Ingeniería Mecánica (Lic.)

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    Sistema de calefacción doméstico rural basado en energía solar para la localidad de Acobambilla, Huancavelica
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-08-23) Acuña Urbina, Darío Enrique; Barrantes Peña, Enrique José
    En el presente trabajo tuvo como objetivo diseñar un sistema de calefacción doméstico rural basado en energía solar para una vivienda ubicada en la localidad de Acobambilla, Huancavelica. Se consideró una vivienda de aproximadamente 50m2 ocupada por 6 habitantes. Inicialmente se evaluaron las condiciones ambientales y las características actuales de las viviendas. Luego se analizaron varios propuestas de calefacción, y se estableció un diseño basado en un intercambiador de calor ubicado en el techo de la vivienda, el cual usa la energía solar para calentar un fluido caloportador que luego circulara dentro de la vivienda, transfiriendo calor en el ambiente interior, por medio de radiadores o intercambiadores de calor, para alcanzar las condiciones de confort deseadas. Como resultado se ha propuesto un sistema de calefacción que opera con aceite térmico (Shell Termia Oil), con una vida útil superior a las 25000 horas de trabajo, empleando un caudal de 1.01 L/s. Dicho sistema de calefacción desarrolla una potencia de 1009 Watts, transfiriendo 1400kJ de energía que permite mantener temperaturas internas de 18°C dentro de las viviendas, con temperaturas exteriores de 5°C. Finalmente se ha evaluado el costo de la elaboración del proyecto, costo de instalación y la fabricación, dando por resultado un valor total de S/ 1,117 para la elaboración del Proyecto y de S/. 10,376.95 para la construcción y montaje del sistema de calefacción.
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    Diseño de panel enfriado para aplicación en cobertura de techo de 42m2 en la región de Arequipa, Perú
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-03-01) Busquets Elliot, Carlos Alfredo; Barrantes Peña, Enrique José
    En Perú existen diversas poblaciones que no cuentan con acceso a viviendas, cuyo diseño contemple el clima de la zona habitada. Esto suele traducirse como una incomodidad por parte del ocupante de la vivienda, al verse obligado a permanecer en un ambiente con una temperatura alejada del rango considerado como de confort. Tras una investigación, se selecciona a la localidad de “La Joya”, provincia de Arequipa”. Esta Localidad al ser habitada por pobladores de escasos recursos, y al estar sometida a una irradiación solar anormalmente alta, que promedia hasta 8Kwh/ m2 según SENAMHI; reúne los factores causantes de una alta carga térmica por techo, la cual se traduce en una alta temperatura interior del recinto y la consecuente incomodidad del habitante. Para dar solución al problema, se propone la utilización de un “Techo enfriado”. Este tendría como característica principal el ser una única estructura alivianada provista de canales de refrigeración, capaz de sustituir el sistema convencional de techo de fibras naturales o láminas metálicas. Tras el diseño térmico y las comprobaciones mecánicas, se logra determinar que es posible evitar hasta un 61% de la carga térmica del recinto a través del techo, utilizando un caudal de agua de refrigeración de 270l/h. Para ejemplificar la aplicación, se recurre al modelo de vivienda utilizado en el proyecto “Inkaq Samanan”. Finalmente se analiza la posibilidad de aprovechar el calor antes problemático, llegándose así al diseño de una vivienda fresca y con agua caliente solar/eléctrica.
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    Diseño de un sistema de climatización para un domo de 50m2 de uso familiar en la ciudad de Pisco
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-10-19) Auris Casma, Omar Tadeo; Barrantes Peña, Enrique José
    En la presente tesis se diseña un sistema de climatización que proporcione condiciones de confort en época de verano e invierno para un domo geodésico de uso familiar. Este domo será diseñado solo para ser instalado en la ciudad de Pisco, ya que para la determinación de la radiación incidente se consideró la latitud y longitud del lugar mencionado. Por un lado, para la carga térmica de refrigeración, se considera al domo como un conjunto de placas de 1 m x 0.85 m dispuestas en 8 niveles para así estimar la irradiación total incidente sobre cada placa y consecuentemente sobre el domo. Además, teniendo en cuenta la misma suposición, se calcula los coeficientes globales de transferencia de calor para cada nivel ya que este es un factor importante en el cálculo de la carga térmica por transmisión de calor. Por otro lado, para la carga térmica de calefacción, el domo fue considerado como una esfera completa para la simplificación de los cálculos; sin embargo, se utilizaron factores de corrección debido a que el domo es semiesférico. A continuación, se procede a determinar la carga térmica de refrigeración y calefacción las cuales son 4370 W (14902 BTU/h) y 1011 W (3450 BTU/h) respectivamente. Asimismo, se estima un mínimo de 140 m³/h (81 CFM) de aire exterior para cumplir con los requerimientos de ventilación. Se utiliza la metodología propuesta por el Handbook Fundamentals de ASHRAE. De acuerdo a los valores obtenidos, se selecciona un extractor de pared para la renovación de aire y un conjunto de equipos de climatización compuesto por un split ducto y un calentador eléctrico para proporcionar confort térmico al ambiente. Finalmente, se realiza una evaluación económica referente al costo del sistema seleccionado, donde se incluyen diversos costos tales como: costo inicial, costo de instalación, costo de operación y costos de mantenimiento.
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    Sistema de enfriamiento de los cojinetes de los molinos de un proyecto minero para 454 litros/min de aceite
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-03-09) Soria Pazos, Giuliano César; Barrantes Peña, Enrique José
    En el presente trabajo se ha realizado el diseño térmico de un sistema de enfriamiento y la selección de los equipos principales de dicho sistema, el cual está encargado de realizar el enfriamiento de 454 l/min de aceite empleado para disipar el calor generado por la fricción en los cojinetes de los molinos SAG y de bolas de una planta de procesamiento de cobre. El procedimiento está basado, principalmente, en realizar el cálculo de la transferencia de calor que se requiere para llevar las temperaturas de los fluidos a unos valores tales que puedan realizar su función tanto de calentar como disipar el calor de los componentes y fluidos con los cuales están en contacto. El trabajo está dividido en cuatro partes, una de ellas incluye el estado del arte en el sector minero sobre los procesos de molienda, específicamente para la obtención de cobre y la información general de los aceites utilizados industrialmente; en la segunda se encuentra la metodología que se siguió para realizar el cálculo térmico de los equipos principales; en la tercera se tiene el desarrollo de la metodología para el caso específico y la selección de dichos componentes; y en la última se detalla los costos y presupuesto de adquisición de los componentes principales del sistema. El sistema de enfriamiento está formado, principalmente, por tres equipos: un intercambiador de calor del tipo de carcasa y tubos de 198 mm de diámetro y 1200 mm de largo, cuya área de transmisión de calor es de 13.76 m2 y su capacidad térmica es de 323 kW; en el cual se intercambia el calor entre el fluido caliente que, en este caso, es el aceite, y el fluido frio, el cual es el agua; una torre de enfriamiento de tipo tiro mecánico a contracorriente, cuya carga térmica es de 493 kW y potencia nominal de 3.73 kW; en la cual se realiza el enfriamiento del agua que ha sido calentada al estar en contacto con el aceite; y una bomba de agua, que trabajará con 7 l/s y una altura de 11 m.c.a. y cuya potencia nominal es de 1.42 kW; la cual se encarga de permitir la recirculación del fluido; y por un sistema de tuberías, por donde circula el agua. Se puede establecer un valor comparativo entre el costo de inversión inicial y la capacidad de enfriamiento que tiene el sistema. Dado que se tiene que la inversión es de 16647.33 US$ y la capacidad de enfriamiento del sistema es de 323 kW, se tendría la siguiente información: 51.54 US$/kW.
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    Diseño de un horno de crisol para la fundición de 600 kg. de aluminio reciclado utilizando gas natural
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-02-14) Pillaca Burga, Ricardo; Barrantes Peña, Enrique José
    En la presente tesis se realiza el diseño de un horno basculante de crisol con capacidad para fundir 600 kg de aluminio reciclado en forma de trozos o a granel. El sistema de combustión utiliza gas natural como combustible proveniente de la red de distribución pública de Lima Metropolitana. La temperatura a la que trabaja el equipo será de 760°C (temperatura de colada del aluminio) y el tiempo para realizar todo el proceso no deberá ser mayor a 1 hora para lo cual se utiliza un quemador de alta velocidad con un rango de potencia de operación de 85kW hasta 590 kW. Para obtener el diseño final, primero se realizó una introducción a los parámetros básicos de diseño (propiedades físicas del aluminio, flujos de calor, descripción de los fenómenos de transferencia de calor, entorno de trabajo, etc.) que fueron necesarios para la realización de los cálculos tanto energéticos como mecánicos. Se aplicó la metodología de diseño que permitió conocer el concepto de solución óptimo para las consideraciones de operación establecidas. A partir de esta concepción se realizó el diseño térmico que posibilitó determinar la dimensión de la cámara del horno cuyo diámetro interior es 1083mm; también se definió que el espesor de paredes de aislamiento es de 127mm y se conoció cuál es el flujo de calor necesario para realizar el proceso de fundición encendiendo el horno desde frío (compensación por pérdidas y absorción de calor a través de las paredes). Asimismo, también se realizó el cálculo de la cavidad para la chimenea y de los flujos necesarios de combustible y aire que determinaron el diámetro de tuberías a utilizar para el suministro hacia el quemador con valores de 2 y 4 pulgadas respectivamente. Por otra parte, se hizo el cálculo para los elementos estructurales y de apoyo tales como vigas, ejes, cordones de soldadura, rodamientos y pistones hidráulicos; dichos elementos son la base en donde se soportan todos los demás elementos mencionados además de permitir el giro de la cámara del horno (basculación) para verter el aluminio una vez que este haya alcanzado su temperatura de colada. Finalmente, se realizó el presupuesto del proyecto cuyo monto aproximado es de US$ 57,712.93 para la adquisición de equipos, materiales además de la mano de obra y servicios necesarios para ejecutar la fabricación y montaje del equipo.
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    Diseño de un congelador de placas para pescado con capacidad de 240 kg/h
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-02-01) Yépez Sánchez, Miguel Ángel; Barrantes Peña, Enrique José
    El presente trabajo de tesis tiene como objetivo diseñar un congelador de placas para pescado de capacidad 240 kg/h que pueda ser fabricado y ensamblado con la tecnología disponible en la industria nacional y que cuente con un sistema de refrigeración autónomo. Para el diseño del presente proyecto se consideraron las propiedades termofísicas de la especie caballa (meckerel), pues es de la única especie de la cual existe información confiable y disponible. Asimismo, se utilizó como metodología la norma de diseño VDI 2221 y 2225, dividiendo el diseño de la máquina en dos dominios: refrigeración y mecánico. En adición, se realizó la ingeniería básica y selección de componentes eléctricos e instrumentación. Como referencia para el cálculo y selección de equipos y mecanismos se utilizó lo impartido en los cursos de Termodinámica, Mecánica de Fluidos, Transferencia de Calor, Resistencia de Materiales, Elementos de Máquinas y Electricidad, siendo estos conocimientos complementados con normas técnicas de la American Society of Mechanical Engineers (ASME), los manuales de la American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers (ASHRAE) y recomendaciones de diversos fabricantes de máquinas. Finalmente, se obtuvo como resultado del diseño un congelador de placas en disposición horizontal accionado a través de un mecanismo hidráulico. El sistema de refrigeración utiliza R-404a y es capaz de congelar, hasta una temperatura de -26 °C en el centro, 600 kg de pescado tipo caballa en un tiempo de 2.36 horas, con dimensiones generales de 3.5 x 3.5 x 2.7 m, un consumo de agua fría a 5 °C de 13600 kg/h y un consumo eléctrico de 22.0 kW a un voltaje industrial trifásico de 440 VAC. El costo total del proyecto es de USD 73,300.
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    Diseño de un sistema de extracción y tratamiento de gases de un ambiente de forja y soldadura
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-08-03) Delgado Yaranga, Marco Alonso; Barrantes Peña, Enrique José
    En la actualidad, el oficio de cerrajería en el Perú tiene cada vez mayor incentivo a nivel nacional. Sin embargo, su práctica todavía se desarrolla a niveles artesanales. Por ello, es importante determinar cómo son las condiciones de trabajo bajo las cuales operan los cerrajeros. Los procesos que se emplean en cerrajería son la soldadura y el calentamiento de piezas metálicas. Este último proceso se lleva a cabo generalmente en fraguas de carbón. Luego del calentamiento, la pieza está en condiciones para ser forjado de manera manual. Los procesos de soldadura y forja generan desechos, tales como gases de combustión, humos, material particulado, etc. que son dañinos tanto para el trabajador como al medioambiente. En el Laboratorio de Manufactura de la Sección de Ingeniería Mecánica de la PUCP se llevan a cabo los cursos de Taller Mecánico 1 y Taller de Procesos de Manufactura, en los cuales se dictan las sesiones de soldadura y forja. Es por ello, que fue necesaria una evaluación de las condiciones de trabajo del personal técnico y de los alumnos durante estas sesiones. Para el siguiente trabajo de tesis, se realizaron lecturas de concentración de gases en los ambientes de soldadura y forja del Laboratorio, mediante un analizador de gases TESTO 350-XL brindado por el Departamento de Energía de la PUCP. Se detectaron valores de concentración de monóxido de carbono (CO) mayores a 520 ppm en el ambiente de forja y de 195 ppm de la familia de monóxidos de nitrógeno (NOx) en el ambiente de soldadura. Ante los resultados obtenidos, se concluyó que el ambiente de forja y soldadura del Laboratorio cuenta con una necesidad de extracción y tratamiento de los gases emitidos en ambos procesos. Se realizó el diseño de dos sistemas de extracción independientes para cada ambiente de trabajo. Para la fragua, se diseñó un sistema con un caudal de aspiración total de 0,32 m3/s y presión de 58,92 mmH2O, dos depuradores húmedos tipo torre empacada de 0,83 m de diámetro y 1,9 metros de altura, con una capacidad de absorción de 79,6% y 139,8 Pa cada una. Para el ambiente de soldadura, el sistema cuenta con un caudal de aspiración total de 1,46 m3/s y presión de 75,96 mmH2O y un depurador húmedo tipo Venturi de 156,25 Pa. El presupuesto correspondiente al diseño, fabricación e instalación de los dos sistemas fue de $ 44 821.
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    Diseño de un dispositivo de medición de conductividad térmica de materiales de edificación según la norma ASTM C1043
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-07-02) Vizcarra Soto, Arturo Manuel; Barrantes Peña, Enrique José
    La industria peruana ha prestado poca atención, a pesar de la relación directa entre el ahorro energético y ahorro económico. El diseño de este dispositivo no solamente tiene como fin la validación de valores para diferentes materiales usados en edificación, sino también puede ayudar a la investigación nuevos materiales, por ejemplo, compuestos de las cuales se quiera saber su comportamiento térmico. Siendo el propósito de la presente tesis, en el área de energía, diseño y selección de los componentes de un dispositivo de acuerdo a la norma ASTM C1043 que permita ensayar materiales usados en edificación para la obtención de las propiedades térmicas, siendo la más conocida la conductividad térmica. Se considera en el diseño la colocación de dos muestras de hasta 30 kg. El diseño se realizó según la metodología de diseño DIN VDI 2221, la norma base usada para el desarrollo de la presente tesis ASTM C1043 y la norma general de la cual se desprende ésta última que es la norma ASTM C177. Así también, para los casos donde no se tenía información alguna en las nomas antes mencionadas, se hizo uso de la norma UNE EN 12664. Por otra parte, se consideró los conocimientos en diseño mecánico como elementos de máquinas, transferencia de calor y resistencia de materiales; además, de conocimiento de manufactura disponible en el mercado peruano, utilización de programas CAD y simulación por el método de elementos finitos. Al final, se obtuvo el diseño del dispositivo que base su principio en el método de la placa caliente con guarda para dos muestras cuyo rango de funcionamiento va desde la temperatura de ambiente (23°C) hasta 65°C aproximadamente según norma, y con dimensiones generales de la máquina de 400x400x552 milímetros de largo, ancho y alto respectivamente. El presupuesto final del equipo es de S/. 22280 Nuevos Soles.
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    Diseño de la instalación de servicios de agua caliente en un hotel *****
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-04-16) Novoa Piedra, José Abelardo; Barrantes Peña, Enrique José
    El presente proyecto plantea el diseño de un sistema de agua caliente para un hotel, categoría cinco estrellas, ubicado en la ciudad de Lima. Dicho hotel posee trece pisos y dos sótanos, dentro de él hay ciento setenta y cuatro habitaciones simples, cinco habitaciones deluxe, doce suites senior, siete suite junior, cinco ariones, dos cocinas, cinco salas (lounge), seis servicios higiénicos independientes y cuatro vestidores. El objetivo es diseñar un sistema de producción y distribución de agua caliente sanitaria que cumpla con producir agua caliente a la temperatura y caudal requeridos en el hotel. Para ello, en un primer capítulo se establecen las definiciones relacionadas con los sistemas de producción y distribución de agua caliente sanitaria, componentes y accesorios. En un segundo capítulo se presenta lo relacionado al diseño del sistema el cual comprende tres partes: hidráulico, térmico y mecánico. El diseño hidráulico incluye los cálculos de potencia de bombas y diámetro de tuberías, así como la selección de los mismos. El diseño térmico abarca el cálculo del equipo de producción de agua caliente y el dimensionamiento del tanque de almacenamiento de agua caliente. El diseño mecánico incluye la selección del sistema de apoyos que garantizará que el sistema de distribución sea confiable, así como la verificación de las tuberías por resistencia. En un tercer capítulo se establece el presupuesto del proyecto que incluye costo de asesor y tesista, costo de equipos y accesorios, y costo de instalación. Finalmente, se obtienen los planos del sistema que muestran la distribución de los equipos y de las tuberías. Como resultado se tiene una caldera de 200 HP que produce 1 l/s de agua a 50 °C, un tanque de almacenamiento de 5000 litros, tres bombas de 0.21, 4 y 0.13 HP que garantizan que el agua caliente llegue a 150 kPa a los puntos de consumo. Las tuberías del sistema de distribución son de cobre con diámetros de 1”, 1 ¼”, 2”, 2 ½” y espesores de 0.89, 1.07, 1.47 y 2.03 mm, respectivamente. Finalmente el presupuesto del proyecto asciende a S/. 1, 362,739.05 que incluye costo de asesor y tesista, costo de equipos y materiales, y costo de instalación.
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    Diseño de un sistema de refrigeración con dos temperaturas de evaporación empleando un solo compresor
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-02-19) Paredes Yataco, Ismael Luis; Barrantes Peña, Enrique José
    El presente proyecto consiste en un sistema de refrigeración que trabaja con dos temperaturas de evaporación (Ta = 0ºC, alta, y Tb =-15ºC, baja) y un solo compresor. Las capacidades frigoríficas solicitadas son de 400 W y 200 W en los ambientes de alta y baja temperatura correspondientemente. Con la configuración empleada, el sistema cuenta con un COP de 2.78. Para obtener el diseño final, primero se realizó un estudio, en catálogos y manuales de refrigeración, de los componentes principales y los accesorios de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor para obtener un esquema del sistema con los componentes necesarios. A continuación se realizaron los cálculos energéticos en base al Ashrae Handbook-Refrigeration, para poder seleccionar los componentes con las capacidades adecuadas. Luego se realizó el dimensionado y cálculo de la parte estructural de acuerdo a libros de resistencia de materiales, un cálculo básico de la parte eléctrica para definir conductores, dispositivos de protección, y un sistema de arranque adecuado. El sistema, que opera con R134A como sustancia refrigerante, tiene dentro de sus componentes principales: un compresor reciprocante de dos cilindros, un motor asíncrono trifásico de 0.75 kW, dos evaporadores con capacidades de 418 W y 578 W, dos válvulas de expansión termostáticas con capacidades de 22 kg/h u 11.74 kg/h. Como dispositivos de protección se tienen presostatos de alta y baja presión y válvulas de solenoide, mientras que para el control se seleccionaron termostatos para ambas temperaturas de trabajo. Como aislamiento se escogieron paneles de poliuretano de 100 mm de espesor, y finalmente para la estructura se optó por usar perfiles angulares y canales C de acero estructural A36, y ruedas para poder transportar el módulo entero. Las dimensiones generales de todo el sistema resultantes son de 1.7m x 1m x 1.6 m. Los materiales, el diseño y el ensamblaje en conjunto resultaron en un costo total estimado de S/.17,268.25 El trabajo realizado abarcó el diseño térmico, la selección de los componentes; el diseño mecánico de la estructura, y el diseño del sistema de mando y fuerza del sistema. Adicionalmente se realizó un listado con especificaciones técnicas y un presupuesto del costo total de fabricación del módulo. Se adjunta una guía para la experiencia de laboratorio en los anexos.