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MODIFICACIÓN DE UN AUTOCLAVE COMERCIAL PARA LA
CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES DIELÉCTRICAS DEL CAFÉ
Proyecto de grado para optar al título de ingeniero mecánico
Autor: Juan Pablo Rodríguez García
Asesor: Luis Ernesto Muñoz Camargo
Co-asesores: Juan Carlos Bohórquez Reyes
Sebastian Velasquez Suarez
Universidad de los Andes
Bogotá D.C, Colombia
II
AGRADECIMIENTOS
Agradezco principalmente a Luis Muñoz, Juan Carlos Bohorquez y Sebastian
Velasquez, quienes fueron mis asesores durante el transcurso de este proyecto. Los
consejos y recomendaciones que realizaron en cada reunión estarán presentes durante
mi labor como ingeniero mecánico.
III
CONTENIDO
NOMENCLATURA .............................................................................................................................. V
ÍNDICE DE FIGURAS........................................................................................................................ VII
ÍNDICE DE TABLAS .......................................................................................................................... IX
1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 1
2. OBJETIVOS ................................................................................................................................ 2
2.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................... 2
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................................... 2
3. ESTADO DEL ARTE ..................................................................................................................... 3
3.1. PROPIEDADES DIELÉCTRICAS .............................................................................................. 3
3.2. MODELO TERMODINÁMICO ................................................................................................. 5
3.3. PRESIÓN INTERNA ............................................................................................................... 7
4. METODOLOGÍA Y RESULTADOS...................................................................................................... 8
4.4. DISEÑO CONCEPTUAL ......................................................................................................... 8
4.4.1. SELECCIÓN DEL AUTOCLAVE ..................................................................................... 10
4.4.2. COMPORTAMIENTO DE LA SONDA DIELÉCTRICA ........................................................ 10
4.4.3. CONTROL DE LA TEMPERATURA ................................................................................ 14
4.4.4. PRESIÓN EN EL AUTOCLAVE ...................................................................................... 16
4.5. DISEÑO DE SOLUCIÓN ....................................................................................................... 19
4.5.1. SISTEMA DE PRESIÓN DEL AUTOCLAVE ...................................................................... 19
4.5.2. FUNCIONALIDAD DEL MONTAJE ................................................................................. 21
4.5.3. SOLUCIONES A PROBLEMAS DE DISEÑO ..................................................................... 24
4.5.4. CONTROLADOR PID .................................................................................................. 26
4.5.5. COMPONENTES PARA EL MOVIMIENTO LINEAL DE LA BASE ....................................... 28
4.5.6. SEGUNDA ITERACIÓN DEL DISEÑO ............................................................................. 31
5. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 36
5.1. REDISEÑO DE LA TAPA DEL AUTOCLAVE ............................................................................... 36
5.2. PRESURIZACIÓN DEL SISTEMA .............................................................................................. 37
IV
5.3. DISEÑO DEL MONTAJE FUNCIONAL ....................................................................................... 37
5.4. TRABAJO FUTURO ................................................................................................................. 37
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................. 38
APÉNDICE I: PROTOCOLO DESARROLLADO PARA PRUEBAS CON SONDA DIELÉCTRICA ...................... A
APÉNDICE II: PLANOS DE MANUFACTURA ........................................................................................ D
V
NOMENCLATURA
As Área superficial del cuerpo del autoclave [m2]
C Distancia entre centros de las poleas [m]
Cp Calor específico a presión constante [kJ/kg K]
Cv Calor específico a volumen constante del aire [kJ/kg K]
D Diámetro del cuerpo exterior del autoclave [m]
De Densidad del flujo eléctrico [C/m2]
Dm Diámetro medio del tornillo [m]
DP Diámetro de paso de las poleas [m]
E Potencial del campo eléctrico [V/m]
F Carga sobre el tornillo [N]
K Ganancia del sistema de primer orden [°C]
L Altura del autoclave [m]
LP Longitud de paso de la correa [m]
Grl Número de Grashof [-]
Nu Número de Nusselt [-]
P Presión interna en el autoclave [MPa]
Patm Presión atmosférica del lugar de operación [MPa]
Pr Número de Prandtl para el aire a temperatura ambiente
Pv Presión de vapor de la muestra [MPa]
𝑄�̇� Transferencia de calor desde el autoclave [W]
Ra Número de Rayleigh [-]
Sy Esfuerzo de fluencia [MPa]
Ta Temperatura del aire en el autoclave [°C]
Tm Temperatura de la muestra [°C]
T∞ Temperatura ambiente [°C]
Tr Momento par necesario para levantar el autoclave [Nm]
Tl Momento par necesario para bajar el autoclave [Nm]
f Fricción entre el tornillo y la rosca [-]
h Coeficiente de convección natural [W/m2 °C]
k Conductividad térmica del aire [W/m]
VI
n Moles de gas [mol]
p Paso del tornillo [m]
r Radio interno del cuerpo del autoclave [m]
t Tiempo [s]
�̇� Potencia de la resistencia eléctrica [W]
𝜀 Permitividad absoluta del material [F/m]
𝜀′ Constante dieléctrica [-]
𝜀′′ Factor de pérdidas dieléctrico [-]
𝜈 Viscosidad cinemática del aire [m2/s]
τ Constante de tiempo del sistema [s]
VII
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 3.1 - Comportamiento teórico de las propiedades dieléctricas de un material ..................... 4
Figura 3.2 - Sistema termodinámico para el autoclave eléctrico ..................................................... 5
Figura 3.3 - Presión de vapor vs temperatura de ebullición del etanol entre 77 y 243°C ................ 7
Figura 4.1 - Autoclave comprado por el cliente ............................................................................. 10
Figura 4.2 - Montaje inicial del experimento para pruebas con sonda dieléctrica ......................... 11
Figura 4.3 - Montaje experimental de la prueba ............................................................................ 11
Figura 4.4 - 𝜀′ para las mediciones realizadas con recipiente de vidrio ......................................... 13
Figura 4.5 – ε’' para las mediciones realizadas con recipiente de vidrio ....................................... 13
Figura 4.6 - Efecto del movimiento de la sonda ............................................................................ 14
Figura 4.7 – Región de trabajo para el modelo termodinámico calculado ..................................... 15
Figura 4.8 - Modelo de la función de transferencia del sistema .................................................... 16
Figura 4.9 – Comportamiento de la función de transferencia para la región de trabajo ................ 16
Figura 4.10 - Esfuerzo equivalente producido por una presión de 1 MPa en la tapa ..................... 18
Figura 4.11 - Geometría del rediseño de la tapa ............................................................................ 18
Figura 4.12 – Esfuerzo equivalente para el autoclave con tapa rediseñada ................................... 19
Figura 4.13 - Características de la válvula de seguridad escogida para operar a 180 PSI ............. 20
Figura 4.14 - Válvula de bola con 4 tornillos para admisión de aire al sistema ............................ 20
Figura 4.15 - Verificación de la presión en el autoclave ................................................................ 21
Figura 4.16 - Soluciones para operación de la sonda ..................................................................... 22
Figura 4.17 - Soluciones propuestas para movimiento del cuerpo del autoclave .......................... 22
Figura 4.18 – Dimensiones generales de la primera iteración ....................................................... 23
Figura 4.19 - Principales problemas de diseño en primera iteración ............................................. 24
Figura 4.20 - Alternativas para el daño por desgaste en el cable del termopar .............................. 25
Figura 4.21 – Posibles soluciones para el posicionamiento de la placa de vidrio en el autoclave . 25
VIII
Figura 4.22 - Alternativas para la extracción del aire en el autoclave ........................................... 26
Figura 4.23 - Termostato REX-C100 ............................................................................................. 27
Figura 4.24 - Características de operación del termostato ............................................................. 27
Figura 4.25 - Guía roscada ............................................................................................................. 29
Figura 4.26 – Disposición de los pernos en la tapa para su sujeción ............................................. 30
Figura 4.27 - Deflexión de un solo perno soportando el peso de la tapa ....................................... 31
Figura 4.28 - Segunda iteración del diseño de solución ................................................................. 31
Figura 4.29 - Desplazamiento total del soporte .............................................................................. 32
Figura 4.30 - Esfuerzo equivalente en el soporte ........................................................................... 33
Figura 4.31 - Desplazamiento total del segundo modelo propuesto .............................................. 34
Figura 4.32 - Esfuerzo equivalente para el segundo modelo del soporte ....................................... 34
Figura 4.33 - Polea dentada Martin P325M15-MPB ..................................................................... 35
Figura 4.34 - Tercera iteración del montaje funcional ................................................................... 36
Figura A.1 - Accesorio de corto y sonda de rendimiento ................................................................ B
IX
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 4.1 – Requisitos del proyecto establecidos por el cliente. ...................................................... 9
Tabla 4.2 - Restricciones del proyecto ............................................................................................. 9
Tabla 4.3 - Errores promedio en los experimentos realizados ....................................................... 12
Tabla 4.4 - Valores para la ganancia y la constante de tiempo del sistema ................................... 15
Tabla 4.5 - Propiedades del aluminio 1100 .................................................................................... 17
1
1. INTRODUCCIÓN
El café colombiano es destacado a nivel mundial por su aroma, suavidad y cuerpo. Estas
características permiten que el café sea uno de los bienes de exportación con mayor relevancia en
el mercado colombiano. Según el DANE, el café verde representó un 4.87 % de las exportaciones
totales del país, generando un ingreso neto de 187 millones de dólares FOB para el mes de octubre
del año 2018 [1]. Sin embargo, el proceso de producción de café en Colombia es un proceso de
alto riesgo por su elevado costo de producción. Entre las principales causas se encuentra la falta de
tecnificación en el sector agrícola colombiano. Como consecuencia, se tiene un producto cuya
calidad es altamente variable, el cual se califica por métodos visuales y olfativos para su
comercialización y consumo.
Con el fin de mejorar el control de la calidad en los procesos de obtención, procesamiento, consumo
y venta del café, se han desarrollado técnicas con posibilidad de ser aplicadas en campo. Una de
ellas es el estudio de las propiedades dieléctricas del grano de café. Este estudio, liderado
principalmente por Sebastián Velasquez en conjunto con el profesor Juan Carlos Bohórquez y el
grupo GEST del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de los
Andes, tiene como objetivo caracterizar el comportamiento dieléctrico del café en distintas
condiciones ambientales y etapas del proceso. La finalidad del proyecto descrito es determinar la
relación entre la permitividad dieléctrica y la temperatura del café para establecer su relación con
la calidad y madurez del grano durante su procesamiento. Por tal razón, se determina el uso de un
autoclave como el instrumento adecuado para crear un ambiente controlado basado en
investigaciones homólogas.
En este trabajo se diseñan las modificaciones a un autoclave comercial para crear un ambiente
controlado de temperatura y presión. El fin del proyecto es permitir la caracterización de las
propiedades dieléctricas del café entre la temperatura ambiente y una temperatura máxima de
150°C y determinar la relación entre la permitividad dieléctrica, la humedad del grano de café y la
madurez del grano durante el proceso.
2
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar las modificaciones a un autoclave comercial para crear un ambiente controlado de
temperatura y presión para la caracterización de las propiedades dieléctricas de distintas muestras
a una temperatura variable.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Definir las condiciones, restricciones, requerimientos y variables críticas de operación del
sistema para el diseño de las modificaciones necesarias para las pruebas a realizar.
• Seleccionar un autoclave en el mercado considerando las variables críticas estipuladas durante
la investigación preliminar.
• Identificar distintas alternativas para la solución de los requisitos de diseño propuestos para
la operación adecuada del autoclave
• Diseñar el sistema conformado por el autoclave y su interacción con el espacio de trabajo para
permitir la adecuada caracterización de las muestras de estudio.
3
3. ESTADO DEL ARTE
3.1. PROPIEDADES DIELÉCTRICAS
En países industrializados es común el uso de radiofrecuencia en aplicaciones de agricultura como
el procesamiento y conservación de granos [2]. Este proceso puede diseñarse a partir de las
propiedades dieléctricas del producto a tratar. Las propiedades dieléctricas son las que explican el
comportamiento de un material dieléctrico al interactuar con un campo electromagnético incidente.
Un material dieléctrico es un material con baja capacidad para conducir la electricidad y
experimentan una orientación ordenada de sus moléculas bajo la influencia de un campo
electromagnético en el fenómeno conocido como polarización. La polarización define la
interacción energética entre el cuerpo y el campo. La variable que rige este fenómeno es la
permitividad del material 𝜀, la cual determina la resistencia que opone un material a generar un
campo electromagnético [3]. 𝜀 se define físicamente por la ecuación (3.0).
𝜀 =𝐷𝑒𝐸
(3.0)
E es el potencial del campo eléctrico y De es la densidad del flujo eléctrico. Esta última variable es
un vector que representa la reorganización de las moléculas dada la influencia de un campo
eléctrico E por medio de la divergencia [4]. Por otra parte, 𝜀 se puede descomponer como una
variable escalar compleja, tal como se muestra en la ecuación (3.1).
𝜀 = 𝜀′ − 𝑗𝜀′′ (3.1)
𝜀′ es la permitividad relativa, también llamada constante dieléctrica del cuerpo, y 𝜀′′ es la
permitividad compleja o factor de pérdidas. 𝜀′ y 𝜀′′ son las propiedades dieléctricas de un material.
𝜀′ se asocia a la capacidad de un cuerpo para almacenar energía al interactuar con un campo
electromagnético incidente, mientras que 𝜀′′ representa la disipación de la energía por medio de la
transformación de energía eléctrica en energía térmica [2]. El conocimiento de estas variables
permite el desarrollo de procesos de control, diseño de aplicaciones con radiofrecuencia y el cálculo
de reacciones en el material de estudio
Las propiedades dieléctricas de un material dependen principalmente de la frecuencia del campo
eléctrico incidente. En la figura 3.1 se muestra el cambio de estas propiedades para un material
genérico en un rango de frecuencias. 𝜀𝑠 representa la permitividad relativa en un campo eléctrico
4
con frecuencia 0 y 𝜀∞ a frecuencias lo suficientemente grandes para que la polarización de las
moléculas no sea un fenómeno relevante.
Figura 3.1 - Comportamiento teórico de las propiedades dieléctricas de un material
La figura 3.1 muestra una frecuencia ω donde 𝜀′′ es máxima. Esa frecuencia es de interés en
aplicaciones de calentamiento por radiofrecuencia, como en el caso de los hornos microondas. El
efecto de la temperatura sobre la gráfica en la figura 1, se manifiesta con el desplazamiento del
tiempo de relajación. Esto significa que la frecuencia a la cual 𝜀′′ es máxima, se presente a mayores
frecuencias a medida que aumenta la temperatura [2].
La dependencia de la temperatura obliga a que la caracterización de las propiedades dieléctricas de
un cuerpo se realice en un rango de frecuencia constante para distintas temperaturas. Para ello, se
requiere de un ambiente controlado de temperatura que permita evidenciar la muestra. En el caso
de la temperatura y presión, es común el uso de autoclaves o esterilizadores para este fin. Un
autoclave es un recipiente hermético y estéril, que permite regular la temperatura y la presión
interna del gas que contiene, permitiendo controlar la temperatura de los elementos en él y evitando
la evaporación de los componentes volátiles [5]. Aunque su uso comercial se limite a esterilización
de elementos clínicos y de laboratorio, es común adaptar estos instrumentos para pruebas de
laboratorio.
En una investigación realizada por Muñoz et al. [6] se realizó una investigación en el proceso de
esterilización UHT de la leche en un autoclave con el fin de determinar la relación entre la calidad
de la leche, el proceso y las propiedades dieléctricas a distintas temperaturas. Se determinó que 𝜀′
y 𝜀′′ estaban correlacionados con el contenido de ceniza en la leche. A su vez, según los resultados
de la investigación, la leche era propensa a fugas térmicas en todas las frecuencias estudiadas. Es
decir, al usar un calentamiento RF, la leche no experimenta una disipación del calor homogénea,
manteniendo zonas del líquido en el que se tendrá una temperatura mayor a otras.
5
Sin embargo, la constante dieléctrica también es dependiente de otras variables. Nelson [2] afirma
que 𝜀′ y 𝜀′′ dependen de la cantidad de agua en el cuerpo, la temperatura, densidad y la composición
del material. Puesto que la variación de estas propiedades tiene un efecto directo en la permitividad
dieléctrica, no es posible determinar a priori el comportamiento de un material sin una
caracterización extensiva preliminar.
3.2. MODELO TERMODINÁMICO
La única variable controlable durante la operación de un autoclave es la temperatura. Por tanto, se
requiere de un modelo que aproxime el comportamiento del autoclave a un calentamiento.
Teniendo en cuenta las características generales de los autoclaves en el mercado, para el caso de
estudio se utilizará como elemento un autoclave cilíndrico, con contenedor y tapa en acero
inoxidable, y un cuerpo externo fabricado en aluminio. Ya que los autoclaves eléctricos no cuentan
con enfriamiento artificial, se puede aproximar la transferencia de calor del sistema con un modelo
de convección natural. Esto quiere decir, que el autoclave realiza un intercambio de calor con el
aire circundante. Los efectos de la radiación se desprecian ya que la temperatura en ningún caso es
lo suficientemente grande para generar un efecto relevante en el ambiente. Sí se toma el cuerpo
externo del autoclave como el volumen de control, se obtiene el modelo en la figura 3.2.
Figura 3.2 - Sistema termodinámico para el autoclave eléctrico
Al ser un sistema aislado, no existe el flujo másico de aire, es decir, el aire dentro del autoclave es
constante. Por otra parte, el sistema se puede modelar como una masa de control con paredes fija.
Por tal razón, la única variable que afecta la energía interna del sistema es la transferencia de calor.
Çengel define entonces que los cambios de temperatura varían la energía interna del aire en el
volumen de control [7]. Por tal razón, la ecuación que modela la temperatura del aire dentro del
sistema, considerando una diferencia de temperatura entre el autoclave y el ambiente ∆𝑇, es:
6
𝑡 (�̇� − 𝑄�̇�) = ∆𝑇∑(𝑚𝑖𝐶𝑝𝑖) (3.2)
mi y CPi representan la masa y el calor específico de los distintos materiales presentes, como acero
inoxidable, aluminio, etc. En la ecuación se tiene como incógnita el tiempo t, ya que la temperatura
final es el valor estipulado por el usuario, y 𝑄�̇� representa la transferencia de calor desde el
autoclave al aire circundante. Puesto que se tiene un modelo de convección natural, la pérdida de
calor se puede hallar para cada temperatura en el autoclave, Ta, utilizando la ecuación de
enfriamiento de Newton:
𝑄�̇� = ℎ𝐴𝑠∆𝑇 (3.3)
En la ecuación (3.3) se tienen 𝑄�̇� y el factor de transferencia de calor por convección, h, como
incógnitas. Çengel afirma que un cuerpo cilíndrico cuyo diámetro es cercano o superior a su altura,
se puede considerar como una pared plana vertical [8]. Para este caso, el área superficial As y los
números adimensionales que caracterizan el modelo de transferencia de calor construido son:
𝐴𝑠 = 𝐿 ∗ 𝐷 (3.4)
𝐺𝑟𝑙 =𝑔∆𝑇𝐿
𝜈 ∗ 𝑇∞
(3.5)
𝑅𝑎 = 𝐺𝑟𝑙 𝑃𝑟 (3.6)
Con los números adimensionales calculados, es posible hallar Nu para el caso de convección
natural trabajado y por tanto, relacionarlo con h. Nu se puede hallar de forma general para cualquier
caso de convección natural con la siguiente ecuación, donde k representa la conductividad térmica
del aire a temperatura ambiente. [8]:
𝑁𝑢 =
(
0,825 +
(
0,387 ∗ 𝑅𝑎16
(1 + (0,492𝑃𝑟 )
916
)
827
)
)
2
(3.7)
𝑁𝑢 =ℎ𝐿
𝑘
(3.8)
Finalmente, la ecuación para las pérdidas de calor por cada valor de ∆𝑇 es:
𝑄�̇� =𝑘𝑁𝑢
𝐿𝐴𝑠∆𝑇
(3.9)
7
𝑡 (�̇� −𝑘𝑁𝑢
𝐿𝐴𝑠∆𝑇) = ∆𝑇∑(𝑚𝑖𝐶𝑝𝑖)
(3.10)
La ecuación (3.10) se puede modelar punto por punto con ayuda de software para encontrar el
tiempo total de calentamiento que requiere el sistema para un valor de ∆𝑇 escogido.
3.3. PRESIÓN INTERNA
En la sección 3.1 se estableció que las propiedades dieléctricas de un material dependen de la
humedad que contiene el cuerpo, la densidad y la composición de este. Por tal razón, es necesario
que los componentes dentro de la muestra no sufran cambios físicos debido a la alta temperatura
de operación del autoclave. Por ello, se requiere que la presión interna del autoclave sea mayor a
la presión de vapor del componente más volátil de la muestra. White define la presión de vapor
como la presión límite en el que se ocurre la evaporación o la condensación sí se tiene una presión
interna menor o mayor a esta respectivamente [9]. Esta presión es la que determina la temperatura
de ebullición de un fluido. Por tal razón, para aumentar la temperatura de ebullición de un fluido,
se requiere aumentar la presión interna del recipiente que lo contiene.
Teniendo en cuenta los componentes críticos estudiados por Velasquez et al. [10] y la información
suministrada por Puerta Quintero [11], se considera al etanol como el compuesto de diseño por ser
el alcohol de mayor prevalencia en el grano de café. El DDB [12], establece las siguientes
relaciones experimentales entre la presión de vapor y la temperatura de ebullición del etanol.
Figura 3.3 - Presión de vapor vs temperatura de ebullición del etanol entre 77 y 243°C
Se sabe que el fluido contenido en el autoclave es aire y que este experimenta un aumento de
presión consecuente al aumento de temperatura en el autoclave. Considerándolo un gas ideal, se
8
puede calcular el aumento de presión interna producido por la temperatura en el contenedor por
medio de la ecuación general de los gases ideales [13].
𝑃1𝑉1𝑛1𝑇1
=𝑃2𝑉2𝑛2𝑇2
(3.11)
Sí se considera que el volumen es siempre constante dentro del autoclave y que los moles de aire
no varían durante la operación de la máquina, la ecuación que explica el aumento de presión por el
calentamiento del aire será:
𝑃1𝑇2𝑇1
= 𝑃2 (3.12)
Puesto que la presión de vapor tiene en cuenta la presión atmosférica, la presión que se debe
suministrar al autoclave antes de iniciar la operación se da por la ecuación (3.13), donde Pv es la
presión de vapor del etanol y Patn es la presión atmosférica del lugar donde se opera el autoclave
𝑃2 + 𝑃𝑎𝑡𝑚 = 𝑃𝑣 (3.13)
4. METODOLOGÍA Y RESULTADOS
La metodología empleada en el presente proyecto se basa en el proceso de diseño de Dieter [14],
dividiendo el trabajo entre una fase de diseño conceptual, una fase de diseño de solución y por
último el diseño de detalle. Durante la ejecución de este proyecto se determinó que el alcance del
mismo abarcaría el diseño conceptual al identificar el problema y las variables involucradas, y la
fase de diseño de solución en la que se realizan las múltiples iteraciones de los diseños propuestos
para generar las alternativas que solucionen el problema del proyecto.
4.4. DISEÑO CONCEPTUAL
El diseño conceptual se basa en la definición del problema, las variables de trabajo y las
necesidades que el diseño planea resolver.
En el final de la sección 3.1 se utilizó el ejemplo de la caracterización realizada por Muñoz et al.
para demostrar los efectos en la calidad de la leche y su relación con las propiedades dieléctricas.
En cuanto al caso de estudio, la información sobre las propiedades dieléctricas y su relación con la
calidad del café es muy escaza. La investigación realizada por Velasquez et al. [10] demuestra que
la permitividad compleja en el grano de café permite obtener una buena aproximación para
determinar el contenido de humedad en el grano, propiedad que es particularmente importante para
determinar la madurez en cada proceso de producción. Sin embargo, se desconoce la dependencia
9
de 𝜀′ y 𝜀′′ con la temperatura. Puerta Quintero [11] establece que la temperatura ambiente e interna
que experimentan los granos de café, tienen un efecto directo sobre el sabor y aroma del lote final.
Según lo anterior, el estudio de 𝜀′ y 𝜀′′ para el grano de café a distintas temperaturas, puede
significar el desarrollo de nuevos métodos que permitan determinar la madurez del grano para cada
etapa del proceso.
Con el fin de investigar este fenómeno, el grupo GEST de la Universidad de los Andes, considera
el uso de un autoclave que se pueda usar como un ambiente de trabajo con temperatura controlada
para caracterizar las propiedades dieléctricas del grano de café y su relación con la temperatura y
la calidad del grano. El autoclave también permitiría estudiar la dependencia del contenido de
alcohol y agua sobre las propiedades dieléctricas del grano de café durante distintas etapas de
procesamiento sin llegar a evaporarse a altas temperaturas.
Las condiciones de operación establecidas para el autoclave por el grupo GEST de la Universidad
de los Andes, de ahora en adelante el cliente, se detallan en la tabla 4.1.
Tabla 4.1 – Requisitos del proyecto establecidos por el cliente.
Variable Requisitos del proyecto
Temperatura • Temperatura máxima de operación: 150°C.
• Temperatura controlable.
Presión • La presión en el sistema debe ser controlable para no evaporar los
componentes más volátiles a la temperatura máxima de operación.
Sonda • El montaje debe soportar la sonda de rendimiento Keysight N1501A
Volumen
• El volumen original del autoclave se debe conservar.
• Las modificaciones al producto deben ser desmontables.
• Se debe poder realizar la caracterización de muestras pequeñas.
Por otra parte, las restricciones del proyecto durante su ejecución se presentan en la tabla 4.2
Tabla 4.2 - Restricciones del proyecto
Restricciones del proyecto
• La ejecución del proyecto debe realizarse en un tiempo máximo de 4 meses.
• Se cuenta con un presupuesto del departamento de ingeniería mecánica de 1 SMMLV
para compras de material y 1 SMMLV para la manufactura de las modificaciones.
• El presupuesto estimado para la compra del autoclave es de $2.000.000 COP a cargo del
grupo GEST.
10
4.4.1. SELECCIÓN DEL AUTOCLAVE
Figura 4.1 - Autoclave comprado por el cliente
Para la selección del autoclave se priorizó que la forma de calentamiento fuese eléctrica, un
contenedor con volumen superior a 8 L y que tuviese un cuerpo cilíndrico. El cuerpo cilíndrico es
preferido porque otorga una mayor facilidad para la manufactura de las modificaciones. Entre las
múltiples opciones en el mercado, se encuentran los producidos por AllAmerican [15], los cuales
son los más comunes por su calidad, siendo una alternativa con mayor costo que las demás opciones
en el mercado. Por otra parte, se buscaron autoclaves usados en la ciudad de Bogotá, sin embargo,
la mayoría de estos presentaban óxido en su cuerpo, factor que afecta directamente la resistencia
del autoclave a altas presiones. Finalmente, al ser una opción más económica, se optó por el
autoclave del comercializador Seeutek por medio de la plataforma Amazon, producto presentado
en la figura 4.1 [16]. Este autoclave cuenta con un volumen de 18 L y calentamiento por resistencia
eléctrica de 2000 W, cumpliendo con las condiciones de volumen y tamaño esperadas. Por otra
parte, la temperatura de operación máxima es de 125°C ya que la presión interna a la cual se
encuentra calibrada la válvula de alivio es de 145 kPa y no permite incrementar la temperatura por
el aumento de la presión interna dentro del cuerpo del autoclave. La presión de trabajo es estándar
entre todos los autoclaves investigados.
4.4.2. COMPORTAMIENTO DE LA SONDA DIELÉCTRICA
Los instrumentos de medición dependen de las propiedades ambientales y los cuerpos con los que
interactúan, por lo que es indispensable conocer los efectos del ambiente sobre estos. Tal es el caso
de Muñoz et al. quienes reportan efectos de ruido entre la sonda y la superficie inferior del
autoclave metálico [6]. En su investigación, fue necesaria la construcción de una disposición
11
especial de placas metálicas en las paredes del contenedor para reducir el efecto del ruido. Con el
fin de verificar el comportamiento planteado por Muñoz et al. se diseña el experimento que se
muestra en la figura 4.2. El procedimiento consiste en medir las propiedades dieléctricas del agua
contenida en dos recipientes distintos, un beaker de vidrio y un recipiente metálico. Las
propiedades se miden entre un rango de frecuencias entre 0.5 y 20 GHz; variando la distancia de
la placa metálica a una distancia de 30 mm por cada medición. Se realizó el protocolo que se detalla
en el apéndice I con el fin de estandarizar el procedimiento realizado para las pruebas y poder
replicarlo con otras sustancias de trabajo. A partir de este protocolo, se realizan las mediciones de
𝜀′ y 𝜀′′ con el fin de determinar el comportamiento descrito por Muñoz et al. durante su
investigación
Figura 4.2 - Montaje inicial del experimento para pruebas con sonda dieléctrica
Figura 4.3 - Montaje experimental de la prueba
12
En el caso del agua destilada, se puede observar en la figura 4.4 y 4.5 los resultados promedio para
cada medición en ambos recipientes comparados contra la calibración de la sonda. Para determinar
la calidad de cada medición con respecto a la medida original, se calcula el error promedio para
cada prueba generando la curva media entre las 3 mediciones realizadas y se compara la diferencia
de cada punto de la curva con respecto a la curva de calibración, obteniendo el valor promedio de
todas las diferencias. En la tabla 4.3 se reportan los errores promedio calculados. El error para el
conjunto de pruebas se encuentra entre 0.0937% y 0.4618% para ε’ y entre 0.0937% y 0.7992%
para ε’’. De acuerdo al rango de errores para las pruebas, no es posible determinar un efecto
negativo en las mediciones por la interferencia del metal en el caso del agua destilada. La variación
del error aumenta con el movimiento de la placa metálica, por lo que es posible suponer que el
incremento en el error experimental se debe a perturbaciones físicas en la sonda por movimiento
del montaje.
Tabla 4.3 - Errores promedio en los experimentos realizados
Distancia de metal a sonda Error promedio ε’ Error promedio ε’’
Recipiente de vidrio 3 mm 0,09% 0,09%
45 mm 0,33% 0,33%
75 mm 0,43% 0,43%
Recipiente metálico 3 mm 0,46% -0,80%
45 mm 0,33% -0,60%
13
Figura 4.4 - 𝜀′ para las mediciones realizadas con recipiente de vidrio
Figura 4.5 – ε’' para las mediciones realizadas con recipiente de vidrio
Para verificar sí el movimiento de la sonda tiene un efecto relevante en el error promedio calculado
en la tabla 4.3, se planteó realizar una medición después de perturbar la posición inicial de la sonda.
Se realizó la medición sin intercambiar el fluido de trabajo usado durante las pruebas. La figura
14
4.6 muestra el efecto del movimiento de la sonda sobre los valores de ε’, donde la curva obtenida
presenta un desfase al ser mucho menor en cada punto comparada a la curva de calibración. Por tal
razón, es posible afirmar que los errores presentados en la tabla 4.3 pueden deberse a factores
humanos por el movimiento de la sonda durante el cambio de la posición de la placa metálica.
Figura 4.6 - Efecto del movimiento de la sonda
4.4.3. CONTROL DE LA TEMPERATURA
Para cumplir el requisito establecido de la temperatura máxima del autoclave, es necesario de un
sistema de control que limite la temperatura. Además, la implementación de un sistema de control
asegura que la temperatura del grano durante las mediciones sea consistente. Para ello, es necesario
desarrollar el modelo termodinámico presentado en la sección 3.3 con el fin de entender el
comportamiento del autoclave y poder generar un sistema de control tentativo.
Desarrollando las ecuaciones presentadas por medio del software MATLAB, se obtiene la figura
4.7 la cual describe el comportamiento que experimenta el autoclave durante un tiempo lo
suficientemente grande para llegar a la temperatura límite del sistema. El valor máximo de
temperatura que se puede lograr, bajo las suposiciones realizadas en la sección 3.3, corresponde a
232°C en un tiempo de aproximadamente 1 hora. El valor máximo de temperatura establecido de
150°C se experimenta en un tiempo teórico de 1122 segundos.
Se sabe a partir de la ecuación (3.2) y de la figura 4.7 que el sistema, se puede modelar como un
sistema de primer orden dado su ecuación diferencial. Esto permite hallar una constante de tiempo
15
y una ganancia asociada al sistema, las cuales pueden aproximar el modelo obtenido en la figura
4.7. La ganancia del sistema K, será la diferencia de temperatura máxima, mientras que la constante
de tiempo τ, representa el tiempo que toma llegar al 63.2% de la diferencia máxima de temperatura.
∆𝑇 = 232°𝐶 − 22°𝐶 = 210°𝐶 (4.1)
Figura 4.7 – Región de trabajo para el modelo termodinámico calculado
Teniendo en cuenta el valor máximo de ∆𝑇, se tienen los siguientes valores para K y para τ:
Tabla 4.4 - Valores para la ganancia y la constante de tiempo del sistema
K [°C] τ [s]
210 1225.4
A partir de estos valores es posible plantear la función de transferencia aproximada que caracteriza
el sistema sin un controlador para la región de trabajo supuesta en la figura 4.7. El modelo y su
comportamiento se presentan en las figuras 4.8 y 4.9, donde se consigue una temperatura de 150°C
a 1152 segundos.
16
Figura 4.8 - Modelo de la función de transferencia del sistema
Figura 4.9 – Comportamiento de la función de transferencia para la región de trabajo
A partir de la función de transferencia encontrada, es posible diseñar un controlador que regule la
temperatura bajo las condiciones de operación deseadas, y adaptarlo al comportamiento
experimental que produce el autoclave modificado.
4.4.4. PRESIÓN EN EL AUTOCLAVE
En la sección 3.4 se definió el concepto de presión de vapor como la presión límite a la cual un
fluido se mantiene en equilibrio en su fase líquida. Este concepto es importante ya que, a partir de
la presión de vapor, se define la presión interna de operación del sistema. A su vez, en la figura 3.3
y 3.4, se presentaron los valores de presión de vapor para distintas temperaturas de ebullición del
compuesto de trabajo, el cual es etanol. Usando la figura 3.4 se determina que la presión para evitar
la evaporación del etanol a 150°C es de aproximadamente 1 MPa. Esta presión de trabajo es mucho
mayor a la presión de trabajo para la cual está diseñado el autoclave, y por tanto es necesario
17
referirse a la sección 1 del código ASME para calderas y contenedores presurizados [17], o ASME
BPVC, para determinar sí el tanque es apropiado para su operación.
Megyesy [18] realiza un resumen del código y establece que en el diseño de tanques presurizados
es deseado trabajar con una presión 1.5 veces la presión máxima de operación establecida, y por
tanto se define que la presión de diseño será de 1.5 MPa. A partir de la ecuación (4.2), es posible
determinar el espesor mínimo que debe tener un tanque presurizado dada una presión interna de
trabajo y el material de construcción. En dicha ecuación, r es el radio interno del cuerpo y Sy es el
esfuerzo de fluencia del material. Este cálculo es necesario para determinar si el autoclave escogido
puede soportar las condiciones de operación y no sufrir una ruptura en su cuerpo. Se conoce que el
cuerpo externo del autoclave tiene un diámetro de 0.31 m y que está construido en aluminio, a
partir de las especificaciones del proveedor. Este componente se define como el crítico para el
cálculo de la resistencia del tanque presurizado por estar construido en un material de menor
resistencia que el resto de las piezas. Se realiza la suposición de que el exterior está fabricado en
aluminio 1100 al ser el aluminio comercial con la menor resistencia en aplicaciones relacionadas
con la industria alimenticia. Las propiedades para el aluminio se presentan en la tabla 4.5 [19].
𝑡 =𝑃𝑎𝑟
𝑆𝑦0.4𝑃𝑎 (4.2)
Tabla 4.5 - Propiedades del aluminio 1100
E [GPa] Sy [MPa]
69 75
𝑡 =1500000 𝑃𝑎 ∗ 0,155 𝑚
165𝑥106 𝑃𝑎 − 0,6 ∗ 1500000 𝑃𝑎= 0.00142 𝑚 = 1,42 𝑚𝑚 (4.3)
A partir de (4.3) se puede afirmar, de forma preliminar, que el cuerpo exterior del autoclave supera
el espesor mínimo requerido y que por tanto no sufrirá una ruptura durante su operación. Este
cálculo se realizó únicamente con etanol y debe ser verificado para la manipulación de
componentes más volátiles.
Por otra parte, se encontró por medio de simulaciones que la tapa no es apta para trabajar a la
presión de operación. Como se observa en la figura 4.10, el esfuerzo que se genera en el agujero
de la sonda es superior al esfuerzo de fluencia del acero inoxidable, material de construcción de la
tapa. Por tal razón, el paso a seguir es el rediseño de una tapa que se acople al autoclave para
permitir la operación de este a 1 MPa. Megyesy recomienda a partir de la información contenida
18
en el código el uso de tapas elipsoidales, con una relación de 2:1 entre ejes, para recipientes con
diámetro interno menor a 356 mm. Puesto que el diámetro interno del recipiente es de 310 mm, se
realiza el diseño preliminar de una tapa elipsoidal a partir de la ecuación (4.2) el espesor mínimo
de la tapa. En la ecuación E es la eficiencia de la soldadura, la cual se supone de 0.6 que corresponde
a una soldadura de filete simple, y D el diámetro interno. Dada la relación entre los ejes de la tapa,
se determina que la altura de la tapa es de 77,53 mm.
𝑡 =𝑃𝑎𝐷
2𝑆𝑦𝐸 − 0.2𝑃𝑎 (4.4)
𝑡 =1500000 𝑃𝑎 ∗ 0,310 𝑚
2 ∗ 215𝑥106 𝑃𝑎 − 0,6 ∗ 1500000 𝑃𝑎= 0.00142 𝑚 = 1,08 𝑚𝑚 (4.5)
Figura 4.10 - Esfuerzo equivalente producido por una presión de 1 MPa en la tapa
Figura 4.11 - Geometría del rediseño de la tapa
Finalmente, bajo las mismas condiciones de operación, se prueba la tapa diseñada en la figura 4.12.
Se observa que el esfuerzo equivalente a 150 PSI produce un esfuerzo de 112.4 MPa, valor que
19
representa un factor de seguridad de 1.91. Es decir, que el esfuerzo de fluencia es aproximadamente
el doble del esfuerzo máxima a la presión máxima para el etanol.
Figura 4.12 – Esfuerzo equivalente para el autoclave con tapa rediseñada
El diseño de la tapa cumple con el requisito para el etanol, sin embargo, es necesario definir su
operación para componentes más volátiles y para distintas condiciones de operación debido a la
temperatura. Por lo anterior, la tapa diseñada es una aproximación y por tanto no es la versión
definitiva por manufacturar.
4.5. DISEÑO DE SOLUCIÓN
En el diseño de solución se desarrollan y ajustan los diseños propuestos después de la definición
del problema y las condiciones de operación. A partir de las distintas variables estudiadas durante
el diseño conceptual se identifica que los sistemas más críticos son el sistema de presión en el
autoclave para evitar la evaporación de los componentes volátiles en la muestra; el control de
temperatura en la muestra para el diseño del sistema de control de temperatura, y el montaje
funcional para garantizar la operación correcta de la sonda y poder realizar la caracterización de la
muestra de interés.
4.5.1. SISTEMA DE PRESIÓN DEL AUTOCLAVE
Según lo expuesto en la sección 4.1.4, se debe considerar el sistema de control de presión para la
puesta a punto del autoclave. Puesto que la presión absoluta a la que se debe someter el sistema es
de 1 MPa, se determina que la presión de operación será de 150 PSI para otorgar consistencia a las
20
muestras medidas. Por tal razón, se requiere de una válvula de seguridad para evitar sobrepresiones
y una válvula de admisión para la presurización con aire del autoclave. En la figura 4.13 se muestra
la válvula de seguridad escogida con una entrada de ½” NPT. Por otra parte, en la figura 4.14, se
presenta la válvula de admisión de aire, la cual se determinó como una válvula de bola de 4 tornillos
en acero inoxidable ya que tiene la capacidad de trabajar a mayores presiones que otro tipo de
válvulas.
Figura 4.13 - Características de la válvula de seguridad escogida para operar a 180 PSI
Figura 4.14 - Válvula de bola con 4 tornillos para admisión de aire al sistema
Seleccionadas las válvulas, se establece que su ubicación será en la tapa para garantizar el escape
de aire caliente al exterior. La presurización del autoclave se realizará únicamente por la válvula
de bola por medio de una manguera de aire comprimido. La válvula de seguridad se calibra para
que opere a 1.2 veces la presión máxima de operación y solo se accionará en caso de ocurrir una
sobrepresión en el sistema.
Puesto que el calentamiento del aire dentro del autoclave produce un aumento de presión, es
necesario calcular la presión que se debe suministrar al autoclave para que por calentamiento se
alcance la presión de trabajo de 150 PSI. Suponiendo que la operación se realiza en Bogotá, se
estima una presión atmosférica de 751578 Pa [20] y se emplean 22°C y 150°C como la temperatura
inicial y la temperatura máxima respectivamente. Sí la presión de vapor del etanol es 1 MPa para
150°C:
21
𝑃2 = 1𝑥106 𝑃𝑎 − 75158 𝑃𝑎 = 924842 𝑃𝑎
𝑃1 =924842 𝑃𝑎 ∗ (22 + 273.15) 𝐾
(150 + 273.15) 𝐾= 645084 𝑃𝑎 = 93.56 𝑃𝑆𝐼
Es decir, se requiere suministrar al autoclave una presión igual a 645084 Pa antes de iniciar la
operación para garantizar que el etanol en el grano de café se mantenga en su fase líquida. Este
comportamiento se puede comprobar al graficar la presión de vapor del etanol contra la presión
absoluta en el autoclave, como se muestra en la figura 4.15.
Figura 4.15 - Verificación de la presión en el autoclave
4.5.2. FUNCIONALIDAD DEL MONTAJE
A partir de los requisitos de diseño, la especificación de las condiciones de operación y la selección
de las válvulas, se identifican los principales problemas para generar la funcionalidad del montaje.
A partir de la figura 4.7 se determinó que la sonda debe mantenerse completamente fija en el
espacio para garantizar la consistencia en las mediciones realizadas. Por tanto, en la figura 4.16 se
presentan las alternativas propuestas para integrar el montaje de las modificaciones con la sonda
en el espacio de trabajo. La alternativa seleccionada siempre se presenta como la primera de todas
las alternativas propuestas.
22
Figura 4.16 - Soluciones para operación de la sonda
Puesto que la calibración es el punto de referencia para el conjunto de muestras de interés, es
preferible realizar un montaje especializado que permita operar la máquina con una única
calibración. Por tanto, se decidió por la construcción de un montaje para el autoclave que permita
mantener la tapa fija. Con el fin de plantear un diseño preliminar, se presentan en la figura 4.17 las
alternativas propuestas durante el desarrollo del prototipo, donde se selecciona la construcción de
un montaje mecánico que es operado de forma manual. Se toma esta decisión porque permite una
construcción de menor tamaño, más económica a comparación de un elemento externo y garantiza
que puede operar a altas temperaturas.
Figura 4.17 - Soluciones propuestas para movimiento del cuerpo del autoclave
•El cuerpo del autoclave realiza el movimiento hacia latapa para sellar el sistema, evitando la recalibración de lasonda
Sonda fija a tapa del autoclave
•La sonda debe recalibrarse para cada cambio de muestraal perturbar su posición original
Calibración cada cambio de muestra
•La base del autoclave se mueve por medio de un
mecanismo manual.
•Se requiere el mecanizado de múltiples piezas.
•Componentes funcionales de bajo costo.
Mecanismo manual integrado
•La base y el autoclave se mueven en conjunto por mediode un elemento externo que debe ser construido ocomprado.
•El elemento externo asegura un movimiento linealvertical.
Uso de elemento externo
23
A partir de las alternativas seleccionadas se construye una primera iteración del montaje funcional
para identificar los problemas a solventar durante el proceso de diseño, los cuales se presentan en
la figura 4.18.
Figura 4.18 – Dimensiones generales de la primera iteración
La primera propuesta consiste en un sistema compuesto por una base la cual se mueve gracias a un
tornillo de potencia en el lateral de la base. A su vez, una columna de acero unida por medio de
soldadura a un anillo que soporta la tapa con el uso de pernos que la aseguran. El sellamiento del
autoclave se realiza con los tornillos mariposa incluidos en el producto original. Los problemas 1
y 2 en la figura 4.19 se solucionan a partir de las alternativas descritas previamente para generar la
primera iteración del montaje funcional.
24
Elemento Descripción
1 Movimiento de la sonda
2 Movimiento de la base del autoclave
3 Movimiento del cable del termopar
4 Base de la muestra
5 Controlador PID
6 Salida de aire de la válvula
7 Componentes para el movimiento lineal de la base
Figura 4.19 - Principales problemas de diseño en primera iteración
4.5.3. SOLUCIONES A PROBLEMAS DE DISEÑO
A partir de la identificación de los principales problemas de diseño en la primera iteración del
montaje funcional, es posible generar las alternativas que les den solución para llegar a una segunda
iteración que cumpla con los requisitos del cliente.
Para la medición de la temperatura en el autoclave, se requiere de un elemento, como un termopar,
a la altura de la muestra para realizar el control de temperatura del autoclave. Estos instrumentos
se conectan por medio de cables y el repetido movimiento del cuerpo del autoclave provoca que se
desgaste por flexión. Por tal razón, las alternativas seleccionadas se presentan en la figura 4.20 con
el fin de aumentar la vida útil del sensor y disminuir la frecuencia de mantenimientos al montaje.
25
Figura 4.20 - Alternativas para el daño por desgaste en el cable del termopar
Se decide utilizar un material de refuerzo como cobertores de nylon o termoencogible, que le
otorgue rigidez al cable y reducir la velocidad de desgaste del cable. Aunque fijar el sensor a la
tapa es una mejor solución en cuanto a evitar el desgaste, es preferible realizar la medición a la
altura de la muestra de forma horizontal para que los valores obtenidos sean más precisos.
Por otra parte, es necesario determinar el material de la base de la muestra y el método de
posicionamiento de este en el autoclave. Se escogen el vidrio de borosilicato y el acero inoxidable
como los materiales tentativos de la base puesto que tienen la propiedad de no reaccionar con
alimentos. En la figura 4.21 se muestran los criterios para cada uno [21]. Por una parte, el vidrio
de borosilicato tiene una mayor rigidez y una mejor resistencia química que el acero inoxidable,
sin embargo, es mucho más costoso y difícil de manufacturar. Aun así, se escoge este como el
material de la base puesto que se requiere de pruebas más extensivas de la interacción de la sonda
con otras muestras para determinar la influencia del metal. El posicionamiento de la base se escoge
por medio de apoyos en las paredes del contenedor puesto que es un requisito de diseño la remoción
de la base de la muestra.
Figura 4.21 – Posibles soluciones para el posicionamiento de la placa de vidrio en el autoclave
•Uso de un elemento externo que cubre el cable y le
otorga rigidez.
•El sensor puede posicionarse a la altura de la muestra.
Uso de un material de refuerzo
•El termopar se fija en la tapa para restringir elmovimiento del cable.
•Se posiciona de forma vertical y lejos de la muestra.Fijación del termopar
•Resistente a altas temperaturas y a choques térmicos.
•Buena resistencia química.
•Precio elevado de manufactura.
Vidrio de borosilicato
•Mayor facilidad de manufactura
•Precio más económico
•La resistencia química depende del grado de aceroutilizado
Acero inoxidable
26
Finalmente, es importante determinar la forma de liberar el aire presurizado en el autoclave para el
cambio de muestras y la finalización de operación. Como la temperatura máxima a la que puede
liberarse el aire es 150°C, se requiere de un sistema de extracción de aire que se acople a la válvula
de admisión y garantice la seguridad del usuario. Las alternativas propuestas se presentan en la
figura 4.22. La alternativa seleccionada corresponde a la necesidad de transportar el autoclave a
distintos lugares, razón por la cual se opta por una tubería la cual asemeja el efecto de una chimenea
de aire caliente a comparación de la opción de la cabina de extracción que es un elemento
especializado con el que no se cuenta en muchos sitios de prueba, y el enfriamiento natural, el cual
requiere de un tiempo muy largo entre cada cambio de muestra.
Figura 4.22 - Alternativas para la extracción del aire en el autoclave
4.5.4. CONTROLADOR PID
En la sección 4.1.3 se definió la función de transferencia aproximada del sistema. Esta función de
transferencia permite diseñar un controlador que aproxime el comportamiento de temperatura
deseado durante la operación. Sin embargo, en el alcance de este trabajo no se trata el diseño del
controlador al ser un proceso extenso con relación a la restricción de tiempo del proyecto. Por tal
razón, se optó por la búsqueda de un termostato con función de autosintonización para dar un
control preliminar al montaje. El termostato seleccionado, el cual se escoge por su bajo costo y
accesibilidad, corresponde al REX-C100 de la compañía RKC Instruments [22].
•Se acopla a la válvula de extracción una tubería larga en
acero inoxidable.
•Se requiere de un ambiente sin componentes sensibles a
la temperatura.
Sistema de extracción por tuberías
•Permite una extracción segura del aire.
•Se debe contar con un extractor industrial en el sitio depruebas.
Uso de una cabina de extracción
•Se deja en reposo el autoclave para enfriar el aire contenido.
•Requiere de un tiempo muy largo para despresurizar el tanque.
Enfriamiento natural del aire
27
Figura 4.23 - Termostato REX-C100
Figura 4.24 - Características de operación del termostato
La conexión del termostato consiste en un arreglo entre un relé de estado sólido, un termopar y la
resistencia eléctrica en el autoclave. El relé de estado sólido se encarga de cortar la corriente a la
resistencia cuando la lectura de temperatura supera la escogida por el usuario. El termostato cuenta
con una exactitud en las lecturas de ±3°C, y por tanto no tiene una precisión muy alta, sin embargo,
es una buena aproximación para el diseño preliminar. Las características del comportamiento del
termostato, al igual que las características para el control se presentan en la figura 4.24.
28
4.5.5. COMPONENTES PARA EL MOVIMIENTO LINEAL DE LA BASE
A partir del primer diseño, es necesario definir las dimensiones del tornillo de potencia, al igual
que los accesorios que lo acompañan para realizar el movimiento vertical de la base. De la figura
4.18 se determina que el cuerpo del autoclave debe subir aproximadamente 200 mm para realizar
el sellamiento del sistema. Puesto que, para los tornillos de potencia estándar el movimiento que
se transmite es igual al paso de este, se escoge un tornillo de potencia con rosca trapezoidal de 22
mm de diámetro nominal y 8 mm de paso con el fin de realizar menos vueltas con un tornillo de
tamaño intermedio [23].
Para determinar el torque que se debe aplicar al tornillo, es necesario calcular la carga máxima que
ejercerá el peso del autoclave. De la información del proveedor [16] se conoce que el autoclave
tiene una capacidad de 18L, y que tiene una masa aproximada de 13 kg. Sí se llena completamente
de agua, la carga que debe levantar el tornillo es 304,11 N. Para compensar por los accesorios, se
estima que la carga máxima que debe levantar el tornillo de potencia es de 400 N. Las ecuaciones
(4.6) y (4.7) determinan el torque que debe transmitirse al tornillo para levantar y bajar la carga
respectivamente. Dm es el diámetro medio del tornillo el cual corresponde a un valor de 17.69 mm
[23]; F la carga que ejerce el autoclave, p el paso del tornillo y f la fricción entre el tornillo y la
rosca en la base.
𝑇𝑟 =𝐹𝐷𝑚2(𝑝 + 𝜋𝑓𝐷𝑚𝜋𝐷𝑚 − 𝑓𝑝
) (4.6)
𝑇𝑟 =𝐹𝐷𝑚2(𝜋𝑓𝐷𝑚 − 𝑝
𝜋𝐷𝑚 + 𝑓𝑝) (4.7)
Puesto que no es deseable la transmisión directa entre la placa base y el tornillo por el desgaste que
se produce en los agujeros de la base móvil, se opta por construir guías roscadas en acero que
generan un mejor contacto con el tornillo y evitan el desgaste de la base. Según Shigley [24] la
fricción es de 0.25 entre aceros. Con el valor de f, es posible calcular el valor de 𝑇𝑟.
29
Figura 4.25 - Guía roscada
𝑇𝑟 =400 𝑁 ∗ 0,01769 𝑚
2(0,008 𝑚𝑚 + 𝜋 ∗ 0.25 ∗ 0,01769 𝑚
𝜋 ∗ 0,01769 𝑚 − 0,25 ∗ 0,008) = 1.45 𝑁𝑚 (4.8)
𝑇𝑙 =400 𝑁 ∗ 0,01769 𝑚
2(𝜋 ∗ 0.25 ∗ 0,01769 𝑚 − 0,008
𝜋 ∗ 0,01769 𝑚 + 0,25 ∗ 0,008) = 0.36 𝑁𝑚 (4.9)
El torque que se requiere para levantar la carga es pequeño y por tanto no es crítico en el diseño de
los demás componentes. Por otra parte, el torque que se necesita para bajar la carga es un valor
positivo, y por tanto el tornillo es autobloqueante. Esto significa que no rotará debido al peso del
autoclave y podrá sujetar la carga, concluyendo satisfactoriamente el diseño del tornillo.
Para no producir un momento significante sobre el soporte de la tapa y asegurar el movimiento
vertical, se determinó que es necesario un arreglo de columnas simétrico para el anillo que soporta
la tapa. Además, se decidió incluir rodamientos lineales, entre las columnas y la base móvil para
reducir al máximo la fricción entre ambos componentes. La selección se realizó de forma arbitraria
según las restricciones geométricas del diseño, teniendo en cuenta que las columnas son de 16 mm
de diámetro. Para ello se seleccionaron los rodamientos lineales LBBR-16 de SKF. Estos
rodamientos, tienen un diámetro interno de 16 mm y soportan una carga dinámica de 930 N.
Para permitir la rotación libre de los tornillos de potencia, es necesaria la inclusión de rodamientos
en la base del tornillo de modo que el torque para girar el tornillo sea menor o igual al calculado.
Estos rodamientos se fijan a presión en la base del montaje y se encuentran en un ajuste de
interferencia con el eje del tornillo de potencia. Se selecciona un rodamiento rígido de bolas 6202.
Estos rodamientos soportan cargas axiales, como el peso del autoclave, y cargas radiales y
tangenciales que se pueden producir por la flexión del tornillo de potencia. La referencia se escoge
30
con base a la geometría del eje del tornillo, la cual tiene un extremo de 15 mm de diámetro. El
rodamiento 6202 tiene un diámetro interno de 15 mm y una carga nominal de 8.06 kN [25].
Finalmente, la fijación de la tapa al soporte construido se realiza por medio de pernos los cuales se
insertan desde el exterior del anillo superior hasta el interior de la tapa, donde se sujetan por medio
de tuercas de la forma que se muestra en la figura 4.26. Los pernos se proponen de manera inicial
con un diámetro de 5 mm en disposición hexagonal. Para comprobar sí los pernos soportan el peso
de la tapa sin sufrir una deflexión relevante, se realizó la simulación para un perno que soporta toda
la carga, como se presenta en la figura 4.27. Es posible determinar, para el arreglo de seis pernos,
que la deflexión esperada para cada uno es de 0,0712 mm, suponiendo que la manufactura permite
una carga simétrica. Este valor se considera aceptable para el diseño final.
Figura 4.26 – Disposición de los pernos en la tapa para su sujeción
31
Figura 4.27 - Deflexión de un solo perno soportando el peso de la tapa
4.5.6. SEGUNDA ITERACIÓN DEL DISEÑO
Figura 4.28 - Segunda iteración del diseño de solución
Se genera la segunda iteración del diseño del montaje funcional con los componentes y alternativas
de diseño expuestas. Se diseñó un soporte compuesto por 4 columnas en forma cuadricular y 2
tornillos de potencia en los laterales para otorgar simetría al montaje y evitar que la carga produzca
32
momentos flectores en los componentes. En la caja inferior se encuentran aislados los elementos
electrónicos y mecánicos que permiten la operación del montaje.
El componente crítico en el diseño es el soporte de la tapa. Al ser el elemento de mayor tamaño en
el diseño, es el más expuesto a cargas externas e impactos. Puesto que el soporte de la tapa es la
interacción entre el montaje y el autoclave, se requiere que el soporte sea lo más rígido posible para
ser seguro al usuario. Con el fin de verificar la integridad estructural del modelo diseñado, se realizó
la simulación estática del soporte. Las condiciones de la simulación se estipularon con una carga
de 500 N aplicada en el anillo de forma lateral. La magnitud de la carga se escoge de forma
arbitraria al ser un valor mucho mayor al experimentado en la práctica que puede otorgar un buen
factor de seguridad de los componentes en operación. Por otra parte, se escoge totalmente paralela
a la base puesto que de esta manera se genera el mayores momentos flector en la base de las
columnas.
Como se observa en la figura 4.29 el desplazamiento es de 7 mm, valor que se considera inaceptable
para la condición de rigidez. Por otra parte, en la figura 4.30 es posible observar que el esfuerzo
equivalente en la base de las columnas es superior al esfuerzo de fluencia del acero AISI 1020, el
cual equivale a 350 MPa [24]. Esto quiere decir que las columnas experimentarían una deformación
permanente, impidiendo el movimiento del sistema.
Figura 4.29 - Desplazamiento total del soporte
33
Figura 4.30 - Esfuerzo equivalente en el soporte
Según los resultados obtenidos, es necesario aumentar la rigidez en el soporte de la tapa por medio
de otros elementos que puedan recibir la carga aplicada. El modelo propuesto se muestra en la
figura 4.31 y consiste en elementos de sección rectangular que soportan las columnas y se
ensamblan por medio de pasadores, imitando un andamio estructural en un arreglo de C. De esta
manera, es posible reducir el momento flector que experimentan las columnas al redistribuir las
cargas en las abrazaderas. Las simulaciones se realizan con las mismas condiciones estipuladas
para el soporte original y los resultados presentan en la figura 4.31 y 4.32.
Es posible observar que el desplazamiento del soporte disminuye de 7,04 mm a 1,90 mm y que el
esfuerzo equivalente se redujo de 394.24 a 166.5 MPa. Este segundo valor es menos de la mitad
del esfuerzo de fluencia del acero AISI 1020, el cual es tentativo por su bajo costo y facilidad en
la manufactura. Por tal razón, se determina que la nueva estructura es aceptable para generar la
rigidez necesaria para la operación y transporte seguros del montaje.
34
Figura 4.31 - Desplazamiento total del segundo modelo propuesto
Figura 4.32 - Esfuerzo equivalente para el segundo modelo del soporte
Por otra parte, es necesario definir los elementos que transmiten el movimiento desde el usuario
que acciona el montaje hasta el tornillo de potencia para generar el movimiento vertical en la base
del autoclave. Puesto que el torque que se requiere para levantar la carga no es un factor
fundamental, la selección se realiza según las restricciones dimensionales de la base. La
35
transmisión de potencia desde la perilla lateral en la caja inferior al eje del tornillo se escoge por
medio de engranajes cónicos al ser la opción de más fácil implementación para transmitir un giro
entre ejes perpendiculares a 90°. Dadas las restricciones dimensionales del tornillo, el engranaje
seleccionado es el M1221B de la compañía Martin. Este engranaje tiene un diámetro interno de 5/8
in y se requieren dos para una relación 1:1, uno en la perilla exterior y otro en el eje del tornillo de
potencia [26].
Para que la base pueda moverse sin bloquearse, ambos tornillos de potencia deben moverse de
forma sincronizada. Al definirse un mecanismo manual, es necesario de una transmisión por bandas
síncronas o por cadenas entre los ejes de ambos tornillos. Por ser elementos de menor costo y dada
la baja velocidad de rotación del tornillo, se seleccionan poleas dentadas con bandas síncronas. La
distancia entre los centros de los tornillos de potencia es de 520 mm, según los planos construidos
para el montaje. En cuanto a las poleas, se escoge como referencia la polea dentada P325M15-
MPB [27] por las dimensiones del eje del tornillo de potencia. Estas poleas están diseñadas para
funcionar con bandas síncronas de paso 5M y un ancho de 15 mm. Para seleccionar la banda, es
necesario determinar su longitud de paso, LP, por medio de la ecuación (4.8) [24]. La ecuación se
encuentra modificada para poleas de igual tamaño.
𝐿𝑝 = 2𝐶 + 𝜋𝐷𝑝 (4.10)
Donde C es la distancia entre centros y DP el diámetro de paso de las poleas. Entonces, se determina
que la longitud de la banda debe ser lo más cercana a 1200 mm.
𝐿𝑝 = 2 ∗ 0.52 𝑚 + 𝜋 ∗ (2.005 𝑖𝑛 ∗ 0.0254 𝑚/𝑖𝑛) = 1.199 𝑚
En el catálogo de bandas síncronas de la compañía Carlisle [28], se determina a partir de lo
calculado que la referencia a utilizar es la banda 1200-5M-15.
Figura 4.33 - Polea dentada Martin P325M15-MPB
36
A partir de los elementos seleccionados y la estructura diseñada para el soporte, se realiza la tercera
iteración del montaje funcional, tal como se muestra en la figura 4.34.
En esta iteración, la base móvil es perforada para permitir a los soportes de las columnas fijarse, se
ajusta la disposición entre las columnas y se agregan los engranajes y las poleas escogidas en la
sección anterior, dando por finalizado el proceso de diseño de solución del montaje funcional.
Figura 4.34 - Tercera iteración del montaje funcional
5. CONCLUSIONES
Se identificaron como factores clave para el diseño del sistema la presurización del autoclave, el
rediseño de la tapa para operar a las altas presiones que exigen los componentes más volátiles, la
curva de temperatura del sistema y el diseño para la adaptación de la sonda dieléctrica.
5.1. REDISEÑO DE LA TAPA DEL AUTOCLAVE
Se realizó el rediseño de la tapa con base a los componentes volátiles identificados en el café, en
el caso de este proyecto etanol al ser el componente volátil de mayor prevalencia en el grano de
café. Para el caso de estudio, se encontró que la presión máxima de operación debe ser
37
aproximadamente 1 MPa para evitar la evaporación del etanol a 150°C, temperatura máxima
establecida por el cliente.
La tapa del autoclave se identificó como el elemento crítico considerando que el autoclave original
se encuentra diseñado para una presión máxima de 165 kPa. Se calculó por medio de simulaciones
que el esfuerzo máximo experimentado por la tapa, según el modelo aproximado construido
durante este proyecto, es de 328.09 MPa. Se determinó que el valor es superior al esfuerzo de
fluencia del material de construcción de la tapa, confirmando la necesidad de su rediseño.
El diseño preliminar de la tapa nueva se basó en el código ASME para calderas y recipientes a
presión, garantizando de esta manera que la tapa propuesta cumple con los estándares de calidad y
seguridad establecidos por la ASME.
5.2. PRESURIZACIÓN DEL SISTEMA
Se planteó un sistema de presurización y despresurización del autoclave basado en un proceso de
admisión de aire por medio de válvulas. Se determinó que el sistema se debe cargar con aire hasta
obtener una presión de 645,08 kPa, aproximadamente 94 PSI, previo a la operación para conseguir
una presión interna superior a la presión de vapor del etanol a 150°C. La presión inicial depende
del componente más volátil en la muestra de estudio
Para garantizar la seguridad del montaje se agrega una válvula de seguridad con una presión de
descarga de 180 PSI. La presión de descarga de la válvula de seguridad debe recalibrarse
dependiendo de la muestra de estudio.
5.3. DISEÑO DEL MONTAJE FUNCIONAL
El protocolo diseñado durante el proyecto para la prueba de la sonda en metal permite establecer
que la sonda debe permanecer estática en el espacio durante la operación para que la medición de
las muestras sea precisa. Se realizó el diseño de un mecanismo externo que permite el movimiento
vertical del cuerpo del autoclave para generar el sello en el sistema de control y conservar la
condición estática de la sonda. Para asegurar la rigidez del sistema, se realizaron múltiples
iteraciones del diseño final, logrando un diseño robusto y seguro para el usuario.
5.4. TRABAJO FUTURO
En el alcance de este proyecto se finalizan las modificaciones que solucionan el problema de
diseño. Sin embargo, es necesario realizar un proceso de diseño detallado sobre la tapa del
38
autoclave que es el componente crítico durante la operación del sistema. Se recomienda el uso del
código ASME para calderas y recipientes a presión para el reajuste del diseño de la tapa a los
procesos de manufactura disponibles.
Es recomendable investigar sobre las muestras de interés y de sus componentes más volátiles para
determinar la presión máxima de operación que tendrá el sistema en todos los casos. Para tal caso,
se deben reajustar los cálculos para determinar la presión inicial de aire que debe introducirse al
sistema al inicio de la operación.
Se recomienda realizar el protocolo para la sonda dieléctrica con distintas sustancias para
determinar el efecto del metal en la sonda y realizar los ajustes necesarios al sistema. En lo posible,
las pruebas deben realizarse con sustancias cuyas propiedades dieléctricas estén bien
documentadas, como alcoholes o aceites.
El diseño presentado durante este proyecto no tiene un sistema de control definido, por lo que es
necesario, una vez que se tenga el modelo físico de pruebas, implementar un controlador basado
en el modelo termodinámico desarrollado.
En el prototipo del montaje externo y la tapa es necesaria la definición exacta del material de
construcción, realizando un análisis de costos y considerando los procesos de manufactura locales.
Es recomendable detallar todas las tolerancias requeridas para asegurar el movimiento lineal de la
base del autoclave.
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A
APÉNDICE I: PROTOCOLO DESARROLLADO PARA PRUEBAS CON SONDA DIELÉCTRICA
1. Relevancia y uso de la prueba:
1.1. La prueba permite identificar la influencia de elementos metálicos en los instrumentos
electrónicos de medición durante la caracterización de las propiedades dieléctricas de
una muestra genérica.
2. Instrumentos
2.1. Sonda dieléctrica: Para la medición de la permitividad relativa y la permitividad
compleja, se requiere de una sonda dieléctrica. La empleada en el caso de estudio es
la sonda de rendimiento Keysight N1501A
2.2. Recipientes: La prueba debe ser realizada con mínimo dos recipientes de distinto
material. Uno de los recipientes requiere ser metálico para observar la interacción
entre la sonda dieléctrica y el recipiente.
2.3. Analizador de Redes: La medición de las propiedades dieléctricas se debe realizar por
medio de un analizador de redes vectorial (VNA). Es recomendable que sea
compatible con el programa N1500A Materials Measurement Suite de Keysight.
2.4. Contenedor metálico: El uso de un contenedor metálico externo tiene el propósito de
generar una matriz metálica alrededor de la muestra. Es deseable que este contenedor
sea el recipiente de interés. En caso contrario, se puede usar otro recipiente cilíndrico
cuyo diámetro externo y altura tenga una dimensión semejante.
2.5. Placa de apoyo: Para la prueba se debe usar una placa metálica, preferiblemente de
acero, aluminio o cobre, que funcione como apoyo de los recipientes. El espesor debe
ser mayor a 2 mm y sus dimensiones superiores al de los recipientes de la muestra.
2.6. Accesorio de corto: En la calibración de la sonda se requiere una medición en corto
circuito entre la sonda y el accesorio. El accesorio se presenta en la figura 4.4 [29].
B
Figura A.1 - Accesorio de corto y sonda de rendimiento
3. Especímenes de prueba
3.1. Posición de la muestra: La muestra contenida en los recipientes descritos en el
apartado 2.2 debe estar alineada y en contacto con la sonda dieléctrica.
3.2. Volumen de la muestra: El volumen contenido en la muestra debe ser suficiente para
cubrir, como mínimo, 1 cm de la altura de la sonda desde su punta.
3.3. Tipos de muestra: La muestra a utilizar durante el experimento debe ser de alta pureza.
Para el proceso de calibración se debe emplear agua destilada o estéril.
4. Procedimiento
4.1.1. Se debe garantizar la esterilización de todos los instrumentos empleados en el proceso
de medición. La punta de la sonda debe ser colocada en la disposición de la figura 4.2
a una distancia de 70 cm desde la superficie inferior del contenedor metálico externo
y cercana a la superficie del recipiente de la muestra.
4.1.2. La disposición del montaje que se construye alrededor de la sonda es la misma que la
de la figura 4.2. Se debe omitir la placa metálica para realizar la calibración inicial
4.1.3. El VNA y la conexión con la sonda debe estar lista para iniciar el proceso de
medición. Se recomienda la conexión anticipada entre el VNA y el software de
Keysight para el procesamiento de datos.
4.2. Calibración:
4.2.1. La temperatura de la muestra debe ser conocida para la calibración inicial. Esta es la
temperatura de referencia para todas las mediciones realizadas.
4.2.2. La calibración consiste en tres distintos procedimientos. Calibración en vacío,
calibración en corto y calibración con agua destilada.
4.2.3. En la calibración en vacío se debe retirar la muestra de agua destilada y realizar la
medición en aire. La sonda debe estar totalmente seca.
C
4.2.4. La calibración en corto se realiza con el accesorio presentado en la figura 4.3. Se debe
insertar en la sonda, perturbando lo menos posible la posición de la sonda. Se realiza
la medición una vez que el accesorio se encuentra fijo.
4.2.5. Se retira el accesorio y posteriormente se agrega el volumen designado de agua
destilada al recipiente. Se debe asegurar que la sonda se encuentre dispuesta como en
la figura 4.2. Se realiza la medición una vez que se verifique que no hay presencia de
burbujas en la sonda.
4.2.6. Una vez finalizada la calibración, se posiciona la placa metálica bajo el recipiente de
la muestra.
4.2.7. Remoción del agua destilada para el trabajo con otro tipo de muestra.
4.3. Mediciones experimentales:
4.3.1. Determinar la distancia de la punta de la sonda a la superficie de la placa metálica
para establecer una relación entre el metal y el ruido en la sonda en las mediciones
obtenidas. Se debe tener en cuenta el espesor del recipiente.
4.3.2. Realizar la medición de la muestra. Es deseable un número repetido de mediciones
para el análisis estadístico de los montajes analizados.
4.3.3. Finalizadas las mediciones iniciales, se debe intercambiar la placa metálica y el
bloque de balso inmediatamente inferior.
4.3.4. Repetir la prueba hasta retirar totalmente la placa metálica del montaje.
4.3.5. Obtener las mediciones para el recipiente metálico con la disposición inicial del
montaje. No es recomendable una recalibración de la sonda para conservar la
consistencia en las muestras.
4.4. Procesamiento de datos:
4.4.1. Sí el VNA utilizado durante las pruebas tiene integración con el software de Keysight,
los resultados de permitividad relativa y permitividad compleja se procesarán desde
el software. En caso contrario, se debe obtener la salida del VNA con una fuente
externa y posteriormente exportar los datos al software.
D
APÉNDICE II: PLANOS DE MANUFACTURA
Anexo 1 - Explosionado del montaje final
E
Anexo 2 - Planos de la base móvil
F
Anexo 3 - Planos para el eje de la manivela lateral
G
Anexo 4 - Planos de la guía roscada entre la base y el tornillo de potencia
H
Anexo 5 - Planos de la placa frontal de la base
I
Anexo 6 - Planos de la placa inferior de la base
J
Anexo 7 - Planos de la placa lateral de la base
K
Anexo 8 - Planos de la placa del eje de la manivela
L
Anexo 9 - Explosionado del soporte de la tapa
M
Anexo 10 - Planos del anillo del soporte de la tapa
N
Anexo 11 - Planos de las abrazaderas en los laterales del soporte
O
Anexo 12 - Planos de las abrazaderas en la parte trasera del soporte
P
Anexo 13 - Planos de las columnas frontales del soporte de la tapa
Q
Anexo 14 - Plano de las columnas traseras del soporte de la tapa
R
Anexo 15 - Plano de los tornillos de potencia del montaje
