGRAFA VIII ABREVIATURAS AAmperio ACCorriente alterna bitsBits cmCentmetro DCCorriente continua HzHertz JJoules Kbits/segKilo bits por segundo KgKilogramo Kg/sKilogramos por segundo KGrados Kelvin CGrados centgrados l/minLitros por minuto mMetros m2Metros cuadrados minMinutos mAMiliamperios m3/sMetros cbicos por segundos mVMilivoltios OhmOhmio PCComputador personal pulgPulgada RResistencia elctrica S/sMuestras por segundo s.Segundos VMicro voltios VVoltios WWatts IX SIMBOLOGA DAQAdquisicin de datos NINational Instruments NISTNational Institute of Standards and TechnologyTemperatura del termopar Temperatura de referencia USBUniversal Serial Bus TML Diferencia de temperatura media logartmica FFactor de correccin para intercambiador de flujo cruzado Voltaje del dispositivo de adquisicin de datos in HT,Temperatura de entrada del fluido caliente in CT,Temperatura de entrada del fluido fro out HT,Temperatura de salida del fluido caliente out CT,Temperatura de salida del fluido fro C V.Flujo volumtrico del fluido fro CmFlujo msico del fluido fro H V.Flujo volumtrico del fluido caliente HmFlujo volumtrico del fluido caliente .QTasa de transferencia de calor max.QTasa mxima de transferencia de calor hCpCalor especfico del fluido caliente cCpCalor especfico del fluido fro UACoeficiente de transferencia de calor cEficiencia NTUNmero de unidades de transferencia X INDICE DE FIGURAS Figura 1.1Esquema equipo experimental5 Figura 1.2Equipo experimental8 Figura 1.3Tanque reservorio10 Figura 1.4Conexin tanque-bomba11 Figura 1.5Conexin tanque-tanque11 Figura 1.6Termocupla tipo J13 Figura 1.7Bomba FLOJET 12 VDC15 Figura 1.8Fuente de poder 13.8VDC 16 Figura 1.9Pistola de calor ConAir 160016 Figura 1.10Ilustracin del intercambiador de calor19 Figura 1.11Intercambiador de calor21 Figura 2.1Esquema descriptivo de la adquisicin de datos24 Figura 2.2NI USB-600927 Figura 2.3Termopar tipo J29 Figura 2.4Diagrama circuito control bomba 39 Figura 2.5Diagrama circuito control pistola de calor40 Figura 3.1Esquema general del sistema42 Figura 3.2Panel frontal 47 Figura 3.3Configuracin DAQ 148 Figura 3.4Configuracin DAQ 249 XI Figura 3.5Configuracin DAQ 350 Figura 3.6Algoritmo generacin de reporte52 Figura 3.7Configuracin adquisicin video 154 Figura 3.8Configuracin adquisicin video 255 Figura 3.9Configuracin adquisicin video 356 Figura 3.10Configuracin publicacin web57 Figura 4.1Conexin termocuplas61 Figura 4.2Conexin termocuplas 261 Figura 4.3Bomba y bypass62 Figura 4.4Factor de correccin para un intercambiador de flujo cruzado fluidos sin mezclar67 Figura 4.5Diagrama de efectividad y NTU para un intercambiador de flujo cruzado69 Figura 4.6Grficas de temperaturas experimentales71 Figura 4.7Factor de correccin para un intercambiador de flujo cruzado de esta prctica74 Figura 4.8Diagrama de efectividad y NTU para un intercambiador de flujo cruzado para esta prctica76 XII INDICE DE TABLAS Tabla 1Dimensin de los tanques 9 Tabla 2Especificaciones de la bomba 15 Tabla 3Especificaciones de la pistola de calor 17 Tabla 4Dimensiones de la estructura metlica 21 Tabla 5Tipos de termopares 36 Tabla 6Parmetros del proceso 72 XIII INDICE DE PLANOS Plano 1Esquema equipo experimental Plano 2Diagrama de bloques del programa de control generacin de reporte a Excel Plano 3Diagrama de bloques del programa de control adquisicin de datos INTRODUCCIN Durantecondicionesdeoperacinnormaldeunintercambiadorde calor,amenudolassuperficiesdetransferenciaestnsujetasauna disminucindeeficienciaenlatransferenciadeenergacalorficapor suciedad(acumulacindematerialnodeseableenlasuperficiede transferencia de calor del intercambiador de calor). Estaacumulacindematerialesnodeseadosenlasuperficiedel equiposedenominaincrustaciones,yafectanalosintercambiadores de calor de dos maneras: 1.La capa de incrustaciones tiene una baja conductividad trmica, lo que aumenta la resistenciaalatransferenciadecalor, resultando en una disminucin en la eficiencia de transferencia. 2.En la medida que ocurre la deposicin, se reduce el dimetro de laseccintransversalporlaqueatraviesaelfluido,loque provoca una mayor cada de presin en todo elintercambiador resultando en un mayor consumo energtico. Elmonitoreodelcoeficientedetransferenciadecalor U,permite evaluareldesempeo(eficienciaenlatransferenciacalorfica)del procesoydeterminarelmomentoenqueexistelanecesidaddeun mantenimiento preventivo o correctivo. Esteproyectoseplanteaelretodedisearunsistemaquepermita monitorear y registrar, de manera remota, las variables que intervienen en un proceso de intercambio de calor, y con ello realizar la estimacin delcoeficiente de transferenciadecalorUconla finalidaddeevaluar el desempeo del proceso. Comounprimerpasoparatratarelproblemasediseunequipo experimental que represente un proceso de intercambio de calor entre dosfluidos.Eldiseodelequipoexperimentaltomcomobaseun intercambiador de calor de flujo cruzado, desarrollado previamente por losautores,ydeunabombadeaguaDCproporcionadaporla universidad. Posteriormente, se implement al equipo experimental un sistema con lacapacidaddemonitorear,registrarygenerarreportesdelas variablesdelprocesohaciendousodellenguajedeprogramacin grficodeNationalInstrumentsLabView,ydelpuertoUSBparala comunicacin entre la computadora y el equipo experimental. Enelcaptulo1,seencuentraladescripcingeneraldelequipo experimental,eldiseoylasespecificacionesdecadaunodesus componentes. En el captulo 2, se encuentra la descripcin del mdulo de adquisicin dedatos,ladescripcindelsensordetemperaturayelmtodode acondicionamiento de la seal de salida empleado. Enestecaptuloseencuentraadems,eldiseodeuncontrolde encendidooapagadoparadirigirremotamentelabombaylapistola de calor.Enelcaptulo3,sedetallalaaplicacindesarrollada en Labviewque tieneporobjetomostrarlainformacindelasvariablesdelproceso registradasporel mdulodeadquisicinydetrasmitirentiemporeal losdatosyelvideo,capturadoporlacmara,acualquierusuario remoto enlazado al sistema. Finalmente,sepresentaenelcaptulo4elmtodoparacalcularel coeficiente de transferencia de calor U con los datos obtenidos por la aplicacin. CAPTULO 1 1. DESCRIPCIN DEL EQUIPO EXPERIMENTAL 1.1 Generalidades El equipo experimental fue construido con el propsito de estudiar las caractersticasdefuncionamientodeunintercambiadordecalorde flujocruzado,ademspermiteestudiarlasnuevastecnologas aplicadas al monitoreo por computadora. Eldesarrollodenuevasherramientascomputacionalespermitela interaccin del estudiante con la experimentacin a travs del Internet, medianteunatransmisin,entiemporeal,devideoydatosdelas variables del intercambiador de calor. 4 Seimplementaronlasmsnuevasyverstilestecnologasde adquisicin y control por computador, por lo que se permiti controlar eldesarrollodelaprcticadesdeelcomputador,delapersona encargada de la experimentacin como de las personas conectadas a travs de la pgina web, a travs de la programacin de una interfase grfica que brinda Labview. Mediante el programa se pueden generar reportes, as como se puede seguir el video de la experimentacin en tiempo real por la pgina web asociada a la prctica. 1.2 Diseo y construccin del equipo experimental 1.2.1 Descripcin y esquema del sistema Elsistemafuediseadoparaadquirirlosdatosdetemperatura de los fluidos caliente y fro asociados al intercambiador de calor.Se debe esperar que las temperaturas se estabilicen en el tiempo para realizar los respectivos clculos del intercambiador de calor. 5 La Figura 1.1, presenta el esquema del sistema. Figura 1.1 Esquema equipo experimental Cuando la bomba es encendida impulsa el agua desde el tanque reservoriohaciaelintercambiadordecalor,queasuvezest conectadoaunapistoladecalorquesuministraaireauna temperatura de 100C. En el intercambiador se produce la transferencia de calor entre el fluidocalienteyfro.Dondeelcambiodetemperaturadelagua comodelaireesproporcionadoporlastermocuplasconectadas al sistema. Pistola de Calor Intercambiador de Calor Bomba Vlvula Tanque 1 Tanque 2 Vlvula 6 Elcaudaldelaguaqueingresaalintercambiadorestenlitros porminuto.Eneltanquereservorio,enlacorazadel intercambiadoryenlatuberadesalidadelintercambiador,se encuentranlastermocuplastipoJ,lascualestransmitenuna seal de voltaje analgica hasta el NI USB 6009. MedianteLabviewserealizalaadquisicindedatosde temperaturasdeentradaysalida.Elpanelfrontalmuestrael cambiodetemperaturadelosfluidos,eneltiempo,enforma grfica. As como la temperatura instantnea. Elequipoexperimentalfuncionadelasiguientemanera;la entrada de agua es suministrada por la bomba DC, la entrada del airecalienteesproporcionadaporunapistoladecalor,lasdos tienen un control on-off proporcionada por el voltaje del NI USB, loquepermiteelencendidoyelapagadodelosdispositivos desde el panel frontal del computador. UtilizandoelprogramadeNIVisionAcquisitionsedisponedel video captado por la cmara, que se aade alpanel frontal, para la visualizacin de la prctica experimental. 7 LautilizacindeLabviewpermitecrearunapginawebque permitaacomputadoresremotosautilizarelInternet,para visualizar el panel frontal, que contiene los datos y el video de la prctica en tiempo real. 1.2.2 Elementos del sistema El equipo experimental consta de las siguientes partes: -Tanques reservorios -Sensores de temperatura -Bomba DC de 12V -Fuente de 12V DC para la bomba -Pistola de calor -Intercambiador de calor -Soportes metlicos -Tuberas 8 Figura 1.2 Equipo experimental 1.2.2.1 Descripcin de los tanques reservorios Elequipoexperimentalsecomponededostanques reservorios. Untanqueproporcionaelaguadeentradahaciael intercambiador, y el otro est dispuesto para la recepcin del agua caliente a la salida del intercambiador de calor. 9 Paracalcularelvolumendelostanques,setomen consideracineltiempoquedeberaemplearlaprctica experimental y el mximo caudal de agua que se emplea. Debidoalapocaenergacalorficaentregadaporla pistoladecalor(debidoalaslimitacionesfsicasdel intercambiadordecalor),elcaudaldeaguanopuede superar1.5lts/minparapoderregistraruncambioenla temperatura del agua. Por lo tanto, el volumen mximo de agua empleado en la prctica seria de: En el mercado se encontr un tanque plstico de 66 litros de capacidad, el cual se detalla a continuacin: TABLA 1 DIMENSIONES DE LOS TANQUES Dimensiones de los Tanques Alto0.49m Ancho0.355m Largo0.38m 10 Figura 1.3 Tanque reservorio. Con estas dimensiones el tanque principal tiene un rea transversal de 0.135m y un volumen de0.0661m, que es equivalente a66.1 litros de capacidad. Enambostanquesserealizunorificiode0.5pulgadas que se encuentra en la parte inferior. En el primer tanque este orificio permite la conexin entre eltanqueylabombaDC,parasualimentaciny permitiendo que en ningn momento absorba aire y cree perturbaciones al sistema. 11 Figura 1.4 Conexin tanque-bomba En el segundo tanque este orifico permite que el agua acumulada, al final de la prctica, pase al primer tanque para el reinicio de la prctica. Figura 1.5 Conexin tanque-tanque 12 1.2.2.2 Descripcin de los sensores de temperatura Eltransductormsutilizadoparamedirtemperaturases el termopar o termocupla. Aunqueeltermopareseconmico,resistenteypuede operarenunampliorangodetemperaturas,la termocuplarequieredeacondicionamientodeseal especial. La termocupla opera bajo el principio de que una junta de metalesnosimilaresgeneraunvoltajequevaraconla temperatura. Adems al conectar el cable del termopar al cable que lo conectaaldispositivodemedicinsecreaunajunta termoelctrica adicional conocida como junta fra. Entonceselvoltajemedido,incluyeelvoltajedela termocuplaylosvoltajesdejuntafra.Elmtodopara compensarestosvoltajesdejuntafranodeseadoses conocido como compensacin de junta fra. 13 Para este proyecto se seleccionar las termocuplas tipo J Hierro/Constantn.Sonidealesparausarenviejos equiposquenoaceptanelusodetermoparesms modernos.EltipoJnopuedeusarseatemperaturas superioresa760Cyaqueunaabruptatransformacin magnticacausaunadescalibracinpermanente. Tienen un rango de-40 C a +750 C y una sensibilidad de 52 V/C. Figura 1.6 Termocupla tipo J 1.2.2.3Descripcin de la bomba DC La bomba DC es una de las partes principales del equipo experimental,secontrolaelencendido/apagado, medianteuncircuitoquesealimentaconunvoltaje proporcionado por el NI USB 6009. 14 LaBombaFLOJETde12vDCposeeunmotorDCde imnpermanentemsunmdulodediafragmas,estas desplazanelaguapormediodediafragmasdeun material flexible y resistente, comnmente se fabrican de cauchoreforzadoconmaterialessintticos.Enla actualidad,estosmaterialessonmuyresistentesy puedendurardedosatresaosdefuncionamiento continuo antes de requerir reemplazo, dependiendo de la calidad del agua. Cuandoseinstalaunabombadeestetiposiemprese debe considerar el gasto que representa el reemplazo de los diafragmas una vez cada dos o tres aos. Msaun,muchasdeestasbombastienenunmotorde corriente continua con escobillas. Las escobillas tambin deben cambiarse peridicamente.La vida til de este tipo de bomba es aproximadamente cinco aos del uso. 15 Figura 1.7 Bomba FLOJET 12 VDC 1.2.2.4 Descripcin de la fuente de poder Para este proyecto seempleauna fuente de poder para labombaDCdelsistema.Porlocualseseleccionla fuente Hurricane Power de 13VDC y 15A. Esta fuente convierte el voltaje de entrada de 110VAC a los 13VDC que necesita la bomba para funcionar. TABLA 2 ESPECIFICACIONES DE LA BOMBA Especificaciones de la Bomba Voltaje entrada110VAC 60Hz Voltaje salida13.8VDC Amperaje12A 16 Figura 1.8 Fuente de poder 13.8VDC 1.2.2.5 Descripcin de la pistola de calor Unapistoladecaloresundispositivoutilizadopara suministrar calor al proceso en forma de una corriente de aire caliente. Paraseleccionarlapistoladecalorsetomen consideracinlasrestriccionesfsicasdelosmateriales que constituan el intercambiador de calor.Ya que estos nosoportabantemperaturasmuyelevadas,seoptpor unapistoladecalorquesuministraramayorcaudalde aire caliente a temperaturas no mayores a los 100C. 17 PorestoseseleccionlapistoladecalorConAir1600 quetieneunacapacidadde400l/minysutemperatura mxima no excede los 100C. Seutilizaunapistola decalordemarcaConAir1600,la cualsecontrolaelencendido/apagado,medianteun circuito que se alimenta con un voltaje proporcionado por el NI USB 6009. Elmtododefuncionamientodeunapistoladeaire caliente consiste enun ventilador que empuja el aire en el cuerpo de la herramienta y lo conduce a travs de una resistencia elctrica y a travs de una boquilla. TABLA 3 ESPECIFICACIONES DE LA PISTOLA DE CALOR Especificaciones de la Pistola de Calor Voltaje alimentacin110VAC 60Hz Potencial Nominal1600W Amperaje13.4A 18 Figura 1.9 - Pistola de calor ConAir 1600 1.2.2.6 Descripcin del intercambiador de calor Paraesteproyectoseutilizaunintercambiadordecalor de flujo cruzado (aire/agua). Losequiposdeintercambiodecalorsonequiposo dispositivosutilizadosparatransferir(recuperar)calor desdeunacorrientedeunfluidocalienteaotra constituida por un fluido fro. Elintercambiadordecalordeflujocruzadoesun componentecomnenmuchasaplicacionesde ingeniera. 19 Estetipodeconfiguracinpermitelatransferenciade calor entre el fluido que se encuentra en el interior de los tubos y el fluido que los atraviesa por fuera de los tubos, en forma de 90. Lostubostienenaletasexternasquepermiten incrementarlatransferenciadecalorentrelosdos fluidos. Paraeste trabajo se modela como un intercambiador de bancodetubosdeflujocruzadoyaletascontinuas.El airecalientecirculaporelexteriordelostubos,que tienen aletas continuas. En el interior de los tubos circula elaguaprovenientedeltanquereservorio.Enlafiguraserepresentadeformaesquemticaunintercambiador de este tipo. Figura 1.10 Ilustracin del intercambiador de calor 20 Aunque las condiciones de flujo son ms complicadas en losintercambiadoresdecalordepasosmltiplesyde flujocruzado,lasecuacioneshabitualmentesepueden usarsisehacelasiguientemodificacinaladiferencia de temperaturas media logartmica: Dondefesunfactordecorreccin,esdecirlaforma apropiadadeTMLseobtienedeaplicarunfactorde correccinalvalordeTMLquesecalculabajola suposicin de condiciones de contraflujo. Se han desarrollado varias expresiones algebraicas para hallar f para varias configuraciones de intercambiador de calordetubosycorazaydeflujocruzado,ylos resultados se pueden representar de forma grfica. La notacin (T,t) se usa para especificar las temperaturas del fluido, con la variable t siempre asignadas al fluido del lado del tubo. Con esta convencin no importa si el fluido 21 caliente o el fluido fro fluye a travs de la coraza o de los tubos.Unaimplicacinesquesielcambiode temperatura de un fluido es despreciable, P o R es cero y F es 1. Porelloelcomportamientodelintercambiadores independiente de la configuracin especfica. Figura 1.11 Intercambiador de Calor 1.2.2.7 Soportes metlicos Para el equipo experimental se utilizasoportes metlicos dedosmetrosdelongitud,contresnivelesparala 22 bomba,lostanquesreservoriosyelintercambiadorde calor. TABLA 4 DIMENSIONES DE ESTRUCTURA METALICA Dimensiones de Estructura Metlica Ancho0.4m Alto2m Largo1.12m 1.2.2.8 Tuberas Lostanquesdelequipoexperimentalestn interconectadosporunareddetuberas(manguerasde pulgadasdeplstico),yaccesorios(neplos,conectores, abrazaderas, etc.). Seutilizamanguerasdeplsticotransparente,porsu facilidad de manejo, y presentacin didctica. 23 CAPTULO 2 2. INTERFASE Y EQUIPOS PARA LA ADQUISICINDE DATOS 2.1 Adquisicin de datos del sistema utilizando Labview Enestecaptulosedescribelamaneraenquesepuedeobtenero generarinformacindemaneraautomatizadadesderecursosde medidasanalgicasydigitalescomosensoresydispositivosbajo prueba. Se describe la manera de obtener datos del proceso a la computadora pormediodelmdulodeadquisicindedatosyunsoftwareconel que se pueda controlar el proceso. 24 Adquisicindedatoseselprocesodeobtenerogenerarinformacin demaneraautomatizadadesderecursosdemedidasanalgicasy digitalescomosensoresydispositivosbajoprueba.Utilizauna combinacindehardwareysoftwarebasadosencomputadorpara brindar un sistema de medida flexible y definido por el usuario. Figura2.1Esquemadescriptivodelaadquisicinde datos Enlafigura2.2seobservaelesquemadescriptivodelprocesode adquisicindedatos,enelquesepuededistinguirclaramentelos pasos que sigue la seal sensada hasta llegar al computador. Primero, elsensorregistraelfenmenofsico(temperatura,presin,etc.)que se est analizando y emite una seal de salida correspondiente ya seaanalgica o digital;luegoestasealesinterpretada por elmdulode adquisicin que digitaliza la seal para enviarla al computador, donde se visualizan, analizan y almacenan segn se requiera. Laadquisicindedatosconsisteentomarunconjuntodevariables fsicas,convertirlasenvoltajesydigitalizarlasdemaneraquese 25 puedanprocesarenunacomputadora.Serequiereunaetapade acondicionamientoqueadecualasealanivelescompatiblesconel elemento que hace la transformacin a seal digital. El elemento que realizadichatransformacineslatarjetaomdulodeadquisicinde datos. Unavezquelassealeselctricasanalgicasseconviertenen digitales, se envan a travs del bus de datos dentro de la memoria del PC, con lo cual se las puede procesar con un programa de aplicacin adecuado al uso, que en este caso es LabView. Lasventajasdeunsistematpicodeadquisicinson:flexibilidadde procesamiento,posibilidadderealizartareasentiemporealoen anlisisposteriores,grancapacidaddealmacenamiento,rpido acceso a la informacin y toma de decisin, posibilidad de emular una gran cantidad de dispositivos de medicin, activar varios instrumentos al mismo tiempo, y facilidad de automatizacin. 2.1.1 Descripcin del NI USB 6009 Enesteproyectoseutilizalatarjetadeadquisicin(NIUSB-6009)demultifuncinporUSBde14bitsa48kS/s,yaquefue elegida por su fcil uso prctico para estudiantes ya que con ella 26 sepuedesustituirlasimulacindemedicionesy automatizaciones tericas para hacerlas prcticas y digitales. ElmdulodeadquisicindedatosmultifuncionalUSB-6009de National Instruments provee una adquisicin de datos confiables a un bajo precio. Con una conectividad USB plug-and-play, este mduloeslosuficientementesimplepararealizarmediciones rpidasperolosuficientementeverstilparaaplicacionesde medicin ms complejas. ElmduloNIUSB-6009tieneterminalesdetornillosremovibles para una fcil conectividad de las seales. Paraunaflexibilidadextra,cuandosemanejanconfiguraciones de cableado mltiple, NI ofrece un equipo de accesorios, el cual incluye dos paquetes de terminales de tornillos, etiquetas extras y un destornillador. Caractersticas: Entrada analgica: 8SE/4 DI . 48kS/s 14bits Salida analgica: 2-150 S/s 12bits Alimentacindeenergaporelbusparamayorcomodidady portabilidad. 27 Figura 2.2 NI USB-6009 2.1.2 Descripcin del software ParaestetrabajoseescogielsoftwaredeLabViewdebidoa quesumodogrficofacilitaeltrabajoyesdidctico.Enla siguiente figura se muestracomo es la conexin de la tarjeta de LabView. ElmduloNIUSB-6009usaelsoftwareNI-DAQmxdealto rendimiento,elcualesunsoftwaremultilecturaparauna configuracininteractivayunaadquisicindedatosenlos sistemas operativos Windows. . 28 2.2 Sensores de temperatura 2.2.1 Descripcin de las termocuplas. Unosdelossensoresdetemperaturamsutilizadosesel termopar.Lostermoparessondispositivosmuyrobustosy econmicos que operan en un amplio rango de temperatura.Un termoparsecreacuandodosmetalesdiferentessejuntanyel punto de contacto produce un pequeo voltaje de circuito abierto como una funcin de temperatura. Este voltaje termoelctrico es conocidocomovoltajeSeebeck,enhonoraThomasSeebeck, quien lo descubri en 1821. El voltaje no es lineal con respecto a latemperatura.Sinembargo,parapequeoscambiosde temperatura, el voltaje es aproximadamente lineal o = S*(1) Donde es el cambio de voltaje, S es el coeficiente Seebeck y es el cambio de temperatura. Svaraconloscambiosdetemperatura,provocandoquelos voltajesdesalidadelostermoparesseannolinealesensus 29 rangosdeoperacin.Variostiposdetermoparesestn disponibles,ydiferentestiposestnasignadosconletras maysculas que indican su composicin de acuerdo al American NationalStandardsInstitute(ANSI).Porejemplo,untermopar tipoJtieneunconductordehierroyunconductorconstantn (una aleacin de cobre-nquel) 2.2.2 Calibracin de las termocuplas. ParamedirunvoltajeSeebeckdetermopar,nosepuede conectareltermoparalvoltmetrouotrosistemademedida,ya quealconectarloscablesdeltermoparalsistemademedida crea circuitos termoelctricos adicionales. Figura 2.3 - Termopar tipo J En el circuito de la Figura 2.3, en el cual un termopar tipo J est enunaflamadevelaquetieneunatemperaturaquesedesea 30 medir. Los dos cables del termopar estn conectados a las guas de cobre de una tarjeta DAQ. Observe que el circuito contiene tres uniones de metal diferentes -, y., la unin del termopar, genera un voltaje Seeback proporcionalalatemperaturadelaflamadelavela.y tienencadaunosupropiocoeficienteSeebeckygeneransu propio voltaje termoelctrico proporcional a la temperatura en las terminales DAQ. Paradeterminarlacontribucindelvoltajedesde,tambin necesita saber las temperaturas de las uniones y, as como lasrelacionesdevoltajeytemperaturaparaesasuniones. Entoncessepuederestarlascontribucionesdelasuniones parsito enydesde el voltaje medido en la unin. Lostermoparesrequierenalgunaformadereferenciade temperatura para compensar estas uniones fras parsitas y no deseadas.Elmtodoqueseutilizparalacompensacindela juntafra,fuemediantesoftware,peroanalizandociertas condiciones experimentales. 31 Usando la notacin para indicar el voltaje generado por la unin a temperatura, el problema general de termopares es reducir la siguiente ecuacin: DondeeselvoltajequelatarjetaDAQmide,esla temperaturadeltermoparen,yeslatemperaturadela unin de referencia. NotequeenlaEcuacin2,esunvoltajegeneradoa temperaturaconrespectoaalgunastemperaturasde referencia.Mientrasambasyseanfuncionesde temperaturarelativaconlamismatemperaturadereferencia,la ecuacin 2 es vlida. Como se indic anteriormente, por ejemplo, lastablasdereferenciadetermoparesdeNISTsongeneradas con la unin de referencia conservada a 0C. Ya que la unin es el mismo tipo que lapero contribuye con un voltaje opuesto,. Como es el voltaje queeltipodetermoparbajopruebagenera,estevoltajese 32 puederenombrarcomo.Porlotanto,laecuacin2se reescribe como sigue: Porlotanto,almediry,yconociendolarelacinde voltaje-temperaturadeltermopar,ustedpuededeterminarla temperatura en la unin caliente del termopar. Existendostcnicasparaimplementarcompensacindeunin fra - compensacin de hardware y compensacin de software.Para este trabajo se utiliza un software para la compensacin de unin fra. Despusdeexperimentarvaloresdevoltajeparala compensacindejuntafravaexperimental,elsoftwarepuede aadirelvalordevoltajeadecuadoalvoltajemedidopara eliminarlosefectosdetermoparesparsitos.Recordandola ecuacin 3, la cual plantea que el voltaje medido,, es igual a la diferencia entre los voltajes en la unin caliente (termopar) y la unin fra. 33 Los voltajes de salida del termopar son altamente no lineales. El coeficiente Seebeck puede variar por un factor de tres o ms en el rango de la temperatura de operacin de algunos termopares. Por esta razn se procedi a realizar una aproximacin a la curva del termopar de voltaje contra temperatura usando polinomios.Los polinomios son de la siguiente forma: (4) Donde V es el voltaje del termopar en volts, T es la temperatura engradosCelsiusyatravsdesoncoeficientesqueson especficosdecadatipodetermopar.Paraestoseutilizel programadeConvertidordevoltajeatemperatura,queest desarrollado en el programa de LabView. 2.3 Acondicionamiento de seales 2.3.1 Eliminacin del ruido Las seales de salidade los termopares generalmente estn en el rango de los milivoltios, lo cual los hace sensibles al ruido. Los filtrospasobajoseutilizancomnmenteenlossistemasde 34 adquisicindedatosdetermoparesparaeliminardemanera efectiva el ruido de alta frecuencia en medidas de termopares. Por ejemplo, los filtros paso bajo son tiles para eliminar el ruido delnea depotencia de60Hzquese presentacomnmente en varios laboratorios y plantas. El rango de salida de todos los tipos de termopares se encuentra entre -10 mV y 80 mV. Otra fuente de ruido se debe a los termopares que son montados o soldados directamente a un material conductivo, como el acero oelagua.Estaconfiguracinhacealostermopares particularmentesensiblesalruidoenmodocomnyalazosa tierra. El aislamiento ayuda a prevenir que ocurran lazos a tierra y puedemejorardrsticamenteelrechazoderuidoenmodo comn. Mediante Labview,se utiliza un filtro de para eliminar el ruido de50 Hz, posteriormente se realiza un promedio de las seales para obtener una mayor precisin en la medicin de la temperatura. 35 2.3.2 Sensibilidad de la medicin Un termopar opera bajo el principio de que una junta de metales no similares genera un voltaje que vara con la temperatura. Adems al conectar el cable del termopar al cable que lo conecta aldispositivodemedicinsecreaunajuntatermoelctrica adicionalconocidacomojuntafra.Entonceselvoltajemedido, incluye el voltaje del termopar y los voltajes de junta fra. Elmtodoparacompensarestosvoltajesdejuntafrano deseadosesconocidocomocompensacindejuntafra.El softwarepuedecalcularlacompensacinapropiadaparalos voltajes termoelctricos indeseados. Sensibilidadyruidosonotrosfactoresimportantesaconsiderar cuando se miden termopares. Las salidas de los termopares son muy pequeas y cambian de 7 a50Vporcadagrado(1C)decambioentemperatura haciendoalassealesmuysusceptiblesalosefectosderuido elctrico.Esporestoquelosacondicionadoresdetermopares 36 incluyenfiltrosderuidopaso bajo parasuprimirelruidode 50y 60 Hz. La USB-6009 tiene 14-bit de resolucin con un mnimo de rango de+/- 1 volt. Esto da una resolucin de122 microvolts. Larespuestaestimadadelosdiferentestiposdetermopares puede obtenerse de la tabla de termopares de NIST. Lostiposmscomunesdetermoparestienenlasiguiente respuesta: TABLA 5 TIPOS DE TERMOPARES Tipo de Termopar:Respuesta[V/C] K41 J56 T52 PorlotantolaUSB-6009solopuedemedircambiosde aproximadamente2-3gradosCelsiusdependiendodeltipode termopar que est utilizando. 37 2.4 Control on-off 2.4.1 Descripcin del control on-off Lascomputadoras ofrecenla facilidaddeprogramarlocasitodo. Dadoquepuedenmanejarseenfuncinaeventos,tiemposy acciones del usuario realizar sistemas en los cuales el control de equiposquedeacargodeellasnopresentadificultadalguna,y menos an con las nuevas herramientas de desarrollo visual que facilitan la programacin y potencian la relacin con el usuario a travs de interfases grficas. Perocuandoserequierecontrolarpotencias,talescomola bomba,lapistoladecalor,etc.eltemacomienzaacomplicarse ya que el NI USB-6009 slo puede manejar seales de muy baja tensin y corriente. Paraelloserequieredeinterfasesdepotenciabasadasen dispositivoscapacesdeaccionarpotenciaapartirdeseales dbiles.Aestodebeagregarsesistemasdeprotecciny aislamientoquepermitansepararfsicamentelapartelgica(la computadora) de la parte de potencia (la interfase). 38 Enelpresentetrabajosepuedecomandardispositivosque requieren120VACy1600Wdeconsumo(pistoladecalor),12vDC y 2A de consumo (bomba), utilizando para ello el mdulo NI USB-6009 y la computadora. 2.4.2 Bomba DC Para realizar el control on-off de la bomba se dise un circuito que permite el paso de la corriente hacia la bomba cuando desde el panel frontal del VI se envan 5VDC a travs del NI USB6009. Para este circuito se emple: -1 resistencia de 330ohm -1 optoacoplador 4N35 -1 resistencia de 1k -1 mosfet IRF640 El circuito se describe a continuacin. 39 Figura 2.4 Diagrama circuito control bomba 2.4.3 Pistola de calor As mismo, para realizar el control on-off de la pistola de calor se diseotrocircuitoquealenviarle5VDCdesdeelpanelfrontal delVIatravsdelNIUsb6009,permiteelpasodelacorriente para encender o apagar la pistola. Cabesealarqueloscircuitosempleadosparalabombayla pistolasondiferentesdebidoaquelabombaoperaconVDC mientras que la pistola utiliza VAC. Para elaborar este circuito se emple: -1 resistencia de 330Ohm -1 resistencia de 470Ohm 40 -1 optoacoplador MOC3041 -1 TRIAC BTA16600B El circuito se describe a continuacin: Figura 2.5 Diagrama circuito control pistola de calor CAPTULO 3 3. LABVIEW Y MONITOREO REMOTO 3.1 Programa LabView Enestecaptulosedescribeelsoftwarequeseempleaparael desarrollodelaaplicacinquepermitelainterpretacin,monitoreoy registro de los datos recibidos del mdulo de adquisicin. Adems,sedescribeelprocesoparagenerarelmonitoreoycontrol remoto a travs del internet. 42 Figura 3.1 Esquema general del sistema Labview(LaboratoryVirtualInstrumentationEngineeringWorkBench) esunaplataformaparaeldiseoydesarrollodeaplicacionespara adquisicindedatos,controldeinstrumentosyautomatizacin industrial. Labviewsediferenciadeloslenguajestradicionalesalpresentarun ambiente de programacin grfico, llamado lenguaje G, con funciones especficas para acelerar el desarrollo de este tipo de aplicaciones. 43 EsteprogramafuecreadoporNationalInstrumentsparafuncionar sobremquinasMAC,salialmercadoporprimeravezen1986. AhoraestdisponibleparalasplataformasWindows,Unix,Macy Linux y va por la versin 2009 con soporte para Windows 7. Los programas desarrollados en Labview se denominan instrumentos virtuales,oVIs,ysuorigenprovenadelcontroldeinstrumentos, aunque hoy en da su uso se ha ampliado mucho ms all del control de instrumentos. Entre las principales aplicaciones se puede mencionar: -Adquisicin de datos y anlisis matemtico. -Automatizacin industrial y programacin de PACs. -Diseo de controladores: simulacin y testeo rpido. -Control y supervisin de procesos. -Visin artificial y control de movimiento. Un programa desarrollado en Labview se componeun panel frontal y un diagrama de bloques. El panel frontales la interfaz con el usuario, enlsedefinencontroleseindicadoresquepermitenalusuario monitorear,registrarycontrolarparmetrosdelosprocesosde inters. 44 ElDiagramadebloqueseselprogramapropiamentedicho,esaqu donde se define su funcionalidad, aqu se colocan iconos que realizan una determinada funcin y se interconectan. 3.2Diseo deInstrumentacin Virtual Elconceptodeinstrumentacinvirtualnaceapartirdelusodel computadorcomoinstrumentodemedicindesealescomo temperatura, presin, caudal, etc. Sinembargo,lainstrumentacinvirtualvamsalldelasimple medicinestassealeseinvolucraelprocesamiento,anlisis, almacenamiento,distribucinydesplieguededatoseinformacin relacionados con la medicin. Lainstrumentacinvirtualsediferenciadelainstrumentacin tradicional,enqueestanoposeeunafuncionalidadfijaysepuede adaptara las necesidades de los cientficos e Ingenieros. 45 3.2.1 Descripcin de un VI LosVIs,VirtualInstruments,estnintegradospor3partes principales:elpanelfrontal,eldiagramadebloques,yel icono/conector. Elpanelfrontalestcompuestoporunacombinacinde controladoreseindicadoresquelepermitenalusuarioenviary recibir datos del VI. Eldiagramadebloquesestcompuestodenodos,terminalesy cables. Los nodos son elementos de ejecucin del programa. Los nodos son anlogos a estatutos, funciones y subrutinas en los lenguajes de programacin basados en texto. Losterminalessonpuertosatravsdeloscualeslosdatos pasan entre los nodos del diagrama de bloques. Loscablessonrutas dedatosentreterminales.Sonanlogosa las variables en los lenguajes de programacin convencionales. 46 3.2.2 Descripcin del panel frontal EnelpanelfrontaldelVIquefuediseadoparaestaaplicacin contiene las siguientes caractersticas: -Fecha de la prctica. -Hora de la prctica. -Flujo del agua que ingresa al intercambiador. -Flujo de aire que entra al intercambiador. -Temperatura de entrada del agua al intercambiador. -Temperatura de entrada del aire al intercambiador. Adems,enlaspestaaTemp.SalidaAguaseencuentrala grficatemperaturadesalidadelaguaconrespectoaltiempo, ascomotambinunindicadornumricoquemuestrala temperatura que se est registrando en ese instante mediante la Termocupla. DeigualmaneraenlapestaaTemp.SalidaAiretieneensu interiorlagrficatemperaturadesalidadelaireconrespectoal tiempo y un indicador numrico quemuestra la temperatura que registra la otra termocupla. 47 Por otra parte, el panel frontal cuenta con el video en vivo que se capturaatravsdelacmaradispuestaenelequipo experimentalparaquelosusuariosremotospuedanobservarla prctica. Enelpanelfrontaltambinseencuentraelcontrolon-offque controlaelencendidoyapagadodelabombaydelapistolade calor, estos estn dispuestos al lado izquierdo del panel frontal, y poseen cada uno un LED que indica el estado de la bomba y la pistola de calor. Figura 3.2 Panel frontal 48 3.2.3 Configuracin de VI para adquisicin de datos Para la adquisicin de datos se usa la librera de Data Acquisition de Labview DAQmx, que permite de una manera rpida y sencilla la configuracin del NI 6009 para generar y recibir seales tanto analgicas como digitales. Figura 3.3 Configuracin DAQ 1 Unavezseleccionadoeltipodesealquesequiererecibir,el DAQassistantmuestralosdispositivosconectados alordenador y los respectivos canales por los que se puede obtener la seal. 49 Figura 3.4 Configuracin DAQ 2 Luegodeescogerloscanalesporlosquesequiererecibirlas seales,elDAQAssistantpermiteconfigurarelnmeroyla frecuenciadelmuestreo,ascomolosrangosesperadosdela seal a recibir. 50 Figura 3.5 Configuracin DAQ 3 Una vez terminado de configurar los datos, se procede a aceptar el asistente DAQ, y este automticamente genera un SubVI cuya salida es la seal sensada por el NI 6009. 51 3.2.4 Generacin de reportes con Labview ElVIdesarrolladoparaestaaplicacincuentaconla caracterstica de poder generar un reporte que se exporta a una hoja de clculo de Microsoft Excel. Para generar este reporte existe un botn en el panel frontal que se denomina Generar Reporte, el cual, una vez accionado abre una hoja de clculo de Microsoft Excel y copia todas las lecturas de temperaturas obtenidas a travs del NI Usb6009. Inmediatamentedespusdecopiadaslaslecturas,comienzaa generarelgraficodetemperaturavstiempo,elcualpuedeser editado como el usuario considere conveniente. Pararealizaresteprocesosegeneraronprimeramentedos arreglosunidireccionalesquesevanllenandoconlas temperaturasregistradasencadainstanteporelNIUSB6009y con el tiempo en que se registraron dichas lecturas. 52 Posteriormentesedesarrollunalgoritmoquepermiteabrirla hojaclculoyexportarlosdatosalmacenadosenlosdos arreglosalahojapreviamenteabierta.Estesedetallaa continuacin. Figura 3.6 Algoritmo generacin de reporte 3.3 Configuracin del NI Vision Acquisition NationalInstrumentshadesarrolladounaddonparaLabview denominado NI Vision Acquisition Software, el cual permite de manera rpidaysencillalaadquisicindevideoentiemporealdecasi cualquier dispositivo de video como las webcams. 53 El Vision Acquisition Software tambin incluye una completa librera de funcionesdeprocesamientodeimgenesquepermitedesarrollar aplicaciones destinadas a la inspeccin automtica de procesos como, revisartoleranciasenmedidasdepiezasterminadas,verificar etiquetas, contar pldoras, monitoreo de velocidades de procesos, leer o verificar textos en empaques, leer cdigos de barra y muchas otras aplicaciones. Enesteproyecto,elVisionAcquisitionSoftware,permitiralusuario remotomonitorearelcomportamientodelintercambiadordecaloren todoinstanteatravsdelpanelremotoqueseaccededesdeel internet. Lacmaraqueseempleparalaadquisicindevideofuelae-Messenger112queposeeunaresolucinde320x240yuna adquisicin de imgenes de 7fps. Paraconfigurarlaadquisicindevideoprimerosedebeconfigurarel NI Vision Acquisition Express de la siguiente manera: Primero se selecciona el dispositivo del que se desea obtener el video de la lista de dispositivos disponibles como se ve a continuacin. 54 Figura 3.7 Configuracin adquisicin video Unavezseleccionadoeldispositivoseprocedeaseleccionareltipo deadquisicinquesevaarealizar,paraestaaplicacinseelegir adquisicin continua con procesamiento interno. 55 Figura 3.8 Configuracin adquisicin de video Luegoseprocedeaseleccionarlaresolucinylavelocidadde adquisicinquesedeseaadquirirdelacmara.Aqutambinse puede configurar el brillo, contraste, color y el zoom. Finalmente,enelsiguientecuadrodedialogoseseleccionanlos indicadores y controles que se desean colocar en el VI. 56 Figura 3.9 Configuracin adquisicin video 3.4 Publicacin en web Labviewbrindalaposibilidaddecrearunservidorwebquepermite publicarlospanelesfrontalesdelosVIsdemaneraquesepueda acceder a estos desde cualquier terminal que tenga acceso ainternet en cualquier parte del mundo. Ademspermitemanipularloscontrolesdesdelosterminales remotos,demaneraquecualquierusuariopuedecontrolarlos procesos que se estn ejecutando de manera remota. 57 3.4.1 Herramienta de publicacin web: Servidor web EsunaherramientaqueincorporaLabviewyquevaapermitir crearunapginaweb,quecontengaelpanelfrontaldela aplicacinparapodercontrolarymonitorearadistanciael procesoatravsdecualquiernavegadorHTTPquetenga instalado el Labview Run-Time Engine y habilitado el ActiveX. Esta herramienta est disponible en el men Tool de Labview en la opcin Web Publishing Tool. Figura 3.10 Configuracin publicacin web EnestecuadrodedialogoseseleccionaelVIquesedesea poner en lnea, hay que tener en cuenta que para poder acceder 58 alVIdesdeelinternet,estedebeestarejecutndoseenel servidor. Hay que recalcar que la pagina HTML que genera el Labview se puedemodificarutilizandocualquierherramientadeedicinde HTMLeincluirlecualquiertipodescriptscomoASP,PHP, JavaScript, etc. CAPTULO 4 4.DESARROLLODEPRCTICASPARA ESTUDIANTES 4.1 Manejo general del equipo Parapoderrealizarlaprcticasedeberevisarprimerosisetienen todosloselementossensoresquesenecesitanyconectarlos correctamente antes de correr el programa. Para realizar esta prctica se necesita lo siguiente: -2 Termocuplas tipo J. -Una computadora con Labview 8.5 o posterior. 60 -Una cmara USB con adquisicin contina. Antes de correr el programa se debe revisar que las conexiones entre lacomputadoraylosdiferentesdispositivosestnrealizadas correctamente. De igual manera el NI USB6009 debe estar conectado correctamente con las termocuplas J y los circuitos de control de la bomba y la pistola de calor. La computadora debe estar conectada a travs de sus puertos USB a: -NI USB6009 -Cmara de adquisicin contina. De igual forma, el NI USB6009 debe estar conectado a: -EnlaentradaanalgicaDev1-ai0latermocuplaque registra la temperatura de salida del agua. (pines 2 y 3) 61 Figura 4.1 - Conexin termocuplas 1 -EnlaentradaanalgicaDev1-ai1latermocuplaque registra la temperatura de salida del aire. (pines 5 y 6) Figura 4.2 - Conexin termocuplas 2 62 -En la salida analgica Dev1-ao0 al circuito de la bomba. (pines 16 y 15) -EnlasalidaanalgicaDev1-ao1alcircuitodelapistola de calor. (pines 16 y 14) Unavezverificadalacorrectaconexinentredispositivos,sedebe ajustarelcaudalquesedeseautilizarparalaprctica.Elequipo experimentalposeeenlasalidadelabombaunbypassquepermite regular el flujo que sube hacia el intercambiador de calor. Figura 4.3 Bomba y bypass Para regular el flujo al mnimo, se debe primero cerrar completamente lavlvuladelbypasshastaqueelaguafluyaatravsdel intercambiadordecalor.Unavezlogradoesto,seabre 63 completamente la llave del bypass para que el flujo que sube hacia el intercambiador de calor sea el menor posible. Conelcaudaldeaguaregulado,todoslossensoresyequipos conectados se puede comenzar la prctica. Hayquetenerencuentaqueparapoderveryaccederalaprctica remotamente,lacomputadoradebeteneraccesoainternetantesde comenzar la prctica. 4.2 Determinacin del coeficiente de transferencia de calor Conelmonitoreoentiemporealdelintercambiadordecalor,se pueden obtenerlastemperaturas de entradaysalida,tanto del fluido fro como del fluido caliente. Laadquisicindelosdatosdetemperaturaserealizamedianteel software LabView de National Instruments. Esteprogramagrficocontienelasgrficasdetemperaturasenel tiempo del intercambiador de calor. 64 Conestosepuedenobtenerlastemperaturascuandoseestabilicen, paracalcularelcoeficientedetransferenciadecalor,mediantelos mtodos:Mtodoporfactordecorreccinenladiferenciade temperatura media logartmica (LMTD) y Mtodo. 4.2.1 Objetivo Mediante la prctica determinar el coeficiente de transferencia de calor, utilizando los mtodos del LMTD y el. 4.2.2 Teora En el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluyedemaneraperpendicular alotrofluido,esto es, uno delos fluidospasaatravsdetubosmientrasqueelotropasa alrededor de dichos tubos formando un ngulo de 90o. Unmtodoquecombinalascaractersticasdedosoms intercambiadoresypermitemejorareldesempeodeun intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias vecesdentrodeunintercambiadordepasosimple.Cuandolos fluidos del intercambiador intercambian calor ms de una vez, se 65 denominaintercambiadordemltiplepasos.Selfluidoslo intercambiacalorenunasolavez,sedenominaintercambiador de calor de paso simple o de un solo paso. Comnmenteelintercambiadordemltiplespasosinvierteel sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U" en los extremos, es decir, el doblez en forma de "U" permiteal fluido fluir de regreso e incrementar el rea de transferencia del intercambiador.Unsegundomtodoparallevaracabo mltiplespasosesinsertarbaflesoplatosdentrodel intercambiador. Mtodoporfactordecorreccinenladiferenciade temperatura media logartmica (LMTD) Comosemencionladiferenciadetemperaturamedia logartmica no se puede aplicar a intercambiadores de calor de mltiplepasoydeflujocruzado.Elparmetrodetemperatura es la real o diferencia de temperatura media efectiva y est relacionada a la diferencia de temperatura media logartmica. ( ) ( )1 21 22 12 1/ ln / ln T TT TT TT TLMTDmA AA A=A AA A= = u66 y las funciones 1 11 2t Tt tP=definida como la efectividad del lado fro y 1 22 1t tT TR= definida como una razn de capacidad trmica. Ladiferenciadetemperaturamediaefectivaenun intercambiadordemltiplepasosodeflujocruzado,,est relacionadaadiferenciadetemperaturamedialogartmica mediante ) (c mLMTD F = udonde el factor de correccin est dado por cmLMTDFu=es una funcin de,y del arreglo del flujo de fluido.67 Laobtencindelfactordecorreccindeladiferenciade temperaturamedialogartmicacomenzenlosiniciosdela dcadadelosaos1930.Losfactoresdecorreccinestn disponibles en cartas como la que se muestra en la figura. Figura 4.4 Factor de correccin para un intercambiador de flujo cruzado fluidos sin mezclar 68 Mtodo Elparmetroenelmtododelfactordecorreccindela diferenciadetemperaturamedialogartmicarequieredetres temperaturas para su clculo. La temperatura de entrada tanto del flujo caliente como del flujo fro se obtiene comnmente, pero cuando la de salida del lado fro no se conoce, se requiere de un mtodo de ensayo y error para determinar. Dicho mtodo de ensayo y error se puede evitarenelmtodoloquehapermitidoaesteltimo mtodoganarpopularidadgraciasasuaplicacinendiseo asistido por computadora. Estemtodosebasaenunparmetroadimensionalllamado Efectividaddelatransferenciadecalor,e,definidodela siguiente forma: calor de cia transf eren de posible mxima Velocidadreal calor de cia transf eren de VelocidadQQ= =..maxc ( )sal h ent h hh T T Cp m Q, ,. =h hh C Cp m =. ( )ent c sal c cc T T Cp m Q, ,. =c cc C Cp m =. 69 max min max T C Q A =ent c ent hT T T, ,max = A min C menor de Cc y Ch max Q Qreal c = min CAs UNTU =maxminCCc = ) , ( c NTU f = c ) , ( c f NTU c = LosvaloresdelaefectividadyNTUsepresentanen formade grficos y diagramas. Figura 4.5 Diagrama de efectividad y NTU para un intercambiador de flujo cruzado 70 4.2.3 Procedimiento Encienda el mdulo de acuerdo al procedimiento. Enelpanelfrontalseseleccionalaopcindeadquisicinde datos. Se procede a encender tanto la bomba como la pistola de calor, y se espera hasta que las temperaturas se estabilicen. Unavezquelastemperaturasseencuentranestables,se procede a seleccionar la opcin de generar reportes. Yadeterminadaslastemperaturasdeentradaysalidadelos fluidosdelintercambiadordecalor,calculeelcoeficientede transferenciadecalorutilizandolosmtodosdescritos anteriormente. 4.2.4 Clculos Alfinalizarlaprcticaseobtienedosgrficasconlas temperaturasdesalidadelaireydelagua.Conlaopcinde generacin de reportes, se obtiene una tabla con los valores de latemperaturacadaciertotiempo.Conlocualserealizaun 71 promedio de las ltimas 10 lecturas cuando ya se estabilizaron las temperaturas. A continuacin se presentan las grficas que se obtuvierondel sistema. Figura 4.6 Grficas de temperaturas experimentales 72 Yaconocidaslastemperaturasdeentradaydesalidadel intercambiador de calor se procede a calcular el coeficiente de transferencia de calor. Las temperaturas que se obtuvieron fueron: C Toin H100, =C Toin C25, =C Toout H27,=C Toout C33,= TABLA 6 PARAMETROS DEL PROCESO Parmetros del Proceso 1 l/min 800 l/min 0.0167 Kg/s 0.013 Kg/s Mtodoporfactordecorreccinenladiferenciade temperatura media logartmica (LMTD) 73 Se procede a calcular: ( ) ( )( )(((

= Aout C in Hin C out Hout C in H in C out HlmT TT TT T T TT, ,, ,, , , .ln ( ) ( )( )51 . 1833 10025 27ln33 100 25 27=((

= AlmToK Debido a la configuracin del intercambiador de flujo cruzado, se procede a calcular el factor F. Los valores de P y R se puede calcular de acuerdo a ( )( )( )( )11 . 025 10025 33, ,, ,===in C in Hin C out CT TT TP ( )( )( )( )13 . 925 3327 100, ,, ,===in C out Cout H in HT TT TR De la grfica se obtiene el factor F= 0.8841 74 Figura 4.7 Factor de correccin para un intercambiador de flujo cruzado de esta prctica Por lo tanto, = A = Alm lmT F T * 16.37 oK Por otra parte, h hh T Cp m Q A =. . K Kg J Cph* / 1009 = Por lo que, W T Cp m Qh hh 957 73 * 1009 * 013 . 0. .= = A = 75 Y la expresin de la potencia trmica es mlT UA Q A =. Por lo que la expresin final queda, K WTQUAml = =A= / 46 . 5837 . 16957 Mtodo Se procede a calcular: W T Cp m Qh hh 957 73 * 1009 * 013 . 0. .= = A == =h h hm Cp C 13.12 J/K 70 = =c c cm Cp CJ/K minCmenor de hCy cCminC =13.12 C T T Toin C in H75 25 100 max, ,= = = A Entonces, = A = max maxmin.T C Q 13.12(75)=983.78 W 76 Por lo que, % 9778 . 983957max.= = =QQc19 . 0maxmin= =CCc De acuerdo a la curva NTU= 4 Figura 4.8 Diagrama de efectividad y NTU para un intercambiador de flujo cruzado para esta prctica 77 Y de acuerdo a la expresin, = =min*C NTU UA 13.12*4=52.46 W/K CAPTULO 5 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1 Conclusiones Medianteeldesarrollodeestatesisseprodujounasolucin innovadoraydeltimatecnologa,paraelmejoramientodelos laboratorios de la FIMCP, ya que el mismo servir como prctica para los estudiantes. Conformeseobservanlas mediciones del programa de LabViewque semuestranenelpanelfrontal,eldispositivodeadquisicin,la calibracindelastermocuplas,loscircuitosdecontrol,cumplencon suobjetivo,elcualesllevarlasvariacionesdelos fenmenos fsicos hasta el dispositivo e identificar cada seal con su respectivo sensor. Con la ayuda del programa realizado en LabView y del dispositivo NI-USB6009,lasvariacionesdetemperaturasdelosfluidosenel 79 intercambiadordecalorpuedensermonitoreadasyregistradasenla prctica que se realiza en el equipo experimental. Mediantelautilizacindeldispositivodeadquisicinquehacela interfazconelsoftwareLabView,hizoquelaadquisicindedatos fueraeficiente,ademsqueconestesoftwaresetransmitevideoy datos por Internet. Esteprototipodemonitoreodetemperaturavainternet,puedeser muyimportanteenlagranindustria,yaquesepuedellevaracaboa unamenorescalaparapodersimularloyestudiarlodeunamanera ms fcil y clara. 5.2 Recomendaciones Deacuerdoalosresultadosobtenidos,sepodraimplementarsistemasdeadquisicindedatosytransmisindevideoydatospor internetaotrosequiposexperimentalesdelafacultad,conloquese conformaraloslaboratoriosadistancia,demuchautilidadparael desarrollo de prcticas con muchos estudiantes. 80 Elaguadeldepsitodebeestarlimpiayaquepodraprovocar obstrucciones en la bomba o crear incrustaciones en el intercambiador de calor, que afectara en la transferencia de calor entre los fluidos. Paraunamayorprecisinenlamedicindetemperaturasepuede utilizarequiposdedicadosatermocuplascomoeselUSB-9211o cRIO con 9211 o cDAQ con 9211. En un futuro se podra mejorar el sistema de monitoreo y control, con el desarrollo de un control de temperatura, manipulando el caudal que entrega la bomba DC del equipo. 2 3 APENDICE 1 DATASHEETS DE LOS COMPONENTES DE LOS CIRCUITOS BIBLIOGRAFA 1.INCROPERAFRANKP.YDEWITTDAVIDP.,Fundamentosde Transferencia de Calor, Prentice Hall, Cuarta Edicin, 1999 2.MUNSON,YOUNGYOKIISHI,FundamentosdeMecnicade Fluidos, Limusa Wiley, Mxico, Segunda edicin, 2003 3.PRASHANTK.JAIN,YUXIANGGU,RIZWAN-UDDIN, BroadcastingEngineeringLaboratories-Audio/VideoandData-In Real-TimeOvertheInternet,AdvancesinEngineeringEducation, 2008 4.NI-USB 6009, User manual, National Instruments, 2004 5.LABVIEW 8.5, User Manual, National Instruments, 2008 6.http://www.ni.com, National Instruments, pgina web. 7.http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-11547,SoportedeLabview, National Instruments, pgina web 8.http://forums.ni.com/ni/board/message?board.id=170&message.id=225558, Soporte de Labview, National Instruments, pgina web 9.RocaJorge,ImplementacindeunSistemadeControlDigital paraelMdulodeTemperaturadelaPlantadeProcesos IndustrialesdeFIMCP,Tesis,FacultaddeIngenieraMecnicay Ciencias de la Produccin, Escuela Superior Politcnica del Litoral, 2004