DISEÑO DE UN SISTEMA DE PRUEBAS DE AGUA...

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DISEÑO DE UN SISTEMA DE PRUEBAS DE AGUA PARA LA VERIFICACIÓN DE GRADOS DE PROTECCIÓN EN GABINETES ELÉCTRICOS SEGÚN LA NORMA NEMA PARA TIPO 3R Y TIPO 4 CON RECUPERACIÓN DE AGUA.

OSCAR FERNANDO OSPINA GIRALDO

FABIÁN CAMILO SÁENZ ANTIVAR

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA MECÁNICA Bogotá D. C.

2016

2

DISEÑO DE UN SISTEMA DE PRUEBAS DE AGUA PARA LA VERIFICACIÓN DEL GRADO DE PROTECCIÓN EN GABINETES ELÉCTRICOS SEGÚN LA NORMA NEMA PARA TIPO 3R Y TIPO 4 CON RECUPERACIÓN DE AGUA.

OSCAR FERNANDO OSPINA GIRALDO

FABIÁN CAMILO SÁENZ ANTIVAR

Trabajo de grado para optar al título de

Ingeniero Mecánico

Tutor

Ing. CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ ÁVILA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA MECÁNICA Bogotá D. C.

2016

3

Nota de aceptación

………………………………..

………………………………….

…………………………………..

……………………………………

…………………………………….

........................ ………………

Jurado 1 Jurado 2

……………………………….

Ing. Carlos Arturo Bohórquez A (Tutor)

Bogotá...…de………..de 2016

4

AGRADECIMIENTOS

A NUESTROS PADRES Y FAMILIARES

A NUESTROS COMPAÑEROS DE ESTUDIO

A TODAS AQUELLAS PERSONAS QUE HICIERON PARTE

EN ESTE CAMINO DE SER CADA DÍA MEJORES PERSONAS Y

PROFESIONALES EJEMPLARES.

AGRADECIMIENTO ESPECIAL A TODOS LOS MAESTROS QUE

HICIERON PARTE EN NUESTRA FORMACIÓN COMO

INGENIEROS MECÁNICOS, Y A GIM INGENIERÍA ELÉCTRICA LTDA

POR SUS APORTES E INFORMACIÓN PARA EL DESARROLLO

DE ÉSTE PROYECTO.

5

Tabla de contenido

0 RESUMEN .................................................................................................................................. 12

ABSTRAC ........................................................................................................................................ 12

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 12

1 CAPITULO 1: PROBLEMÁTICA, ACTUALIDAD DE LOS DISEÑOS PROBADOS, JUSTIFICACIÓN, OBJETIVOS DEL PROYECTO. .................................................................. 13

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................................... 13

1.2 ESTADO DEL ARTE ..................................................................................................... 15

1.3 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................ 21

1.4 OBJETIVOS .................................................................................................................... 22

1.4.1 Objetivo General ..................................................................................................... 22

1.4.2 Objetivos Específicos ............................................................................................ 22

2 CAPITULO 2: MARCO TEÓRICO ....................................................................................... 23

2.1 GABINETE ELÉCTRICO. ............................................................................................. 23

2.2 GRADO DE PROTECCIÓN.......................................................................................... 23

2.3 NORMA NEMA ............................................................................................................... 23

2.4 ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL ..................................................................... 25

2.5 INGENIERÍA CONCURRENTE ................................................................................... 25

2.6 MATRIZ QFD .................................................................................................................. 27

2.7 METODOLOGÍA TRIZ ................................................................................................... 28

2.7.1 Metodología Triz. .................................................................................................... 29

2.7.2 Conceptos Básicos ................................................................................................ 29

2.7.3 Herramientas Principales ...................................................................................... 29

2.8 AGUAS RESIDUALES .................................................................................................. 30

2.8.1 Tratamientos convencionales de las aguas residuales .................................... 31

6

2.9 VARIADORES DE VELOCIDAD.................................................................................. 34

2.9.1 El motor .................................................................................................................... 35

2.9.2 El convertidor de frecuencia ................................................................................. 35

2.9.3 Selección de un variador de velocidad. .............................................................. 37

2.10 BOMBAS CENTRÍFUGAS ............................................................................................ 38

2.10.1 Altura útil de una bomba centrifuga ..................................................................... 39

2.10.2 curvas características en sistemas de bombeo ................................................. 40

2.10.3 Determinación del caudal de funcionamiento .................................................... 41

3 CAPITULO 3. DISEÑO METODOLÓGICO ........................................................................ 42

3.1 METODOLOGÍA ............................................................................................................. 42

3.2 HIPÓTESIS ..................................................................................................................... 43

3.3 INFRAESTRUCTURA, RECURSOS Y LIMITACIONES ......................................... 43

4 CAPITULO 4. DESARROLLO DEL PROBLEMA .............................................................. 44

4.1 CARACTERIZACIÓN DE LA PRUEBAS DE AGUA SEGÚN LA

ESPECIFICACIÓN REQUERIDA PARA CADA ENSAYO, PARA TIPO 3R Y TIPO 4. .. 44

4.1.1 Tipo Nema 3R ......................................................................................................... 44

4.1.2 Tipo Nema 4 ............................................................................................................ 45

4.2 MATRIZ QFD .................................................................................................................. 45

4.2.1 Los “QUE” ................................................................................................................ 46

4.2.2 Los “COMO” ............................................................................................................ 47

4.2.3 “QUE” vs “COMO” .................................................................................................. 48

4.2.4 Análisis de los “COMO” ......................................................................................... 49

4.2.5 Análisis de los “QUE” ............................................................................................. 50

4.3 DISEÑO CONCEPTUAL ............................................................................................... 51

4.3.1 Definición de conceptos por descomposición funcional ................................... 51

7

4.3.2 Definición de conceptos por metodología Triz................................................... 53

4.4 GENERACIÓN DE CONCEPTOS ............................................................................... 57

4.5 MATRIZ DE DECISIONES ........................................................................................... 61

4.6 ELECCIÓN DEL CONCEPTO DE DISEÑO............................................................... 62

4.7 DISEÑO ........................................................................................................................... 62

4.7.1 Bomba centrifuga ................................................................................................... 63

4.7.2 Sistema de control.................................................................................................. 72

4.7.3 Tanque de almacenamiento de agua. ................................................................ 79

4.7.4 Cortina de recolección de agua ........................................................................... 82

4.7.5 Sistema de elevación ............................................................................................. 83

4.7.6 Estructura d e Nivelación ...................................................................................... 86

4.7.7 Estructura general. ................................................................................................. 90

4.7.8 Plataforma de la prueba ........................................................................................ 92

4.7.9 Manguera para prueba tipo 4 ............................................................................... 96

4.7.10 Ensamble ................................................................................................................. 99

5 CAPITULO 5. IMPACTO AMBIENTAL, MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO. ...................................................................................................................... 100

5.1 IMPACTO AMBIENTAL ............................................................................................... 100

5.1.1 Prueba actual ........................................................................................................ 101

5.1.2 Prueba propuesta ................................................................................................. 103

5.2 MANUAL DE OPERACIÓN ........................................................................................ 105

5.2.1 Información general ............................................................................................. 105

5.2.2 Descripción de componentes. ............................................................................ 106

5.2.3 Operación .............................................................................................................. 109

5.2.4 Prueba tipo 3R ...................................................................................................... 109

8

5.2.5 Prueba tipo 4 ......................................................................................................... 109

5.3 MANUAL MANTENIMIENTO ..................................................................................... 110

5.3.1 Sistema Hidráulico ............................................................................................... 110

5.3.2 Tanque De Almacenamiento ............................................................................. 111

5.3.3 Sistema de elevación ........................................................................................... 112

5.3.4 Sistema de captación .......................................................................................... 112

5.3.5 Sistema de control................................................................................................ 113

6 CAPITULO 6. ANÁLISIS ECONÓMICO .......................................................................... 115

6.1 Inversión inicial ............................................................................................................. 115

6.2 Beneficios ...................................................................................................................... 116

6.2.1 Ahorro agua ........................................................................................................... 116

6.2.2 Optimización ......................................................................................................... 116

6.3 Gasto operacional del sistema ................................................................................... 117

6.4 Flujo De Caja Proyectado ........................................................................................... 117

6.5 Valor Presente Neto (VPN)......................................................................................... 118

6.6 Tasa interna de rendimiento ....................................................................................... 119

6.7 Periodo de recuperación de la inversión .................................................................. 119

7 CAPITULO 7 CONCLUSIONES Y BIBLIOGRAFÍA ........................................................ 120

7.1 CONCLUSIONES ......................................................................................................... 120

7.1.1 Conclusión general .............................................................................................. 120

7.1.2 Conclusiones Específicas ................................................................................... 120

7.2 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 121

9

Índice de figuras.

Figura 1. Corriente vs velocidad .................................................................................................. 35

Figura 2. Diagrama electrónico de conexión. ............................................................................ 36

Figura 3. Diagrama par vs velocidad. ......................................................................................... 37

Figura 4. Esquema clasificación de las bombas. ...................................................................... 38

Figura 5. curvas ............................................................................................................................. 39

Figura 6. Curvas características de una bomba centrifuga. .................................................... 40

Figura 7. Curvas características. ................................................................................................. 41

Figura 8. Curvas de eficiencia de una bomba. .......................................................................... 42

Figura 9. Desarrollo de la matriz QFD. ....................................................................................... 46

Figura 10. Desarrollo del metodología TRIZ. ............................................................................. 53

Figura 11. Concepto 1. .................................................................................................................. 59

Figura 12. Concepto 2. .................................................................................................................. 60

Figura 13. Concepto 3. .................................................................................................................. 60

Figura 14. Concepto 4. .................................................................................................................. 61

Figura 15. Diagrama del sistema hidráulico. .............................................................................. 70

Figura 16. Diagrama unifilar. ........................................................................................................ 72

Figura 17. Diagrama de control. .................................................................................................. 77

Figura 18. Implantación de equipos en el tablero de control. ................................................. 78

Figura 19. Vista frontal tablero de control con la ubicación de la señalización y la

selección. ......................................................................................................................................... 79

Figura 20. Tanque de almacenamiento. .................................................................................... 82

Figura 21. Sistema de cortina corrediza. .................................................................................... 83

Figura 22. Esquema de la ubicación de las boquillas para la simulación de lluvia. ............ 85

Figura 23. Boquillas para la prueba de agua Nema para tipo 3R. ......................................... 85

10

Figura 24. Esquema del aspersor. .............................................................................................. 86

Figura 25. Distribución de cargas para centro de masa. ......................................................... 87

Figura 26. Diagrama de momento. .............................................................................................. 88

Figura 27. Ubicación del centro de masa de la estructura de nivelación. ............................. 89

Figura 28. Estructura de nivelación. ............................................................................................ 90

Figura 29. Sistema de guias para la estructura de nivelación. ............................................... 90

Figura 30. Estructura que soportara el sistema de nivelación y cortinas. ............................ 91

Figura 31. Plataforma. ................................................................................................................... 93

Figura 32. Sección removible. ...................................................................................................... 94

Figura 33. Disposición de la malla............................................................................................... 95

Figura 34. Tipos de manguera. .................................................................................................... 98

Figura 35. Ensamble del sistema .............................................................................................. 100

Figura 36. Flujo neto. ................................................................................................................... 118

Índice de imágenes

Imagen 1. Verificación grado de protección tipo 3R......................................................................... 14

Imagen 2. Verificación grado de protección tipo 3R. ................................................................ 16

Imagen 3. Prueba de agua WEB equipamientos eléctricos S.A. ........................................... 19

Imagen 4. Prueba de agua weg ................................................................................................... 19

Imagen 5. Estación de pruebas de agua EATON. .................................................................... 21

Imagen 6. Interruptor termo magnético, marca Schneider Electric, EZC100N. ................... 73

Imagen 7. Contactor-relay térmico, marca Schneider Electric. ............................................... 74

Imagen 8. Variador de velocidad marca Schneider Electric, ATV12. .................................... 75

Imagen 9. Sensor capacitivo de nivel. ........................................................................................ 80

Imagen 10. Papel tornasol. ........................................................................................................... 81

11

Imagen 11. Polipasto del sistema de elevación, marca Badland. .......................................... 92

Imagen 12. Calentamiento global. ............................................................................................. 101

Índice de tablas

Tabla 1. Los “QUE”. ....................................................................................................................... 47

Tabla 2. Los “COMO”. ................................................................................................................... 48

Tabla 3. “QUE” vs “COMO”. ......................................................................................................... 49

Tabla 4. Análisis de los “COMO”. ................................................................................................ 50

Tabla 5. Análisis de los “QUE”. .................................................................................................... 50

Tabla 6. Descomposición funcional............................................................................................. 52

Tabla 7. Simplificación de la descomposición funcional. ......................................................... 52

Tabla 8. Parámetro a mejorar. ..................................................................................................... 54

Tabla 9. Parámetro a deteriorar. .................................................................................................. 55

Tabla 10. Combinación 1. ............................................................................................................. 55




Tabla 14. conceptualización. ........................................................................................................ 58

Tabla 15. Generación de conceptos. .......................................................................................... 59

Tabla 16. Matriz de decisión. ....................................................................................................... 62

Tabla 17. Aspectos ambientales............................................................................................... 102

Tabla 18. Impactos ambientales. ............................................................................................... 103

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0 RESUMEN

En este documento se presenta el diseño de un sistema para la realización de pruebas de agua para gabinetes eléctricos según las normas NEMA (National Electrical Manufacturers Association) tipo 3R Y tipo 4. Aplicable para el sector tablerista de la industria, así mismo brindar una herramienta de verificación del grado de protección de envolventes para el manejo, control y regulación de energía eléctrica, que estén expuestos a condiciones climáticas tales como la lluvia. Dicho dispositivo tendrá que ser amigable con el ambiente, ofreciendo una reutilización de los recursos hídricos, lo cual se verá reflejado en la disminución de costos, y optimización del proceso.

ABSTRAC

In this document is showed the design of testing water system for electrical

enclosure according to code NEMA (National Electrical Manufacturers

Associations) for types 3R and 4. This test is applicable in panel boards of the

electrical sector, also it offer a protection degree tool over the weather and rain, for

a panel that helps with the handling, control and regulation of electrical energy.

This device shall be friendly with the environment and also offer us the reuse of

water resource which should be reflected in economical savings as well with the

optimization process.

INTRODUCCIÓN

GIM INGENIERÍA ELÉCTRICA LTDA. (NIT: 830.005.424-3), es una empresa colombiana situada en la carrera 73ª # 68B-28 en la ciudad de Bogotá, cuenta con una trayectoria de 20 años, brindando soluciones al sector eléctrico, con la fabricación de gabinetes eléctricos de baja y media tensión, con un reconocimiento nacional por la calidad de sus productos, ofreciendo gabinetes con grados de protección para uso interior y exterior, para el caso de tableros a la intemperie se usan grados dispuestos en la norma NEMA como tipo 3R y tipo 4, utilizadas para garantizar el Sellado contra el agua y polvo para uso interior y exterior1.

Actualmente en la empresa GIM INGENIERÍA ELÉCTRICA LTDA. estas pruebas se realizan de forma manual. Lo cual trae como consecuencia la pérdida de la totalidad del agua utilizada, las pruebas para los tableros NEMA 3R y NEMA 4 se

1 Disponible en : www.gimingenieriaelectrica.com

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están realizando de la misma manera, sin cumplir con los tiempos ni caudal especificados. Es por esta razón, que en este trabajo se pretende diseñar un sistema que permita la reutilización del agua, además de garantizar el ángulo y el caudal necesarios para el cumplimiento de la norma.

Este trabajo se llevará a cabo en las instalaciones de la Universidad Distrital Francisco José De Caldas sede tecnológica bajo la asesoría del Ingeniero Carlos Bohórquez, además, en las locaciones de la empresa GIM INGENIERÍA ELÉCTRICA LTDA. Donde se proporcionaran datos estadísticos de la cantidad de tableros verificados por prueba de agua. Duración de cada prueba, además del tamaño y grado de protección verificado.

1 CAPITULO 1: PROBLEMÁTICA, ACTUALIDAD DE LOS DISEÑOS

PROBADOS, JUSTIFICACIÓN, OBJETIVOS DEL PROYECTO.

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Hoy en día el crecimiento de la industria, no solamente va enfocado en busca de la mejora de los procesos que allí se generan para el aumento de la productividad, sino que tiene varios enfoques, como lo son el interés mundial por la preservación del medio ambiente, cambiando sustancialmente los procesos para disminuir el consumo de recursos no renovables y adicionalmente generar una organización amigable con el ambiente y crear una sociedad sustentable.

Otro enfoque es la calidad de los productos para llegar a superar las expectativas de los clientes, debido a la alta competitividad de organizaciones dedicadas a la misma actividad, donde el reconocimiento empresarial tiene un rol importante, ocasionado por el sentimiento de confianza y de entendimiento entre organización y el cliente al cumplir todos los requerimientos, brindando soluciones a sus necesidades con los estándares de calidad establecidos para cada producto.

Aunque GIM INGENIERÍA ELÉCTRICA LTDA cuenta actualmente con una planta metalmecánica con maquinaria de última tecnología dispuesta en el mercado como cortadoras y dobladoras con sistemas de control numérico, entre otras, además de una planta eléctrica que cuenta en las pruebas de calidad con equipos dispuestos para garantizar condiciones óptimas de funcionamiento, no posee un sistema en el cual se puedan generar pruebas con el fin de verificar el grado de protección adecuado, para que dentro de los tableros no exista la filtración de agua y en un futuro pueda causar daños a los componentes eléctricos que allí se dispongan y llevar a un problema de gran envergadura.

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Las pruebas de agua se hacen manualmente, es decir que se usa una manguera dirigida hacia los equipos para realizar la simulación, pero este recurso usado en la prueba es desechada al sifón y posteriormente al alcantarillado, “botando el agua” (Imagen 1) un elemento de vital importancia y que en este caso se le debería dar un mejor trato teniendo en cuenta las proporciones de desperdicio, que estaría alrededor de 70 y 80 litros por prueba, ocasionando un daño ambiental y una falla en los estándares organizacionales para la preservación del medio ambiente.

Imagen 1. Verificación grado de protección tipo 3R

Fuente proyectos GIM INGENIERÍA ELÉCTRICA LTDA.

Se realizó una recolección de datos acerca de la realización de pruebas de agua en la empresa GIM INGENIERÍA ELÉCTRICA LTDA, donde se encontró que entre el 08 de enero de 2014 y el 14 de abril de 2015, se verificaron 793 gabinetes que varían desde 2100x1400x1000 a 380x300x200, (alto, ancho, profundo, dimensiones en mm), bajo los criterios de la norma NEMA para tipo 3R y tipo 4, donde se evidencia que el gasto de agua es en promedio de 75 litros de agua con duración de 12.5 min, sabiendo que el caudal ofrecido por el sistema hidráulico es de 6L/min, sin embargo se debe considerar que la prueba se hace erróneamente sin el tiempo que se exige en la norma mencionada, porque para el tipo 3R es de

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1 hora y un volumen de agua dependiendo el caudal de la bomba, pero sí muy importante que en la salida se mantenga 34.5 kPa, y para el tipo 4 se debe usar una manguera contraincendios, con un caudal de 240L/min durante 5 minutos, con lo cual se concluye que con el sistema actual y con las consideraciones de la norma, el gasto de agua aumentaría considerablemente y a su vez incrementado el costo y el impacto ambiental.

1.2 ESTADO DEL ARTE

Para las verificaciones de gabinetes eléctricos a nivel internacional, en empresas con reconocimiento mundial como SCHNEIDER ELECTRIC, ABB, EATON, entre otras usan sistemas que garanticen que el producto que están ofreciendo satisfacen las condiciones necesarias para su aprobación cumpliendo con la normativa establecida, es por eso que dichas marcas adquieren reconocimiento, debido a la capacidad de pruebas que poseen.

En la actualidad y como se ha realizado desde el inicio de la organización en fabricación de gabinetes eléctricos, han desarrollado pruebas mecánicas a sus productos, donde realizan ensayos a la pintura, allí verifican el espesor del recubrimiento y la adherencia, cumpliendo con los estándares, así como el control de calidad respectivo para procesos de dobles, corte y soldadura, estos lo realizan de forma visual y con elementos de medición manuales, cada uno establecido por procedimientos, en la verificación del grado de protección contra el ingreso de agua se realiza de forma manual (Imagen 2). Con sistemas hidráulicos convencionales, es decir simplemente se suministra agua al gabinete eléctrico, por medio de una manguera que está conectada a un sistema convencional residencial durante un tiempo determinado.

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Imagen 2. Verificación grado de protección tipo 3R.

Fuente. Proyectos GIM INGENIERÍA ELÉCTRICA LTDA.

Este proceso ha sido establecido por la organización en un procedimiento que a continuación se relata:

Procedimiento para protección Nema 3R

Tablero a prueba de lluvia, fabricado en lámina galvanizada y/o acero inoxidable.

Tipo de disparo o chorro:

Roció tipo lluvia, con una inclinación de 45° aproximadamente en el exterior del producto.

Roció tipo lluvia pesada, en la parte superior del producto.

Tiempo: aproximadamente 60 segundos por cada tipo de chorro o disparo alrededor del gabinete.

Procedimiento para protección Nema 4

Tablero hermético para agua y polvo, fabricada en lámina galvanizada y/o acero inoxidable.

Tipo de disparo o chorro:

roció tipo lluvia ligera, con una inclinación de 45° aproximadamente en el exterior del producto.

roció tipo lluvia pesada, en la parte superior del envolvente o producto.

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Disparo o chorro directo, el cual es aplicado en las puertas, ventanas o partes donde se encuentren empaquetaduras o sobresalientes.

Tiempo: aproximadamente 60 segundos por cada tipo de chorro o disparo alrededor del proyecto.

El procedimiento expuesto anteriormente, posee además de una forma inadecuada de realización de la prueba, variables que hacen que la prueba no pueda ser efectiva como los son la inclinación manual del elemento de suministro de agua, el tiempo de la prueba, la homogeneidad de la prueba, en las imágenes 1 y 2 se evidencia esta situación.

En el campo de desarrollo empresarial, competitividad y calidad de la industria tablerista se pueden encontrar proyectos relacionados con GIM INGENIERÍA ELÉCTRICA LTDA. de los cuales resulta importante mencionar el trabajo de estudiantes de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

En el año 2013 los estudiantes Milly Andrea Jaramillo Moreno y Fabián Ricardo Duque Benjumea presentaron una tesis para optar por el título de Ingeniero mecánico, en la cual se analizó por elementos finitos la transferencia de calor de un transformador tipo seco de una potencia aparente de 1000kVA, con el fin, de optimizar el área efectiva de ventilación de una celda diseñada para este tipo de transformadores teniendo en cuenta la norma CODENSA CTS-518, CTS-518-2, CTS-519 que indica los parámetros principales que se deben cumplir para la instalación de transformadores tipo seco y la fabricación de las celdas que los van a contener de acuerdo con las normas NEMA(National Electrical Manufacturers Association) y ANSI (American National Standards Institute) y diversas recomendaciones de seguridad y manejo de media tensión derivadas de dichas normas. 2

En el año 2015 se presenta la tesis titulada Desarrollo De Una Aplicación De Software Para El Diseño Mecánico Con Generación De Planos Técnicos Y Formatos Comerciales, Para Cerramiento De Transformadores Tipo Seco, Según Las Normas Codensa Cts 509, Cts 502-4, Cts 518 Y Cts 518-2. Por los estudiantes Jefferson Deivid Morales Ramírez Y Néstor Leonardo Mahecha López en la que se realizó por medio de un programa computacional, todo el diseño del cerramiento mecánico, de modo que todos los componentes estén parametrizados, obteniendo así el diseño final para después incorporarlo en la interfaz de tal manera que se genere el compendio de planos y la oferta de una manera rápida y organizada.

2 DUQUE. Fabián R/ JARAMILLO .Milly A. Análisis Térmico Por Elementos Finitos, Diseño Y Optimización Del

Área Efectiva De Ventilación De Una Celda Para Transformador Tipo Seco De 1000kva, Tesis 2013

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Como beneficios para la empresa GIM ingeniería eléctrica Ltda. el aporte generado es en el sector económico, debido a que los cerramientos metálicos para transformadores tipo seco pertenecen a la gama de productos de media tensión ofrecidos por la compañía, de tal manera que se agilice notablemente la generación de la oferta para el cliente y el diseño mecánico por parte del departamento de ingeniería, ya que el tiempo para el desarrollo del cerramiento afecta notablemente el tiempo de fabricación ocasionando el incumplimiento de pólizas y generando pérdidas tanto económico como de los clientes de la compañía.

En el área ambiental el principal aporte es el ahorro del consumo energético en la ventilación de la celda, ya que en el diseño se despreció la ventilación forzada, es decir no se usarán ventiladores accionados eléctricamente si no que en vez de ello se hará natural utilizando perforaciones en las tapas y estructura garantizando que se cumpla con el grado de protección especificado en las normas NEMA-IP y con el área efectiva de ventilación solicitado como requerimiento en las normas Codensa.

El aporte en seguridad industrial, se da debido a que se realizó siguiendo los parámetros establecidos bajo la norma CODENSA CTS-518 que especifica cómo deben instalarse dentro de las celdas los transformadores tipo seco de tal manera que cumpla con las normas NEMA, en cuanto a la entrada de objetos extraños y protección contra la accesibilidad de personas no autorizadas y animales, además como medida de seguridad se evita la posibilidad de que puedan introducir objetos extraños como cables y varillas por los espacios de ventilación de la celda, que puedan entrar en contacto con las partes energizadas.3

WEG Equipamientos Eléctricos S.A., es una empresa argentina del grupo WEG, especialista en la provisión de soluciones electro-electrónicas industriales. En la cual se encuentra un dispositivo construido especialmente para realizar pruebas de agua, según recomienda el punto 31 Verificación de grados de protección” y anexo B de la norma IRAM 2200/85, (Imagen 3).4

3 MORALES. Jefferson D/ MAHECHA. Néstor L, Desarrollo De Una Aplicación De Software Para El Diseño

Mecánico Con Generación De Planos Técnicos Y Formatos Comerciales, Para Cerramiento De

Transformadores Tipo Seco, Según Las Normas Codensa Cts 509, Cts 502-4, Cts 518 Y Cts 518-2. Tesis

2015

4 WEG Catalogo general de soluciones en tableros eléctricos.

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Imagen 3. Prueba de agua WEG equipamientos eléctricos S.A.

Fuente WEG Equipamientos Eléctricos S.A

El sistema utilizado en esta empresa, utiliza 6 aspersores que rocían como mínimo 5mm/min de agua durante un tiempo de 5 min brindando aproximadamente 25mm de precipitación en toda la prueba, (imagen 3).

Imagen 4. Prueba de agua weg.

Fuente: WEG Equipamientos Eléctricos S. A.

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En 2011, Eaton celebró su 100 aniversario y con una herencia de innovación y experiencia que ha situado a la compañía para dar respuesta a cualquier reto relacionado con la gestión de energía.

Este espíritu de innovación y emprendimiento conducido por un compromiso con la integridad y la ética fue objetivo primordial para Joseph cuando fundó la compañía. Desde ese momento, Eaton se ha desarrollado como líder e innovador desde tecnologías para vehículos hasta empresa líder en gestión de la energía que también sirve a mercados hidráulico, aeroespacial y eléctrico.

Sus ya probadas tecnologías y productos juegan un rol muy importante en la gestión de la energía en muchos aspectos relacionados con la rutina diaria desde edificios energéticamente eficientes, ciudades e infraestructuras hasta aviones de nueva generación, coches, camiones y máquinas.

Hoy Eaton provee a mercados y clientes globales. Siguiendo con el objetivo de ayudar a los clientes a utilizar la energía de forma más fiable, eficiente y segura, nuestra cultura y valores de "doing business right" ("hacer bien los negocios"), continua siendo una guía hacia la construcción de un futuro más potente5.

Ésta organización cuenta con sucursales a nivel mundial en varios países, y al igual que otras empresas que desarrollan sus negocios en el sector eléctrico deben cumplir con unos requisitos fundamentales para el cumplimiento de sus estándares y lineamientos, en Colombia EATON, posee una sede donde se elaboran las pruebas de agua a tableros eléctricos, sin embargo se encuentra más en el enfoque de las cajas antiexplosivos, y dichas pruebas se realizan de forma hidrostática considerando su grado de protección, que en la mayoría de los es NEMA 7, no obstante algunos gabinetes se les proporciona una prueba de agua con características adaptables para satisfacer los grados de protección NEMA tipo 3R y tipo 4.

5 Catalogo equipos EATON.

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Imagen 5. Estación de pruebas de agua EATON.

Fuente: Eaton Colombia.

1.3 JUSTIFICACIÓN

La competitividad es un factor importante para que las empresas busquen desarrollar productos cada día mejor, teniendo en cuenta la calidad y que los procesos que intervienen allí se encuentren en la vanguardia internacional de la industria, cumpliendo con protocolos y normas según apliquen para cada proceso, es por esto que los beneficios y aportes en el desarrollo de este proyecto se encuentran clasificados de la siguiente manera:

Tecnológicos: el desarrollo de este proyecto tiene un aporte tecnológico debido a que, se va a diseñar un sistema para la realización de pruebas de agua para gabinetes eléctricos para grados de protección NEMA para tipo 3R y tipo 4 con recuperación de agua, y esto garantiza que la prueba se realice de la forma adecuada.

Académico: este proyecto brinda un aporte académico, debido que para el diseño se va a usar una metodología para este ámbito, y se van a modelar por medio de un programa de diseño asistido por computador, cada uno de los elementos que componen el sistema.

Económico: para la organización GIM INGENIERÍA ELÉCTRICA LTDA será el aporte económico, debido a que se va a evitar problemas de garantía por el mal procedimiento actual de la prueba, y el ahorro que se tendrá por la reutilización del agua.

Ambientales: el aporte ambiental en este proyecto es bastante significativo, porque se va a reducir el consumo de recursos naturales como es el caso

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del agua, elemento que puede usarse en otra aplicación de mayor necesidad.

Seguridad industrial: el aporte en seguridad industrial se ve reflejado en la reducción de la interacción del operario con los sistemas hidráulicos, además de la utilización de escalera para alcanzar la altura máxima de los gabinetes, generando posibles incidentes o accidentes causadas por caídas.

1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Objetivo General

Diseñar un sistema de pruebas de agua, para la verificación de grados de protección en gabinetes eléctricos según la norma NEMA para tipo 3R y tipo 4 con recuperación de agua para la empresa GIM ingeniería eléctrica Ltda.

1.4.2 Objetivos Específicos

Identificar y analizar los requerimientos necesarios para la aplicación de la norma.

Desarrollar el proyecto mediante una metodología de diseño.

Seleccionar y diseñar los componentes mecánicos del sistema.

realizar el análisis económico del proyecto.

Posteriormente, se realizara el diseño y la selección de cada uno de los elementos mecánicos, que componen el sistema y adicional a esto se generara un modelamiento en un software de diseño asistido por computador (CAD), con el objetivo de desarrollar el proyecto a un alto nivel, teniendo en cuenta la generación de los planos de fabricación del sistema de pruebas de agua de una forma detallada.

Para finalizar es necesario desarrollar un análisis económico, para identificar los costos que involucran el proyecto, teniendo en cuenta la inversión en este, las ganancias que se pueden generar por la recirculación del agua en la pruebas, además del mejoramiento ambiental que se está obteniendo al no tener que desperdiciar agua en los ensayos, y por último la generación de la documentación necesaria para la posterior puesta en funcionamiento del proyecto.

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2 CAPITULO 2: MARCO TEÓRICO

2.1 GABINETE ELÉCTRICO.

Según el vocabulario eléctrico internacional (VEI 826-03-12) es el elemento que proporciona protección del material contra las influencias externas y en cualquier dirección, la protección contra los contactos directos.6

Los envolventes proporcionan una barrera al acceso de personas, objetos externos e impactos mecánicos que puedan poner en riesgo la funcionalidad de los equipos eléctricos, los cuales están reglamentados por una serie de normas internacionales entre ellas las normas NEMA, en la cuales se aclara con más detalle cada grado de protección que puede cumplir con respecto a la entrada de objetos y agua.

2.2 GRADO DE PROTECCIÓN

Es el nivel de protección proporcionado por un envolvente contra el acceso a las partes peligrosas, contra la penetración de cuerpos solidos extraños, contra la entrada de agua o contra los impactos mecánicos exteriores.

El grado de protección principalmente debe ser escogido teniendo en cuenta las necesidades que debe suplir el sistema eléctrico, tales como el uso al que va a estar expuesto, ya sea interior o exterior, si el ambiente en el que va a trabajar está expuesto a partículas o va a estar en un ambiente aislado libre de polvo, incluso se debe tener en cuenta la posibilidad de acceso de personal no capacitado hacia el envolvente, así mismo determinar cuál nivel de protección es el más adecuado.

2.3 NORMA NEMA

Es un conjunto de estándares creado por la asociación nacional de fabricantes eléctricos. Para estandarizar el rendimiento de los gabinetes, ofrece sistemas de calificación para identificar la capacidad de un gabinete para resistir influencias ambientales, desde líquidos que gotean a la infiltración de polvo y la inmersión completa. El objetivo de la calificación de las tres organizaciones es ayudar a los usuarios finales a hacer una selección apropiada, informada, de gabinetes que cumplan con las exigencias específicas de su aplicación.

6 Guia técnica de aplicación. Ministerios De Ciencia Y Tecnología. Edición sep 30 rev 1.

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Tipo 1: proporciona un grado de protección contra el acceso a piezas peligrosas y contra el ingreso de objetos extraños solidos como suciedad que cae, no ofrece protección al ingreso de líquidos.

Tipo 2: proporciona un grado de protección contra el acceso a piezas peligrosas y contra el ingreso de objetos extraños solidos como suciedad que cae, da protección contra el ingreso de agua: goteo y salpicaduras ligeras.

Tipo 5: proporciona un grado de protección contra el acceso a piezas peligrosas y contra el ingreso de objetos extraños solidos como suciedad que cae, asentamiento de polvo, pelusa, fibras y contaminantes circulares da protección contra el ingreso de agua: goteo y salpicaduras ligeras.

Tipo 12: proporciona un grado de protección contra el acceso a piezas peligrosas y contra el ingreso de objetos extraños solidos como suciedad que cae, asentamiento de polvo, pelusa, fibras y contaminantes circulares da protección contra el ingreso de agua: goteo y salpicaduras ligeras o filtración de aceite y refrigerantes no corrosivos.

Tipo 12: proporciona un grado de protección contra el acceso a piezas peligrosas y contra el ingreso de objetos extraños solidos como suciedad que cae, asentamiento de polvo, pelusa, fibras y contaminantes circulares da protección contra el ingreso de agua: goteo, salpicaduras y roció, filtración de aceite y refrigerantes no corrosivos.

Tipo 3: proporciona un grado de protección contra el acceso a piezas peligrosas y contra el ingreso de objetos extraños solidos como suciedad que cae, y polvo soplado por el viento, contra el ingreso de agua: lluvia o aguanieve llevada por el viento.

Tipo 3R: proporciona un grado de protección contra el acceso a piezas peligrosas y contra el ingreso de objetos extraños solidos como suciedad que cae, contra el ingreso de agua: caída de lluvia, aguanieve o nieve.

Tipo 4: proporciona un grado de protección contra el acceso a piezas peligrosas y contra el ingreso de objetos extraños solidos como suciedad que cae y polvo soplado por el viento, contra el ingreso de agua: lluvia, aguanieve salpicadura de agua y agua dirigida con manguera.

Tipo 4x: proporciona un grado de protección contra el acceso a piezas peligrosas y contra el ingreso de objetos extraños solidos como suciedad que cae y polvo soplado por el viento, contra el ingreso de agua: lluvia, aguanieve salpicadura de agua y agua dirigida con manguera y mayor nivel de protección contra la corrosión.

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Tipo 6: proporciona un grado de protección contra el acceso a piezas peligrosas y contra el ingreso de objetos extraños solidos como suciedad que cae, contra el ingreso de agua: agua dirigida con manguera y la inmersión temporal esporádica a profundidad limitada.

Tipo 6P: proporciona un grado de protección contra el acceso a piezas peligrosas y contra el ingreso de objetos extraños solidos como suciedad que cae, contra el ingreso de agua: agua dirigida con manguera y la inmersión prolongada a profundidad limitada.7

2.4 ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL

El impacto ambiental es un cambio o una alteración en el medio ambiente, siendo una causa o un efecto debido a la actividad y a la intervención humana. Este impacto puede ser positivo o negativo, el negativo representa una ruptura en el equilibrio ecológico, causando graves daños y perjuicios en el medio ambiente, así como en la salud de las personas y demás seres vivos. Por ejemplo, la contaminación del aire o de los mares con la basura o el petróleo, la contaminación acústica, las guerras, los desechos de la energía radioactiva, entre otros.

La medición del impacto ambiental no se puede hacer con precisión, porque el medio ambiente es un sistema complejo. En la ecología, es posible hacer algunas estimaciones a través del EIA (Environmental Impact Assessment, traducido por Estudio o Evaluación del Impacto Ambiental), que surgió en Estados Unidos en los años 60, y los respectivos Informes de Sostenibilidad Ambiental (ISA), para intentar minimizar el impacto negativo.

La gran mayoría de las actividades económicas implica y conlleva un impacto ambiental. Las industrias energéticas y mineras (por ejemplo, una planta hidroeléctrica o una mina) causan un impacto ambiental8.

2.5 INGENIERÍA CONCURRENTE

Los orígenes de la Ingeniería Concurrente se remontan a la década de 1950, cuando Genichi Taguchi trabajó en el desarrollo de los principios del Diseño Robusto (RD) mientras trabajaba en Nippon Telegraph and Telephone (NTT). Esta metodología iba encaminada a optimizar el producto desde el punto de vista del proceso de fabricación.

7 National Electrical Manufacturers Association.(1998).NEMA 250

8 www.significado/ impacto ambiental.

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Esta técnica introducía dos conceptos innovadores. Primeramente, reconocía el papel preponderante del cliente para el éxito económico del producto. La técnica incluía un proceso sistemático que ayudaba a los diseñadores a desplegar las necesidades del cliente, con la meta de integrar los satisfactores adecuados en el producto.

En segundo lugar, planteaba que el diseño debería ser realizado no por una sola persona sino por un equipo compuesto por personal de las diferentes áreas de la empresa proveedora del producto o servicio: diseñadores de producto, ingenieros de manufactura, personal de mercadotecnia, ventas y servicio, etc. Así, la técnica ayudaba a resolver dos limitaciones inherentes del diseño aislado: la falta de conexión con el usuario final, y la imposibilidad que tiene una sola persona para entender y dominar todos los aspectos que debe cumplir un producto para que sea exitoso

Su implementación resulta en un sistema enfocado a responder rápidamente a los requisitos del mercado. Una de las características fundamentales de esta técnica es que reconoce que hay debilidades inherentes en las líneas de producción que han sido diseñadas en las áreas de ingeniería. Típicamente, las debilidades de la línea de producción son causadas por suposiciones erróneas o por falta de conocimiento de los diseñadores.

La ingeniería concurrente (CE por sus siglas en inglés) se define como “un enfoque sistemático para el diseño paralelo e integrado de productos y los procesos relacionados, incluyendo manufactura y servicios de apoyo, con la intención de que los desarrolladores consideren, desde el inicio del proyecto, todos los elementos del ciclo de vida del producto, desde su concepción hasta su eliminación y reciclaje, incluyendo calidad, costo, planeación y requerimientos del usuario”.

Cuando se implementa exitosamente, los productos que se desarrollan con esta filosofía se fabrican de forma eficiente, entran al mercado rápidamente y son de calidad satisfactoria para los clientes. El término CE se ha venido usando desde 1986, cuando el Instituto para el Análisis de la Defensa de Estados Unidos lo describió en su reporte R-388.2

Hoy ésta es un área de investigación muy lucrativa. CE mejora el enfoque secuencial de la producción tradicional mediante tres elementos principales:

Una arquitectura computacional distribuida que permite la sincronización

programación óptima de tareas

manejo adecuado de flujos de información.

El enfoque concurrente permite la realización simultánea de todas las tareas de desarrollo hasta la fabricación del prototipo. Otros conceptos que distinguen a CE del enfoque tradicional son el cambio en cultura organizacional, los equipos

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de trabajo multidisciplinarios y el énfasis en el manejo de rutas de información más que de jerarquías organizacionales. Aunque el concepto no es nuevo, el desarrollo reciente de tecnologías de la información como Internet y ciertas técnicas de Inteligencia Artificial permite crear nuevas aplicaciones para explotar mejor la filosofía de la ingeniería concurrente. En el presente artículo se explica en particular el papel que están jugando dos de estas herramientas para el avance de CE: los agentes computacionales y la modelación de datos. La descripción breve de un proyecto realizado para este fin complementa la exposición.9

2.6 MATRIZ QFD

El despliegue de la función de calidad o QFD, por sus siglas en inglés Quality Function Deployment, se originó en el Japón en la década de 1960 es un método de diseño de productos y servicios que recoge las demandas y expectativas de los clientes y las traduce, en pasos sucesivos, a características técnicas y operativas satisfactorias. La cual fue diseñada específicamente para la creación de nuevas aplicaciones y productos, desde sus inicios fue considerada una herramienta importante de la gestión total de la calidad, conocida en aquel país como Total Quality Control (TQC)

La idea del QFD fue madurando en aplicaciones de diverso tipo, pero el método no lograba consolidar el concepto de calidad del diseño. Sin embargo, hacia 1972, en el Astillero de Kobe de Mitsubishi Heavy Industries, con Shigeru Mizuno y Yasushi Furukawa trabajando como consultores externos, se desarrolló la matriz de la calidad, que sistematizaba la relación entre las necesidades de los clientes y las características de calidad incorporadas en los productos; la matriz de la calidad constituye hoy el núcleo del QFD.

En 1975, la Sociedad Japonesa de Control de Calidad (JSQC) estableció un comité de estudio del QFD para formular su metodología, y en 1987, luego de 13 años de esfuerzo, publicó un estudio sobre las aplicaciones del QFD en 80 empresas japonesas, donde se lo utilizaba para objetivos como los siguientes:

Establecimiento de la calidad de diseño y la calidad planificada

Realización del benchmarking de productos de la competencia

Desarrollo de nuevos productos que posicionaran a la empresa por delante de la competencia

Acumulación y análisis de información sobre la calidad en el mercado

9 S.L. Albin y P.J. Crefeld. Getting started: Concurrent engineering for a medium-sized manufacturer. Journal

of Manufacturing Systems, 13: 48-58, 1994.

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Comunicación a procesos posteriores de información relacionada con la calidad

Identificación de puntos de control para el piso de la planta

Reducción del número de problemas iniciales de calidad

Reducción del número de cambios de diseño

Reducción del tiempo de desarrollo

Reducción de los costos de desarrollo y

Aumento de la participación en el mercado.

Después de una década el concepto del QFD se consolidó y fue adoptado por grupos industriales como Toyota; por ser una herramienta de aplicación general, gracias a su utilidad en empresas de electrónica y en el sector de los servicios; se expandió a los EE.UU., donde fue incorporado por Digital Equipment Corporation, Ford Motor Company, Hewlett-Packard y otras empresas ya que esta metodología contribuyó a consolidar más prontamente el proceso de diseño, los beneficios de uso del QFD están vinculados con el desarrollo de nuevos productos se manifiestan en menores costos, tiempos y número de defectos.

En los últimos años ha aumentado la gama de aplicaciones del QFD y su refinamiento metodológico. Dado que brinda una herramienta no solo para el diseño de productos y servicios, sino también en el diseño y la mejora de procesos como la planificación empresarial así como la comprensión de fenómenos organizacionales y a la mejora de servicios en el sector público y en la educación.10

2.7 METODOLOGÍA TRIZ

El acrónimo TRIZ proviene de la expresión en ruso “teorija rezhenija izobretatelskih zadach”, que significa “teoría para resolver problemas de forma inventiva”. Dicha teoría fue desarrollada por el científico e ingeniero ruso Genrich Altshuller (1926-1998) y sus colegas, que analizaron unas 400.000 patentes tecnológicas y encontraron ciertas regularidades y pautas básicas que gobernaban el proceso de resolución inventiva de problemas.

TRIZ se ha extendido a más de 35 países y se enseña en diversas universidades repartidas por todo el mundo. Algunas compañías multinacionales como Ford Motors, Procter & Gamble o Mitsubishi han usado TRIZ con éxito en el desarrollo de sus productos. Sin embargo, también es cierto que TRIZ ha sido criticado por su excesiva complejidad y por su naturaleza “enigmática”.

10 Yacuzzi, Enrique. Martín, Fernando . QFD: conceptos, aplicaciones y nuevos desarrollos . Serie

Documentos de Trabajo, Universidad del CEMA: Área: negocios 234.Año 2003

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2.7.1 Metodología Triz.

consiste en una metodología y un conjunto de herramientas que permiten abordar de manera lógica y sistemática el proceso inventivo. Se parte de un problema específico (ver figura 1) del cual se abstraen sus aspectos esenciales, convirtiéndolo así en un problema abstracto. A continuación, se selecciona una solución abstracta preestablecida para dicho problema abstracto. Por último, se convierte la solución abstracta seleccionada en una solución específica para el problema específico original.

2.7.2 Conceptos Básicos

Los conceptos de contradicción, idealidad y pautas de evolución fueron introducidos por Altshuller y se consideran fundamentales en TRIZ:

i) Contradicciones. Se producen cuando existen características o efectos en el sistema que parecen ser incompatibles. Una forma no inventiva de gestionar la contradicción consistiría simplemente en llegar a un compromiso entre las características o efectos. TRIZ, por el contrario, intenta resolver la contradicción llegando a una solución inventiva. Existen dos tipos principales de contradicciones:

a) Contradicciones técnicas. Surgen cuando la mejora de una primera característica del sistema provoca el deterioro de una segunda característica del sistema. Por ejemplo, aumentar la potencia del motor de un vehículo provoca un aumento del peso de dicho vehículo.

b) Contradicciones físicas. Ocurren cuando una característica del sistema tiene a la vez efectos beneficiosos y efectos perjudiciales. Por ejemplo, un mayor tamaño de un paraguas permite una mayor protección frente a la lluvia, pero, al mismo tiempo, resulta más incómodo de llevar.

ii) Idealidad. Es una medida de cuánto se acerca un sistema a un resultado final ideal(RFI).

TRIZ tiene como objetivo aumentar la idealidad de un sistema, ya sea aumentando sus beneficios o disminuyendo sus costes o perjuicios.

iii) Pautas de evolución de los sistemas. Altshuller observó que, generalmente, los sistemas siguen ciertas regularidades en su desarrollo y, a partir de dichas regularidades, dedujo unas pautas de evolución de los sistemas que permiten predecir su progresiva transformación hacia una idealidad creciente.

2.7.3 Herramientas Principales

Existe un gran número de herramientas pertenecientes a la metodología TRIZ. Estas pueden clasificarse en tres grandes grupos: herramientas analíticas, herramientas basadas en el conocimiento y herramientas psicológicas.

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Las herramientas analíticas permiten formular el problema; se trata, por ejemplo, del llamado análisis “substancia-campo”, del análisis funcional o del algoritmo para resolver problemas de forma inventiva (ARIZ). Las herramientas basadas en el conocimiento proporcionan recomendaciones para encontrar una solución al problema; se trata, por ejemplo, de los 40 principios inventivos, las 76 soluciones estándar y la base de datos de 2500 efectos técnicos. Las herramientas psicológicas pretenden facilitar el proceso creativo; se trata, por ejemplo, del llamado método de los “pequeños hombres listos”.

Una de las primeras herramientas desarrolladas por Altshuller es la matriz de contradicciones. Esta matriz tiene 39 filas por 39 columnas. Filas y columnas se corresponden con una lista de 39 posibles características del sistema. En las filas se selecciona la primera característica del sistema que se quiere mejorar, mientras que en las columnas se selecciona la segunda característica del sistema que se deteriora en consecuencia, ya que existe una contradicción entre ambas. En la casilla correspondiente a la fila y la columna seleccionadas se encuentra una recomendación de cuáles son los principios inventivos que convendría utilizar para resolver la contradicción, entresacados de la lista de los llamados 40 principios inventivos.

Como ejemplo de aplicación, supongamos que queremos incrementar la velocidad máxima de un vehículo (fila 9), para lo cual utilizamos un motor más potente y, por consiguiente, más pesado. Se produce, pues, un aumento indeseable del peso del vehículo (columna 1). La matriz nos sugiere utilizar los principios inventivos 2, 28, 13 y/o 38 para resolver la contradicción. El principio 38, en concreto, propone la utilización de fuertes oxidantes. En ese sentido, es conocido que el empleo de óxido nitroso en motores de combustión de automóviles permite obtener una mayor potencia y, por tanto, una mayor velocidad, sin incrementar el peso del motor, por lo que la sugerencia proporcionada por la matriz de contradicciones parece ciertamente relevante.11

2.8 AGUAS RESIDUALES

Las aguas residuales se pueden definir como la combinación de líquido o agua que conduce los residuos retirados de residencias, instituciones y establecimientos comerciales e industriales, que por lo general, contiene una alta carga de residuos, materiales orgánicos, e inorgánicos, en algunos casos pueden contener compuestos tóxicos.

11 Imoh M. Ilevbare, David Probert, Robert Phaal, A review of TRIZ, and its benefits and challenges in

practice, Technovation, Volume 33, Issues 2–3, February–March 2013, Pages 30-37, ISSN 0166-4972,

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Las aguas residuales se pueden clasificar en cuatro categorías:

Domésticas: aguas residuales vertidas desde las residencias e instituciones comerciales e instalaciones similares

Industrial: aguas residuales en las que predominan los desechos industriales

Infiltración / afluencia: agua procedente del exterior que entra en el sistema de alcantarillado a través de medios directos e indirectos, tales como fugas a través de juntas, grietas o paredes porosas. Afluencia es el agua lluvia que entra en el sistema de alcantarillado de las conexiones de drenaje de aguas lluvias, las cabeceras del techo, cimientos y sótanos a través de alcantarillas o tapas de las alcantarillas

Agua Lluvia: resultante de las inundaciones e infiltraciones debido a las lluvias.

Las aguas residuales industriales varían ampliamente en su composición, la carga, el flujo y el volumen, dependiendo de la industria. La composición específica y el volumen de los residuos industriales, dependen del uso al que se ha sometido el agua.

Industrias típicas que producen grandes volúmenes de aguas residuales son las plantas de papel y fibra, fábricas de acero, refinación y operaciones petroquímicas, plantas de productos químicos y fertilizantes, empacadores y procesadores de carne de aves de corral y las operaciones de embalaje de verduras y frutas.

Existen tres opciones disponibles en el control de las aguas residuales industriales. El control puede tener lugar en el punto de generación en la planta, pueden ser tratados previamente para la descarga a las fuentes de tratamiento municipal, o pueden ser tratadas por completo en la planta y reutilizadas o se vierten directamente en las aguas receptoras o alcantarillado según el caso.

2.8.1 Tratamientos convencionales de las aguas residuales

Los Procesos de tratamiento de aguas residuales convencionales consisten en una combinación de procesos físicos, químicos, biológicos y de operaciones para remover sólidos, materias orgánicas.

Tratamiento Preliminar. El objetivo del tratamiento preliminar es la eliminación de sólidos gruesos y otros materiales de gran tamaño que a menudo se encuentran en las aguas residuales crudas. El Tratamiento preliminar ayuda a eliminar o reducir el tamaño de sólidos en suspensión, disueltos o flotantes.

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Tratamiento Primario. El tratamiento primario está diseñado para eliminar los sólidos orgánicos e inorgánicos por medio de los procesos físicos de sedimentación y flotación.

Aproximadamente el 25-50% de la demanda de oxígeno bioquímico entrante (DBO), el 50-70% del total de sólidos suspendidos, y el 65% del aceite y la grasa se extraen durante el tratamiento primario.

Algo de nitrógeno orgánico, fósforo orgánico, y metales pesados asociados con los sólidos también se eliminan durante la sedimentación primaria, pero los componentes coloidales y disueltos no se ven afectados.

Tratamiento Secundario. El objetivo del tratamiento secundario es el tratamiento posterior de los efluentes de tratamiento primario para remover la materia orgánica residual y sólidos en suspensión.

En cuanto al tamaño de los sólidos, la distribución es de aproximadamente 30% en suspensión, el 6% coloidal y cerca del 65% de sólidos disueltos. La función del tratamiento primario es eliminar la mayor cantidad de sólidos en suspensión como sea posible.

El proceso de tratamiento secundario consiste en el tratamiento biológico de aguas residuales mediante la utilización de diferentes tipos de microorganismos en un ambiente controlado. Varios procesos biológicos aeróbicos se utilizan para el tratamiento secundario que difieren principalmente en la forma en que se suministra oxígeno a los microorganismos y en la velocidad a la cual los organismos metabolizan la materia orgánica.

Tipos De Tratamiento Avanzado De Aguas Residuales

Los tratamientos avanzados de aguas residuales se utilizan para:

• Eliminación adicional de materia orgánica y de sólidos en suspensión

• Eliminación de Nitrógeno Orgánico Disuelto (NOD)

• Eliminación de nutrientes

• Eliminación de materiales tóxicos

Los tratamientos avanzados se pueden dividir en tres grandes categorías:

• Tratamiento terciario

• Tratamiento fisicoquímico

• Tratamiento combinado biológico-fisicoquímico

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El tratamiento terciario se puede definir como cualquier proceso de tratamiento en el que las unidades operativas se añaden al diagrama de flujo después de un tratamiento secundario convencional. El esquema adicional al tratamiento secundario convencional podría ser tan simple como la adición de un filtro para la eliminación de sólidos en suspensión o tan complejo como la adición de muchas unidades de proceso para eliminación de productos orgánicos, sólidos suspendidos, nitrógeno y fósforo.

El tratamiento físico-químico se define como un proceso de tratamiento en el que los procesos biológicos y físico-químicos se mezclan para lograr el efluente deseado

Tratamiento combinado biológico-fisicoquímico se diferencia del tratamiento terciario en que en el tratamiento terciario todos los procesos de unidad se añaden después de un tratamiento biológico convencional, mientras que en el tratamiento combinado, los tratamientos biológicos y físico-químicos se mezclan.

Tratamiento De Membranas.

Es un medio de purificación y / o concentración de una gran variedad de fluidos de agua y aguas residuales. Es un proceso impulsado por la presión que se basa en el tamaño de los poros de la membrana (por lo general las películas delgadas o láminas de plástico con una estructura microporosa con precisión de tamaño parecido al de una esponja) para separar los componentes de la corriente de alimentación de acuerdo al tamaño de los poros.

Ósmosis inversa

En este proceso el agua de alimentación es bombeada a alta presión a través de membranas permeables, separando las sales del agua. El fluido de alimentación requiere un tratamiento previo para eliminar las partículas que obstruyen las membranas. La calidad del agua producida depende de la presión, la concentración de sales en el agua de alimentación, y la constante de penetración de las membranas. La Osmosis depende sólo de la concentración de solutos y no de su tipo.

Electrodiálisis

Con esta técnica, el agua salobre es bombeada a bajas presiones, entre varios cientos de membranas permeables a los iones planas, paralelos, que se ensamblan en una pila.

Las membranas que permiten a los cationes pasar a través de ellas se alternan con membranas permeables a los aniones. Una corriente eléctrica directa se establece a través de la pila por medio de electrodos colocados en ambos extremos.

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Esta corriente eléctrica lleva los iones a través de las membranas y los concentra entre cada par de membranas alternante. El agua desalada se deja parcialmente entre cada conjunto de pares adyacentes de la membrana. El escale o ensuciamiento de las membranas se evita operando en dirección contraria la corriente eléctrica que viaja a través de las pilas en intervalos de 15 a 30 min.

Intercambio Iónico

En este proceso, los iones indeseables en el agua de alimentación son intercambiados por iones deseables, el agua pasa a través de los productos químicos granulados, llamado resinas de intercambio iónico.

Por ejemplo, las resinas de intercambio iónico se utilizan normalmente en las plantas municipales de tratamiento de agua para eliminar los iones de calcio y magnesio en el agua "dura" y por las industrias en la producción de agua ultra pura. Cuanto mayor sea la concentración de sólidos disueltos en el agua de alimentación, con mayor frecuencia las resinas tendrán que ser reemplazadas o regeneradas.12

2.9 VARIADORES DE VELOCIDAD

El comando y protección electrónica de motores provee un desempeño mayor que las soluciones tradicionales electromecánicas. Cuando la necesidad sea arrancar un motor, la opción será elegir entre los métodos tradicionales electromecánicas de arranque (directo o a tensión reducida como estrella-triangulo o autotransformador para motores jaula, o con resistencias rotoricas para motores de rotor bobinado, entre otros), y un arrancador electrónico progresivo, si las necesidades de la aplicación son de variar velocidad y controlar el par, las opciones son utilizar alguna solución mecánica, un motor especial ( de corriente continua, servo, etc.) o un motor asincrónico jaula de ardilla con variador de frecuencia.

Los variadores de velocidad son dispositivos electrónicos que permiten variar la velocidad y la culpa de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.

Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean:

Dominio de par y velocidad

Regulación sin golpes mecánicos movimientos complejos

12 luz marelbys Oviedo Ochoa. Estudio de alternativas de reusó y reciclo de aguas residuales en aplicaciones

industriales y municipales. universidad industrial de Santander Bucaramanga 2011

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Mecánica delicada

Movimientos complejos

2.9.1 El motor

Los variadores de velocidad están preparados para trabajar con motores trifásicos asincrónicos de rotor de jaula. La tensión de alimentación del motor no podrá ser mayor que la tensión de red.

A tensión y frecuencia de placa de motor se comporta de acuerdo a la figura siguiente:

Figura 1. Corriente vs velocidad

Fuente. Catalogo Schneider Electric.

El dimensionamiento del motor debe ser tal que la cupla resistente de la carga no supere la cupla nominal del motor, y que la diferencia entre una y otra provea la cupla acelerante y desacelerante suficiente para cumplir los tiempos de arranque y parada.

2.9.2 El convertidor de frecuencia

Se denomina así a los variadores de velocidad que rectifican la tensión alterna de red (monofásica o trifásica), y por medio de seis transistores trabajando den modulación de nacho de pulso generan una corriente trifásica de frecuencia y tensión variable un transistor más, llamado de frenado, permite direccionar la energía que devuelve el motor (durante el frenado regenerativo) hacia una resistencia exterior, a continuación se muestra un diagrama electrónico típico.

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Figura 2. Diagrama electrónico de conexión.

Fuente. Catalogo Schneider Electric.

La estrategia de disparo de los transistores del ondulador es realizada por un microprocesador que, para lograr el máximo desempeño del motor dentro de todo el rango de velocidad, utiliza un algoritmo de control vectorial de flujo.

Este algoritmo por medio del reconocimiento de los parámetros del motor y las variables de funcionamiento (tensión, corriente, frecuencia, etc.), realiza un control preciso del flujo magnético en el motor manteniéndolo constante independientemente de la frecuencia de trabajo, al ser el flujo constante, el par provisto por el motor también lo será. En el grafico se observa que desde 1 Hz hasta 50 Hz, el par nominal del motor está disponible para uso permanente. El 170% del par nominal está disponible, durante 20 segundos y el 200% del par nominal está disponible durante 0.2 segundos.

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Figura 3. Diagrama par vs velocidad.

Fuente: Catalogo Schneider Electric.

2.9.3 Selección de un variador de velocidad.

Para definir el equipo más adecuada parar resolver una aplicación de variación de velocidad, deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

Tipo de carga: por constante, par variable, potencia constante, cargas por impulsos.

Tipo de motor: de inducción rotor jaula de ardilla o bobinado, corriente y potencia nominal, factor de servicio, rango de voltaje.

Rangos de funcionamiento: velocidades máximas y mínimas. Verificar necesidad de ventilación forzada del motor.

Par de arranque: verificar que no supere los permitidos por el variador, si supera el 170% del par nominal es conveniente sobredimensionar el variador.

Frenado regenerativo: cargas de gran inercia, ciclos rápidos y movimientos verticales requieren de resistencia de frenado exterior.

Condiciones ambientales: temperatura ambiente, humedad, altura, tipo de gabinete y ventilación.

Aplicación multimotor: provee protección térmica individual para cada motor. La suma de las potencias de todos los motores será la nominal del variador.

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Consideraciones de la red: micro interruptores, fluctuaciones de tensión, armónicas, factor de potencia, corriente de línea disponible, transformadores de aislamiento.

Consideraciones de la aplicación: protección del motor por sobre temperatura y/o sobre carga, contactar de aislamiento, bypass, re arranque automático, control automático de la velocidad.

Aplicaciones especiales: compatibilidad electromagnética, ruido audible del motor, bombeo, ventiladores y sopladores, izaje, motores en paralelo, etc13.

2.10 BOMBAS CENTRÍFUGAS

Clasificación Las bombas se clasifican según dos consideraciones generales diferentes: 1) la que toma en consideración las características de movimiento de líquidos y (2) la que se hace en base al tipo o aplicación específica para los cuales se ha diseñado la bomba. A continuación se presenta un resumen de dichas clasificaciones.

Figura 4. Esquema clasificación de las bombas.

Fuente: Bombas centrifugas Ariel Marchigiani.

13 Schneider Elctric, catálogo de productos de control

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2.10.1 Altura útil de una bomba centrifuga

La expresión para la altura útil de una bomba centrífuga se obtiene aplicando el principio del momento angular a la masa de líquido que circula a través del impulsor.

Este principio establece que el cambio del momento angular de un cuerpo con respecto al eje de rotación, es igual al par de fuerzas resultantes sobre el cuerpo, con respecto al mismo eje. Momento hidráulico de una vena es el que se origina por el impulso del agua de esta vena con respecto al eje de rotación. Si consideremos una masa líquida que llene completamente el espacio que existe entre dos aspas consecutivas del impulsor.

En el instante (t = 0) su posición es abcd y después de un intervalo de tiempo dt su posición ha cambiado a efgh, al salir una capa de espesor diferencial a abef. Esta es igual a la masa líquida que entra en un intervalo de tiempo dt y está representada por cdgh. La parte abgh del líquido contenido entre las aspas, no cambia su momento hidráulico.

Por lo tanto, el cambio de momento hidráulico del contenido total del canal está dado por el cambio de momento de la masa dm que entra al impulsor y la masa dm que sale. Este cambio del momento hidráulico es igual al momento de todas las fuerzas externas aplicadas al líquido contenido entre las dos aspas.

Figura 5. curvas del impulsor.

Fuente. Bombas hidraulicas Ariel Martinegui

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2.10.2 curvas características en sistemas de bombeo

Para la instalación de bombas roto dinámicas es necesario realizar un detallado análisis de las variables en juego, tanto las de la bomba como las del sistema.

En este trabajo se expone, desde un punto de vista práctico, las variaciones de estos parámetros en forma individual y la manera de analizarlos en conjunto.

Curvas de la bomba La curva característica más importante de una bomba es la que indica la energía por unidad de peso -salto H (Kgrm/Kgr)- entregada por la misma al líquido bombeado. La forma más habitual de graficar el salto es en función del caudal impulsado.

Las otras curvas características importantes son: la potencia consumida por la bomba para entregar dicha energía H y el rendimiento de esta transferencia de energía, ambas en función del caudal.

Es importante tener en cuenta que en algunos casos se considera la potencia mecánica que recibe la bomba y en otros la potencia eléctrica que consume el motor que impulsa la bomba. La curva de rendimientos indicará' entonces, el que corresponde a la bomba o al grupo motor - bomba, respectivamente.

El esquema siguiente muestra las características salto - caudal, potencia -caudal y rendimiento - caudal correspondientes a una bomba centrifuga con número de revoluciones constantes.

Figura 6. Curvas características de una bomba centrifuga.

Fuente: Bombas centrifugas ariel marchegiani

41

Estas curvas dependen del tipo de bomba, del tamaño de la misma y de las condiciones de succión. Generalmente el salto disminuye y el rendimiento crece hasta un valor máximo, para luego decrecer, con el aumento del caudal

En la figura anterior la potencia mínima corresponde a caudal nulo, típico de las bombas centrifugas, mientras que en las bombas axiales se da el caso inverso: potencia máxima a caudal nulo como indica la figura descrita a continuación.

Figura 7. Curvas características.

Fuente: Bombas centrifugas Ariel Marchegiani.

2.10.3 Determinación del caudal de funcionamiento

Teniendo en cuenta que la energía (H) entregada por la bomba es consumida por el sistema (J), el punto de equilibrio se dará solamente con estos valores igualados y determinará el caudal de funcionamiento Qf.

42

Figura 8. Curvas de eficiencia de una bomba.

Fuente. Bombas centrifugas Ariel Marchegiani.

Si se superponen los comportamientos energéticos del sistema y bomba, se obtiene en la intersección de ambas curvas, el salto y el caudal de funcionamiento, así como la potencia de accionamiento y por lo tanto el rendimiento asociado.

Para un mismo sistema pueden instalarse distintas bombas con el mismo caudal de funcionamiento. Es importante el rendimiento y la potencia en cada caso, ya que mayor consumo en potencia para el mismo caudal significa mayor costo en energía.

Si el sistema permite variaciones de niveles, se tendrá, por consiguiente, variaciones del caudal bombeado, en muchos casos esto es necesario tener en cuenta en el momento de la elección de la bomba14.

3 CAPITULO 3. DISEÑO METODOLÓGICO

3.1 METODOLOGÍA

Para el desarrollo de este proyecto, inicialmente se debe generar una investigación y además un análisis, de lo concerniente a la norma NEMA, donde se encuentra relacionado la información y la documentación que se debe obtener sobre los grados de protección, y algunas de las condiciones necesarias, para la verificación de las pruebas de agua, a partir de este análisis y con los conceptos

14 Bombas centrifugas, Ariel Marchegiani, Universidad Nacional de comahue, laboratorio de máquinas hidráulicas, Nauquen, argentina. 2004

43

necesario aclarados, se comienza con la búsqueda de una metodología de diseño que pueda proporcionar herramientas útiles en pro de obtener el mejor progreso del proyecto.

Posteriormente, se realizara el diseño y la selección de cada uno de los elementos mecánicos, que componen el sistema y adicional a esto se generara un modelamiento en un software de diseño asistido por computador (CAD), con el objetivo de desarrollar el proyecto a un alto nivel, teniendo en cuenta la generación de los planos de fabricación del sistema de pruebas de agua, de una forma detallada.

Para finalizar es necesario desarrollar un análisis económico, para identificar los costos que involucran el proyecto, teniendo en cuenta la inversión en este, las ganancias que se pueden generar por la recirculación del agua en la pruebas, además del mejoramiento ambiental que se está obteniendo al no tener que desperdiciar agua en los ensayos, y por último la generación de la documentación necesaria para la posterior puesta en funcionamiento del proyecto.

3.2 HIPÓTESIS

Si se realiza una matriz QFD, donde represente los requerimientos del cliente y la disposición de los cómo, entonces se podrá realizar la conceptualización del diseño.

Si se produce una generación de conceptos, que involucre la disposición de alternativas de diseño, entonces se podrá seleccionar la mejor opción para el diseño.

Si se diseña un sistema de control, para inspeccionar los parámetros requeridos, entonces se podrá solucionar a los inconvenientes de control del sistema.

Si se seleccionan las bombas para la prueba, entonces se obtendrá los criterios necesarios para la realización del procedimiento.

3.3 INFRAESTRUCTURA, RECURSOS Y LIMITACIONES

Para el desarrollo de éste proyecto se contó con la asesoría y apoyo de GIM Ingeniería eléctrica Ltda., brindado la solución a las inquietudes que se tenía desde el punto de vista técnico, en lo que tiene que ver, con la producción de gabinetes eléctricos, y las condiciones necesarias para la entrega de un producto que contenga los lineamientos de calidad establecidos por la organización, adicionalmente la normativa establecida para la fabricación de los gabinetes como lo son, el reglamento técnico de instalaciones eléctricas (RETIE), Y la norma que establece las condiciones de las pruebas de agua, NEMA.

44

Ahora bien en la las condiciones que interviene el recurso humano, es importante destacar la formación académica de los docentes especialistas en las distintas áreas del conocimiento, como lo son, el diseño, mecánica de fluidos entre otros, que aportan claridad a las ideas planteadas.

4 CAPITULO 4. DESARROLLO DEL PROBLEMA

4.1 CARACTERIZACIÓN DE LA PRUEBAS DE AGUA SEGÚN LA

ESPECIFICACIÓN REQUERIDA PARA CADA ENSAYO, PARA TIPO 3R Y

TIPO 4.

Según la NEMA 250, existen una serie de parámetros necesarios que establecen las condiciones para realizar las pruebas correspondientes según sea el grado de protección necesario, y en ese sentido se debe enunciar cuáles son esas características que condicionan la prueba para ser un poco más precisos en los que se espera que suceda.

En general como la norma se encentra plasmada en USA, donde poseen las 4 cuatro estaciones y poseen en alguna parte del año nieve uno de los parámetros establecido en la norma es la capacidad de recibir nieve y agua nieve en el exterior del tablero sin llegar a causar algún inconveniente, sin embargo el proyecto se centrara en el cumplimiento de la norma en el tema específico del agua.

4.1.1 Tipo Nema 3R

En términos generales para el tipo 3R se menciona que se debe simular la caída de agua lluvia, y para ello se debe construir un sistema de aspersores que permitan realizar dicha simulación, con componentes importantes como lo son la presión debe ser mantenida, y además debe estar en 34.5 kPa (5 psi). Y la prueba debe aplicarse por un periodo de una 1 hora15.

Aunque en la norma no se menciona el caudal de agua que debe caer sobre el gabinete, se indaga cual es la cantidad de agua que cae en una lluvia, considerando que se está realizando la simulación de la caída de agua lluvia, y en ese sentido se utiliza el concepto de agua lluvia fuerte que está en un rango de 15 a 30 mm en una hora, esto expresado en otras palabras, tomando el mayor valor seria de 30 litros en una hora y además relacionado en un área de 1m², de modo que desarrollando el modelo matemático para el área que se usara en la prueba obtendríamos un valor de 270 litros en una hora.

15 Nema 250

45

4.1.2 Tipo Nema 4

Para el tipo 4, se menciona la necesidad de utilizar una manguera que posea un diámetro de 1 pulgada, y lo más importante que soporte un caudal de 240 litros en un minuto, esta prueba debe realizarse por 5 minutos, otro aspecto muy importante a considerar y es que en el momento de la prueba se genere la simulación en los puntos críticos donde probablemente ingresaría el agua, es decir en la puerta o en la tapa donde existe la posibilidad de ingreso del líquido, adicionalmente se menciona la velocidad con la cual debe ser aplicada el agua y es a una razón de 6mm/s16.

Otro punto que es destacable en el proceso de prueba tipo nema 4, es la distancia de aplicación del chorro de agua en el gabinete y está en un rango de 3 a 3.5 metros, como se había mencionado en los puntos críticos de ingreso de agua.

Resaltando lo que se encuentra en la norma nema 250, y que es motivo de análisis es que en ambos casos existe un nivel de evaluación para cada prueba, considerando el ingreso de agua en los gabinetes que son producto de simulación, sin embargo esta evaluación no se considera en el presente trabajo dado que no es del interés del sistema, sino más bien de la calidad del producto.

4.2 MATRIZ QFD

La matriz QFD, se desarrolló en sus inicios con el objetivo de realizar mejoras continuas en procesos como tal, en el diseño es el punto de partida para entender las necesidades y las soluciones de forma relacionada, con el fin de encontrar cada detalle y poder establecer las mejores condiciones que satisfagan los requerimientos del cliente, que es la primordial búsqueda para brindar una solución eficaz.

En la figura 9, dada a continuación, se evidencia los componentes principales y así mismo los pasos a seguir en la progresión que se debe llevar a cabo, de modo que es importante comprender los datos de entrada y la forma que se deben relacionar con cada uno de los aspectos de tal forma que se obtenga la mayor información y que conduzca al medio deseado.

16 ibíd.

46

Figura 9. Desarrollo de la matriz QFD.

Fuente: apuntes QFD, arturo ruiz.

Realizando una indagación en cuanto al modelamiento de la matriz QFD, se observa que existen 2 componentes importantes, que tal vez forman la base de la matriz y éstos vienen dados por los QUE y los COMO, el primer término se refiere a la necesidad y el segundo es como solucionar esa necesidad.

A continuación, se desarrolla una matriz QFD, con el objetivo de encontrar una alternativa de diseño, teniendo en cuenta las condiciones necesarias para desarrollar las necesidades del cliente con las posibles soluciones, y en ese sentido queremos destacar que los QUE, que en la teoría son las especificaciones del cliente, y una de las formas de hallarlo es mediante una encuesta, y este punto es realmente importante debido a que desde allí se encuentra el punto inicial para desarrollo del todo el proyecto.

4.2.1 Los “QUE”

Para este caso los requerimientos del cliente, están dados por la especificación establecida en la norma NEMA 250, que establece los parámetros necesarios para la generación de pruebas de agua a gabinetes eléctricos, adicional se involucran en las necesidades los elementos que complementan dichos aspectos.

47

Tabla 1. Los “QUE”.

Fuente. Autores.

Allí además de relacionar los requerimientos del cliente, se realiza una ponderación de los componentes que establecen mayores intereses y se hacen puntuaciones según sea la importancia.

En ese caso lo que mayor ponderación ofrece es la caracterización de condiciones como, el caudal, la presión, la variación de la altura de salida de agua para la prueba tipo 3R, y como es prudente y muy importante la utilización de sistema que recirculen el agua para evitar desperdicios de agua.

4.2.2 Los “COMO”

Se denotan como las características que se darán como solución a los requerimientos del cliente, y en ese sentido se establece la priorización de cada una de ellas, además se debe considerar las unidades que poseen éstas.

48

Tabla 2. Los “COMO”.

Fuente. autores

Como se ilustra en la tabla anterior se evidencia las caracterizaciones de los cómo, con el objetivo de dar la solución a los requerimientos, y se encuentran dadas por la viabilidad de cada una de ella seguida de su escala de medición implícita en cada definición.

4.2.3 “QUE” vs “COMO”

Ahora bien, dadas las condiciones de los QUE, y los COMO, definidas como las condiciones iniciales de la matriz, se debe relacionar para ir desarrollando las situaciones de priorización de igual forma establecer los parámetros que conduzcan a lo que se espera y es hallar la información más sobresaliente de la matriz.

49

Tabla 3. “QUE” vs “COMO”.

Fuente. Autores.

Se plasman para cada “QUE”, uno o varios “COMO”, para así contemplar más posibilidades, y en ésta relación se plasma la ponderación en cada relación del 0 al 9, circulo vacío 6 o moderado, circulo relleno 9 o alto, triangulo 3 o bajo y en las casillas donde no existe ningún símbolo se denota como 0, es decir que allí no existe ninguna relación.

4.2.4 Análisis de los “COMO”

Cuando se realiza la matriz QFD, uno de los puntos clave es la socialización de la competencia, y en este caso se planteó la participación de 3 componentes que hacen de referencia como competencia, y se encuentran establecidos principalmente por, el sistema de pruebas de agua WEG, que es una organización dedicada a la fabricación de gabinetes eléctricos y necesitan realizar pruebas de agua a sus productos, la segunda opción que exponemos en la matriz es el sistema de pruebas de agua EATON Colombia, que al igual que la mencionada inicialmente está en el mercado ofreciendo el mismo servicio, y por últimos mencionamos como tercer competencia al actual procedimiento de verificación de grados de protección en GIM ingeniería eléctrica.

50

Tabla 4. Análisis de los “COMO”.

Fuente. Autores.

4.2.5 Análisis de los “QUE”

Como consecuencia del análisis de los COMO, se evidencia la manera metodológica con la que se está abordando la conceptualización del diseño considerando que en la matriz nuestro producto supera cada una de la pautas de los competidores y es un punto de partida muy importante, donde se establece las condiciones iniciales para el diseño.

Tabla 5. Análisis de los “QUE”.

Fuente. Autores.

51

Ahora bien, cada componte de la matriz brinda una información importante y a su vez mucho más completa para la disposición de lo que se pretende desarrollar en este caso un sistema para la verificación de los grados de protección, y es que la caracterización dada por los requerimientos del cliente indica en el anterior esquema que solución que se plantea, muestra un enfoque positivo considerando los componentes de la competencia, y allí se evidencia un adelanto importante a priori de la consecución de la generación de conceptos que se encontrara encaminado a continuación.

4.3 DISEÑO CONCEPTUAL

En esta etapa se deben desarrollar los conceptos que finalmente convertiremos en diseño final, y para ello utilizamos las metodologías que se encuentran a la disposición, que además existen diversas, considerando alguna o algunas que podrían ser funcionales en algunos casos, inicialmente se usaran 2 que servirán de forma interactiva, es decir, la idea es poder combinar ambas metodologías y obtener de cada una individualmente y mezcladas, con el propósito de hallar el mejor provecho posible, de forma de tener la mejor caracterización de los conceptos que cumplan con las condiciones iniciales obtenidas en la matriz QFD, que representan los requerimientos del cliente o del diseño como tal.

Como se mencionó anteriormente las dos metodologías utilizadas serán la Descomposición funcional y la metodología Triz, con el fin de establecer el aporte de cada una y la relación de éstas en la conformación de las subfunciones, que en este caso podrán establecer la solución final, en la definición de los conceptos se desean generar 4 ítem, producto de la relación y combinación de los dos estudios, de manera que se obtengan 4 conceptos, de allí se lograra obtener 1 que establezca la mejor selección entre éstos, cabe resaltar que se busca alcanzar el mejor concepto posible, es decir, el mejor diseño.

4.3.1 Definición de conceptos por descomposición funcional

La metodología de la descomposición funcional busca identificar las funciones del elemento de diseño en relación a la energía del sistema, el flujo de la información y los materiales, con éstos elementos lo que se hace es una división por sistemas donde se pueden obtener mayores valores de cada sistema, en la tabla 6, se evidencia de forma general las disposiciones inicialmente planeadas, y en la tabla 7, el cruce de información que se debe tener en cuenta para la fabricación de la matriz de conceptos, donde se obtendrán las condiciones conceptuales del diseño.

52

Tabla 6. Descomposición funcional.

Fuente. Autores.

Tabla 7. Simplificación de la descomposición funcional.

Fuente. Autores.

53

4.3.2 Definición de conceptos por metodología Triz

La metodología Triz consiste en la solución de problemas de inventiva que se desarrolló en Rusia por Genrich Altshuller, que busco la combinación de relaciones, y de ésta forma establecer la solución para cualquier situación presentada como problema y que se pueda convertir en una alternativa de desarrollo, en el caso puntual de éste escrito, lo que se busca es desarrollar la metodología y encontrar algún tipo de relaciones que funcionen como soluciones para los requerimientos que se tienen planteados17.

Ahora bien, para comprender de forma más clara la metodología propuesta por Genrich, es importante determinar que existen una relación de conceptos, de modo que se plante una contradicción, dicho en pocas palabras un concepto se mejora y el otro se deteriora para así encontrar la contradicción, y estos conceptos establecidos por el autor, lo componen 40, como se evidencia a continuación, y con la relación de conceptos a mejorar y deteriorar se despliega una matriz mucho más general donde se halla una disposición muy generalizada de estas combinaciones, pero que en definitiva poseen una visual del planteamiento hecho, en conclusión ésta metodología puede determinarse como una solución innovadora.

Figura 10. Desarrollo del metodología TRIZ.

Fuente: Noel leon, campues monterrey.

17 METODOLOGÍA TRIZ

54

Así que para tener un panorama más amplio del esquema de Altshuller, se dice que para desarrollar la metodología de forma correcta se deben seguir los siguientes pasos detallados de los que se evidencia en el esquema anterior.

1. problema específico o particular: se debe plantear un problema genérico y para ello se deben utilizar los 39 parámetros técnicos de TRIZ

2. problema genérico: en esta etapa se utiliza una matriz de contradicciones, cuya función es mostrar como otros problemas generales análogos al que se plantea han sido resueltos.

3. Solución general: se determina con la ayuda de algunos de los 40 principales incentivos TRIZ.

4. Solución especifica: finalmente al usar estas soluciones generales, se plantea una posible solución para el problema específico planteado, un método practico para encontrar las soluciones es utilizar la matriz de contradicciones18.

Tabla 8. Parámetro a mejorar.

1. Peso de un objeto en movimiento 11. Tensión, presión 21. Potencia31. Efectos secundarios

dañinos

2. Peso de un objeto sin movimiento 12. Forma 22. Desperdicio de energía 32. Manufacturabilidad

3. Longitud de un objeto en movimiento 13. Estabilidad de un objeto 23. Desperdicio de substancia 33. Conveniencia de uso

4. Longitud de un objeto sin movimiento 14. Resistencia 24. Pérdida de información 34. Reparabilidad

5. Área de un objeto en movimiento15. Durabilidad de un objeto en

movimiento25. Desperdicio de tiempo 35. Adaptabilidad

6. Área de un objeto sin movimiento16. Durabilidad de un objeto sin

movimiento26. Cantidad de substancia

36. Complejidad de un

mecanismo

7. Volumen de un objeto en movimiento 17. Temperatura 27. Confiabilidad37. Complejidad de

control

8. Volumen de un objeto sin movimiento 18. Brillo 28. Precisión de mediciones38. Nivel de

automatización

9. Velocidad19. Energía gastada por un objeto

en movimiento29. Precisión de manufactura 39. Productividad

10. Fuerza20. Energía gastada por un objeto

sin movimiento

30. Factores perjudiciales

actuando en un objeto

PARAMETRO A MEJORAR

Fuente. Ideation international

18 Aplicaciones de la metodología Triz en el diseño ergonómico de estaciones de trabajo, Marco Saavedra.

55

Tabla 9. Parámetro a deteriorar.

1. Peso de un objeto en movimiento 11. Tensión, presión 21. Potencia31. Efectos secundarios

dañinos

2. Peso de un objeto sin movimiento 12. Forma 22. Desperdicio de energía 32. Manufacturabilidad

3. Longitud de un objeto en movimiento 13. Estabilidad de un objeto 23. Desperdicio de substancia 33. Conveniencia de uso

4. Longitud de un objeto sin movimiento 14. Resistencia 24. Pérdida de información 34. Reparabilidad

5. Área de un objeto en movimiento15. Durabilidad de un objeto en

movimiento25. Desperdicio de tiempo 35. Adaptabilidad

6. Área de un objeto sin movimiento16. Durabilidad de un objeto sin

movimiento26. Cantidad de substancia

36. Complejidad de un

mecanismo

7. Volumen de un objeto en movimiento 17. Temperatura 27. Confiabilidad37. Complejidad de

control

8. Volumen de un objeto sin movimiento 18. Brillo 28. Precisión de mediciones38. Nivel de

automatización

9. Velocidad19. Energía gastada por un objeto

en movimiento29. Precisión de manufactura 39. Productividad

10. Fuerza20. Energía gastada por un objeto

sin movimiento

30. Factores perjudiciales

actuando en un objeto

PARAMETRO A DETERIORAR

Fuente. Ideation international

Se inicia con el desarrollo estimado en la metodología y es así como se realiza la tabla de contradicciones y se verifica cuáles son las características en las combinaciones relacionadas.

Tabla 10. Combinación 1.

PARÁMETRO A MEJORAR

PARÁMETRO A DETERIORAR

(11) Presión (38) nivel de

automatización

se obtiene 35 y 24

Fuente: autores

(35) Transformación de los estados fiscos y químicos de un objeto

(24) Mediador

El resultado 24 hace referencia al Uso de un objeto intermediario para transferir o llevar a cabo una acción. Esto se puede aplicar al sistema mediante el uso de un variador de velocidad lo que facilita la manipulación desde un tablero de control.

56




(26) cantidad de sustancia

(38) Precisión de manufactura

se obtiene 33 y 30

Fuente: autores.

(33) Homogeneidad

Sugiere hacer que los objetos de interacción sean del mismo material o que su comportamiento sea cercano, esto se puede utilizar al hacer que los asilamientos del área de pruebas sean impermeables para garantizar una mayor recuperación del agua

(30) Película flexible

Este parámetro hace referencia a reemplazar construcciones habituales con membranas flexibles y películas delgadas. Para el desarrollo de el proyecto este principio de inventiva se puede aplicar al material del encerramiento del área de prueba, cambiando materiales comunes, como lo es el ladrillo por una cortina retráctil la cual no absorbe agua, de esta manera reducir las pérdidas de fluido.




(39) cantidad de sustancia

(23) desperdicio de sustancia

se obtiene 28, 10, 325, 23

Fuente: autores.

(28) Reemplazo de sistemas mecánicos

(10) Acción previa

(35) Transformación de los estados físicos y químicos de un objeto

57

(23) Introduzca retroalimentación, es aplicable para mantener monitoreado el sistema mediante presos tatos y sensores los cuales encienden una bomba en caso de existir un descenso en de la presión requerida para el ensayo




(13) Estabilidad del objeto

(26) Cantidad de sustancia

se obtiene 15, 32, 35,

Fuente: autores.

(15) Dinamicidad, propone dividir un objeto en elementos que puedan cambiar de posición relativa con cada uno, para mejorar el funcionamiento y la graduación de los diferentes niveles de altura para la incidencia del agua con respeto a la celda, resulta de gran utilidad el uso de un sistema electromecánico para la graduación de la altura del chorro. .

(32) cambio de color

(35) Transformación de los estados físicos y químicos de un objeto.

4.4 GENERACIÓN DE CONCEPTOS

Supuesto esto, en lo expuesto anteriormente en cuanto a la metodología Triz y la descomposición funcional se ve que poseen gran relación y permiten establecer que las condiciones obtenidas en la matriz QFD, han tenido gran impacto y ayudaron al esclarecimiento de opciones de diseño, en ese sentido se desarrolla la morfología de la metodología, donde se establecen las ideas con respecto a las funciones.

58

Tabla 14. conceptualización.

FUNCIÓN IDEA 1 IDEA 2 IDEA 3

ALTURA MOTOR ELEVADORPOSICION POR

PINESPLATAFORMA

PRESIÓN BOMBAREDUCCION DE

DIAMETROVALVULAS

AISLAMIENTO CORTINA LADRILLOCABINA EN LAMINA

GALV

CAUDAL BOMBAVARIACION DE

DIAMETROBOMBA

TANQUECONCRETO Y A

NIVEL

PLASTICO Y

ELEVADO

ACERO INOX Y

SUBTERRANEO

TABLEROAUTOMATICO

(PLC)MANUAL SEMIAUTOMATICO

Fuente: autores.

Con el desarrollo del componete morfológico detallado, producto del diseño concurrente se procede a realizar el cruce de cada una de las ideas y las funciones con el objetivo de encontrar la generación de 4 conceptos, que posteriormente llevara a la selección de uno de ellos, que posea las mejores características y de ésta forma iniciar con el diseño parte por parte.

59

Tabla 15. Generación de conceptos.

FUNCIÓN CONCEPTO 1 CONCEPTO 2 CONCEPTO 3 CONCEPTO 4

ALTURA VARIACIÓN POR PINES

MOTOR ELEVADOR PLATAFORMA HIDRÁULICA

MOTOR ELEVADOR

PRESIÓN VÁLVULA BOMBA REDUCCIÓN DE

DIÁMETRO VÁLVULA

AISLAMIENTO CABINA GALV CORTINA LADRILLO CABINA GALV

CAUDAL BOMBA BOMBA BOMBA

MANUAL BOMBA

TANQUE CONCRETO Y A

NIVEL EN ACERO INOX Y

SUBTERRÁNEO PLÁSTICO Y ELEVADO

EN ACERO INOX Y A NIVEL

TABLERO DE CONTROL

AUTOMÁTICO SEMIAUTOMÁTICO MANUAL AUTOMÁTICO

Fuente: autores

Con la formulación de los conceptos planteados se da a la tarea de realizar los bosquejos de cada uno, con el objetivo de materializar la parte conceptual, y poder analizar mejor lo que la ingeniera concurrente aporta para el diseño del proyecto.

Figura 11. Concepto 1.

Fuente: autores

60


Fuente: autores


Fuente: autores.

61


Fuente: autores.

4.5 MATRIZ DE DECISIONES

El paso a seguir en esta serie de componentes que enlazan en el desarrollo del proyecto, se encuentra descrito por la utilización de una matriz de decisión que permita encontrar de los 4 conceptos, y definir cual tiene las mejores condiciones y me cumple a cabalidad con los requerimientos del cliente descrito en la matriz QFD, denotado allí como los QUE, a cada especificación se debe suministrar su porcentaje de necesidad como tal, y así mismo tener en cuenta al momento de la ponderación cual tendrá mayor valor.

Para cada requerimiento dispuesto en filas, respecto a las columnas que serán los conceptos, es necesario realizar una valoración teniendo en cuenta las necesidades cada “que”, y allí se le asigna un valor (+), cuando es muy alto la relación, (0) cuando puede tener relación pero no en proporción mayor y (-) cuando la relación sea nula, al final se suman cada uno de los valores para cada concepto, y a la cantidad de (+), se resta (-), y de esa forma obtener la ponderación para cada concepto respecto a la necesidad dada por el cliente.

62

Tabla 16. Matriz de decisión.

7 0 + + 0

12 - + - +

13 + + - 0

10 0 + - +

12 + + + +

6 + + + +

7 + 0 - +

9 + + + +

12 + + - 0

12 + + + +

+ 7 9 5 7

0 2 1 0 3

- 1 0 5 0

TOTAL 6 9 0 7

MATRIZ DE DECISIÓN

"QUE"

Sistema de facil incersion gabiente

control de caudal

Recolector de agua

% Conc 1 conc 2 Conc 4Conc 3

SUMATORIA

Control de tiempo de la prueba

variación altura de salida agua

Recirculacion del agua

Rontrol de presión

Cabina aislante

Facil manipulacion del sistema

Materiales resistentes a la corrosion

Fuente: autores.

4.6 ELECCIÓN DEL CONCEPTO DE DISEÑO

Gracias a la matriz de decisión se estableció cual era el concepto que tenía más ponderación, considerando los requerimientos del cliente, dados por las especificaciones que se tienen para la generación de pruebas de agua según la norma NEMA, y éste se encuentra representado por el concepto número dos, según lo desarrollado es el que cumple con las mejores condiciones del diseño.

4.7 DISEÑO

Dada la selección del concepto que cumpla con lo requerido gracias al diseño concurrente, nos centramos en los lineamientos en detalle del concepto seleccionado, considerando la ingeniería que necesita el sistema y sus subsistemas, elaborando el diseño de cada componete ahora si de forma muy detallada, teniendo en cuenta los estudios y los análisis necesarios para la elaboración del proyecto.

63

4.7.1 Bomba centrifuga

Para le selección de la bomba se deben tener encuentra dos de los principales

requerimientos de la norma Nema 250 los cuales son:

Nema 3R: presión de salida 34,5 KPA por boquilla

Nema 4: caudal de salida 240 litros/minuto durante 5 minutos

Teniendo como objetivo la conservación de presión de salida en los 9 aspersores

que serán usados en el sistema, se obtiene una total de funcionamiento de 310.5

KPa, las bombas centrifugas comerciales ofrecen los datos de presión en MCA

(metros columna de agua) la cual es una unidad de lectura directa

manométricamente, al realizar la conversión de unidades la presión manométrica

requerida es 31.67, la cual se pude asumir como 32 MCA.

Dado que el sistema está diseñado para cumplir los requerimientos para dos

diferentes grados Nema se hace necesario también el cumplimiento del caudal

establecido para el tipo 4, ya que la norma nema 250, sugiere usar un caudal

determinado, mas no una presión puntal. Se puede usar la misma bomba para

estos dos tipos de ensayos.

Para la selección de la bomba se usa como referente la empresa colombiana

Ignacio Gómez IHM SAS. La cual cuenta con amplia trayectoria en el mercado

ofreciendo productos de calidad y garantía, Como primera opción se tiene en

cuenta el modelo:

15H-1.5TW

Sus principales características son:

Electrobomba construida en Hierro Gris Cl.30.

Conexión de succión y descarga de 1.1/2" NPT.

Rotor tipo cerrado en acero inoxidable AISI 304, con paso de sólidos de 2

mm

Obturación por sello mecánico carbón – cerámica de 5/8 tipo resorte corto.

Motor trifásico TEFC de 1.5 HP – 220/440 Voltios – 3500 Rpm.

Ya que esta bomba cumple con los requerimientos de las pruebas tipo 3R y

tipo 4 se presentan las curvas de funcionamiento entregadas por el

proveedor.

64

Tabla 17. Selección de bomba IHM.

Fuente: catálogo de bombas IHM

Esta bomba ofrece características positivas para el desarrollo del sistema ya que

puede cumplir con los requisitos de caudal y presión necesarios para las pruebas,

al hacer uso de una sola bomba se reducen los costos de control y una

optimización del espacio necesario.

65

El mayor problema de la utilización de esta bomba es el alto caudal que ofrece a

32 MCA el cual es de 28 GPM lo cual resultaría en un consumo total durante la

prueba de 1680 GPM, lo cual hace ineficiente el proceso, aumentando aún más el

consumo de agua por cada prueba realizada, lo cual se ve reflejado en un impacto

ambiental mucho mayor al actualmente causado por la forma actual de verificación

de grados de protección.

Con el fin de optimizar el consumo de agua por prueba se hace necesaria la

utilización de Dos bombas. La primera deberá ofrecer una presión de 32 MCA con

un bajo caudal y la segunda un caudal de 65 GPM.

Para la selección de estas bombas se usa el catálogo de productos del fabricante

mexicano con sede en Cundinamarca PEDROLLO. El cual ofrece una tabla

comparativa de curvas según sus modelos además de tablas de selección de

caudal y altura manométrica total.

4.7.1.1 Bomba para prueba tipo 4 Para la selección de la bomba a usar en la prueba tipo 4, el criterio para la

selección de esta se basa en el caudal requerido en la norma NEMA 250, la cual

sugiere un caudal de durante 5 minutos.

Es por esto que se selecciona la bomba de modelo CP 210C siendo está el

modelo comercial ofrecido por el proveedor más cercano a los requerimientos

establecidos de caudal.

66

Tabla 18. Selección de bomba para la prueba tipo 4.

Fuente: catalogo de bombas Pedrollo

4.7.1.2 Bomba para prueba tipo 3R Para la selección de la bomba de requerimientos para la prueba tipo 3R. Se

selecciona la bomba modelo CP 620 de 1HP, con la cual se optimiza el gasto

hidráulico del sistema, a una altura manométrica de 32 MCA, ofrece un caudal de

, para un gasto total de 1600 litros en el rango de tiempo de 1 hora.

67

Tabla 19. Selección de bomba para la prueba tipo 3R.

Fuente: catalogo de bombas Pedrollo

Para comprobar si la bomba seleccionada es funcional se hace necesario

conocer las caídas de presión del sistema para realizar estos cálculos es

necesario usar las siguientes ecuaciones:

ECUACIÓN 1

68

Utilizada para conocer la variación de velocidades en el sistema.

ECUACIÓN 2

Donde:

RE: número de Reynolds

Ρ: densidad del agua

V: velocidad del fluido.

D: diámetro de la tubería

ϒ: viscosidad dinámica del agua a 21°C

Se hace necesaria para determinar el tipo de flujo en los diferentes tramos del sistema; 2000 < RE caracteriza un flujo laminar, 2000 <RE <4000 un flujo en la zona de transición y 4000 < RE flujo turbulento19.

ECUACIÓN 3

Permite el cálculo de pérdidas en una tubería llena independiente al tipo de fluido,

el cual es considerado en el factor de fricción de Darcy20.

Donde:

Hf= pérdida de carga debida a la fricción. (m)

F= factor de fricción de Darcy. (Adimensional)L = longitud de la tubería. (m)

19 Robert Mott, mecánica de fluidos, sexta edición, Pearson educación, Mexico, 2006.

20 Ibid.

69

D = diámetro de la tubería. (m)

V = velocidad del fluido. (m/s)

G = aceleración de la gravedad

Ya que el fluido que recorre el sistema es un fluido laminar el factor de pérdidas se

calcula.

ECUACIÓN 4

Dado que el sistema hidráulico no solo está compuesto por tuberías se hace

necesario el cálculo de pérdidas en accesorios tales como codos, válvulas entre

otros, lo cual se realiza mediante la siguiente ecuación.

ECUACIÓN 5

La constante K depende de cada accesorio utilizado, se muestra en la tabla n°20.

Tabla 20. Coeficientes de perdidas K, para accesorios de diferente diámetro

Fuente: White. F.m, fluid mechanical 1994

70

Para el desarrollo del cálculo se utilizan los datos de entrada dados por las curvas

de desempeño de la bomba CP 620.

Presión máxima: 34 MCA (333.2 KPa)

Caudal ofrecido a presión máxima:

Se presenta un diagrama de funcionamiento del sistema hidráulico para pruebas

tipo 3R el cual será desarrollado en tubería de hierro galvanizado y manguera

flexible de 1” de diámetro.

Figura 15. Diagrama del sistema hidráulico.

Fuente: autores

Al aplicar las ecuaciones anteriormente mencionadas para conocer cada una de

las variables que afectan el sistema se obtienen las pérdidas en tuberías y

accesorios presentadas a continuación.

Tabla 21. Perdidas en tuberías.

Fuente: autores

71

Tabla 22. Perdidas en accesorios

Fuente: autores

Una vez calculadas las pérdidas en la tubería y los accesorios es posible calcular

la caída de presión mediante la siguiente ecuación:

ECUACIÓN 6

Ht: Pérdidas totales

P1: Presión 1 (suministrada por la bomba)

P2: Presión 2 (salida del sistema)

: Peso específico del agua

De la ecuación 6 se obtiene

Por lo tanto

72

La caída de presión del sistema operando a su máxima presión la cual es 333.2

KPa presenta una caída de presión de 2 KPa, ya que la presión requerida de

funcionamiento es de 310,5 KPa al sumar las perdidas máximas del sistema se

obtiene la presión teórica de operación de 312,5 KPa (32 MCA).

4.7.2 Sistema de control

Como se sabe es importante tener un sistema de control en el equipo, considerando los elementos de entrada como el tiempo de las pruebas, la presión o el caudal, se hace indispensable controlar estas variables, así pues a continuación se describe desde la lógica el funcionamiento del sistema, la tensión de alimentación del control será de 220V.

El diagrama unifilar donde se establece el concepto general del tablero.

Figura 16. Diagrama unifilar.

Fuente: autores

4.7.2.1 Protecciones De acuerdo a los criterios de selección y protección dispuestos en la NTC 2050 sección 4,30, se usa una protección totalizador para el tablero con características

73

caja moldeada considerando su robustez electromecánica teniendo en cuenta la corriente de cortocircuito, examinando en cuenta que las cargas de motores generan cargas de cortocircuito elevadas, aun sin hacer un análisis exhaustivo en ese sentido, así mismo se selecciona el interruptor con la corriente nominal del interruptor sumando las corrientes nominales de cada motor y sumándole un 25% de la mayor carga21.

Para todos los equipos que estarán dispuestos en el tablero de control se usaran Schneider electric, para el interruptor totalizador un EZC 100N de 15 A, dado que:

Para el cálculo de la protección se usó las corrientes nominales de los motor de la bombas suministradas por el proveedor de dichos equipos, donde menciona que para la bomba de 3 hp se tiene una corriente de 9 A, y para el equipo de 1 hp, se tiene una corriente nominal de 4.2A.

Entonces 1.25X9A= 11.25 A+4.2 A =15.45 A

Según éste cálculo se debe poner un interruptor que posea una corriente nominal mayor a 15, pero como resulta que el interruptor que sigue tiene una protección para 20 A, éste se encuentra muy por encima y en el momento de una falla interruptor termo magnético no lo recocerá, es por eso que elegimos el de 15 A.

Imagen 6. Interruptor termo magnético, marca Schneider Electric, EZC100N.

Fuente: proyectos GIM.

Teniendo en cuenta que las cargas no son muy grandes se utiliza un relay magnético, para no tener que utilizar la configuración de un guarda motor más un

21 NTC 2050,

74

contactor, también se debe seleccionar por encima pero lo más cercano de la corriente nominal de la carga del motor.

El relay térmico se usara dos referencias para el motor de 1hp con corriente nominal de 4.2 A, se usa un relay térmico que este en un rango de 4 a 6 Amperios y su denominación es, LRE10. Para la bomba con una potencia de 3 hp y una corriente nominal de 9 A , se seleccionara un térmico que se encuentre en un rango, de 9 a 13 A y su referencia es LRE16.

En adición es importante resaltar la utilización en este circuito el uso de contactores para cada relay térmico, al igual que en casos anteriores en las protecciones se considera la corriente nominal para su selección, el equipo que se desea obtener se encuentra desde 9 A, lo que quiere decir que se usara el mismo en cada uno de los circuitos, la referencia es LC1E0910M6.

A la hora de seleccionar un contactor es importante tener en cuenta el tipo de carga, es decir inductiva o resistiva, esto con el fin de tener la corriente deseada, debido a que los contactores de definen por su trabajo en AC1 o AC3, la última denominación es para motores y es en la que se busca la corriente de trabajo22.

El contactor y el relay térmico van unidos como se ilustra a continuación.

Imagen 7. Contactor-relay térmico, marca Schneider Electric.

Fuente: Proyectos Gim.

Para la selección de los conductores se eligen por encima 1.25 veces la corriente nominal, en adición se establece que en esta selección no se tiene en cuenta la

22 Catalogo Scneider Electric, 2010

75

regulación dado que la longitud entre las bombas y el tablero de control no son grandes.

4.7.2.2 variador de velocidad Se van a usar 2 bombas centrifugas una de 1 hp y la otra de 3 hp, con tensión de alimentación tipo trifásica a 220V, con diferentes características en cuanto al caudal y la presión, para el control de la velocidad de cada bomba, se hace necesario la utilización de un variador de velocidad que posea la potencia de la bomba de mayor tamaño dado que nunca se usaran las dos máquinas hidráulicas al tiempo, y lo que necesitamos variar en cada uno de los casos es la velocidad de rotación para de ese modo obtener el parámetro requerido.

El variador se selecciona considerando algunos parámetros como la tensión, la potencia y algunas características que se consideren importantes como las entradas, la cantidad de velocidades que se deben variar entre otras.

Con los parámetros ya definidos se define en la selección del variador un equipo con referencia ATV12HU22M323.

Imagen 8. Variador de velocidad marca Schneider Electric, ATV12.

Fuente: catalogo variadores schneider Electric.

4.7.2.3 Señalización en el gabinete y paro de emergencia En el gabinete estará dispuesto el control del variador que se dará considerando los parámetros mencionados, y en ese sentido para el buen funcionamiento se piensa tener desde la parte externa del tablero un selector de tres posiciones que permita escoger cual prueba se realizará, adicionalmente contara con unos pilotos

23 Catalogo variadores Schneider Electric.

76

de señalización con el fin de visualizar que operación se estará generando, es decir se tendrá indicadores verdes para encendido de bombas y rojo para bomba en falla, destacando que solamente una bomba a la vez estará en funcionamiento, éstas señalizaciones se harán posible gracias a contactares que permitan obtener en dado caso que bomba estará en funcionamiento.

Adicionalmente es importante mencionar el uso de un paro de emergencia en el exterior del gabinete, esto con el fin de realizar una maniobra de urgencia teniendo un inesperado acontecimiento.

4.7.2.4 Temporizadores Otro aspecto fundamental en las variables que deben ser controladas, es el uso de temporizadores que permitan concluir cada prueba, entonces estos dispositivos van a estar comunicados al variador para finalizar la marcha de la bomba según sea el caso, el tiempo de operación está siendo activado en el momento de elegir con el selector de tres posiciones antes mencionado cual prueba se realizara.

Dado que el tablero de control estará cerca al punto de pruebas, los equipos que se instalaran en la puerta posean un grado de protección no menor a nema 4 para garantizar el buen funcionamiento de todos los componentes.

Para describir el diagrama de control de la mejor manera lo más apropiado es el dibujo de dichos componentes como se evidencia a continuación en diagrama trifilar.

77

Figura 17. Diagrama de control.

Fuente: autores.

Así como se describió brevemente como es el funcionamiento del sistema y la selección de los componentes principales del tablero de control, y la ilustración del diagrama unifilar, como el esquema trifilar, ahora para concluir con éste aspecto del tablero de control se hace necesario realizar la distribución de los equipos en el gabinete, inicialmente se observara la implantación de equipos donde se aprecia cómo se optimiza la ubicación de los equipos considerando el cableado que se debe hacer en el tablero, también la ubicación de la señalización que se encontrara en la puerta.

78

Figura 18. Implantación de equipos en el tablero de control.

Fuente: autores.

Por otro lado y muy importante de mencionar es la fabricación metalmecánica del gabinete que debe ser en lámina galvanizada, con un recubrimiento de pintura electrostática color Ral 7035, dado las condiciones de fabricación de tableros eléctricos, para evitar cualquier tipo de problemas contenidos por el fenómeno de la corrosión, teniendo en cuenta que estará dispuesto cerca donde se realizar las pruebas, adicionalmente debe ser fabricado en calibre 16, contar con bisagras ocultas y empaque de neopreno en las uniones de la lámina para permitir siempre la hermeticidad, contar además con una chapa que posea llave, esto con el fin de evitar que personal no autorizado haga uso inadecuado del sistema de control.

Un punto por resaltar es la utilización de bornes de llegada para las acometidas de las bombas, dado que esto hace un conexionado mucho más eficiente y posibilita desarrollar un mantenimiento de una manera más sencilla, así como la utilización de una barra de tierra que por normatividad debe ir dado que todo tablero eléctrico debe llevar una sin importar la tensión de operación del equipo.

Como se mencionara anteriormente la disposición de la señalización de los equipos dispuestos para tal fin, en la parte frontal del gabinete eléctrico, con el objetivo de visualizar la operación de la prueba.

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Figura 19. Vista frontal tablero de control con la ubicación de la señalización y la selección.

Fuente. autores

Para el diseño y desarrollo de los planos eléctricos se contó con la asesoría del ingeniero electromecánico Nicolás Jiménez que labora como jefe de diseño eléctrico en Gim ingeniería eléctrica Ltda.

4.7.3 Tanque de almacenamiento de agua.

En el estudio del medio de almacenamiento de agua, considerando que uno de los objetivos del sistema es la recuperación del fluido y la recirculación del mismo, es adecuado mencionar que se plantea un tanque subterráneo dadas la condiciones de espacio que este tipo de tanque otorga, aun considerando el trabajo civil que debe efectuarse, para construir el sistema de recolección que se plantea.

La fabricación de tanque en acero inoxidable AISI-SAE 304 calibre 16, es por la posibilidad que cuenta la organización de utilizar este producto, dado que es una materia prima muy utilizada allí, éste desde el punto de vista organizacional, pero el más importante es el la configuración del diseño respecto al costo, como se menciona cumple el costo de fabricación, y en el diseño es un material que nos cumple con las características y especificaciones que se desean, fundamentado en las cualidades que el material posee.

El tanque mencionado ofrece un volumen obtenido por el caudal requerido en la prueba, donde más se requiere líquido, asumiendo una reserva que se encuentre por encima del 30% del total del caudal máximo, así se puede garantizar la

80

cantidad de agua que se requiere, otro punto para mencionar es la utilización de un sensor de nivel para evidenciar como es el comportamiento en la recolección del fluido, esto con el objetivo de llenar de agua hasta el nivel deseado, el funcionamiento del sensor será la activación de un piloto señalizador cuando el tanque este por debajo del límite requerido, cabe resaltar que solo será objeto de adición del agua cuando este activado la luz de señalización siembre y cuando el sistema esté en reposo, el sensor de nivel que se usara será un sensor capacitivo que dará la señal a una luz roja cuando esté por debajo del nivel y estará apagada cuando el tanque este en el nivel adecuado.

la señalización estará ubicada en una botonera dispuesta en una de las columnas de la estructura y que además cuenta con el mando del motor del sistema de nivelación, es importante mencionar que el sensor a utilizar maneja una tensión de alimentación en DC, por lo que se hace necesario la utilización de convertidor de AC a DC.

Imagen 9. Sensor capacitivo de nivel.

Fuente internet

Así mismo es importante la utilización de un desagüe quien debe ser realizado por una de las bombas para el cambio del agua, para ello el tanque debe quedar con un desnivel para poder realizar la operación de una forma más sencilla, dada las condiciones sanitarias que se requieran, puesto que en fluido, aunque esta en movimiento puede convertirse con el uso en un elemento contenido de suciedad y esto es motivo de análisis el cambio del agua, además es importante mencionar que la disposición de dicha agua será para labores de aseo en la empresa o para la utilización de sanitarios, así pues se cumple aún más con la condición de la mitigación del impacto ambiental que es un punto muy importante en este proyecto, no obstante se comprende que cada vez que se realice la prueba va a existir un porcentaje pequeño de que quedara posado en los gabinetes así exista un buen escurrimiento de los equipos, es por ello que en el tanque se utilizara un

81

sensor de nivel, para mantener el tanque con el nivel de agua deseado, es importante que solo cuando el sistema no esté operando se realizaría la medición y esperando un tiempo prudente después de las pruebas.

Como se mencionó anteriormente en el cuidado de la reutilización del agua y posterior cambio según sea el caso, este concepto lo podemos ambientar como el mantenimiento que se le debe realizar al tanque, con el fin de evitar la generación de agentes biológicos, y cumplir con lo que se menciona en la resolución 1207 del 25 de junio de 2014.

Para establecer cada cuanto se debe realizar el cambio del agua, es importante considerar el cambio que sufre el agua y para ello se usara un análisis en cuanto al cambio del coeficiente que mide la acidez y la basicidad del agua, es decir el PH, para ello se determinara mediante cintas tornasol, que es una herramienta muy interesante para la medición del PH, como es el comportamiento teniendo en cuenta la cantidad de pruebas, y así mismo hacer el cambio de agua, el rango del PH del agua es de 6 a 9.24

Imagen 10. Papel tornasol.

Fuente: internet.

Las dimensiones, considerando las condiciones del tamaño del sitio de la prueba y cumpliendo con el caudal mínimo especificado, se tiene un ancho de 2400mm, un profundo de 1500mm, y una altura en la sección menos baja de 500 y en la parte más alta de 700mm, esto con el objetivo de obtener un desnivel en la succión de la bombas para que dicho elemento siempre contenga el fluido, de modo que no se posea algún problema hidráulico como es el caso de la cavitación.

Entonces con las medias propuestas para el tanque se obtiene un volumen máximo de 2.16 m³.

24 Resolución 1207 de 25 junio de 2014.

82

Figura 20. Tanque de almacenamiento.

Fuente: autores.

Cabe resaltar que en la salida de la succión de las bombas se dejó su respectivo acople es decir para una de ellas una salida de 1 ½”, para la otra máquina hidráulica una succión de 1”, y para la entrada de alimentación de agua en dado caso, considerando la cometida de tuberías de agua estándar un diámetro de succión de ½”.

4.7.4 Cortina de recolección de agua

Como se ha mencionado uno de los principios básicos del proyecto es poder reutilizar el agua que se utiliza en la prueba varias ocasiones, es por eso que debe existir un elemento que proporcione que el agua que cae durante la prueba no se deposite en sitios diferentes al deseado, es decir que no se almacene en el tanque dispuesto para tal fin, y en ese sentido se plantea usar una cortina que cumpla esta función.

Para desarrollar la mejor opción considerando que se debe contemplar un producto que cumpla con las condiciones antes mencionadas, pero que además posea una capacidad mecánica de resistencia, a causa del tipo de actividad realizada por la organización, el material de dicho elemento se plantea de modo industrial, con el objetivo de que este elemento tenga un largo tiempo de duración.

83

Adicionalmente con el objetivo de garantizar una buena visualización en el momento de generar la prueba se hace optimo que el material seleccionados sea traslucido.

Considerando las condiciones necesarias, se selecciona una película de PVC, transparente, lisa y brillante que cumple con las características de rigidez mecánicas estipuladas, dado que se desea que las cortinas sean corredizas se hace necesario que las membranas de PVC sean seccionales, es así como se dividen en pequeñas cortinas de 300mm de ancho con una altura de 3000mm y un espesor de 2mm, el medio por el cual se van a deslizar es un riel y en el punto donde se deslizan por el riel deben llevar un refuerzo25.

Figura 21. Sistema de cortina corrediza.

Fuente: Asei ingeneria catalogo termofhilm.

4.7.5 Sistema de elevación

Debido a la gran variedad de tamaños de gabinetes fabricados en Gim Ingeniería eléctrica Ltda. En cuanto a su altura, a quienes se les realiza la verificación de grados de protección según la norma nema para tipo 3R y tipo 4, los cuales se encuentran en un rango entre 1000 mm hasta 2200 mm de altura, es por ello que se hace necesario la implementación de un mecanismo que permita cumplir las distancias requeridas de los aspersores con respecto al tablero a realizar la prueba.

Ahora bien, centrando las ideas de sistema de elevación, queda claro que lo que varía de altura son las boquillas de aspersión que garantizan la idoneidad de la prueba según las necesidades de caída de agua, y en ese sentido considerado la importancia del sistema de boquillas que será dispuesto en esta estructura sería conveniente mencionar sus características.

25 Catálogo de productos ASEI ingeniería.

84

Los parámetros que debe contener son, incidencia de la caída del agua con un Angulo de 45° a una distancia de 1400 mm, esto según el esquema de la figura 21. Lo que resulta en una distancia vertical total de 989 mm con respecto al punto focal de la prueba para éste caso será tomado el centro del encerramiento a analizar.

Es por esta razón que se obtiene un rango de movimiento para el sistema de aspersión el cual debe variar entre 1990 mm y 3190 mm, Para facilitar la variación de alturas se selecciona un dispositivo electromecánico el cual permita realizar la modificación de altura de forma segura y eficiente.

4.7.5.1 Condiciones de las boquillas Para la realización de la prueba que simula la caída de agua lluvia sobre el envolvente, la norma NEMA 250 hace un especial énfasis en las medidas que se deben cumplir además del tipo y construcción de las boquillas y aspersores ofreciendo un flujo el cual debe incidir con las siguientes condiciones.

Para cumplir con los parámetros requeridos, en cuanto a la presión y demás se selecciona un sistema de tubería, en hierro galvanizado para garantizar que el sistema esté libre de corrosión y desgastes internos significativos, además de ser de fácil adquisición sin necesitar tratamiento alguno y evitando sobre costos en el proyecto.

Considerando los requerimientos de la norma y asumiendo la necesidad a suplir y así mismo, teniendo en cuenta los principios de factores de diseño como lo es las pérdidas de presión, además de la presión que debe siempre mantenerse en dicho sistema cuando del tipo 3R se trata, no obstante el esquema que representa los requerimientos de normatividad se evidencian a continuación.

85

Figura 22. Esquema de la ubicación de las boquillas para la simulación de lluvia.

Fuente: Nema 250.

Un punto importante por mencionar, es la utilización de un sistema de tubería flexible como lo es una manguera, considerando que el sistema de boquillas estará en continuo cambio de altura, se debe contemplar este sistema que garantice siempre un buen desempeño en el sistema hidráulico, teniendo presente lo anterior, el inicio de tubería rígida, es decir de tubería galvanizada propuesta iniciara los puntos de anclaje de la tubería de las boquillas en el sistema de elevación.

Figura 23. Boquillas para la prueba de agua Nema para tipo 3R.

Fuente: autores

86

En cada una de las salidas del sistema se instalan boquillas aspersores fabricadas en bronce latón por su fácil mecanización y alta resistencia al desgaste, con las dimensiones mostradas en la figura 22, dadas en la norma anteriormente citada

El sistema de boquillas estará dispuesto al estructura por medio de abrazaderas que permita tener una buena sujeción pero también una fácil remoción en caso de un mantenimiento, tan importante para conservar este sistema.

Para poseer un buen sistema de simulación de caída de agua lluvia, el punto clave está en la utilización de aspersores que atomicen el agua, y se produzca una buena prueba, de modo que es indispensable tener especial cuidado en los aspersores que se usen, afortunadamente se deben construir de acuerdo a lo que la norma Nema menciona en ese sentido.

Figura 24. Esquema del aspersor.

Fuente: Nema 250.

4.7.6 Estructura d e Nivelación

En la estructura se hace conveniente establecer sus dimensiones, de manera que será el punto de partida, las dimensiones están dadas por los aspersores y punto focal donde está representado la aspersión del agua, sus medidas son, 2600mm de ancho y 2000 de profundo, considerando esto se plantea la utilización de tubo estructural cuadrado de 2” con espesor de 2mm, esto se hace dado que es un

87

elemento que no levantara un peso muy grande y además, es un componente fácil de conseguir, estéticamente bien presentado, otro punto en esta conceptualización de la estructura de nivelación es el uso de una recubrimiento en pintura electroestática dadas las condiciones de humedad al que pueda estar sometido el elemento mencionado.

Sabiendo las medidas totales y conociendo que se usara un sistema electromecánico que me permita subir o bajar según sea el caso, se necesita encontrar el punto de equilibrio para que el sistema de elevación haga su operación sin tener ningún inconveniente.

4.7.6.1 esquema de ubicación del punto del motor Para establecer el punto de sujeción del motor, es decir el punto en el cual es

sistema de elevación realizara su función, considerando las cargas dispuestas y

garantizando que en al aquel lugar se estabilizara la carga y no tendrá problemas

a futuro por desbalance de la peso de los elementos que van ser trasladados.

Aunque se tiene que el peso de la tubería para cada cabezal tendrá un masa de

10 kg, y en los tres puntos será de la misma magnitud, se comprende entonces

que así el peso tanto de la estructura que será levantada tenga la misma

proporción el sitio del izaje estará bien calculado, es así como se desarrolla el

modelamiento matemático según el siguiente esquema.

Figura 25. Distribución de cargas para centro de masa.

Fuente: autores

88

Como se evidencia que las cargas dadas en la longitud de 2000mm son iguales,

se entiende que la primer coordenada estará ubicada a lo largo de 1400mm, solo

faltaría describir la ubicación en la longitud de 2000mm, ahora bien se hace una

sumatoria de momentos en el punto A y se iguala a 0, con el objetivo de despejar

la componente X.

Figura 26. Diagrama de momento.

Fuente: autores.

(192.2N)*(X-1m)-(98.1N)*(2m-X)=0

X*192.2N-196.2N*m-196.2N*m+X*98.1N=0

X*294.3N =392.4 N*m

X=392.4N*m/294.3N X=1.33 mm

Dado lo que el cálculo proporciona con el punto de equilibrio donde se debe

aplicar la fuerza del dispositivo motriz de levantamiento, entonces el esquema de

éste punto se dará a continuación.

89

Figura 27. Ubicación del centro de masa de la estructura de nivelación.

Fuente: autores.

En cuanto a la estructura que contendrá las boquillas de aspersión y que de igual

manera será el elemento que permitirá realizar el proceso de nivelación según sea

el caso, se decide generar la estructura mencionada en tubo cuadrado de 2”, con

un espesor de 2mm, esto con el fin de formar un componente que cumpla con las

condiciones de resistencia mecánica, sin embargo posterior al dibujo se procederá

a realizar un análisis por estructuras para garantizar dicha premisa en cuanto al

uso del material estructural.

90

Figura 28. Estructura de nivelación.

Fuente: autores.

Por otro lado y con el fin de poder guiar la estructura de las boquillas sobre la

estructura general, se decide implementar un sistema de guias formadas por

ruedas que permitan el fácil desplazamiento de arriba hacia abajo o en el sentido

contrario.

Figura 29. Sistema de guias para la estructura de nivelación.

Fuente, autores

4.7.7 Estructura general.

En el desarrollo de la estructura que soportara el sistema de nivelación, donde

incluye la estructura deslizable, el motor, además de las cortinas que permiten un

de grado de captación de agua importante, para el diseño de dicha estructura se

usa un tubo cuadrado estructural de 4”, con una altura de 3800mm, en este punto

91

se considera desde el punto vista estético el tamaño de la tubería, dado pues que

según las cargas que deben soportar no se considera importante considerando la

capacidad del material.

Continuando con la elección del tubo de ese tamaño, teniendo en cuenta la altura

que la estructura posee, si se fabrica en un perfil más delgado a la vista se

presentara muy débil y no proporciona una idea de robustez, cabe resaltar que la

diferencia de precio de un tubo de menor tamaño, comparado con el enfoque

estético, no obstante un perfil de menor calibre y tamaño sería suficiente, pero se

reitera la idea de promover una estructura que posea características de

admiración.

En adición, se destaca la utilización de platinas de anclaje mediante pernos de ½”

x 3”, permitirán la unión de la estructura al piso donde estará ubicado el sistema,

también tendrá adherido rieles o guias, por donde el sistema se desplazara.

Figura 30. Estructura que soportara el sistema de nivelación y cortinas.

Fuente: autores

4.7.7.1 Selección del sistema de elevación electromecánico Para le selección del motor es necesario conocer las variables que afectan el desempeño del motor tales como la velocidad y el peso a elevar.

92

Debido a que el sistema de elevación deberá subir una masa la cual está dada por la tubería de aspersión y el de la estructura que lo soporta para un total aproximado de 150 kg.

La altura máxima de elevación esta alrededor de la altura total de la celda, más la distancia de separación recomendada por la norma, más el para un rango

de seguridad para un total de

Por lo tanto se consultan diferentes catálogos de fabricantes, tomando como mejor opción el polipasto de marca Badland de referencia 61672.

Las características del equipo son muy importantes considerarlas, como por ejemplo la tensión de alimentación del motor, que es monofásico, por eso no se puede ubicar la alimentación del sistema desde el tablero de control que se tiene dispuesto en este proyecto, el punto de alimentación debe ser traído de otro lugar.

La elevación máxima es de 10 metros de un peso máximo de 750 kg, por medio de un cable de acero de 5/32” de diámetro, este dispositivo usa un motor de 0.75 HP que es controlado por un mando a distancia ofreciendo la ventaja de operación remota.

Imagen 11. Polipasto del sistema de elevación, marca Badland.

Fuente: catalogo Badland.

4.7.8 Plataforma de la prueba

Con el fin de recolectar agua de la mejor manera, con un sistema eficiente y que contenga las características de rigidez mecánica que se desea, considerando que el tablero de mayor envergadura que será objeto de prueba tendrá un valor como

93

máximo en de 600 kg, y en ese sentido es necesario dos aspectos a tener en cuenta.

El primer aspecto es que la plataforma donde estará ubicado el tablero, a quien se le realizaría la prueba debe estar provisto de un sistema de perfiles estructúrales que puedan sostener el equipo descrito sin ningún inconveniente, el segundo punto es que en dicha plataforma debe tener un sistema de mallas de filtración para evitar ingreso de solidos al tanque de recuperación de agua.

En el caso de contener un sistema de captación que posteriormente conduzca el líquido recuperado al tanque, se plantea la idea de ubicar mallas de características mecánicas significativas, que estarán soldadas a la base estructural, esto con el objetivo de captar el agua de una muy buena manera y adicionalmente desarrollar el subsistema de captación lo más sencillo, práctico y económico posible, eso sí cumpliendo con los parámetros de diseño propuestos.

Figura 31. Plataforma.

Fuente. autores

La plataforma se divide en tres componentes principalmente.

Base: la base será el pilar fundamental en el sistema debido a que en dicho elemento estará la importancia de contener el peso de los tableros en el momento de generar una prueba ya sea para el tipo 3R o para el tipo 4.

La base será fabricada de perfil estructural HR, en ángulo de 2”x3/16”, el cual por motivo de encontrarse en contacto directo con el agua es necesario adicionarle un recubrimiento en galvanizado con el fin de evitar al máximo el problema de la corrosión, además de realizar un recubrimiento

94

con pintura electroestática de características epoxi poliéster, este debe ser colocado y anclado sobre ladrillos que estarán ubicados adyacentes al tanque subterráneo antes descrito, dado que el envolvente externo del tanque debe ser ladrillo.

Secciones removibles: con la provisión de realizar un mantenimiento y por funcionalidad, se ingenia un componente de 4 rejillas removibles que estarán ubicadas sobre la base, cabe resaltar la importancia de ser modular, considerando que en dado caso se deben levantar periódicamente según sea la cuestión, si se deja un solo componente la masa sería demasiado grande, en promedio 150 kg en el caso de 1 solo elemento, por ello se dividirá en 4.

al igual que en la base Angulo de 2”x3/16”, con refuerzos desarrollados en platina 2”x3/16”, también el tratamiento para la reducción de la corrosión será igual, recubrimiento en galvanizado y posterior aplicación de pintura electroestática con epoxi poliéster, las secciones removibles no tendrán ningún tipo de sujeción, debido a que quedan encapsuladas a la base no se hace necesario otro tipo adicional de sujeción.

Figura 32. Sección removible.

Fuente: autores.

Malla: como se mencionó anteriormente es importante tener una barrera para el ingreso de cuerpos sólidos en suspensión en el sistema de recuperación de agua, de modo que se implementa un modelo de malla que posea unas características mecánicas importantes considerado el uso que se le dará a esta plataforma, como es el ingreso de gabinetes por medio de

95

un sistema de estibadoras que posee ruedas y el peso de los tableros puede hacer que la malla tenga problemas por rigidez mecánica, en ese sentido se selecciona una rejilla que satisfaga estos requerítenos, y el otro punto a determinar es el tamaño por de separación.

Se selecciona una malla expandida IMT 2026, que será soldada a cada sección removible, lo importante a considerar es su resistencia mecánica y el tamaño de rombo que no supera los 5mm, esto con el objetivo de seleccionar el ingreso de cuerpos de más de dicha dimensión.

Figura 33. Disposición de la malla.

Fuente: autores

Ahora bien, teniendo claro la utilización de una malla soldada a la estructura que soportará los tableros en el momento de hacer la prueba, y como se mencionó que funciona como filtración de elementos solidos de más de 5mm, se hace necesario ubicar una malla más pequeña que proporcione una selección de filtración mucho más fino y que partículas muy pequeñas no ingresen en el sistema, no obstante la ubicación de la malla más fina, estará dispuesta sobre la base y no tendrá esfuerzos mecánico alguno solo funcionara como recolector de elementos pequeños.

26 Catálogo de mallas IMT.

96

4.7.9 Manguera para prueba tipo 4

Para la realización de la prueba nema 4 la norma menciona la utilización de una

manguera de 1” de diámetro por la cual debe circular agua a un caudal de 240

l/min, el cual se va garantizar mediante la bomba centrifuga, donde este será

proporcionado a una presión de 294 KPa.

Para la selección de mangueras se utiliza el nomograma en el cual se cruza la

información de entrada del proceso: caudal de salida y diámetro de salida, esta

grafica permite la identificar la velocidad de salida y el tipo de manguera

recomendada.

97

Tabla 23. Nomograma de la determinación de los diámetros nominales.

Fuente: Fuente: catalogo de productos hidraulicos industriales poberaj.

98

Haciendo uso de la tabla de selección se obtiene una velocidad de 2.3 m/s para

las cuales se sugiere el uso de mangueras para presión.

Figura 34. Tipos de manguera.

Fuente: facilitador Tte corronel C.V jose Aira G.

Para el uso óptimo de la manguera en el sistema hidráulico se usa una manguera

reforzada de acero y textil SAE100 R4 para baja presión27.

27 Facilitador Ttc coronel C.V Jose Aira G.

99

Tabla 24. Manguera con refuerzo de acero textil

Fuente: catalogo de productos hidraulicos industriales poberaj.

Esta manguera cumple de manera satisfactoria cada uno de los requerimientos del

sistema.

4.7.10 Ensamble

Considerado cada una de las pautas seleccionadas y desarrolladas por los subsistemas propuestas anteriormente se hace necesario la conceptualización de cada una de ella y el acople de todos elementos que hacen parte del sistema.

La importancia de ensamblar todos los elementos es muy grande, dado que en ese punto se establecen la unión de los sistemas desarrollados por separado y unidos en uno solo, que finalmente será la propuesta que sintetizará el desarrollo económico, ambiental e ingenieril de la idea que se propuesta como concepto.

100

Figura 35. Ensamble del sistema

Fuente: autores

5 CAPITULO 5. IMPACTO AMBIENTAL, MANUAL DE OPERACIÓN Y

MANTENIMIENTO.

5.1 IMPACTO AMBIENTAL

Como se ha relacionado en este documento, la importancia de desarrollar un proyecto que posea condiciones tecnológicas y ambientales, por mencionar dos aspectos, y en la parte ambiental adquiere un gran valor al poder comparar las condiciones de la prueba actual respecto a la metodología de la prueba que se está planteando en este escrito.

101

Dadas la necesidad de las industrias de mitigar los impactos ambientales y cada vez estar más comprometidos con el planeta, es importante desarrollar industrialmente maquinas o sistemas en general que estén de la mano con el medio ambiente, siendo conscientes con el calentamiento global, se desarrolla el balance ambiental entre la prueba actual y la propuesta.

Imagen 12. Calentamiento global.

Fuente: imagui dibujos.

5.1.1 Prueba actual

Para establecer las condiciones del impacto ambiental que se está evitando se debe contemplar las condiciones actuales de la prueba y sus características de aspectos ambientales que se están perjudicando, y en ese sentido se debe establecer un manual para poder establecer una relación entre el recurso y el aspecto ambiental como medida inicial, es así como se usa una guia técnica de identificación de aspectos e impactos ambientales.

102

Tabla 25. Aspectos ambientales.

Fuente: alcaldía mayor de Bogotá, guia para la identificación de aspectos e impactos ambientales.

Para la prueba de agua desarrollada en la organización, se evidencia que tiene como relacion algunos de los componentes antes mencionados, ahora lo que se debe hacer es caracterizar el proceso y escoger cuales son los recursos y los aspectos ambientales afectados.

El recurso principal de la prueba es el agua, así mismo los aspectos ambientales como el consumo de agua, vertimientos potenciales fugas y derrames a cuerpos de agua, teniendo en cuenta como se ha mencionado que la utilización del recurso hídrico se va directo a los grifos.

En los residuos se puede destacar la generación de residuos no aprovechables.

En el aspecto del recurso del suelo se ve que posee un alto grado de relación, puesto que la sobreocupación del suelo y las potenciales fugas y derrames al suelo, son una actividad que se evidencian a diario, estimando el sistema es usado en cualquier parte del sistema de ensamble, dado que allí mismo se realiza la prueba de agua.

Desde el punto visual también se encuentra una gran relación sobre el exceso de carga visual y la falta de orden y aseo, en este punto es necesario explicar la importancia de este aspecto ambiental, dado que al generarse la prueba en cualquier sitio de la planta se genera una gran cantidad de desorden y desaseo, teniendo en cuenta que los operarios de ensamble deben secar el piso, un proceso que demora algunos minutos.

103

Ahora bien al igual que en los aspectos ambientales considerando el recurso, se realiza una relación ahora si con los impactos ambientales utilizando los mismos recursos.

Tabla 26. Impactos ambientales.

Fuente: alcaldía mayor de Bogotá, guia para la identificación de aspectos e impactos ambientales.

De los anteriores impactos ambientales centrando en el proceso actual se llega a la conclusión se tiene una relación grande en el recurso de agua, residuos, suelo y visual.

5.1.2 Prueba propuesta

Para establecer la comparación primero de los aspectos ambientales y luego del impacto ambiental de la prueba actual y la prueba propuesta es necesario hacerlo paso a paso, considerando cada recurso cotejándolo con cada simulación, cabe resaltar que el desarrollo de la prueba propuesta de forma automática, con recolección de agua, con un espacio destinado solo para tal fin, evitando los vertimientos posee un gran valor desde el punto de vista ambiental como se describe a continuación, tomando como referencia las tablas 17 y 18.

Para el recurso del agua el aspecto ambiental se reducirá, debido a que el sistema propuesto tiene recirculación de agua, evitando los vertimientos dado las condiciones de captación, es decir el sistema estará provisto de cortinas para evitar que salga el líquido en direcciones diferentes a las requeridas para la recuperación del agua, pero si es importante contemplar potenciales fugas a cuerpos de agua.

Consumo de energía, este recurso se adiciona debido a un el sistema que tiene electrobombas y se hace necesario la utilización de la energía eléctrica, así mismo su consumo.

En residuos cabe destacar la recirculación del agua, de esa forma se está aprovechando los residuos en primera instancia, y la segunda parte de la utilización del líquido es cuando se necesita cambiar el fluido en el tanque para aplicaciones de aseo como se ha propuesto.

104

En el recurso de espacio se está optimizando la utilización del espacio y la metodología para evitar las fugas y los derrames al suelo.

Desde el enfoque visual, se potencializa el orden y el aseo considerando el encerramiento donde se realiza la prueba, adicionalmente la disminución de la carga visual exaltando que el lugar de simulación estará siempre en un mismo lugar.

El Ruido es un recurso nuevo que en el caso anterior no aparecía, en esta sistema aparece la generación de ruido.

Para el esquema de impacto ambiental se define como relación absoluta el ingreso del recurso ruido, los otros aspectos no poseen una relación grande en ese sentido.

Como conclusión del impacto ambiental que se está evitando como consecuencia del cambio de sistema, es importante mencionar dados los casos expuestos anteriormente, el análisis respectivo.

Desde el punto de vista de los aspectos ambientales del sistema actual, respecto al planteado en este documento contemplando todas las características técnicas que aun así no se cumplen en la simulación actual, sin embargo el análisis de los aspectos ambientales que se quiere relacionar, solo es desde el enfoque ambiental.

Los aspectos ambientales que se están disminuyendo o en algunos casos desapareciendo según lo especificado respecto al esquema inicial sin los recursos del agua, residuos, suelo y visual, no obstante aparece ahora el ruido y la energía contemplando que el sistema posee un motor, sin embargo el caso más sobresaliente es el caso de la reutilización de agua, la disminución de vertimientos, todo enfocado en la recirculación del líquido vital.

En el impacto ambiental se reducen todo los aspectos como se menciona en la tabla 18, solamente ingresa en ese capítulo el ruido, dado el uso de una maquina electromecánica.

Terminado con el tema, en la búsqueda de la disminución y en otros casos evitar los impactos ambientales, se considera muy buena la cosecha de ideas que contribuyen al mejoramiento del ambiente dado las condiciones gubernamentales de promover la cultura del medio ambiente, siendo conscientes que al desarrollar un sistema con las condiciones requeridas se hacía necesario la utilización de motores que hacen en el análisis se establezca como una de los aspectos ambientales la situación del ruido, no obstante el sistema al encontrase en una planta metalmecánica donde se ubican elementos mecánicos que producen más ruido que el sistema de pruebas.

105

Entonces comprendiendo que existen factores de ruido más altos en la planta donde estará ubicado el sistema, y siendo este recurso el que se adiciona en aspecto ambiental, se da por resuelto el tema del impacto ambiental por el ruido considerando lo anterior.

5.2 MANUAL DE OPERACIÓN

5.2.1 Información general

El sistema de pruebas de agua para verificación de grados de protección en gabinetes eléctricos según la norma Nema para tipo 3R y tipo 4 con recuperación de agua, es un conjunto de componentes que permite realizar las pruebas para grados de protección con el propósito de reducir el impacto ambiental causado por el gasto hidráulico.

Figura 36. Componentes principales

Fuente: autores

106

Tabla 27. Tabla de componentes principales

Fuente: autores

5.2.2 Descripción de componentes.

Tanque subterráneo (1)

Tanque fabricado en acero inoxidable AISI-SAE 304, calibre 16 con el fin de evitar la corrosión, con capacidad máxima de almacenamiento de 2,16 . En el cual se

almacena el agua para su posterior utilización en la pruebas (ver figura 20).

Estructura de mallas (2)

Está compuesta de una alma Angulo HR 2” X 3/16, la cual sostiene 4 secciones removibles para una mayor facilidad de mantenimiento y limpieza al tanque, en la cuales se encuentra malla IMT 20, que funciona como filtro de impurezas brindando reducción de los sólidos en suspensión en el tanque (ver figura 31).

Tablero de control (3)

Envolvente fabricado en acero galvanizado calibre 16, en el cual se encuentran los componentes eléctricos y de control del sistema desarrollado, además de indicadores de función y selección de la prueba a realizar.

107

Figura 37. indicación tablero de control

Fuente: autores

Tabla 28. Descripción indicación del tablero de control

Fuente: autores

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Bombas (4)

Para el funcionamiento adecuado del sistema cumpliendo con las características de cada una de las pruebas. Se utiliza dos bombas centrifugas marca PEDROLLO con las siguientes capacidades:

Tabla 29. Capacidad de bombas

Fuente: autores

Estructura y regleta (5)

Fabricada en tubo cuadrado estructural de 4” la que se encarga de soportar el

sistema de nivelación, el motor además de las cortinas, las dimensiones de esta

son: 3.2 m de frente, 2.2 m profundo y 4.1 m alto (ver figura 30).

Esta estructura se encuentra anclada al piso y limita el área de realización de pruebas. En ella se halla una regleta la cual permite la visualización de altura de aspersores la cual deberá variar según el tamaño del envolvente

Cortina (6)

Fabricada en película de PVC trasparente, corrediza con secciones de 0.3 m de ancho, y una altura de 3m. Funcionan como aislamiento para evitar las pérdidas hidráulicas del sistema. (Ver figura 21)

Estructura de aspersores (7)

Permite el movimiento vertical para la variación de alturas del sistema para la verificación tipo 3R, fabricada en tubo cuadrado de 2”, en ella se ubica el sistema de redes de agua en tubo de hierro galvanizado de 1” en el cual se encuentran las boquillas de aspersión (ver figura 23).

Manguera prueba manual (8)

Manguera con Refuerzo de acero y textil SAE 100 R4 de 5 m de longitud, se utiliza para la prueba Tipo 4, la cual se realiza de forma manual dirigiendo el flujo de

109

salida hacia las partes de entrada potencial de agua en el envolvente (ver Tabla 24).

5.2.3 Operación

Dado que el sistema ofrece dos tipos diferentes de verificación se hace necesario un procedimiento de operación diferente para cada uno, pero no obstante siempre se deben cumplir los siguientes pasos.

1. Verificar la utilización de los EPP del personal calificado que va a realizar la prueba: tapa oídos, gafas y botas punta de acero.

2. Verificar que el espacio de desarrollo de la prueba este limpio y libre de objetos.

3. Inspeccionar que cada uno de los componentes eléctricos del sistema estén apagados(tablero de control y motor elevador)

4. Revisar que la tensión de alimentación del tablero este dada por un circuito trifásico de 220V.

5. Revisar que la tensión de alimentación del motor elevador este dada por una toma monofásica de 110V.

6. Retirar la cortina protectora del tanque. 7. Inspeccionar que el indicador de nivel este apagado de lo contrario abrir la

válvula de alimentación del tanque hasta que este se apague y posteriormente cerrar la válvula.

5.2.4 Prueba tipo 3R

Para el desarrollo de la prueba tipo 3R se hace necesario la verificación de los pasos del 1 al 7 una vez comprobados se realiza lo siguiente:

8. Revisar la estructura de aspersores (7) se encuentre a la altura correcta para el tamaño de la celda, de lo contrario ajustarla mediante el control del motor elevador y verificado mediante la regleta.

9. Introducir el gabinete a inspeccionar. 10. Cerrar cortinas (6). 11. Abrir registro. 12. Dar inicio a la prueba ubicando el selector (3.2) en Tipo 3R 13. Al finalizar la prueba ubicar el selector (3.2) en la posición central 14. Cerrar registro 15. Retirar el tablero inspeccionado 16. Ubicar cortina protectora del tanque

5.2.5 Prueba tipo 4

Para el desarrollo de la prueba tipo 4 se hace necesario la verificación de los pasos del 1 al 7 una vez comprobados se realiza lo siguiente:

110

8. verificar que la estructura de aspersores (7) se encuentre a la altura máxima, de lo contrario ajustarla mediante el control del motor elevador y verificado mediante la regleta.

9. introducir el gabinete a inspeccionar. 10. Abrir registro. 11. Dado que esta prueba se realiza de forma manual dirigiendo el chorro de

agua hacia el gabinete se hace necesario que el selector (3.2) sea ubicado en tipo 4 por otra persona, mientras se sostiene la manguera (8) de forma firme por el sujeto que va realizar la verificación.

12. Al finalizar la prueba ubicar el selector (3.2) en punto medio 13. Cerrar registro 14. Recoger manguera (8). 15. Retirar el tablero inspeccionado 16. Ubicar cortina protectora.

5.3 MANUAL MANTENIMIENTO

Para un correcto funcionamiento del sistema y una vida útil óptima se deben realizar revisiones periódicas a cada uno de los sistemas existentes con el fin de evitar fallos que tengan gran impacto para el funcionamiento y la disponibilidad del equipo.

A continuación se relacionan los principales sistemas y su debida inspección periódica.

5.3.1 Sistema Hidráulico

Este sistema está compuesto por un tanque subterráneo de agua, dos bombas las cuales proporcionan el caudal y la presión necesarios para cada una de la pruebas, además de las redes de tubería necesarios para su funcionamiento.

5.3.1.1 Bombas Las bombas no necesitan lubricación en partes internas ya que utilizan el fluido de trabajo como lubricante .lo cual permite que trabaje de manera eficiente y reduzca la complejidad y tiempo entre mantenimientos

Por lo tanto a continuación se especifican las rutinas de inspección a realizar:

Semanalmente:

Limpieza exterior de la unidad

Mensualmente:

Revisar el apriete de conexiones eléctricas.

Inspeccionar uniones de alimentación o descarga.

111

Inspeccione que no se presente vibraciones en el sistema.

Asegúrese que no hay fugas en el sello mecánico.

Anualmente:

Compruebe la capacidad de la bomba

Compruebe la potencia de la bomba

Desmonte la bomba

Inspección de bomba

Reemplazo de piezas desgastadas

5.3.1.2 Redes Hidráulicas Las redes están construidas en hierro galvanizado de 1” y manguera flexible y se deben realizar las siguientes inspecciones

Mensualmente

Inspección visual estado general de mangueras

Verificar que no se presenten obstrucciones en boquillas de salida

Revisión de pérdidas en uniones

Anualmente:

Desmonte y calibración de presostatos y caudalimetro

5.3.2 Tanque De Almacenamiento

El tanque está fabricado en acero inoxidable para evitar al máximo la degradación por corrosión. Se deben realizar inspecciones al tanque así como al fluido de trabajo.

Mensualmente:

Verificación del PH del agua por medio de papel tornasol no deberá tener una acides mayor a 9. En caso de serlo se descargara el sistema durante dos minutos haciendo uso de la prueba tipo 4 para la utilización de éste recurso en temas de aseo. Posteriormente se procede al llenado del tanque para realizar nuevamente la medición.

Anualmente:

Desocupar tanque de almacenamiento.

Inspección de accesorios y soldaduras.

Lavado general.

112

5.3.3 Sistema de elevación

Está diseñado para ofrecer la variación de altura del sistema de aspersión, por medio de un motor elevador eléctrico y guías para ofrecer una nivelación más fácil y ser dimensionada mediante una regleta.

5.3.3.1 Guía Se compone de un riel por el cual se desplazan rodachinas evitando el desplazamiento indeseado de la estructura. Se deben realizar las siguientes acciones:

Mensualmente:

Inspección visual del estado de rodachinas.

Lubricación general.

Anualmente:

Limpieza general de rieles, canales y rodachinas.

Verificación de torque de pernos de sujeción de rodachinas a estructura.

5.3.3.2 Motor Se utiliza un motor monofásico de 0.75 HP con mando a distancia con una capacidad máxima de 750 kg mediante una guaya de 5/32” de acero. Se deben realizar los siguientes controles

Mensualmente:

Inspección visual de guaya.

Revisión del comportamiento de elevación.

Verificación de terminales eléctricas.

Anualmente:

Desmonte del motor de la estructura.

Verificación total del estado de la guaya.

Verificación del sistema eléctrico.

Revisión de mando a distancia.

Reemplazo de piezas desgastadas.

5.3.4 Sistema de captación

Permite la conducción de agua hacia el tanque de almacenamiento, está compuesto por cortinas laterales y unas estructura de mallas que además de ofrecer el apoyo para el envolvente también cumple la función de filtrado.

113

5.3.4.1 Mallas Constan de una estructura en Angulo para brindar resistencia y soporte ya que serán estas en las que soporten el peso de la celda mientras se inspecciona además de filtrar el aguan que cae al tanque de almacenamiento. Se deberá realizar las siguientes inspecciones

Mensualmente:

Inspección visual.

Limpieza.

Anualmente:

Desmonte de la estructura.

Inspección visual de soldadura.

Cambio de tramos dañados.

5.3.4.2 Cortinas Fabricadas en PVC para brindar una barrera para el agua y evitar mayores pérdidas, además de existir una cortina la cual se ubica para cubrir le tanque mientras no se realizan pruebas para prevenir la entrada de contaminantes.

Mensualmente:

Inspección visual

Limpieza

5.3.5 Sistema de control

Está ubicado en un tablero el cual brinda un alto grado de protección de partículas como polvo y agua, permite el control total del sistema de bombas dando la facilidad de escoger la prueba realizar las siguientes acciones:

Mensual:

Inspección visual

Limpieza exterior

Anualmente:

Verificación de torque de conexiones

Análisis térmico de conexiones.

114

Tabla 30. Fallos y soluciones.

SISTEMA FALLAS CAUSAS SOLUCIONES

HIDRÁULICO

BOMBA NO ARRANCA

Motor defectuoso Reparación o cambio

voltaje línea muy bajo Revisar conexión eléctrica

Rotor o sello bloqueados Desmontar la carcasa, verificar el daño para

arreglo o cambio

Protección térmica disparada

Reset al sistema y verificar funcionamiento

Paro de emergencia activo Retirar el paro de

emergencia

CAUDAL O PRESIÓN INSUFICIENTE

Baja velocidad Ajustar mediante el tablero

de control

Fugas en el sistema Verificar el estado de las

juntas

Obstrucción en la succión Verificar entrada de la

bomba y purgar

Daño en sistema de descarga

Verificar estado de manguera y boquillas

Taponamiento de Redes Limpieza

ELEVACIÓN

DESNIVEL EN DESPLAZAMIENTO

Daño en rodamiento reparación o cambio

exceso de rozamiento limpieza y lubricación

Daño estructural revisión de soldaduras y

reparación

MOTOR ELEVADOR NO ARRANCA

Motor defectuoso Reparación o cambio

Daño en mando eléctrico Inspeccionar conexión

voltaje línea muy bajo Revisar conexión eléctrica

CONTROL DISPARO DE

PROTECCIONES

Sobre corriente Revisar conexión eléctrica

Recalentamiento de bombas

Revisar funcionamiento

Corto circuito Verificar conexiones

internas

Puntos calientes Revisar torque de

conexiones

Fuente: autores.

115

6 CAPITULO 6. ANÁLISIS ECONÓMICO

Para realizar el análisis económico del proyecto se hace necesario asumir eficiencia del sistema en un 80%, dado que no es posible una recuperación de la totalidad de agua.

Según datos suministrados por GIM Ingeniería Eléctrica se realizan un promedio de 1,7 pruebas diarias. Para un total de 620,5 pruebas anuales

El horizonte de análisis es de 5 años de servicio, a una tasa de interés de 3.3% el cual es valor promedio de la inflación en Colombia en los años 2013 a 2015.

Tabla 31. Valor promedio de la inflación en Colombia entre 2013 y 2015.

Fuente: banco mundial.

6.1 Inversión inicial

A continuación se presenta la relación de costos de materiales necesarios para la fabricación del sistema de verificación de gados de protección según norma NEMA para tipo 3R y tipo 4.

116

Tabla 32. Relación de costos.

Fuente: autores

6.2 Beneficios

6.2.1 Ahorro agua

El principal beneficio ofrecido por el sistema es la disminución en el gasto del recurso hídrico, ya que la reutilización de agua es de un 80%, es decir en un año se ahorraran 620,5 . A un costo de $4.176 para un total de $ 2’591.208

anuales.

6.2.2 Optimización

El proyecto propone la reducción de tiempos debido a la utilización de personal que se dedicaba después de cada prueba a realizar la limpieza y secado del sitio donde se generaba la prueba, en promedio se tardaban 2 personas 15 minutos por prueba, entonces anualmente se realizan 620.5 pruebas. El costo mensual por persona es de $900000, con un valor hora de $3750.

117

Tabla 33. Tabla de beneficios por ahorro de limpieza.

Fuente: autores

Una vez identificados y evaluados cada uno de los benéficos ofrecidos por el sistema se totaliza las ganancias.

Tabla 34. Beneficios del sistema.

Fuente: autores

6.3 Gasto operacional del sistema

El análisis se realiza en base a la prueba que presenta un mayor gasto de recursos para poder analizar los costos de operación del sistema.

Tabla 35. Costo de operación.

Fuente: autores

Según datos obtenidos la prueba que presenta mayores gastos operacionales es la tipo 4. En la cual se gasta una totalidad de $ 697.526 anuales.

6.4 Flujo De Caja Proyectado

Una vez estimados los gastos operacionales y los beneficios del sistema se realiza el flujo de efectivo neto proyectado a 5 años a una tasa de 3.3% anual.

118

Tabla 36. Flujo neto de efectivo anual.

Fuente: autores.

Figura 38. Flujo neto.

Fuente: autores

6.5 Valor Presente Neto (VPN).

Este valor permite evaluar si el proyecto es viable y cumple con las expectativas del proyecto, dicho valor tiene que ser mayor a 0 de lo contrario el sistema no cumpliría con los requisitos económicos de funcionamiento.

119

Donde:

P= inversión inicial

FNE = Flujo neto de efectivo en el año n

I = interés en este caso se toma el valor de la inflación

Se evidencia que el valor presente neto del proyecto es mayor a 0. Lo cual resulta favorable para la organización.

6.6 Tasa interna de rendimiento

Por medio de esta tasa se halla el interés del rendimiento del proyecto y se encuentra al hacer el VPN igual a 0

Para el proyecto desarrollado se encuentra una TIR = 11.94%

Esta tasa muestra un beneficio de 2,5 veces mayor al interés previsto para el desarrollo del sistema proyectado a 5 años de servicio

6.7 Periodo de recuperación de la inversión

Una vez establecidos los flujos de caja netos del proyecto y la inversión inicial es posible calcular el tiempo en el cual el sistema encuentra su equilibrio económico y empieza a generar ganancias, para el presente proyecto el tiempo en el cual se recupera la totalidad de la inversión es de 3 años y 4 meses.

Al analizar el sistema con una vida útil de 5 años, el tiempo en el que se recupera la inversión es alto, pero no es el único criterio de validación ya que en este tiempo se habrán realizado la verificación de 2110 envolventes, los cuales han sido verificados de manera correcta dando una mayor garantía a los productos ofrecidos por GIM ingeniería eléctrica.

120

7 CAPITULO 7 CONCLUSIONES Y BIBLIOGRAFÍA

7.1 CONCLUSIONES

Al finalizar el proceso de diseño del sistema cumpliendo los requerimientos de la norma NEMA, aportando a la optimización de recursos naturales y tecnificación industrial se da cumplimientos a los objetivos propuestos debido a que:

se evidencia un alto beneficio ambiental al reducir el gasto hidráulico en un 80% de la totalidad de agua necesaria para realizar la verificación de grados de protección, obteniendo un ahorro anual de 620,5

Se evidencia un alto cumplimiento de los requerimientos de caudal y presión necesarios mediante el uso de bombas independientes, las cuales garantizan el funcionamiento del sistema de manera óptima. cada uno de los parámetros.

Se evidencia la tecnificación del proceso mediante el uso de un tablero de control, el cual ofrece la fácil selección de la prueba a realizar, controlando los parámetros de salida para cada una de ellas.

Se evidencia la viabilidad del sistema al proyectar la vida útil a tan solo a 5 años de servicio, presentando altos indicadores de aceptación de inversión tales como TIR= 11.94%, VPN=2’916.071 y la recuperación de inversión en 3 años y 4 meses.

7.1.1 Conclusión general

Se diseñó un sistema de pruebas de agua para la verificación de grados de protección según la norma NEMA para Tipo 3R y Tipo 4 con recuperación de agua, reduciendo considerablemente el impacto ambiental.

7.1.2 Conclusiones Específicas

Se identificó cada uno de los requerimientos dados para la norma en el diseño del sistema, cumpliendo las variables de caudal, presión, tiempo y distancia de incidencia para cada una de las pruebas a realizar

Se desarrolló el proyecto haciendo uso de diferentes metodologías de diseño tales como QFD, TRIZ y Descomposición funcional.

Se seleccionó y diseñó cada uno de los componentes que constituyen el sistema, basados en los requerimientos de la norma y oferta comercial.

Se analizó el proyecto económicamente haciendo usos de criterios de evaluación como: Valor Presente Neto (VPN), Tasa Interna De Retorno

121

(TIR) y periodo de recuperación de inversión. Obteniendo resultados favorables para cada uno de ellos.

7.2 BIBLIOGRAFÍA

Documento “MANUAL DE CONTROL DE CALIDAD” del listado maestro de documentos de GIM INGENIERÍA ELÉCTRICA Ltda.

DUQUE. Fabián R/ JARAMILLO. Milly A. Análisis Térmico Por Elementos Finitos, Diseño Y Optimización Del Área Efectiva De Ventilación De Una Celda Para Transformador Tipo Seco De 1000kva. Tesis de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico, Universidad Distrital Francisco José De Caldas (Bogotá), 2013.

MORALES. Jefferson D/ MAECHA. Néstor L. Desarrollo De Una Aplicación De Software Para El Diseño Mecánico Con Generación De Planos Técnicos Y Formatos Comerciales, Para Cerramiento De Transformadores Tipo Seco, Según Las Normas Codensa Cts 509, Cts 502-4, Cts 518 Y Cts 518-2.Tesis de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico, Universidad Distrital Francisco José De Caldas (Bogotá), 2015.

National Electrical Manufacturers Association.(1998).NEMA 250.

WEG catálogo general de soluciones en tableros eléctricos.

RETIE (reglamento técnico de instalaciones eléctricas),2014.

www.rittal.com/co-es/content/es/support/.../nema/nema_1.

SALINAS, Dulce, diseño de un gabinete de control para un sistema de control distribuido, tesis de grado para optar al título de ingeniero en telecomunicaciones y electrónica, (México D.F), 2009.

PAZ, Percy F, desarrollo de las instalaciones eléctricas del centro integral paseo la castellana, tesis de grado para optar al título de ingeniero electricista, universidad Central de Venezuela, (Caracas), 2012.

122

Mott, R, Mecánica de fluidos, sexta edición. 2005.

NTC 2050.

Altshuller, G. S. (2005). The innovation Algorithm: TRIZ. Massachusetts: Technical Innovation Center, Inc.

Catálogo de variadores e instrumentación de control, Schneider Electric, 2012.

Ullman, D. G. (1997). The Mechanical design process. McGraw-Hill.

NTC 1486.

Baca, U Gabriel, evaluación de proyectos, McGraw-Hill, cuarta edición.

Catálogo de pedrollo, bombas centrifigas.

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