Protocolo de investigación Jalador de agua PDF

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diseño de proyecto de investigación haciendo uso del protocolo de investigación...

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO EN CELAYA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA TALLER DE INVESTIGACIÓN l PROTOCOLO DE INVESTIGACÍON

“Jalador automático de agua”

Elaborado por: Almanza Patiño Edwin Cesar Serrano Gómez Miguel Ángel. Servín Lugo Emmanuel Xavier. Valencia Medina Iván.

Profesor: Dr. J. Santos García Miranda.

Martes 02 de noviembre de 2021, Celaya, Guanajuato.

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Índice

Pág.

1. Antecedentes..................................................................................................3 1.1 Problemática...............................................................................................3 1.2 Patentes......................................................................................................4 1.3 Discusión.....................................................................................................7 2. Planteamiento del problema..........................................................................8 3. Justificación....................................................................................................9 4. Objetivo............................................................................................................9 4.1 Objetivo general..........................................................................................9 4.2 Objetivos específicos..................................................................................9 5. Marco teórico................................................................................................10 5.1 Antecedentes............................................................................................10 5.2 Bases teóricas...........................................................................................11 5.2.1 Bomba centrifuga [4]...........................................................................11 5.2.2 Elementos principales de las máquinas hidráulicas [4].....................12 6.2.3 La tasa de flujo de un fluido y la ecuación de continuidad [4]...........13 6.2.4 Conservación de la energía: ecuación de Bernoulli [4].....................14 6.2.5 Pérdidas y rendimientos en las máquinas hidráulicas [4]..................14 6.2.6 Curva característica [5]......................................................................15 6. Metodología...................................................................................................16 Referencias........................................................................................................20

1. Antecedentes 2

1.1 Problemática A lo largo del presente año, las lluvias han ido en aumento debido a distintos fenómenos naturales como los huracanes, tormentas tropicales y ciclones, mismos que afectan de manera directa a todo el país, saturando los sistemas de drenaje de las áreas urbanas y rurales, provocando que muchas viviendas sean anegadas, una vez pasadas las lluvias por lo general el agua queda estancada dentro o fuera de los hogares, y muchas veces sacarla y limpiar es una tarea complicada y muy laboriosa, por lo que basados en esta problemática y en experiencias personales (ver imagen 1.1), se decidió buscar mejorar una herramienta como lo son los jaladores de agua manuales y volverlos automáticos facilitando dicha actividad.

Figura 1.1: San Juan de la Vega en tiempos de lluvias

1.2 Patentes Resumen de la patente 1. UTENSILIO PARA EL SECADO DE PISOS Y SIMILARES. [1] 3

Utensilio para el secado de pisos y similares, caracterizado esencialmente por estar integrado por un mango, al que se adapta un casquillo, rematado en sendas placas enfrentadas, y fijables a través de un juego de tonillo y tuerca transversal, determinando el diámetro a abarcar por las mismas, que quedan por su extremo formando un alojamiento a modo de rótula, en el que se aloja un cabezal integrado por una funda a modo de pinza y de cabeza circular, que aloja el elemento de secado propiamente dicho, que viene constituido por una junta longitudinal, preferentemente de neopreno, provista de un revestimiento intermedio para evitar su rotura en las acciones de vaivén a que está sometida la misma para la función de secado, acciones que vienen determinadas en tope por un tornillo que atraviesa tanto esta junta como la funda a modo de pinza de la misma, y es susceptible de desplazarse en arco por un taladro coliso de una de las dos placas que forman el cabezal donde se aloja el conjunto secador propiamente dicho, como se observa en la figura 1.2.

Figura 1.2 Diagramas del utensilio para el secado de pisos

Resumen de la patente 2 APARATO FREGADOR, ESCURRIDOR Y SECADOR DE PISOS. [2]

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Aparato fregador, escurridor y secador de pisos, caracterizándose porque el mismo está constituido por un mecanismo principal que gira sobre un eje, el cual atraviesa por uno de sus extremos a un carrete circular, una base de este y a otra pieza puente, en la cual es sujeto por medio de un pasador para terminar encajado en el mango del aparato, como se muestra en los diagramas de las figuras 1.3 y 1.4.

Figura 1.3: Diagrama

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Figura 1.4: Diagrama

Resumen de la patente 3 ESTACIÓN DE ACOPLAMIENTO DE ROBOT HÚMEDO. [3] La presente divulgación proporciona una estación base para recibir un robot de limpieza móvil que incluye una estructura de acoplamiento. Como se muestra en la figura 1.5, la estructura de acoplamiento incluye una superficie horizontal y al menos dos contactos de carga eléctrica, teniendo cada uno de los contactos una superficie de contacto colocada sobre la superficie horizontal. La estación base también incluye una plataforma que se puede conectar a la estructura de acoplamiento. La plataforma incluye una superficie trasera elevada que tiene una parte delantera y una parte trasera, dos huecos de rueda ubicados en la parte delantera de la superficie trasera elevada de la plataforma y una pluralidad de características de superficie elevada delante de la superficie trasera elevada configurada para soportar un parte inferior del robot de limpieza móvil. 6

Figura 1.5: Diagrama del robot y su estructura de acoplamiento

1.3 Discusión Luego de llevar a cabo una investigación sobre patentes de productos similares al nuestro, se llegó a la conclusión de que no hay un producto que cumpla con la tarea especifica que proponemos, si bien, estos productos ya mencionados tienen similitudes, tales como que algunos de ellos son automatizados y portables, pero todos ellos cumplen tareas específicas diferentes, por ejemplo, en la patente 1, este es un secador de pisos convencional el cual tiene como propósito jalar el agua de manera manual haciendo un gran esfuerzo físico y en la mayoría de las veces solo moviendo el agua de lugar, pero sin llegar a drenarla, al igual que el dispositivo de la patente 2, el cual es un dispositivo que solo sirve para pocas cantidades de agua y de igual manera el proceso conlleva un gran esfuerzo físico. Y por último en la patente 3, se puede observar que es un dispositivo mas enfocado a tareas dentro del hogar. Por lo que una vez analizados estos y algunos otros productos similares, se decidió que es factible llevara cabo la automatización de los jaladores de agua. Como se muestra a continuación en la figura 1.6.

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Figura 1.6: Diseño de la primera propuesta

2. Planteamiento del problema En algunas comunidades pertenecientes al municipio de Celaya, Guanajuato, México, donde las lluvias afectan con mayor medida debido a los malos sistemas de alcantarillado, no dan abasto para poder drenar de manera eficiente el agua de lluvia, ocasionando así que calles y casas se inunden, provocando que cuando termine de llover el agua se quede estancada en los patios o en casos extremos dentro de los hogares, dando como resultado que las personas tengan que desalojar el agua sucia de manera convencional haciendo uso de trapeadores, escobas y jaladores, los cuales demandan un gran esfuerzo físico. Por lo anterior el proyecto se enfoca a la automatización de los jaladores de agua que sea capaz de desalojar un mínimo de 1.2 m 3 /h o 20 l/min, con una potencia de ½ hp, y como se aprecia en la figura 1.6, se pretende que esta cuente con una manguera de impulsión de entre 5-10 metros de largo para que mientras el agua es aspirada al mismo tiempo esta sea desalojada. Por su parte se pretende emplear un sistema pistón-embolo el cual tiene como función hacer un movimiento de vaivén para así jalar el agua de una forma más eficiente y con menor esfuerzo físico. 8

3. Justificación El presente proyecto se enfocará en la implementación de un nuevo tipo de jalador de agua, ya que debido a las recientes lluvias suscitadas en los últimos meses ocasionaron el ascenso del nivel de agua en presas y ríos, situados cerca de las comunidades aledañas, provocando la saturación del sistema de redes de agua y alcantarillado. Así, el presente trabajo permitirá tener una mejor alternativa al desgaste físico que conlleva la actividad de desfogar el agua que se queda estancada en los hogares debido a las recientes lluvias provocadas por los huracanes y ciclones. Con el diseño de este jalador se pretende también ayudar a personas con algún tipo de discapacidad motriz, ya que debido a esa discapacidad tienen que hacer un mayor esfuerzo para realizar este tipo de actividades o en su defecto no las pueden llevar a cabo. Otra gran ventaja que tendría el dispositivo sería que, al contar con un sistema de impulsión de agua, dicha agua podría ser almacenada en un depósito para realizar actividades tales como lavar los patios y regar las plantas ayudando así al medio ambiente y al ahorro de agua. De igual manera el dispositivo ayudará a proteger el patrimonio de las personas que lo adquieran, ya que podrán desalojar el agua de una manera más eficiente y rápida, evitando así que muebles y aparatos electrodomésticos se dañen por la humedad.

4. Objetivo 4.1 Objetivo general Diseñar un dispositivo de uso doméstico para aspirar el agua residual, principalmente de las lluvias, mediante un sistema automático de impulsión que permita drenar el agua estancada en los hogares, a fin de minimizar el trabajo físico que se realiza al desfogar el agua.

4.2 Objetivos específicos 

Desarrollar un dispositivo aspirador de agua automático a fin de proteger el patrimonio de las personas que lo adquieran. 9



Implementar un sistema de impulsión que permita el almacenamiento del agua en contenedores para poder reutilizarla.



Emplear el sistema de impulsión para minimizar el trabajo físico principalmente en personas con alguna discapacidad motriz.

5. Marco teórico 5.1 Antecedentes La historia de la humanidad en su mayoría se puede resumir con las personas hincadas lavando los pisos. El trapeador les facilitó este trabajo. La historia comienza con la invención de un modelo plano, patentado por Jacob Howe, en Massachusetts, en 1837, comercializado solo es Estados Unidos, era fácil de romper y difícil de exprimir. [6] Fue hasta 1956 cuando Manuel Jalón Corominas cambio el diseño y le modificó la cabeza plana por flecos de algodón amarrados unos con otros. Junto con Emilio Bellvis fundó, en 1958, la empresa Manufacturas Rodex, S.A., la cual fabricó los primeros trapeadores para el mercado español. Tras esto, se disputó la patente del trapeador, entre Jalón y Bellvis, favoreciendo al primero en abril del 2009. [7] Los sucesores de Bellvis crearon el sistema Embell, logrando así que el trapeador siempre use agua limpia; mientras tanto Jalón, siendo ingeniero aeronáutico, logró de manera eficaz exprimir el trapeador utilizando una cubeta, a continuación, se anexa diagrama del método de exprimido inventado por Jalón (Figura 5.1). [7]

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Figura 5.1: Diagrama del método de exprimido de Jalón

En la actualidad los avances tecnológicos nos han permitido contar con trapeadores de vapor (ver figura 5.2), los cuales limpian y desinfectan cualquier superficie utilizando solamente agua.

Figura 5.2: Trapeador de vapor y sus partes

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5.2 Bases teóricas 5.2.1 Bomba centrifuga [4] Una máquina es un dispositivo transformador de energía. Recibe un tipo particular de energía, la procesa, y restituye la energía entregada, en otra forma de energía. Obviamente en ese proceso de restitución se tiene la presencia de pérdidas, ya sea Una máquina de fluido es aquella en que el fluido, o bien proporciona la energía que absorbe la máquina (turbina hidráulica), o bien, es aquella en que el fluido es el receptor de energía (bomba centrífuga). En toda máquina de fluido, hay un intercambio entre energía de fluido y energía mecánica. La energía de fluido, generalmente se le conoce como energía hidráulica y se manifiesta en algunas variantes de esta como, de presión, de carga (potencial) y de velocidad (cinética). De las tres, la más importante es la primera: la energía de presión. Las máquinas de fluidos, a su vez, se dividen en térmicas e hidráulicas. La diferencia entre una y otra, radica en el hecho, de que, al paso del fluido a través de la máquina, si éste modifica de manera importante su densidad (por efecto de la temperatura y presión), se denominan máquinas de fluidos compresibles o térmicas; caso contrario, si el fluido no sufre modificación importante en su densidad al paso a través de la máquina, se denomina máquinas de fluidos incompresibles o hidráulicas. 5.2.2 Elementos principales de las máquinas hidráulicas [4] Generalmente, las máquinas hidráulicas vienen provistas de los siguientes elementos, dentro de sus principales. Cabe hacer mención que, dependiendo de la complejidad de la máquina, ésta tendrá una cantidad mayor de elementos, o no necesariamente será los mostrados. Atendiendo la figura 5.1, se tienen: a) Rodete o impulsor (1), gira solidaria al eje de la máquina; consta de un número de álabes que imparten la energía al fluido en forma de energía cinética y de presión.

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b) Corona directriz (2) recoge el líquido del rodete y transforma la energía cinética en energía de presión. No está presente en todas las bombas. c) Caja en espiral (3), misma función que el elemento anterior, y comunica el fluido al tubo de salida. d) Tubo difusor (4), realiza una tercera etapa de transformación de energía cinética en energía de presión.

Fig. 5.3: Elementos principales, constitutivos de una maquina hidráulica (bomba centrifuga)

6.2.3 La tasa de flujo de un fluido y la ecuación de continuidad [4] La cantidad de fluido que pasa por un sistema por unidad de tiempo puede expresarse por medio de tres términos distintos: Q

El flujo volumétrico es el volumen de fluido que circula en una sección por

unidad de tiempo. W

El flujo en peso es el peso del fluido que circula en una sección por

unidad de tiempo. M

El flujo másico es la masa de fluido que circula en una sección por unidad

de tiempo. 13

El flujo volumétrico Q es el más importante de los tres, y se calcula con la siguiente ecuación: Q= A v

Ecuación 5.1

Donde A, es el área de la sección y v es la velocidad promedio del flujo. El flujo en peso se relaciona con Q por medio de la ecuación: W =γ Q

Ecuación

5.2

Donde γ es el peso específico del fluido. El flujo másico M se relaciona con Q por medio de la ecuación: M=ρQ

Ecuación

5.3

Donde ρ es la densidad del fluido.

6.2.4 Conservación de la energía: ecuación de Bernoulli [4] El análisis de un problema de tubería toma en cuenta toda la energía dentro del sistema. En Física, la ley de conservación de la energía dice: “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma de una forma a otra”.

Ecuación5.4

6.2.5 Pérdidas y rendimientos en las máquinas hidráulicas [4] Una de las variables, bajo la cual se determina el desempeño de una máquina, es la potencia. La potencia, definida como la capacidad de efectuar un trabajo, es la cantidad escalar que indica la rapidez bajo la cual se transforma la energía, fin inmediato de las mismas. Desgraciadamente la energía, dentro de su proceso de transformación, queda muy lejos de ser aprovechada al 100 % por la máquina; esto a consecuencia de la máquina en sí, o bien a la instalación dentro de la cual se halla inmersa. Este porcentaje no aprovechado de energía corresponde a las pérdidas del sistema. La presencia de pérdidas

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constituye en su momento la existencia del rendimiento o eficiencia de la máquina o de la instalación en su conjunto.

En hidráulica se habla de diferentes potencias, entre ellas: 

Potencia de accionamiento = potencia absorbida = potencia en el eje (Pa): es la potencia libre en el eje de la máquina. Esta potencia, se evalúa bajo la siguiente expresión: Ecuación5.5

Donde Pa es la potencia en Watts; ω, es la velocidad angular en rad/s; M es el par desarrollado en N.m; y n es la velocidad en rpm. 

Potencia interna (Pi): potencia suministrada al rodete, equivalente a la potencia de accionamiento menos las pérdidas mecánicas.



Potencia útil (P): incremento de la potencia que experimenta el fluido al paso por la bomba. La potencia útil, será la potencia invertida en impulsar el caudal útil Q, a la altura útil H. Siendo: Ecuación5.6

6.2.6 Curva característica [5] La curva característica de una bomba centrifuga es la representación gráfica, donde se representa la relación única de Carga – Caudal que garantiza el equipo de bombeo a determinada velocidad de giro de su mismo impulsor. Cada fabricante genera para cada uno de sus modelos, catálogos donde se pueden seleccionar diversas curvas características de la bomba en función del punto de operación necesario a cumplir en alguna instalación.

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Figura 5.4: Ejemplo de Curva Característica de una Bomba Centrífuga

5.3 Viabilidad El presente proyecto reúne las características que aseguran el cumplimiento del objetivo general propuesto. Tomando en cuenta las necesidades de los habitantes de las regiones afectadas por las lluvias. El dispositivo propuesto pretende solucionar dicha problemática, haciendo uso de la innovación de un aparato y herramienta ya existentes, el cual al ser mejorado facilitara las actividades físicas que conlleva desaguar el interior de casas y las propias calles. El Proyecto y su estructura responde a una estrategia que busca consolidar los esfuerzos realizados, dentro del área rural, lugar donde ocurre con mayor frecuencia la problemática planteada.

6. Metodología A continuación, se mostrará la representación de la metodología a seguir haciendo uso de un diagrama de bloques sobre el proyecto a desarrollar. Al concluir el diagrama, se explicará en qué consisten cada uno de los pasos escritos en cada apartado de la metodología.

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Búsqueda de

-Patentes.

información.

-Sitios web. -Google Académico.

Estudio de

Condiciones ambientales, eficiencia, caudal/gasto, interés del público, Precio de venta asequible.

campo y análisis de resultados.

Generación de alternativas (propuestas)

Diseño preliminar por sistemas.

-Eléctrico. -Neumático.

-Hidráulico. -Potencia de

-Energía

accionamiento.

potencial. -Presión y fuerza.

-Eficiencia.

-Aspiración y

-Consumo

expulsión.

energético.

-Geometrías de las tuberías. -Caudal. -Pérdidas.

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Diseño de detalle.

Fabricación y ensamble del prototipo.

Validación del prototipo.

Documentación.

Búsqueda de información: en esta actividad se realizará una búsqueda continua d...