Tesis / 0022/I.M. by MAOSABO

DESARROLLO DE PROTOTIPO ROBÓTICO PARA LA AIREACIÓN AUTOMÁTICA EN ESTANQUE ARTIFICIAL APLICADO A LA PISCICULTURA

FÉLIX DANIEL MONROY PEDRAZA

CRISTHIAN ALEXANDER PUERTO CABIATIVA

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA BOGOTÁ D.C 2014

DESARROLLO DE PROTOTIPO ROBÓTICO PARA LA AIREACIÓN AUTOMÁTICA EN ESTANQUE ARTIFICIAL APLICADO A LA PISCICULTURA

FÉLIX DANIEL MONROY PEDRAZA 9127110 CRISTHIAN ALEXANDER PUERTO CABIATIVA 9140110

Trabajo de Grado para optar por el título de Ingeniero Mecatrónico

Director: Andrés Alberto Ramírez Duque Docente e Ingeniero Mecatrónico

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ D.C 2014

Nota de aceptaci贸n:

________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ Firma Jurado

_______________________________ Firma Director

Bogot谩 D.C Noviembre de 2014

DEDICATORIA Especialmente dedicamos este proyecto a las personas que contribuyeron con ideas y que apoyaron desde principio este proceso, se mantuvieron con nosotros hasta el final, y no dudaron que algún día, lograríamos culminar este gran pasó en nuestra carrera. Principalmente este trabajo está dirigido a la gente que se beneficiará de algún modo con nuestro proyecto, se realizó pensando en la idea constante de crear una gran utilidad para ellos, que mejore sus condiciones laborales, además de ayudar a la conservación de las especies piscícolas de nuestro país y que se logren incrementar las buenas prácticas acuícolas, gracias a este tipo de proyectos innovadores.

AGRADECIMIENTOS

Expresamos sinceros agradecimientos para las personas que participaron encaminando este proyecto, para su satisfactoria culminación y que a pesar de los obstáculos, hoy presentamos orgullosos el fruto del esfuerzo en todo este tiempo; también reconocemos la gran ayuda de nuestros familiares y amigos, por el apoyo que brindaron, sin ellos no hubiera sido posible.

Agradecemos a la FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA por darnos la posibilidad de contribuir a este gran proyecto con nuestras ideas, y con la ayuda de los asesores; concebir algo único e innovador, para el beneficio de la misma universidad y los piscicultores de Lérida.

Por último un agradecimiento especial para, el Ingeniero electrónico, MSc. Mario Jiménez, y a nuestro director Ingeniero Mecatrónico, MSc. Andrés Ramírez, Doctorado en Ingeniería; asesores del proyecto; por estar comprometidos con el desarrollo del prototipo, por sus sugerencias, correcciones y por ayudarnos con sus opiniones para llegar a este resultado final.

CONTENIDO Pág. LISTA DE FIGURAS .........................................................................................................................9 LISTA DE TABLAS ........................................................................................................................ 12 LISTA DE ECUACIONES ............................................................................................................. 13 GLOSARIO...................................................................................................................................... 14 RESUMEN....................................................................................................................................... 18 ABSTRACT ..................................................................................................................................... 19 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 20 1.

ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................. 21 1.1

REVISIÓN ....................................................................................................................... 21

1.2 EXPERIENCIAS INTERNACIONALES............................................................................ 21 1.2.1 AERATION INDUSTRIES ........................................................................................... 22 1.2.1.1 Aireador Aire O2 Modelo Series II ...................................................................... 22 1.2.2 AERATION TORING TURBINE ................................................................................. 23 1.2.2.1 Aireador TORING Modelo TT200 ....................................................................... 24 1.3 EXPERIENCIA EN COLOMBIA ........................................................................................ 25 1.3.1 NEW GAS AND OIL S.A ............................................................................................. 25 1.3.1.1 Aireador “New Water” ........................................................................................... 26 2.

MARCO TEÓRICO ................................................................................................................ 27 2.1 PRODUCCIÓN DE OXÍGENO DISUELTO (AIREACIÓN EN AGUA) ........................ 27 2.1.1 Tipos de aireadores ..................................................................................................... 28 2.1.1.1 Aireadores de difusores sumergibles vs Aireadores de paletas.................... 28 2.1.2 Proceso de aireación en agua .................................................................................. 29 2.1.2.1 Importancia de la aireación en los estanques .................................................. 30 2.1.3 Variables en la oxigenación del agua ....................................................................... 32 2.1.3.1 Calidad de la fuente de agua .............................................................................. 32 2.1.3.2 Variables físicas del agua .................................................................................... 33 2.1.3.3 Variables químicas del agua .............................................................................. 33 2.1.3.4 Factores que afectan el nivel de oxígeno disuelto........................................... 35

2.1.3.4.1 Efectos de la escasez de oxígeno disuelto ................................................. 36 2.1.3.4.2 Niveles de oxígeno ............................................................................................ 36 2.1.4 Principio físico de vórtice libre para aireación en agua .......................................... 38 2.2 MÉTODO DE PROPULSIÓN ............................................................................................ 39 2.2.1 Aerodeslizador .............................................................................................................. 40 2.2.2 Hidrodeslizador (Air Boat) ........................................................................................... 41 2.2.2.1 Hélice (Propeller) .................................................................................................. 43 2.2.2.2 Motor ....................................................................................................................... 44 2.3 SISTEMA DE CONTROL ................................................................................................... 45 2.3.1 Arduino ........................................................................................................................... 45 2.3.1.1 Placa arduino ......................................................................................................... 45 2.3.1.2 Controladores de motores (Drivers) ................................................................... 46 2.3.2 Servomotor .................................................................................................................... 46 2.3.3 Sensor medidor de oxígeno disuelto en agua ......................................................... 47 2.3.3.1 Sensor medidor de OD (Oxímetro) tipo membrana......................................... 47 2.3.3.2 Sensor electrodo medidor de OD (Oxímetro) tipo epoxy .............................. 49 2.3.3.3 Sensor medidor de OD (Oxímetro) con tecnología LDO ................................ 50 2.3.3.3.1 Sensor LDO HACH MODEL 2 ...................................................................... 52 2.4 ESTRUCTURA Y MÉTODO DE FLOTACIÓN............................................................... 53 2.5 MARCO AMBIENTAL ......................................................................................................... 54 3.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................... 55

4. OBJETIVOS ............................................................................................................................... 57 4.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................ 57 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................. 57 5. METODOLOGÍA ........................................................................................................................ 58 5.1 SELECCIÓN DE TIPO DE AIREADOR Y SUS COMPONENTES .............................. 58 5.1.1 Estudio y evaluación granja piscícola (ASOPISCINORTE)................................... 58 5.1.2 Visita fincas de cultivos piscícolas en Lérida- Tolima............................................. 60 5.1.2.1 Análisis de los datos recolectados en la visita ................................................. 62 5.1.3 Etapas Proyecto ........................................................................................................... 64 5.1.3.1 Primera Etapa: Selección de tipo de aireador .................................................. 64

5.1.3.2 Segunda etapa: Selección diseño de aireador................................................. 66 5.1.3.3 Tercera etapa: Parámetros para Inicio de diseño ............................................ 68 5.1.3.4 Cuarta etapa: Cálculos y Selección de Motores .............................................. 69 5.2 DISEÑO MECÁNICO DEL PROTOTIPO ........................................................................ 75 5.2.1 Rodete Inyector ............................................................................................................ 76 5.2.2 Acople negro Inyector a eje tubo ............................................................................... 76 5.2.3 Acople en acero inoxidable de eje motor a eje tubo ............................................... 77 5.3.1 Estructura y Flotación .................................................................................................. 79 5.3.1.1 Diseño estructura .................................................................................................. 79 5.3.1.2 Construcción de estructura.................................................................................. 80 5.3.2 Sistema de Propulsión del prototipo.......................................................................... 80 5.3.2.1 Diseño elementos de propulsión ........................................................................ 81 5.3.2.2 Selección de Hélice (Propeller) .......................................................................... 82 5.3.2.3 Construcción elementos de propulsión ............................................................. 83 5.3.3 Sistema de Aireación del prototipo ............................................................................ 83 5.4 ELECTRÓNICA Y CONTROL ........................................................................................... 86 5.4.1 Sensor OXIMETRO...................................................................................................... 86 5.4.2 Driver para motor controller 24V12A POLOLU ...................................................... 87 5.4.3 Servo motor ................................................................................................................... 87 5.5 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO .............................................................................. 89 5.6 PRUEBAS PARA VALIDACIÓN DEL PROTOTIPO ...................................................... 91 5.7 COMPONENTES Y COSTOS ........................................................................................... 92 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................................ 93 7. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 95 8. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO ................................................................... 96 ANEXO A ......................................................................................................................................... 98 ANEXO B ....................................................................................................................................... 109 ANEXO C ...................................................................................................................................... 113 BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................................ 116

LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Despiece de sistema de aireación. Aire O2 modelo series II…………………..22 Figura 2. Sistema de succión aireador TORING…………………………………...............24 Figura 3. Aireador TORING completo en funcionamiento……………….…....……….…..25 Figura 4. Aireador New Water………………………………………………………..............26 Figura 5. Ejemplo de aireación dentro del agua……………………………...…................27 Figura 6. Aireador difusor sumergible vista superior………….…………………………....29 Figura 7. Aireador de paletas vista superior……………………………………..................29 Figura 8. Aireador difusor sumergible vista inferior …………………………...…..............29 Figura 9. Aireador de paletas vista inferior……………………………………...…………...29 Figura 10. Proceso de aireación en agua, aireador difusor sumergible……...……….….30 Figura 11. Disco de secchi……………………………………………………...……………..33 Figura 12. Tallas de peces de aleta - Hp Aproximados / Ha necesarios para el cultivo de tilapia, bagre, carpa y pez rojo………………………………………………………………...37 Figura 13. Esquema principio y funcionamiento de aireador tipo vórtice libre.................38 Figura 14. Tipos y modelos de embarcaciones marítimas………………………..............39 Figura 15. Esquema de un aerodeslizador con motores independientes…….................40 Figura 16. Hidrodeslizador RC……………………………………….……………................41 Figura 17. Dimensiones comunes de un hidrodeslizador RC………….……………….….42 Figura 18. Dimensiones hélice…………………………………………….……..…..............43 Figura 19. Hélice tripala…………………………………………………………..…...............43 Figura 20. Motor combustión………………………………………………………................44 Figura 21. Motor DC………………………………………………………………...………….44 Figura 22. ARDUINO Mega2560…..……………………………………………………….…46 Figura 23. Sonda oxígeno disuelto PASPORT……………………………………………...47

Figura 24. Proceso medición de sonda……………………………………….………….…..48 Figura 25. Proceso redox en la sonda………………………………………..…….………...48 Figura 26. Trasmisor PASCO…………………………………………………..………….…..49 Figura 27. Electrodo marca CONSORT SK10B………………………………..…...............49 Figura 28. Esquema sensor tecnología RDO…………………………………..…………….51 Figura 29. Electrodo marca HACH MODEL 2……………………………….………….……52 Figura 30. Diseño de Embarcación con madera…………………………….………….…...53 Figura 31. Estanque # 1 de peces de cachama (Lérida, Tolima)………….………….…...59 Figura 32 Estanques de peces de mojarra roja. (Lérida, Tolima)………….………….…..59 Figura 33. Toma de muestra de agua estanque # 1…………………………….…………..61 Figura 34. Método de Aireación habitual. (Lérida, Tolima)…………………….………......62 Figura 35. Sistema de aireación de tipo bomba electro sumergible CAD………………...64 Figura 36. Prueba principio venturi……………………………………………….…………...65 Figura 37. Tobera…………………………………………………………………………….…65 Figura 38. Aireador modelo SERIES II………………………………………………….……66 Figura 39. Acople y rodete marca TORING……………………………………………….…67 Figura 40. Mini aireador……………………………………….…………………………….…68 Figura 41 Mini aireador en funcionamiento…………………………………….…..............68 Figura 42 Cálculos de potencia mediante software………………………………………...74 Figura 43. Rodete inyector…………………………………………………………………….76 Figura 44. Acople inyector a eje tubo………………………………………………………...77 Figura 45. Acople de eje motor a eje tubo……………………………………...……………77 Figura 46. Despiece acople de motor a tubo…………………………………………...…...78 Figura 47 CAD de ensamble entre acople e inyector del sistema de aireación...............78 Figura 48 Diseño estructura CAD integración de sistemas vista isométrica…................79 Figura 49 Diseño estructura CAD integración de sistemas vista frontal……………….…79

Figura 50. Construcción de estructura e Integración de sistemas………….………….….80 Figura 51. Diseño de timón anclado a estructura…………………………….……………..81 Figura 52 Grafica Empuje vs Potencia (Diámetro Hélices)……………………….……….82 Figura 53. Construcción Sistema de Propulsión…………….……………...……….………83 Figura 54. CAD Sistema de aireación completo…………………………….………………84 Figura 55. Perforaciones de eje tubo y potencia motores vs profundidad……….……….84 Figura 56. Electrodo oxímetro CONSORT SK10B…………………………….…...............86 Figura 57. Driver 24V 12ª marca POLOLU Ensamblado…………………..…...………….87 Figura 58. Servo motor Tower pro 5v 180° SG-5010...……………………..…...…………88 Figura 59. Esquema servo motor Tower pro 5v 180° SG-5010...………....……..............88 Figura 60. Construcción sistema de aireación…………….………………………………...89 Figura 61. Previo a mecanizado final piezas de nylon………………………....................89 Figura 62. Construcción sistema de propulsión. (Malla de seguridad)…....……………..90 Figura 63. Software de driver POLOLU para control de motores…………………………91 Figura B.1. Aireador armado totalmente vista transparente……………………………..109 Figura B.2. Pasos para armar sistema de propulsión ……………………………………110 Figura B.3. Sistema de propulsión completamente armado…………………….............110 Figura B.4. Sistema de aireación completamente armado………………………………111 Figura B.5. Pasos para armar sistema de aireación.…………………………………......111 Figura B.6. Pasos para armar estructura y flotación……………………………..............112

LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1 Especificaciones generales del aireador TORING sin motor……………….….24 Tabla 2 Comparativa general de tipos de aireadores….………………………….…….28 Tabla 3 Parámetros generales de la calidad de agua para cultivo de peces…............32 Tabla 4. Indicadores calidad variables fisicoquímicas de agua en estanques………...35 Tabla 5. Lineamientos para la calidad del agua según la OMS…………….….............37 Tabla 6. Resumen especificaciones técnicas ARDUINO………………………………..46 Tabla 7. Datos de recopilados de agua de llave en reposo...…………………..............63 Tabla 8. Datos de recopilados de agua de destilada en reposo...………….…………..63 Tabla 9. Datos de recopilados de agua de estancada en reposo...…………………….63 Tabla 10. Costos de aireadores comerciales…………………..…………………...........66 Tabla 11 Características plástico de ingeniería: Tipos de Nylon….………….…….......75 Tabla 12. Lista de componentes aireador. Especificaciones y precios……..………….92 Tabla 13. Extrapolación datos en voltaje a resolución en datos seriales……………...94 Tabla A1. Especificaciones Técnicas Aireador………………………………..………….98 Tabla A2 Formato de anomalías en el funcionamiento………………………..............104 Tabla B.1 Listado de componentes para montaje e instalación del prototipo.............109

LISTA DE ECUACIONES Pág. Ecuación 1………………………………………………………………………………………35 Ecuación 2………………………………………………………………………………………36 Ecuación 3………………………………………………………………………………………69 Ecuación 4………………………………………………………………………………………69 Ecuación 5………………………………………………………………………………………70 Ecuación 6………………………………………………………………………………………70 Ecuación 7………………………………………………………………………………………71 Ecuación 8………………………………………………………………………………………71 Ecuación 9………………………………………………………………………………………71 Ecuación 10……………………………………………………………….…………………....73 Ecuación 11…………………………………………………………….….…………………...73 Ecuación 12……………………………………………………………..……………………...73 Ecuación 13……………………………………………………………..……………………...73 Ecuación 14……………………………………………………………..……………………...74 Ecuación 15……………………………………………………………..……………………...74 Ecuación 16……………………………………………………………..……………………...74

GLOSARIO Abiótico: Factor físico que influye en el desarrollo y/o la sobrevivencia de un organismo vivo. Aclimatar: Ajuste de un organismo a nuevas condiciones ambientales. Ácido: Sustancias capaces de reaccionar con bases en agua para formar sales. Se caracteriza por la liberación de iones hidrógenos en agua y su pH se localiza por debajo de 7. Acuicultura: Es el conjunto de actividades, técnicas y conocimientos de crianza de especies acuáticas vegetales y animales. Es una importante actividad económica de producción de alimentos, materias primas de uso industrial y farmacéutico, y organismos vivos para repoblación u ornamentación. Adulto: Cualquier animal que sea sexualmente maduro y haya alcanzado su crecimiento máximo. Aireador: Equipo usado para introducir aire en el agua. Los aireadores pueden ser sistemas mecánicos, gravitacionales y de difusión. Aeróbico: Condición o proceso donde está presente el oxígeno gaseoso. Aerodeslizador (Hovercraft): Es también designado con el término inglés hovercraft, es un vehículo que se desliza al lanzar un chorro de aire contra una superficie que se encuentra debajo de él; esto genera un colchón de aire o cojín de aire, que le permite, en principio, moverse sobre cualquier superficie horizontal lo suficientemente regular, como llanuras, sobre el agua, la nieve, arena o hielo, sin estar propiamente en contacto con ella. Alcalino: Que tiene un pH mayor a 7. Alevín: Estado de desarrollo del pez que comprende entre 3 y 5 cm de longitud total. Anaeróbico: Condición o proceso donde no está presente el oxígeno gaseoso. Autóctono: Una especie nativa, especie indígena o autóctona es una especie que pertenece a una región o ecosistema determinados. Su presencia en esa región es el resultado de fenómenos naturales sin intervención humana. Biomasa: Suma total de la materia de los seres que viven en un ecosistema determinado, expresada habitualmente en peso estimado por unidad de área o de volumen.

Bioseguridad: La bioseguridad pretende asegurar que el mantenimiento ecológico de tanto plantas como animales sea preservado. Esto engloba hábitats naturales, actividades empresariales (en especial la agricultura). Biótico: Los factores bióticos de un ecosistema son aquellos que representan a los seres vivos del mismo, y se dividen en flora y fauna. Cultivo: Producción de animales o plantas. Cultivos continentales: Cultivos que se desarrollan en ríos, lagos, embalses o cualquier cuerpo de agua dulce. Cultivos marinos: Se desarrollan en el mar o en zonas en comunicación directa con éste (bahías, ensenadas, lagunas, rías, bocas de ríos), en agua salada o salobre. Estratificación: Es la distribución uniforme de temperatura y oxígeno disuelto Desarrollo (Tecnológico): Es el conjunto de saberes, conocimientos, habilidades y destrezas interrelacionados con procedimientos para la construcción y uso de artefactos naturales o artificiales que permitan transformar el medio para cubrir necesidades y/o solucionar problemas. Detritos: Residuos, generalmente sólidos, que provienen de la descomposición de fuentes orgánicas y minerales. Es materia orgánica putrefacta de la que seres vivos se alimentan. Generalmente viven en agua estancada, pantanos y se denominan saprófagos o saprófitos. Disco de Secchi: Disco dividido en cuatro partes, blanco y negro, alternadas, que se utiliza para medir la claridad del agua midiendo la profundidad a la que ya no es visible desde la superficie. Diseño: Concepción original previa de una pieza, sistema o idea, destinado para su producción. Dispersión (oxígeno): Es el fenómeno de separación a través del agua y previo mezclado de las partículas de oxígeno de las que se compone el aire. Dormante / Latencia: Cualquier período durante el cual un organismo o algunos de sus órganos permanecen inactivos o su actividad se ve fuertemente reducida. Ecosistema: es un sistema natural que está formado por un conjunto de organismos vivos y el medio físico donde se relacionan. Un ecosistema es una unidad compuesta de organismos interdependientes que comparten el mismo hábitat.

Eutrofización: Enriquecimiento natural o artificialmente acelerado de nutrientes en un cuerpo de agua, que conlleva a la reducción de oxígeno disuelto. Fitoplancton: Pequeños organismos micro algas con capacidad de realizar fotosíntesis productores primarios con poca o nula capacidad de controlar su posición en la columna de agua. Hábitat: Lugar específico ocupado por un organismo con condiciones ambientales determinadas que satisfacen los requerimientos de ese organismo, una población o una comunidad, también se define como el conjunto de factores bióticos y abióticos donde viven una o varias especies. Hidrodeslizador: Los Hidrodeslizadores, o Aero lanchas son embarcaciones pequeñas con el fondo plano propulsadas por una hélice de aviación. El motor puede ser tanto de aviación como automotriz. La hélice produce una fuerte columna de aire hacia atrás que impulsa el hidrodeslizador hacia adelante. El manejo se logra haciendo pasar el aire forzado a través de timones verticales que pivotan sobre ejes colocados en la parte posterior (popa) de la embarcación. Implementar: Poner en funcionamiento, aplicar métodos, para llevar a algo a cabo. Jaula: Estructura utilizada para la cría, cerrada en el fondo y a los costados por un entramado de madera, malla o red. Permite el intercambio natural de agua a través de las paredes laterales y por el fondo de la jaula (definición de FAO) Larva: Estado de peces desde la eclosión hasta el final de la dependencia de vitelo como fuente nutricional. Nutrientes: Que proveen aquello necesario para el desarrollo, de origen orgánico como inorgánico. Neutro: Ph con un valor de 7. Propiedades Organolépticas: Son todas aquellas descripciones de las características físicas que tiene la materia en general, según las pueden percibir los sentidos, por ejemplo su sabor, textura, olor, color. Patógeno: Cualquier organismo que viviendo sobre o dentro de otro organismo le cause enfermedad. Piscicultura: Cultivo de peces. Plancton: Organismos de tamaños muy reducidos cuyo movimiento es errante en la columna de agua, su desplazamiento viene dado por los propios movimientos de esta.

Poiquilotermo: Individuo incapaz de regular la temperatura del independientemente de la temperatura ambiental, posee sangre fría.

cuerpo

Precesión: Es el movimiento asociado con el cambio de dirección en el espacio, que experimenta el eje instantáneo de rotación de un cuerpo. Productividad: Capacidad de producción por unidad de trabajo. Productividad primaria: Cantidad total de materia orgánica que está formada en cierto tiempo por la actividad fotosintética de las plantas. Reacción redox: Se denomina reacción de reducción-oxidación, de óxidoreducción o, simplemente, reacción redox, a toda reacción química en la que uno o más electrones se transfieren entre los reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación. Semilla: Plantel de individuos a sembrar, generalmente se refiere a alevines. Siembra: Liberación de los organismos (larvas o alevines) al medio de cultivo para su crecimiento y engorde. Turba: Es un material orgánico, de color pardo oscuro y rico en carbono. Está formado por una masa esponjosa y ligera en la que aún se aprecian los componentes vegetales que la originaron. Se emplea como combustible y en la obtención de abonos orgánicos. Utillaje: Conjunto de instrumentos que optimizan la realización de las operaciones de un proceso, mediante el posicionamiento y sujeción de una pieza o conjunto de piezas a un sistema de referencia, para poder ejecutar operaciones de diversa índole. Winkler: Es un método que permite determinar la cantidad de mg/l de oxígeno disuelto a través de una valoración química, a una muestra de agua.

Desarrollo de prototipo robótico para la aireación automática en estanque artificial aplicado a la piscicultura

Autores:

FÉLIX DANIEL MONROY PEDRAZA CRISTHIAN ALEXANDER PUERTO CABIATIVA

Director:

ANDRÉS ALBERTO RAMÍREZ DUQUE

RESUMEN En este documento se exponen todos los procesos, en cada una de las etapas; para seleccionar el tipo de aireador más adecuado, establecer el diseño de los sistemas que lo componen y cada una de las piezas que se usaron para construirlo; así lograr el funcionamiento del prototipo lo mejor posible. Dentro de las características principales del prototipo destacamos su diseño estructural modular de manera que se puede desarmar y transportar más fácilmente, también la posibilidad de tener un ligero mantenimiento ocasional, por sus pocas partes móviles, además de su construcción con materiales que soportan el impacto del entorno y clima de la región, que al mismo tiempo no afectan notablemente el bienestar de las especies cultivadas debido a su baja emisión de ruido, ausencia de agitación por parte de su movimiento suave y sus materiales limpios. El aireador el principal componente del prototipo, está basado en el principio de funcionamiento del aireador tipo TORING, pero cuenta con un diseño distinto al original que se encuentra en el mercado, está adaptado a las necesidades, que se encuentran en los estanques donde se implementará. El aireador comercial se caracteriza por estar fijo, anclado a un solo lugar del estanque. Este prototipo mejorara notablemente las técnicas actuales de acuicultura por la gran diferencia en su innovación por la autonomía en su movimiento, ideado de forma tal, como una especie de hidrodeslizador, en su sistema de propulsión, además de ser automático su sistema de control, que básicamente, por medio de un oxímetro proporciona una medida de voltaje que procesa y dependiendo del nivel, enciende el sistema de aireación y apaga el sistema de propulsión, oxigenando esa zona del estanque por un determinado tiempo; luego sigue moviéndose por la ruta asignada por el sistema de control.

ABSTRACT In this document all the processes are exposed, in each one of the overcome stages; to choose the type of more appropriate aerator, the selection and the design of the systems that compose it and each one of the pieces that were used to build it; and operation of the prototype achieving their best. Inside the prototype main characteristics we highlight their structural design to modulate so that you can dismantle and to transport more easily, Also the possibility of a slight occasional maintenance, for their few moving parts, well construction materials that support the impact of the environment and climate of the region, while not significantly affecting the welfare of farmed species due to their low noise, absence of agitation by its smooth motion and its clean materials. Aerator the main component of the prototype is based on the principle of operation of the type TORING aerator, but has a different design to the original found on the market, this is adapted to the needs, which are in the holding ponds where implemented. The commercial aerator is characterized by being fixed, anchored to one place in the pond. This prototype greatly improve the current techniques of aquaculture by the large difference in innovation for autonomy in its movement, so devised as a kind of hovercraft in its propulsion system, in addition to automatic control system, which basically using an oxymeter provides a voltage measurement processing depending on the level, turn on the aeration system and off the propulsion system, oxygenating the pond area for a specified time; then continues to move along the route assigned by the control system.

INTRODUCCIÓN La piscicultura se ha convertido en una excelente opción para mitigar los problemas de escasez de alimento, generada por diversas causas; actualmente esta práctica en Colombia, desde hace mucho tiempo se ha realizado de manera artesanal, con poca ayuda técnica y sin aplicar recursos tecnológicos, que hoy en día se encuentran disponibles en la agricultura moderna. Por esta razón se vio la oportunidad de experimentar en este subsector pecuario, con una aplicación nueva, que mejorará y facilitará la pequeña producción piscícola, ayudando a mitigar y posteriormente solucionar los inconvenientes técnicos, posibles percances que surgen por los diversos factores y ambientes encontrados en el hábitat de los estanques artificiales de las fincas de Lérida; los cuales se deben mantener en equilibrio para la buena producción piscícola. Habiendo realizado esta innovación, si la producción crece de manera extensiva, como un cultivo de escala mayor (Semi-intensivo o Intensivo), entonces posteriormente se creará un producto más tecnificado basado en este prototipo con dispositivos y equipos industriales. Los aireadores proporcionan una mejora en la calidad del agua, mediante la adición y circulación de oxígeno disuelto en el área del estanque, logran fortalecer las variables que mantienen el ambiente saludable, asimismo evitan inconvenientes como: Posible crecimiento de algas en la superficie, malos olores, riesgo de cría de insectos, y muerte prematura de peces; estos efectos negativos en el estanque afectan directamente la producción y la inocuidad del producto final, por esto es de vital importancia mantener una aireación frecuente en el agua. La selección, el diseño y la construcción, junto con la puesta a punto del prototipo de aireación tienen como función principal generar un buen nivel de oxígeno disuelto y gracias a este realizar una estratificación en el agua, así ocasionar un impacto positivo para la salud de las especies que se encuentren en el estanque artificial de producción piscícola. Con su implementación se deben mantener las condiciones del ambiente, su inocuidad, garantizar el menor impacto y mantener el comportamiento normal de las especies; además de mejorar la calidad de oxígeno disuelto (OD) en el agua, precisamente de esta manera contribuir con el bienestar de los peces, además de generar prosperidad de las características frágiles de este ambiente acuático, para aumentar así la producción y su calidad. Por último el proyecto se articula con nuestro enfoque universitario, por eso se logra intervenir en un problema de la industria pecuaria colombiana, más específicamente en la región del Tolima en el municipio de Lérida, con la integración de los componentes de la mecatrónica; para superar las dificultades de la producción. Para esto se implementó la mecánica para el diseño de las piezas y la estructura, electrónica de precisión y potencia, para el funcionamiento de controladores, sensores y actuadores. Todos estos componentes se integraran con un control, que se encarga de mantener la sincronía de cada uno de los procesos del prototipo de aireación automática llamado Oxybot 1.0.

1. ESTADO DEL ARTE Este prototipo con su diseño y construcción, está dirigido a mejorar la aireación de un estanque artificial para la piscicultura, actualmente no se reporta ningún trabajo relacionado con el objetivo del proyecto ni una patente o desarrollo de dispositivos para aireación automática, de tipo comercial en el país; con el propósito de implementar un sistema de aireación automático para la optimización de los procesos piscícolas. 1.1 REVISIÓN Realizada una extensa búsqueda del estado actual de esta tecnología, encontramos que cuenta con grandes avances, específicamente en los métodos y formas de aireación, unos más eficientes que otros con algunas ventajas y desventajas; pero la carencia principal de los dispositivos de aireación, es la limitación que tienen al estar anclados en una determinada área del estanque o lago en el que se encuentren instalados, desde allí genera una constante aireación suministrando oxígeno disuelto al lago, que por recirculación natural después de varios minutos de funcionamiento se homogeniza en todo el área del estanque, en algunos casos donde el estanque es de una área más extensa, se tienen que instalar dos o más aireadores en puntos estratégicos para lograr estratificar el agua, en un tiempo establecido de acuerdo al porcentaje de eficiencia de una determinada marca. A continuación se describen los dispositivos encontrados comercialmente a nivel nacional e internacional. 1.2 EXPERIENCIAS INTERNACIONALES La utilización de la tecnología es común para tratamiento de aguas 1 y para los sistemas de recirculación que presenta ventajas como: el aumento en la producción, monitoreo y control de las variables físico- químicas del agua, y desventajas como: el alto costo y necesidad de mano de obra calificada. Sin embargo, actualmente son muchos los países que están automatizando sus procesos con el fin de ser competitivos e ingresar a mercados internacionales. Además, al tecnificar el cultivo de peces, se puede tener un mayor control en la calidad y en la cantidad producida, contribuyendo en la estabilidad de la oferta y precios del producto. 1

OSCAR GALLI MERINO Y FACUNDO MIGUEL SAL. Sistemas de recirculación y tratamiento de agua. Secretaría de Agricultura, ganadería, pesca y alimentos, Santa Ana – corrientes, 2007.

1.2.1 AERATION INDUSTRIES Aeration industries International 2 es una industria americana desarrolladora de dispositivos y soluciones para varios tipos de aplicaciones de aireación industriales en el agua, catalogada como líder del mercado por la calidad, diseño y formas avanzadas de aireación. Este tipo de aireadores tienen un diseño y características puntuales que los clasifica como un tipo específico de aireador. Se clasifica como aireador de tipo difusor sumergible con eje móvil y propela para la dispersión del aire absorbido. 1.2.1.1 Aireador Aire O2 Modelo Series II Este modelo es especial para la aplicación en la aireación de acuicultura 3, cuenta con un motor eléctrico AC de 60Hz y varias piezas internas dentro del eje. El aireador AIRE-O2 Serie II, opera creando un vacío parcial debajo del agua, induciendo el aire a través del eje hueco y dispersando este, por medio de una columna de agua en una dirección horizontal. Debido a la rotación de la propela, esta induce un flujo atmosférico de aire a través de los puertos de entrada en el eje sobre la superficie del agua. Este aire es entonces impulsado a través del eje, pasando por la propela, y expulsado provocando una corriente de burbujas finas a alta velocidad que son propagadas en el agua. Figura 1 Despiece de sistema de aireación AIRE O2 Modelo SERIES II

Fuente Aeration Industries International 2

AERATION INDUSTRIES INTERNATIONAL, 2014. [En línea] [Citado el: 26 de septiembre]: http://aireo2.com/about/ 3 AERATION INDUSTRIES INTERNATIONAL, 2014 Aerator industrial The Aire-O2® Series II, 2012, http://aquaculture.aireo2.com/acuicultura/como-funciona/

A continuación se presenta la descripción técnica y ventajas significativas, del sistema de aireación comercial, para aplicación a la piscicultura. AIRE O2 Modelo SERIES II: Especificaciones Técnicas: • • • • • • • • • •

Solamente una pieza general móvil – solo un eje conectado al eje de motor Tiene en total de 6 piezas principales Bajo mantenimiento Rango de entrada al agua de 30° a 45° Gran calidad en los materiales y motor adaptado al ambiente Generación de burbujas más pequeñas. Buen mezclado y dispersión de oxígeno Estratificación del Agua Buje lubricado por Agua – no requiere lubricación artificial Su diseño no requiere reductor de engranajes

1.2.2 AERATION TORING TURBINE Es una empresa europea que elabora equipos de aireación para diferentes aplicaciones, basándose en la investigación y estudios de la dinámica de fluidos logran desarrollar un aireador de auto aspiración especializado para acuicultura. Este tipo de aireador se caracteriza por tener un eje móvil giratorio, que no tiene partes móviles internas, arrastra el oxígeno disuelto forzando el aire en el agua. Este aireador de difusor sumergible cuenta con una pieza fundamental, una turbina compone un sistema de succión, que dispersa el aire absorbido por medio de un eje hueco y luego dentro del agua de forma horizontal desde una profundidad establecida. Debido a su diseño, eficiencia, portabilidad, bajo costo y rendimiento, el aireador TORING 4 es usado por su configuración para la acuicultura, en lagunas horticultura irrigación, estanques en campos, plantas de tratamiento de residuos municipales, lagunas de desechos animales, y pozos de aguas negras, por nombrar unas de sus principales aplicaciones dentro de la agricultura, sin contar otras de tipo industrial para tratamiento de aguas.

AERATOR INDUSTRIES TORING 2011 [En línea] [Citado el: 12 de septiembre 2013]:

http://www.TORING.com/TORING-aerator/

1.2.2.1 Aireador TORING Modelo TT200 Es un aireador de tipo turbina sumergida que utiliza un silencioso motor de 2HP alimentado con corriente alterna AC trifásica, que es lo suficientemente fuerte como para oxigenar un estanque grande, cuenta con un eje hueco, un acople en acero lo une con el eje del motor y otro acople plástico para unir el eje hueco con la turbina, dispersando el aire que succiona de la atmósfera hacia la profundidad del estanque, esta parte del sistema de aireación comercialmente tiene un costo aproximado de ϵ855 euros. Figura 2 Sistema de succión aireador TORING

Fuente: Aerator industries TORING

A continuación se presenta la descripción técnica y ventajas, para la aplicación del sistema de aireación TORING en piscicultura: Especificaciones Técnicas: • Bajo mantenimiento • Diseño modular, totalmente desmontable • Total de 4 piezas principales • No tiene partes móviles internas • Realiza la oxigenación del agua desde niveles más profundos hasta (3m) • Fácil instalación • Generación de burbujas pequeñas • Buen mezclado y dispersión de oxígeno • Estratificación del agua = Distribución uniforme °T y O2. • Diseño: simplicidad , flexibilidad y durabilidad • Excelente rendimiento de trasferencia de oxígeno A continuación se muestra las características más importantes del dispositivo aireador TORING: Tabla 1 Especificaciones generales del aireador TORING sin motor

Peso del sistema de succión sin motor

18 kg

Longitud del eje

100cm

Diámetro de la turbina rodete para dispersión

24mm

Figura 3 Aireador TORING completo en funcionamiento

Fuente: Aerator industries TORING

1.3 EXPERIENCIA EN COLOMBIA Desde principio de los noventa se reportó el inicio de los procesos de investigación en el campo de la acuicultura, gracias al desarrollo sostenido de esta área a nivel mundial. Los primeros trabajos de investigación buscaban fomentar el desarrollo del cultivo acuícola debido a la disminución de la pesca de captura, al tiempo que analizaba el impacto económico de los cultivos intensivos de peces y su viabilidad 5. A partir de esta década los procesos de investigación en el área estuvieron en su mayoría orientados a reportar el panorama de la acuicultura a través de cifras puntuales como la producción per cápita en kilogramos (kg) de los países con mayor impacto a nivel mundial6. 1.3.1 NEW GAS AND OIL S.A Es una empresa nacional que produce equipos mecánicos, encargados de airear piscinas de oxidación industriales y municipales. Se emplean para disminuir la concentración de fenoles en el agua y la demanda biológica y bioquímica de oxígeno, mejorando la calidad de la misma.

The economics of waste water - Aquaculture systems. Smith, L.; Huguenin, J. OCEANS 1984. Volume 7, Issue , Sep 1975 Page(s): 285 - 293 6 El estado mundial de la pesca y la acuicultura. Subdivisión de Políticas y Apoyo en Materia de Publicación Electrónica. Organización de las naciones unidas para la agricultura y la alimentación, Roma, 2009. ISBN 978-92-5-306029-0.

1.3.1.1 Aireador “New Water” El equipo New Water 7 es un Aireador de tipo semi-sumergible o también llamado de aireación por gravedad, fabricado en fibra de vidrio y acero inoxidable, provisto de una electrobomba, con gran durabilidad y alto desempeño. El sistema se compone de una bomba electro sumergible de una capacidad diseñada de acuerdo a las necesidades del cuerpo de agua que se desea airear. La bomba toma agua y luego la descarga por medio de un sistema de tubería que se encuentra conectado a unas toberas donde se ejerce el efecto Venturi para la mezcla. Las toberas aprovechan el flujo y la presión de descarga de la bomba, para arrastrar una gran cantidad de oxígeno de la atmósfera, inyectando agua oxigenada a la laguna o piscina. El sistema de bomba y tuberías, se encuentra soportado sobre una estructura con flotadores en fibra de vidrio, que facilita poder ubicar aireadores en cualquier piscina, a distintas profundidades. Además el sistema es ecualizable, pudiendo variar el ángulo de la tobera para la descarga de la bomba hacia agua. Especificaciones Técnicas: • Portátil y ajustable • Operación silenciosa • Fácil instalación y mínimo mantenimiento • Bajo consumo de energía y funcionamiento eficiente • Altos porcentajes en la reducción de la demanda biológica de oxígeno Figura 4 Aireador New Water

Fuente: New Gas and Oil

New Gas and Oil S.A, Aireador New Water [En línea] [Citado el: 12 de septiembre 2013]: http://newgasandoil.com.co/

2. MARCO TEÓRICO 2.1 PRODUCCIÓN DE OXÍGENO DISUELTO (AIREACIÓN EN AGUA) Seleccionar un aireador para piscicultura tiene como variable más importante la dispersión de oxígeno, incluyendo tanto la circulación bajo la superficie, como la cantidad de oxigenación que produce para crear un ambiente estratificado dentro del estanque, donde los niveles de la temperatura y oxígeno son uniformes en toda su área, el mezclado y distribución de oxígeno ayuda a controlar la alimentación y desechos de las especies cultivadas, manteniendo los fondos más limpios, disminuyendo los riesgos de enfermedades 8. Figura 5 Ejemplo de aireación dentro del agua

Fuente: Aeration Industries International

Otro importante aspecto además de la dispersión, en este tipo de aireación bajo la superficie, es el tamaño de burbuja producido, entre más pequeña es la burbuja proveniente del proceso de aireación, más tiempo permanece en el agua. Y cuanto más tiempo perdure esta burbuja bajo el agua, mayor es la oportunidad de que se convierta en oxígeno disuelto. Por ejemplo el equipo de la (Figura 5) es un aireador semi- sumergible de la marca Aeration Industries, que genera en promedio, una burbuja de 2.2 mm 9. Basándose en esta característica importante en el diseño del aireador, el prototipo tiene que estar lo más cercano a generar este tamaño de burbujas, con el que se mejorara notablemente las condiciones del estanque.

AERATION INDUSTRIES INTERNATIONAL, Aerator industrial. The Aire-O2® Series II, 2014, [En línea] [Citado el: 26 de septiembre 2013]: http://www.aireo2.com/Aplicaciones.asp?pind=comfun 9 AERATION INDUSTRIES INTERNATIONAL, Aerator industrial. The Aire-O2® Series II, 2014, [En línea] [Citado el: 26 de septiembre 2013]: http://aquaculture.aireo2.com/acuicultura/como-funciona/

2.1.1 Tipos de aireadores A continuación se muestran los tipos de aireadores más comunes en el mercado. 2.1.1.1 Aireadores de difusores sumergibles vs Aireadores de paletas Estos dos tipos aireadores 10 generalmente comercializados y son compatibles de acuerdo a las necesidades en los estanques artificiales de piscicultura. Se presenta la siguiente tabla comparativa, con las características del aireador tipo difusor sumergible, su funcionamiento y ventajas, frente a un aireador mecánico de paletas. Tabla 2 Comparativa general de tipos de aireadores

Aireador difusor sumergible (1.1) Más eficiente del mercado

Aireador de paleta (2.1) Aireador mecánico común

•

Circula el agua rica en oxígeno destratificando la columna de agua del estanque. Esto asegura uniformidad en los niveles de temperatura y oxígeno en todo el estanque.

•

El chapoteo pesado en la superficie del estanque conduce a variaciones en la temperatura y OD en el fondo. Incapaz de mezclar a profundidades mayores de 1m.

•

Su buje lubricado por agua no requiere lubricación artificial o mantenimiento adicional.

•

Muchas partes móviles que conduce a altos costos de mantenimiento y reparación.

•

Únicamente una parte móvil; solo 10 partes en total.

•

Alta cantidad de partes móviles; aproximadamente 30 en total.

•

Su diseño no requiere reductor de engranajes; por lo cual no es necesario lubricación frecuente.

•

Su diseño de reductor de engranajes requiere constante lubricación.

•

Liviano, puede ser trasladado de estanque a estanque por una sola persona.

•

Voluminoso y pesado, requiriendo de cuatro personas para moverlo al de estanque.

•

La aireación se realiza bajo la superficie sin causar cambios en la temperatura o salinidad.

•

El chapoteo crea altos niveles de salinidad por el aumento en los índices de evaporación.



Ángulo ajustable para estanques someros o profundos.

•

Capaces de airear únicamente estanques de poca profundidad.

•

Permanece a flote bajo cualquier condición climatológica.

•

Podría voltearse bajo vientos fuertes.

AERATION INDUSTRIES INTERNATIONAL, Aerator industrial. The Aire-O2® Series II, 2012[En línea] [Citado el: 26 de septiembre 2013]: http://aquaculture.aireo2.com/acuicultura/competencia/

Para tener una visión clara de cada tipo de aireador se muestran imágenes de los aireadores captados desde puntos de vista distintos en funcionamiento sobre la superficie y en profundidad. La (Figura 6 y 8), aireador sumergible; (Figura 7 y 9), aireador de paletas. Figura 6 Aireador de paleta (vista superficie)

Figura 7 Aireador difusor sumergible (vista superficie)

Figura 8 Aireador difusor sumergible (vista profundidad)

Figura 9 Aireador de paletas (vista profundidad)

Fuente: Aeration Industries International

2.1.2 Proceso de aireación en agua Teniendo en cuenta que el tipo de aireador difusor sumergible es mucho más eficiente debido que al generar burbujas diminutas el oxígeno, es absorbido en una mayor cantidad al permanecer más tiempo en el agua, contrario a las pocas burbujas originadas por el diseño de paletas, se optó por el de tipo difusor para analizar su funcionamiento, que produce O2 dentro del agua desde el instante en que se enciende. Cuando el motor o el sistema de bombeo se enciende, crea una mezcla compuesta de oxígeno y agua, basándose en varios principios físicos, obteniendo como resultado una nube de aire forzado en el agua, entrando con gran velocidad; esta es generada desde el elemento difusor o de dispersión, que al comienzo solo es aire atmosférico succionado, por medio de un conducto o tubo por efecto del principio de vórtice libre, partiendo de esto, se transporta hasta una profundidad

determinada dentro del agua y allí liberar la mezcla. Que al pasar el tiempo tiende a diluirse hacia la superficie, dejando solo un porcentaje de las partículas de oxígeno. De acuerdo a la eficiencia de mezclado y dispersión pueden llegar a convertirse en oxígeno disuelto, consumible por el cultivo de peces y el hábitat, luego de un tiempo se acaba por la constante demanda de OD que necesita el estanque. Figura 10 Proceso de aireación en agua, aireador difusor sumergible

Fuente: Aeration Industries International

1. El aire atmosférico es succionado por efecto de la fuerza centrífuga, generada por el giro del motor a altas revoluciones por minuto (R.P.M) 2. El aire es transportado mediante un eje hueco por la diferencia de presión entre superficie del cuerpo de agua y cierta profundidad. 3. Empieza la mezcla del aire con el agua, forzando está dentro del agua. 4. Por último la mezcla se libera y es dispersada por el elemento difusor en varias direcciones, que varían dependiendo el diseño, dimensiones y marca del aireador.

2.1.2.1 Importancia de la aireación en los estanques La principal característica de los animales acuáticos es la que los define como "poiquilotermos" esto quiere decir, que se trata de un grupo de animales comúnmente conocidos como de "sangre fría"; a diferencia de las aves y los mamíferos que son "homeotermos" o de "sangre caliente". Esto significa que mientras estos últimos mantienen la temperatura corporal constante (como por ejemplo, el ser humano), los animales acuáticos no poseen tal capacidad; siendo su temperatura corporal la existente en el medio acuático que los rodea y en el que pasan toda su vida; o bien, con el que están relacionados por su reproducción y parte del ciclo de vida 11.

Hanna Instruments Chile, [En línea] [Citado el: 8 agosto 2014]: http://www.hannachile.com/component/k2/item/186-la-importancia-del-oxígeno-por-que-se-debe-mediry-controlar-en-el-agua, 16 de Julio de 2008 09:00

Es importante la respiración celular, por el metabolismo. Las plantas, peces, microorganismos, etc.; necesitan oxígeno para desarrollarse, crecer y poder vivir. Hay varias formas de expresarlo: • •

Porcentaje de saturación, también concentración de saturación = cantidad de oxígeno que puede tener el agua en unas condiciones determinadas. Cantidad de oxígeno disuelto en el agua en mg / lt = ppm (partes por millón)

La aireación 12 es necesaria cuando los niveles de oxígeno disuelto caen a niveles bajos o críticos en el estanque. Este nivel crítico varía dependiendo de especie a especie. Cuando el OD cae a este punto, los peces en el estanque comienzan a estresarse, dejan de crecer y es son vulnerables a enfermedades, por la variación de las condiciones naturales del ambiente, del cual las especies son muy susceptibles. La acuicultura a baja densidad no requiere aireación artificial ya que la biomasa y la demanda de oxígeno en el estanque son bajas. A medida que aumenta la densidad de siembra, la biomasa en el estanque también se incrementa, causando una necesidad mucho más alta de oxígeno. Por medio de un equipo de aireación incrementa el OD a niveles óptimos para las especies, para que en el estanque las especies cuenten con el porcentaje de oxígeno adecuado de acuerdo a el volumen del cultivo, suministrado por la mezcla de aire inyectado desde la superficie, así les permita crecer en un ambiente libre de enfermedades y estrés. Es importante, por lo tanto, la respiración celular por el metabolismo de las especies que habitan en el estanque. Las plantas, peces, microorganismos, etc., necesitan vital oxígeno para desarrollarse, crecer y poder vivir. Beneficios de la aireación del agua 13 • • • • • • • •

Tratamiento del agua potable Eliminar el estrés de peces y organismos acuáticos (Fishkills) Reducir floraciones de algas Aumentar las concentraciones de OD y mejorar la calidad de pesca Disminuye los olores nocivos Mejora la salud de los peces Mejora de la actividad bacteriana y la descomposición de la materia orgánica, que resulta en una reducción de larvas de mosquitos en el agua. Evita la eutrofización, así no hay exceso de fitoplancton y la luz solar puede llegar a mayor profundidad

Aeration Industries International, Aerator industrial. The Aire-O2® Series II, 2012 http://aquaculture.aireo2.com/acuicultura/preguntas-comunes/#modelos 13 Aeration Industries International, Aerator industries TORING, Benefits of water aeration http://www.TORING.com/

2.1.3 Variables en la oxigenación del agua En el agua la medición y caracterización de las variables es muy importante, porque con estas se puede establecer los factores abióticos del entorno, y así determinar qué tan viable es que se pueda usar ese espacio y los recursos, para cultivo de peces; también se puede predecir o detectar problemas que se generen en el cultivo y en los peces si no se mantiene en equilibrio su hábitat natural. Realizar una correcta medición de estas variables como: Temperatura, PH y Oxígeno disuelto junto con un análisis de las características generales del agua como: Color, la turbidez o (transparencia); sirven como indicador para evidenciar si las especies que tengamos allí se adaptan y pueden llegar a aclimatarse en ese entorno nuevo. La recopilación de estas variables proporciona unos datos que si se encuentran en un determinado rango, mostraran que calidad de agua posee el estanque en ese momento, así determinar si aplica para un buen uso para acuicultura. Tabla 3 Parámetros generales de la calidad de agua para cultivo de peces 14 Ítem Límite inferior Límite superior Temperatura Depende del tipo de especie cultivada Oxígeno disuelto (ppm) 4.0 10.0** Alcalinidad (ppm) 50.0 300.0 Dureza (ppm) 20.0 300.0 pH 7.0 9.5 Amonio total (ppm) 0.0 1.0 Nitritos (ppm) 0.0 0.05 Dióxido de carbono (ppm) 0.0 20.0 ** Los estanques pueden exceder los 10 ppm en horas de la tarde, en óptimas condiciones. .(ppm = partes por millón)

Fuente: Aeration Industries International

2.1.3.1 Calidad de la fuente de agua La cantidad y calidad del agua son factores limitantes para el éxito del cultivo, esto implica el disponer de fuentes de aguas cercanas, superficiales o profundas, de las que previamente se deberán conocer las características físico-químicas, origen y disponibilidad. Es necesario que la fuente de agua esté libre de pesticidas y tóxicos. El agua de pozo es adecuada para acuicultura por mantener características estables, aunque deberá ser oxigenada previo al ingreso al sistema de cultivo. Puede utilizarse agua de abastecimiento superficial tomada de cursos naturales (ríos, arroyos, cañadas, reservorios, etc.) colocando filtros que minimicen la entrada de organismos no amigables con el cultivo 15. 14

Extraído: Revista Gestión Técnica Nº 14. Fuente SAGYP (2002) Manual piscicultura en estanques, Dirección Nacional de Recursos Acuáticos - Departamento de Acuicultura, Proyecto FAO UTF/URU/025/Uruguay, Noviembre 2010 15

2.1.3.2 Variables físicas del agua Color. El color es el resultado de la relación existente entre la luz incidente y el material disuelto en el agua. Si la coloración del agua es verdosa, ello indica una cantidad suficiente de fitoplancton productor de oxígeno. En caso de que el agua presente coloración marrón o rojiza estará indicando la escasa presencia de fitoplancton y por tanto bajos niveles de oxígeno disuelto 16. Turbidez. La turbidez del agua depende de la cantidad y tamaño de las partículas suspendidas. Para medir la transparencia del agua se utiliza el disco de Secchi17 (Figura 11) que señala la penetración de la luz. Se considera que la visibilidad ideal para estanques no deberá ser superior a 45 cm (si excediera esta profundidad deberá aplicarse fertilizante), ni inferior a 20-25 cm, en cuyo caso se recomienda un recambio del agua hasta lograr la transparencia adecuada. Figura 11 Disco de secchi

Fuente: Alfakit

Temperatura. Los peces son organismos poiquilotermos cuya temperatura corporal depende del medio en que viven. Por lo tanto la temperatura es la variable más importante y determinante para el cultivo, y a su vez la más difícil de controlar. Cada especie posee un rango óptimo para crecer y desarrollarse. Conocer las variaciones de la temperatura a lo largo del día, así como de una estación a otra, permitirá decidir la especie a cultivar y determinar el tipo de manejo a realizar. 2.1.3.3 Variables químicas del agua Oxígeno disuelto. La cantidad de oxígeno disuelto en el agua es limitante para la sobrevivencia de los peces. Los encargados de producir oxígeno en un estanque son el fitoplancton y las plantas acuáticas. Esta producción tiene variantes a lo largo del día, siendo alta durante las horas de luz solar y mínima antes del amanecer. Cada especie tiene sus requerimientos óptimos de oxígeno, sin embargo, de forma general se recomienda que los valores permanezcan por encima del 75 - 80% de saturación. 16

Manual piscicultura en estanques, Dirección Nacional de Recursos Acuáticos - Departamento de Acuicultura, Proyecto FAO UTF/URU/025/Uruguay, Noviembre 2010 17 DISCO SECCHI [En línea] [Citado el: 24 de Agosto 2013]: http://www.alfakit.ind.br/

La concentración de oxígeno en el agua está en estrecha relación con la temperatura, cuanto más elevada es ésta, menos oxígeno hay en el agua. De igual forma, el contenido del oxígeno puede disminuir si la cantidad de materia orgánica y vegetación acuática sumergida es muy abundante. Cuando el oxígeno disminuye a valores críticos, generalmente se observa a los peces en la superficie intentando aspirar aire. Para restablecer un buen nivel de oxígeno se aconseja: • • • • • •

Cambiar al menos un cuarto del volumen de agua del estanque Verter el agua que llega al estanque sobre una rejilla para que caiga en forma de lluvia (aumentar la superficie aire/agua) Agitar el agua del estanque implementado en el estanque aireadores de paletas, difusores, o de turbina sumergida. Aplicar fertilizantes para aumentar la biomasa fito planctónica (salvo que la baja de oxígeno se deba al exceso de materia orgánica en descomposición) Reducir el número de peces, reduciendo la población en cultivo Mantener limpio el estanque de vegetación flotante o enraizada

PH. El pH se expresa a través de una escala que va de 0 a 14. El valor 7 corresponde a un agua neutra, si su pH es inferior a este valor es ácida, y de ser superior es alcalina. Es importante que se conozca no sólo el valor de pH, sino la estabilidad o inestabilidad del mismo, ya que cambios bruscos de pH son perjudiciales para las especies presentes en el cultivo. La mejor agua para piscicultura es la que tiene un valor ligeramente alcalino en un rango de (6.5-8.5). Si los valores son demasiado alcalinos, para compensar la situación se pueden utilizar elementos que ayudan a acidificar el agua (bajar el pH): •

Ramas o troncos de pino, de eucaliptos

•

Turba

Si por el contrario son ácidos, se puede aplicar en el estanque una porción calculada de acuerdo a su tamaño cal apagada (Ca (OH)2), la cual eleva rápidamente el nivel de pH, o cal agrícola (CaCO3) la que produce un leve incremento. Dureza. La dureza o alcalinidad total mide el contenido de carbonato de calcio en el agua. Esta variable está ligada a la geología de la región. Se consideran aguas “duras” las que poseen más de 150 mg/l de óxido de calcio, mientras que las aguas “blandas” son la que mantienen niveles de 65 mg/l.

Las aguas duras cuyo rango se encuentra entre 150 y 200 mg/l son las de mayor productividad y garantizan la permanencia del pH entre valores de 7 y 8. La (Tabla 4) presenta las caracterĂsticas fisicoquĂmicas y los diferentes niveles que se deben tener en cuenta en los cuerpos de agua: Tabla 4. Indicadores calidad variables fisicoquĂmicas de agua en estanques

Fuente: Aero 2

2.1.3.4 Factores que afectan el nivel de oxĂgeno disuelto La actividad biolĂłgica: En el caso de las aguas naturales superficiales, tales como lagos, lagunas, rĂos, entre otros, el oxĂgeno proviene de los organismos vegetales que contienen clorofila o cualquier otro pigmento capaz de efectuar la fotosĂntesis. Los pigmentos facultan a las plantas, tanto inferiores como superiores a utilizar la energĂa radiante del sol y convertir el diĂłxido de carbono (CO2) en compuestos orgĂĄnicos. La energĂa lumĂnica procedente del sol, permite que el agua y el diĂłxido de carbono (como Ăşnica fuente de carbono) reaccionen para producir un azĂşcar simple (glucosa), desprendiĂŠndose oxĂgeno como subproducto 18. ReacciĂłn de FotosĂntesis: EcuaciĂłn 1:

đ?&#x;&#x201D;đ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;?đ?&#x;?(đ?&#x2019;&#x2C6;) + đ?&#x;&#x201D;đ?&#x2018;Żđ?&#x;? đ?&#x2018;ś(đ?&#x2019;?) ====> đ?&#x2018;Şđ?&#x;&#x201D; đ?&#x2018;Żđ?&#x;?đ?&#x;? đ?&#x2018;śđ?&#x;&#x201D;(đ?&#x2019;&#x201D;) + đ?&#x;&#x201D;đ?&#x2018;śđ?&#x;?(đ?&#x2019;&#x2C6;)

En la noche, cuando no hay luz solar para producir la fotosĂntesis, las plantas y los peces en estado dormante, consumen el oxĂgeno en la respiraciĂłn. La respiraciĂłn tambiĂŠn tiene lugar en presencia de la luz solar; sin embargo, la reacciĂłn neta es la producciĂłn de oxĂgeno.

La MOTTE Company, Manual de ensayo OxĂgeno disuelto, [En lĂnea] [Citado el: 24 de agosto 2013]: http://www.lamotte.com/images/pdf/instructions/spanish/5860sp.pdf

ReacciĂłn de RespiraciĂłn: EcuaciĂłn 2:

đ?&#x2018;Şđ?&#x;&#x201D; đ?&#x2018;Żđ?&#x;?đ?&#x;? đ?&#x2018;śđ?&#x;&#x201D; + đ?&#x;&#x201D;đ?&#x2018;śđ?&#x;? ====> đ?&#x;&#x201D;đ?&#x2018;Şđ?&#x2018;śđ?&#x;? + đ?&#x;&#x201D;đ?&#x2018;Żđ?&#x;? đ?&#x2018;ś + đ?&#x2018;Źđ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2019;&#x2C6;đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;&#x201A;

Salinidad: a mĂĄs salinidad, menor concentraciĂłn de oxĂgeno. Si hay alta salinidad de 40% (g / Kg), baja hasta el oxĂgeno disuelto a 0,11%. Altitud: A mayor altura, menor presiĂłn de oxĂgeno, hay menos volumen de aire encima. Temperatura: a mayor temperatura, menor concentraciĂłn de oxĂgeno. Ejemplo: el agua a 0 Âş de temperatura y 0% de salinidad: se encuentra un nivel de casi el 0,15% de oxĂgeno disuelto en el agua. Por otro lado si las temperaturas aumentan a 40 Âş, el nivel de oxĂgeno baja a niveles crĂticos. Turbulencia: La turbulencia de la corriente tambiĂŠn puede aumentar los niveles de OD debido a que el aire queda atrapado bajo el agua que se mueve rĂĄpidamente y el oxĂgeno del aire se disolverĂĄ en el agua. 2.1.3.4.1 Efectos de la escasez de oxĂgeno disuelto â&#x20AC;˘ â&#x20AC;˘ â&#x20AC;˘

A menor oxĂgeno presente bajo el agua, mayor forma tĂłxica del amonĂaco porque se transforma menos. Las turbulencias o movimiento del agua, a mĂĄs fina es la capa de aire (menos turbulencias), menos cantidad de oxĂgeno. A medida que incrementa la temperatura, el nivel de oxĂgeno va disminuyendo. AsĂ tambiĂŠn la salinidad, a mĂĄs salinidad, cada vez es mĂĄs bajo el oxĂgeno.

2.1.3.4.2 Niveles de oxĂgeno Los animales acuĂĄticos suelen estar adaptados entre 5-6 ppm. Dentro del cultivo, el nivel Ăłptimo mĂĄs alto esta sobre (7ppm). Depende del hĂĄbitat y de la especie a cultivar. Entre 3 y 5 ppm es un margen limitado y muy ajustado, cualquier problema se puede convertir en una amenaza grave a la supervivencia de la especie a cultivar. Las especies de agua mĂĄs dulce pueden ser mĂĄs sensibles que las de agua salada. Niveles menores a 3 ppm son muy problemĂĄticos y si se conserva esta condiciĂłn por demasiado tiempo, la vida presente puede verse seriamente afectada. En la (Tabla 5) se encuentra el rango de niveles de oxĂgeno en partes por millĂłn para estanques de piscicultura:

Tabla 5. Lineamientos para la calidad del agua según la OMS. Nivel de Oxígeno Disuelto (ppm) 0,0 - 4,0 4,1 - 7,9

Calidad del agua

8,0 - 12,0

Buena

12,0 +

Repita la prueba

Mala Aceptable

Fuente: Organización mundial de la salud

Los peces y otros organismos acuáticos precisan al menos de entre 3 a 5 mg/L para su supervivencia en el agua. Pero esto no es todo, hay que tener en cuenta que las posibilidades de supervivencia del pez, que no serán las mismas en agua con una temperatura de 10º C con una concentración de oxígeno disuelto 5 mg/L, y en otra con la misma concentración pero a 30º C, porque aunque la cantidad de oxígeno es la misma, difiere el porcentaje de saturación de oxígeno. En la (Figura 12) se encentran los niveles de aireación calculados de acuerdo a la potencia del motor, que tenga el sistema de aireación instalado (aire O2 Series II), por hectárea del cuerpo de agua disponible VS la densidad del cultivo en al agua. Se observa que a mayor generación de OD las diferentes especies tienden a tener mayor tamaño, viendo esto desde el punto de vista de demanda de oxigeno del cultivo en general. Figura 12. Tallas de peces de aleta - Hp Aproximados / Ha necesarios para el cultivo de tilapia, bagre, carpa y pez rojo

Fuente: Aeration Industries International

2.1.4 Principio físico de vórtice libre para aireación en agua Este es un diseño, construcción y evaluación de un modelo de aireador 19 de tipo sumergido que aprovecha el efecto del vórtice libre, que elimina el equipo de compresión y distribución de aire, haciendo más rentable el proceso de aireación. El principio físico de funcionamiento el efecto de vórtice libre, está basado en dos fenómenos físicos básicos uno de ellos es el de precesión, asociado con el cambio de dirección en el espacio, que experimenta el eje instantáneo de rotación de un cuerpo; que se aplica a la rotación de fluidos. Y el otro es la fuerza centrífuga que experimenta el fluido en el momento que gira el motor a determinadas R.P.M al llegar al elemento dispersor, que basándose en su geometría impulsa la mezcla. Figura 13 Esquema principio y funcionamiento de aireador tipo vórtice libre

Fuente: U. Autónoma Metropolitana

Los aireadores de difusión y de turbina sumergida ponen el aire en contacto con el agua, mientras que los aireadores de superficie operan en modo inverso, es decir, ponen en contacto al agua con la atmósfera. En los aireadores de tipo sumergido se requiere de un flujo másico de aire, que por lo general es proporcionado por un sistema de compresión y distribución de aire (moto compresor, tanque de almacenamiento de aire, bombas sumergibles, red de tubería, etc.), que eleva el costo del proceso considerablemente. Junto con el inyector o turbina impulsora se crea una zona de baja presión realizando una diferencia de presiones, que por la fuerza centrífuga rompe la resistencia de la presión del agua en lo profundo y posteriormente cuando hay más velocidad en el aire atmosférico absorbido, por el eje junto con el efecto de vórtice libre, finalmente se mezclan y luego se dispersan la combinación de aire con el agua generando previamente, una cantidad de oxígeno disuelto que se satura en el agua. Generando como resultado una dispersión de las partículas, que luego de un breve tiempo se homogeniza la mezcla en todo el estanque. 19

Diseño, construcción y evaluación de un aireador tipo vórtice libre. Universidad Autónoma MetropolitanaAzcapotzalco Departamento de Energía, Área de Termo fluidos. [En línea] [Citado el: 23 agosto 2014]: http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/mexico13/063.pdfw

2.2 MÉTODO DE PROPULSIÓN Generalmente las embarcaciones marítimas se usan para transporte de carga o para una gran cantidad de actividades sobre un cuerpo de agua, ya sea para aplicaciones recreativas, industriales y/o militares. Existen muchos tipos de embarcaciones y características con variados usos y aplicaciones (Figura14), pero para este caso, estará enfocado a las que muestran ventajas al momento de implementarse, para un prototipo de baja escala y también que sean adecuadas para el uso en un estanque con características establecidas como: profundidad mínima y máxima, área, tipo de agua, especie cultivada y su densidad por m2. Este bote se ajustara a las necesidades que requiera el prototipo para un óptimo funcionamiento combinado con los demás sistemas integrados, aunque manteniendo unas características propias del diseño del tipo de bote.

Figura 14 Tipos y modelos de embarcaciones marítimas

Fuente: http://www.canstockphoto.es/

El sistema de propulsión permite generar la fuerza de empuje del aerodeslizador. Este sistema consiste en un dispositivo capaz de acelerar el fluido circulante (en este caso el aire). Las fuerzas de arrastre y de suspensión generadas por el flujo de aire sobre las palas del propulsor pueden ser transformadas en empuje hacia la dirección de avance del vehículo y torque, la fuerza requerida para generar la rotación en el elemento impulsor, en este caso una hélice, este principio de desplazamiento es generado por un movimiento, por el efecto de la fuerza que empuja la embarcación, este aplica para botes de dos tipos, por una característica en su diseño que mencionaremos a continuación. 2.2.1 Aerodeslizador Un aerodeslizador, también designado con el término inglés hovercraft, es un vehículo que genera una ligera flotación al lanzar un chorro de aire contra una superficie que se encuentra debajo de él; formando un colchón de aire, este caudal de aire le permite transitar sobre cualquier superficie horizontal lo suficientemente regular, sin estar en contacto con ella. Algunos pueden desplazarse a velocidades superiores a los 150 km/h 20. Actualmente estos vehículos son utilizados en varios países como medios de transporte sobre lagos, ríos, pantanos y mares. Son usados como vehículos recreativos, también se usan para uso militar en zonas especiales en donde son bastante útiles como: humedales, aguas poco profundas, pantanos; debido a sus características especiales de movilidad. Figura 15 Esquema de un aerodeslizador con motores independientes

Fuente: Autor Tesis: Diseño aerodinámico de un aerodeslizador, Universidad católica del Perú 20

SASSARINI BUSTAMANTE, PATRICIO ALONSO. Tesis Diseño aerodinámico de un aerodeslizador ligero con capacidad para dos pasajeros, pontificia universidad católica del Perú, 2011. . [En línea] [Citado el: 24 agosto 2013]: http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/handle/123456789/581

2.2.2 Hidrodeslizador (Air Boat) La principal y mejor característica de un hidrodeslizador (Figura16), es su capacidad de transportarse sobre la superficie del agua, gracias al empuje de una hélice de tipo avión afuera del agua, sin necesidad de generar la flotación con el colchón de aire, este diseño trabaja en contacto directo con el cuerpo de agua. Se desplaza conjuntamente por el diseño plano que posee, y el empuje que ofrece la hélice, que absorbe el aire atmosférico y luego lo impulsa hacia atrás; dando como resultado una fuerza que mueve el fluido generado del aire, que es estrangulado para proporcionar el giro, ya sea a su derecha o izquierda con el timón que generalmente se compone de una o dos aspas de acuerdo al tamaño y potencia del barco, junto con el flujo de aire previamente mencionado, provoca como reacción el movimiento de la embarcación hacia adelante y/o cambiando su rumbo a una diferente dirección 21. Figura 16 Hidrodeslizador RC

Fuente: Chris rc airboats

En general este tipo de hidrodeslizador tienen un diseño compacto y de una sola pieza, pero también existen diseños aerodinámicos de formas, tamaños y usos industriales o recreativos, que se adaptan a las necesidades que se requieran para una determinada aplicación. Habitualmente usan hélices para aeromodelismo de varios diámetros y de diferentes materiales resistentes, algo importante para seleccionar la hélice es sus dimensiones diámetro, labia y la cantidad de palas que debe tener, basándose en los cálculos que se realicen para una determinada aplicación. 21

CRISPYSPA Hidrodeslizadores RC, rcairboats.net [En línea] [Citado el: 23 agosto 2014]: http://www.rcairboats.net/phpBB/viewtopic.php?t=1695&start=0&postdays=0&postorder=asc&highlight=v elocity.

Los dispositivos y elementos usados comúnmente para el diseño y construcción de una hidrodeslizador 22: • • • • • •

Estructura plana aerodinámica (materiales: Madera o Aluminio) Motor (combustión o eléctrico) Hélice (generalmente de 2 o 3 palas) Timón (mecanismo encargado del giro del bote) Tanque de gasolina o Batería Sistema de control y receptor RC (radio control)

Figura 17 Dimensiones comunes de un hidrodeslizador RC

Fuente: Mundrys.de

MUNDRYS. Aeromodelismo y construcción tipo alemán de Botes RC [En línea] [Citado el: 23 agosto 2013]: http://www.mundrys.de

2.2.2.1 Hélice (Propeller) Es la directamente encargada del empuje junto con el motor, dependiendo de su uso, las características del motor, cuanto peso tiene que mover; se selecciona un tipo hélice con dimensiones y cualidades especiales que se requiere para que desarrolle bien su función en la embarcación o en otros casos un aeroplano 23. Características básicas y especiales de una hélice: Figura 18 Dimensiones hélice

Básicas •

Número de Palas

•

Longitud /Length [X] (Pulgadas)

•

Labia / Pitch [Y] (Pulgadas) Fuente: Mundo RC. www.mundorc.com

Especiales •

Hélice con diseño deportivo (Más eficiencia a menores R.P.M)

•

Empuje Superior

•

Bajo Ruido

•

Material Nylon mayor fuerza y durabilidad

Figura 19 Hélice tripala

Fuente: Windsor Company

Windsor Propeller Company, Inc. , Windsor Propeller Company, Inc. [En línea] [Citado el: 22 marzo 2014]: http://masterairscrew.com/manualinstructions/SELECTING_A_PROPELLER2a.pdf

2.2.2.2 Motor Los motores instalados para el movimiento en hidrodeslizadores de baja escala, son de altas revoluciones y con una alta eficiencia potencia Vs. peso. Motor a gasolina 24. Para aeromodelismo se usan más comúnmente motores de combustión a gasolina de dos o cuatro tiempos que van desde 0.49C.C hasta 3C.C, son costosos pero muy poderosos, van acoplados a una hélice o algunos casos a una reducción para aumentar la potencia, y de acuerdo a las características técnicas del motor se seleccionan los relacionados directamente con el funcionamiento de la unidad que genera el movimiento. Figura 20 Motor Combustión

Fuente: Horizon hobby

Motor eléctrico DC. También se usan motores eléctricos alimentados por baterías que son menos potentes, pero un con diseño aerodinámico pueden aprovechar las buenas prestaciones para hacer un hidrodeslizador con radio control. Figura 21 Motor DC

Fuente: Vex Robotics

Este tipo de motores tiene muchos factores que influyen en su rendimiento, variables como, el pico voltaje que necesita para arrancar con carga, y el amperaje óptimo para generar buen torque, para lograr mantener la fuerza necesaria y continuar en funcionamiento. La corriente en (amperios) genera torque (par) y Los voltios generan R.P.M en el motor; es indispensable contar con una buena fuente de alimentación, confiable que proporcione esas magnitudes en la cantidad necesaria contempladas en la ficha técnica del equipo, para asegurar un buen rendimiento de las características que tiene cada motor. 24

HORIZON HOBBY. Tienda de aeromodelismo. [En línea] [Citado el: 22 marzo 2014]: http://www.horizonhobby.com/products/g26-air-engine-1-55-cu-in--ZENE26A

2.3 SISTEMA DE CONTROL El sistema de control que se usa generalmente para botes a pequeña escala, se basa en electrónica de potencia, para los motores, válvulas o electrobombas; electrónica de precisión, para el monitoreo y acondicionamiento de sensores que recibe el dispositivo de adquisición de datos y control, junto con unidades de recepción de señales de radio control, para el manejo analógico de los actuadores manualmente. Todos estos sistemas integrados funcionando en sincronía, ofrecen una gran variedad de aplicaciones y beneficios, que se plantean como una solución usando tecnología, que es posible ser aplicada para la acuicultura. Para el control de la integración de los subsistemas del prototipo, se plantearon criterios de selección para sistema de control y sus componentes, basándose en las ventajas que puede dar un elemento de adquisición de datos, como la compatibilidad con otros dispositivos, bajo costo y flexibilidad para diferentes aplicaciones de acuerdo a esto, resulta muy útil en un proyecto de gama media usar un dispositivo de libre plataforma y que se adapte a las necesidades del proyecto como las placas de arduino. 2.3.1 Arduino Es una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles. Se creó para artistas, diseñadores, aficionados y cualquiera interesado en crear entornos u objetos interactivos 25. 2.3.1.1 Placa arduino Este es un dispositivo de adquisición de datos hardware para el control del prototipo. Arduino Mega2560. Es una placa electrónica basada en un micro controlador ATmega2560. Lleva 54 entradas / salidas digitales (de los cuales 15 pueden utilizarse para salidas PWM), 16 entradas analógicas, 4 UART’s (puertos seriales), un 16 MHz oscilador de cristal, una conexión USB, un conector de alimentación, un header ICSP y un botón de reset. Se alimenta o establece comunicación con un PC por medio de una cable USB tipo AB, o conectado a un adaptador de 12VDC, de CA a CC o una batería de 12VDC26.

ARDUINO. Arduino http://www.arduino.cc/es/ ARDUINO. Arduino MEGA. [en línea].2014 Disponible en internet. [Citado en: 3 de mayo de 2014]:

http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560

Tabla 6 Resumen Especificaciones Técnicas ARDUINO Microcontroller Operating Voltage Input Voltage (recommended) Input Voltage (limits) Digital I/O Pins Analog Input Pin DC Current per I/O Pin DC Current for 3.3V Pin Flash Memory SRAM EEPROM Clock Speed

ATmega2560 5V 7-12V 6-20V 54 (of which 15 provide PWM output) 16 40 mA 50 mA 256 KB of which 8 KB used by bootloader 8 KB 4 KB 16 MHz

Fuente: Arduino Figura 22 Arduino Mega 2560

Fuente: ARDUINO

2.3.1.2 Controladores de motores (Drivers) En este segmento se incluye un dispositivo de gran importancia en el control de los motores una placa de electrónica de precisión y potencia, los drivers se encargan de controlar la corriente de potencia suministrada por la batería, para que cada uno de los motores funcionen, además de brindar protección estos en caso de fallas en las variables mecánicas y de control 27. 2.3.2 Servomotor Este componente se encarga de la dirección del timón en los hidrodeslizadores, junto con mecanismo de manivela que genera una rotación, con un límite en grados fijado por las aspas que forman parte del timón y el mismo servomotor proporciona la precisión del movimiento de las aspas para estrangular el aire que producen los actuadores del hidrodeslizador, así logra darle dirección al prototipo.

POLOLU Simple Motor Controller User’s Guide. [En línea] [Citado el: 22 septiembre 2013]: http://www.pololu.com/product/1379

2.3.3 Sensor medidor de oxígeno disuelto en agua Este dispositivo convierte un fenómeno físico en una señal de voltaje que varía proporcionalmente de acuerdo a la magnitud que se mide en este caso de OD que se mide en ppm = mg/l, y posee un rango de 0.2 a 20ppm. Estos se caracterizan por ser unos sensores de tipo análogo que produce una señal de salida que es directamente proporcional a la señal de entrada, y es continua en ambos factores de magnitud y tiempo. En el mercado existen gran variedad de sensores medidores de oxígeno disuelto marcas, tipos de sensores, material de construcción y uso dependiendo del tipo de agua y aplicación que tendrá el dispositivo de medición. 2.3.3.1 Sensor medidor de OD (Oxímetro) tipo membrana Este tipo de sensores se componen de una membrana extraíble, que se encarga de medir la cantidad de oxígeno que se encuentra en el agua 28. Figura 23 Sonda Oxígeno Disuelto Pasport

Fuente: PASCO scientific

El sensor 29 funciona midiendo la corriente eléctrica producida en una reacción química en la sonda. La reacción implica la reducción de oxígeno O2 y moléculas de oxidación de los átomos de plata sobre cátodo del electrodo de sonda. Cuando la sonda se coloca en un medio acuoso, con Oxígeno Disuelto, las moléculas comienzan a difundirse a través de una membrana semipermeable delgada en el electrolito que rodea los electrodos de la sonda (Figura 23).

PASCO scientific, Sensor PasPort. [En línea] [Citado el: 22 septiembre 2013]: http://www.pasco.com/prodCatalog/PS/PS-2108_pasport-dissolved-oxygen-sensor/#specificationsTab. 29 http://www.pasco.com/prodCatalog/CI/CI-6542_dissolved-oxygen-sensor/index.cfm

Figura 24 Proceso medición de sonda

Fuente: PASCO scientific

El número de difusión de O2 de moléculas variará aproximadamente en proporción directa a la concentración de Oxígeno Disuelto, en la solución de ensayo. En consecuencia, el número de electrones producidos por la reacción redox del Oxígeno Disuelto, será casi directamente proporcional a la concentración de O2, en la solución de ensayo. Los electrones producidos en la reacción de óxido reducción hacen que la corriente eléctrica fluya a través del circuito eléctrico del sensor que mide el voltaje y lo envía la señal a un transmisor (Figura 24). Figura 25 Proceso Redox en la sonda

Fuente: PASCO scientific

Las moléculas de O2 se difunden, en la membrana y reaccionan con el agua, moléculas en presencia de electrones en forma de iones hidróxido (Figura 25). Luego los hidróxidos se unen con el ánodo y reaccionan con los átomos de plata (Ag), formando dióxido de plata (AgO2), agua y electrones libres que son los que

generan la señal en milivoltios enviada (mV) al transmisor y después a la interfaz donde se visualiza la cantidad de OD en mg/l. Figura 26 Transmisor Pasco

Fuente: PASCO scientific

Por lo tanto esta sonda necesitan de una solución, para la correcta calibración de y así realice esta reacción química a una transformación de la energía, para determinar cuánto OD hay en el agua. 2.3.3.2 Sensor electrodo medidor de OD (Oxímetro) tipo epoxy Esta extensión llamada electrodo o sonda, que se conecta a un equipo de la misma marca sirve para visualizar la magnitud del factor a medir el cual es oxígeno disuelto o también es capaz de medir conductividad eléctrica del agua, este electrodo tiene una particularidad porque convierte la magnitud de lo que mide en voltaje sin necesidad de usar ningún transmisor que convierte la señal de frecuencia en voltaje de 0 a 5V 30. El material de construcción se denomina de tipo epoxy plástico usado en la fabricación de su cuerpo es totalmente sólido y compacto aplica para uso en laboratorio, agricultura y educación. Figura 27 Electrodo marca Consort SK10B

Fuente: Consort.be 30

CONSORT.BE. Electrodes 2014 [En línea] [Citado el: 22 marzo 2014]: http://www.consort.be/Electrodes.htm

Especificaciones técnicas (Specifications technical) 31 •

Dispositivo: General purpose, conductivity and dissolved oxygen

•

Tipo de cuerpo (Epoxy body)

•

Rango de temperatura (1 cm-1, 0...80°C)

•

Adaptador tipo BNC (Adaptor BNC plug)

•

Dimensiones (110xØ12 mm)

Gracias a sus características requiere poco mantenimiento, es robusto, además no se necesita calibrarlo para usarlo, solo se tiene que dejar saturar en un medio acuoso por unos momentos para que se estabilice y de valores precisos por la señal análoga que envía al sistema de adquisición. 2.3.3.3 Sensor medidor de OD (Oxímetro) con tecnología LDO Medición de oxígeno disuelto por luminiscencia led (Luminescent Dissolved Oxygen & LDO® technology) Un LED azul en el sensor RDO emite una luz que causa que las moléculas de la lámina de plata incrustada en la membrana de gas que detecta, y logra que se activen. Una vez que la lámina se activa, este emite fotones de luz roja 32. La presencia de oxígeno en la membrana del sensor, apaga la luminiscencia (fotones de luz azul) y causa un cambio de fase de la señal que retorna en forma de luz roja. Esta es la señal que detecta el fotodiodo. La intensidad de la señal que retorna en forma de luz roja es inversamente proporcional a la cantidad de oxígeno presente. Características y beneficios de la tecnología óptica RDO • • •

Provee una tecnología alternativa la cual a bajas concentraciones de oxígeno disuelto OD es sensible como la valoración por el método Winkler No consume oxígeno por lo tanto no requiere agitación Ofrece igual o mejor precisión/exactitud y reproducibilidad que los electrodos de membrana

CONSORT.BE Specifications technical electrode sk10b [En línea] [Citado el: 24 agosto 2013]: http://www.consort.be/Electrodes.htm 32 HACH COMPANY, HACH LDO® Model 2, Optical Process Dissolved Oxygen Probe. [En línea] [Citado el: 22 marzo 2014]: http://www.hach.com/hach-ldo-model-2-optical-process-dissolved-oxygenprobe/product?id=10182183350#

•

• •

•

Utiliza muchos de los mismos requerimientos de muestreo utilizado con los electrodos de membrana, disminuyendo de esta manera el tiempo de entrenamiento del analista. No hay que cambiar membranas ni reemplazar periódicamente la solución electrolítica del electrodo de membrana. Solamente hay que reemplazar la capsula-tapa del sensor anualmente. El procedimiento del cambio es sumamente sencillo. Respuestas mucho más estables y como menos deriva lo cual se traduce en menos calibraciones. La Sonda óptica no requiere ningún tipo de preparación como polarización o tiempo de calentamiento. Una vez instalada el cono sensor, la sonda esta lista para empezar a tomar lecturas No hay que preocuparse por las interferencias eléctricas. La tecnología óptica trabaja bien en áreas eléctricamente complejas y puede usar cualquier longitud de cable.

Figura 28 Esquema Sensor Tecnología RDO

Fuente: HACH Company

El sensor también mide el tiempo de retardo entre el pico de emisión de la luz azul y el pico de respuesta de la luz roja. Este tiempo de retardo también es inversamente proporcional a la cantidad de oxígeno presente. El tiempo de retardo se expresa como el cambio de fase entre los patrones de ondas de la luz azul y la luz roja. La sonda mide la diferencia de la fase basado en la totalidad de la señal. Esto resulta en una exactitud mayor y permite acomodar un rango de operación más amplio.

2.3.3.3.1 Sensor LDO HACH MODEL 2 La unidad de Hach LDO (Figura 29) medidor de oxígeno disuelto luminiscente, esta sonda no requiere ninguna calibración en su vida útil de 2 años, ya está listo para comenzar a medir correctamente el oxígeno disuelto. Figura 29 Electrodo marca HACH MODEL 2

Fuente: HACH Company

Utilizando tecnología luminiscente para la medición es la última innovación aplicada para este tipo de sensores en el mercado, esta sonda óptica no tiene membranas no necesita que se le reemplace ninguna pieza o tampoco una solución de electrolitos para calibrar, por lo que es virtualmente libre de mantenimiento. La sonda ofrece a los operadores indicadores de alertas diagnósticos personalizables, asegurando que la sonda funcione en su nivel de rendimiento máximo. Un diseño mejorado en su cuerpo optimiza la temperatura de la sonda para proporcionar un tiempo de respuesta más rápido a así como la variabilidad del proceso.

2.4 ESTRUCTURA Y MÉTODO DE FLOTACIÓN La estructura y la propiedad de flotabilidad de las embarcaciones convencionales de transporte marítimo, se fabrica con base en materiales que tengan propiedades específicas como: bajo peso, buena rigidez, impermeabilidad y resistencia a la corrosión; para favorecer la estabilidad, robustez, evitar corrosión, con gran resistencia de los mismos frente a la rotura y la abrasión, como por ejemplo los polímeros, resinas y la madera usada desde hace siglos; también metales como aceros y aluminio entre otros menos comunes. Usualmente la combinación de estos tipos de materiales entrega grandes beneficios con relación resistencia vs peso, mejores resultados en cuanto a estabilidad y flotabilidad por las características de impermeabilidad de los elementos de flotación; así construir una base ligera y compacta. Otras características del material que se deben tener en cuenta son 33: -

Fácil fabricación. Soldabilidad. Durabilidad. Mantenimiento. Confiabilidad. Costo.

Generalmente los botes hidrodeslizadores son fabricados con materiales más livianos pero de características especiales de resistencia para soportar el peso de los diferentes sistemas y las condiciones del ambiente, además de encontrar un balance de los componentes de carga vs el peso neto de la estructura para generar estabilidad en los movimientos y seguridad en su desplazamiento sobre el agua 34 Figura 30 Diseño de embarcación con madera

Fuente: Aero Hydro 33

REVISTA MARINA. Propiedades de flotabilidad [En línea] [Citado el: 24 agosto 2013]: http://revistamarina.cl/revistas/1999/2/ortuzar.pdf 34 AERO HYDRO. Relational 3D Modeling for Marine and Industrial Design [En línea] [Citado el: 24 agosto 2013]: http://aerohydro.com/?page_id=488

2.5 MARCO AMBIENTAL La protección del medio ambiente como un principio fundamental y derecho colectivo para mantener la sostenibilidad tanto del país, como del planeta; siendo el agua uno de los recursos naturales necesarios para las actividades cotidianas, tanto de uso personal, como el uso en las diferentes industrias y uno de los recursos prioritarios para la supervivencia del ser humano. El compromiso ambiental como elemento estratégico de la eficiencia y sostenibilidad empresarial, elemento clave de la responsabilidad social empresarial. Todo esto se formaliza tanto en políticas sectoriales y empresariales como en la gestión para la inserción adecuada de los proyectos en el medio natural y social de las regiones. -

Resolución 2115 de 2007, Por medio de la cual se señalan características, instrumentos básicos y frecuencias del sistema de control y vigilancia para la calidad del agua para consumo humano.

Decreto 1594 de 1984, en cuanto a usos del agua y residuos líquidos. COLOMBIA. MINISTERIO DE AGRICULTURA. Decreto 1594 de 1984. establece los parámetros de los vertimientos, entre otros, se establecen parámetros en relación a la Demanda Biológica de Oxígeno -DBO, Demanda Química de Oxígeno -DQO, PH, los cuales le son impuestos y controlados a través de un permiso de vertimiento que debe solicitar el dueño del proyecto según los términos estipulados por el citado decreto. Este decreto en su artículo 48, señala: Para el uso industrial, no se establecen criterios de calidad con excepción de las actividades relacionadas con explotación de cauces, playas y lechos, para las cuales se deberán tener en cuenta los criterios contemplados en el parágrafo 1 del artículo 42 y en el artículo 43 en lo referente a sustancias tóxicas o irritantes, pH, grasas y aceites flotantes, materiales flotantes provenientes de actividad humana.

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA De acuerdo a proyecciones de la FAO, para el año 2015, la producción proveniente de la acuicultura será de 74 millones de toneladas35. A causa de esta predicción, para lograr una sostenibilidad y mantener la oferta es necesario involucrar la tecnología en el desarrollo de estos procesos. Por otro parte, el rápido crecimiento de la población mundial, el agotamiento de los recursos naturales, los problemas ambientales y el desplazamiento de los campesinos hacia las ciudades, generarán en unos años la escasez de los alimentos, si no se alcanza la producción acuícola proyectada se podría llegar a una crisis alimentaria. En cuanto a Colombia la piscicultura ha tomado un papel importante dentro del desarrollo de la agricultura, teniendo en cuenta la tendencia de crecimiento que ha mostrado en los últimos años 36. Las especies que actualmente hacen parte de este sector productivo son la tilapia, trucha y las nativas, como la cachama y el bocachico; las cuales son cultivadas en estanques artificiales, por la asociación caso de estudio ASOPISCINORTE en el municipio de Lérida Tolima, con una producción alrededor de 3.5 a 4 peces por metro cuadrado (m2). Un factor importante que influye en la producción de peces es el nivel de oxígeno que se encuentra dentro de los estanques. En la piscicultura se recomienda mantener el agua entrante tan próxima como sea posible a la saturación de OD (100%), es decir, a su máxima solubilidad en una temperatura determinada 37. Es por esto que la oxigenación es tan importante para el tratamiento de agua en la acuicultura, siendo el proceso de aireación externa o artificial, el más empleado para mantener los niveles oxígeno necesario en los cuerpos de agua. El crecimiento de la actividad acuícola en el mundo también generó la necesidad de implementar estrategias de tecnificación para los pequeños y medianos productores con miras a la optimización de este proceso. De esta forma las investigaciones recientes se han enfocado en el estudio de los procesos acuícolas desde diferentes áreas del conocimiento. Las primeras investigaciones reportadas caracterizaron las necesidades nutricionales básicas del cultivo intensivo de peces según la especie 38. También se han desarrollado trabajos orientados al análisis de las características fisiológicas de las diferentes especies para así optimizar los 35

El estado mundial de la pesca y la acuicultura. Organización de las naciones unidas para la agricultura y la alimentación, Roma. 36 PND de la Acuicultura Sostenible en Colombia, Diagnóstico del Estado de la Acuicultura en Colombia. 37 Egna y Boyd. Dynamics of pond Aquaculture. Ed CRC press. EEUU. 38 Pesca y acuicultura Colombia 2006. Andrés Felipe Arias Leiva; Corporación Colombia Internacional CCI. Bogotá

procesos de cultivo 39. Es muy importante generar el crecimiento de esta agroindustria, porque la problemática principal de escasez de alimento, lleva a que los grandes productores en las zonas costeras y en mar abierto exploten constantemente los cultivos existentes en estos lugares generando un impacto a escala mundial de las especies de peces y afectando inevitablemente el equilibrio del ecosistema de los océanos. ¿Cómo tecnificar el proceso de producción acuícola en COLOMBIA, de forma tal que se aumenten los niveles de producción, sin afectar el medio ambiente y alcanzando los más altos estándares de calidad solicitados por el mercado? ¿Qué sistema de aireación implementar para oxigenar los lagos usados en la piscicultura, de forma tal que se desarrolle un sistema de control automático, que coadyuve al aumento en la producción de peces optimizando el uso energético habitual para aireación?

Básicamente se propone una solución por medio de un desarrollo tecnológico experimental, teniendo en cuenta las variables del entorno, las necesidades del sector agroindustrial acuícola, se reemplazan mecanismos rústicos para aireación o se implementaran, donde no se tenga ningún tipo de proceso de aireación; tecnologías actuales, integrando e innovando con la combinación un aireador con un dispositivo que pueda desplazarse por el estanque, para así lograr desarrollar el primer prototipo que pueda empezar a analizar una metodología, para el mejoramiento de las condiciones actuales de los estanques y que logre con un producto final optimizar la producción y proteger los ambientes de manejo acuícola de la región del Tolima específicamente en municipio de Lérida, en donde se tiene la oportunidad de implementar el prototipo de aireación automática.

Análisis a los Sistemas de Producción Piscícola en el Municipio de Castilla la Nueva (Colombia) y su Problemática. Sandra Clemencia Pardo Carrasco; Medellín

4. OBJETIVOS 4.1 OBJETIVO GENERAL



Diseñar y construir un prototipo de aireador automático para la aireación de estanques artificiales para piscicultura.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Realizar un diagnóstico y caracterización de los factores físicos y bioquímicos del estanque.  Seleccionar los sistemas de aireación, propulsión y control del prototipo.  Realizar el diseño mecánico por medio de CAD de los principales componentes del sistema de aireación del prototipo.  Implementar un sistema de aireación para mitigar la problemática en las granjas piscícolas del municipio del Tolima.  Diseñar un sistema de control automático, que por medio de la señal que mida el oxímetro, se encargue de mantener el ciclo de funcionamiento del prototipo.

5. METODOLOGÍA

5.1 SELECCIÓN DE TIPO DE AIREADOR Y SUS COMPONENTES Una gran parte del proceso preliminar se invirtió en la búsqueda y selección de un aireador adecuado, que se adaptara perfectamente a las características necesarias para su funcionamiento, en un estanque artificial de piscicultura, en las condiciones descritas anteriormente, además de contar con un sistema de propulsión que desplace el prototipo sobre la superficie del cuerpo de agua. Para ello se realiza una visita técnica donde se toma la información y las primeras impresiones del campo, así mejorar la percepción y saber cómo abordar el desarrollo del prototipo.

5.1.1 Estudio y evaluación granja piscícola (ASOPISCINORTE) El propósito del viaje, fue conocer en forma directa todos los aspectos relacionados al manejo del cultivo de peces, también los diferentes factores que interactúan con el estanque; teniendo así una mejor visión del entorno de trabajo. Esto va desde la organización para la producción, incluyendo aspectos importantes como planeación del manejo, aprovechamiento de los recursos y la industrialización. El aspecto de mayor trascendencia del primer viaje, radica en que permite visualizar de una mejor manera el proyecto, considerando los aspectos naturales y técnicos relacionados con esta actividad, lo que permite revalorizar la importancia de estos, a la hora de diseñar, construir y hacer rediseño al modelo inicial, para que cumpla con los requisitos y poder realizar posteriormente las pruebas en el campo. Se logró observar el aprovechamiento de los recursos disponibles en el ambiente de las fincas piscícolas del lugar, para llegar a conocer los métodos de organización para la producción desde sus inicios. A continuación se presenta la información que se recolecto en la salida y también algunas de las fotografías que se documentaron, para ver primera vista las características del entorno en los estanques y las dimensiones generales del cuerpo de agua. Cada estanque tiene una producción donde se encuentran distintas especies, por lo tanto todos los cuerpos de agua tienen diferencias puntuales en su área y profundidad.

Figura 31 Estanque # 1 de Peces de Cachama (LĂŠrida, Tolima)

Fuente: Autores

Figura 32 Estanque # 2 de Peces de Mojarra roja. (LĂŠrida, Tolima)

Fuente: Autores

5.1.2 Visita fincas de cultivos piscícolas en Lérida- Tolima En los recorridos se observan características diferentes de los estanques, se tienen en cuenta las necesidades y recomendaciones de las personas que trabajan en los cultivos de cada granja. A continuación numeramos los datos que obtuvieron en la visita, estos son de gran importancia, son incluidos a las consideraciones, y basadas en estas cumplir con las características requeridas del modelo de aireación; esta información es de alta prioridad para la etapa preliminar de diseño. A partir de los resultados que se obtienen se lograron identificar las condiciones habituales, en las que el prototipo trabajara. Formato de actividades: Lérida, Tolima, Colombia I.

Comprobar y medir factores de ubicación geográfica : Velocidad del viento: 0,83m/s Temperatura máxima: 32 Temperatura mínima: 24

II.

Formas de organización para la producción y cosecha. Rotación de cultivo de estanques de cría hasta estanques grandes de engorde

III.

Características naturales como: -

Clima, geología, hidrología, factores biológicos, bioquímicos de la superficie y fondo del estanque.

Levantamiento topográfico: Lugar: latitud / longitud. 4°51’06”N / 74°55’38” Nivel piso térmico, tipo de suelo: Cálido, Zona plana, suelo tipo humífero

IV.

Calidad del agua A. B.

Física (color café clara, 26-28°C, agua turbia) Química (Ph 6-7 neutro, Oxígeno disuelto 7.4 ppm promedio)

Para realizar todo lo anterior se usaron herramientas y dispositivos como: • • • • • • •

Altímetro Decímetro Brújula Anemómetro Medidor Ph y humedad Caja de elementos para recolección y acondicionamiento de muestras. Solución para Ph y solución para Oxígeno disuelto Kcl (Cloruro de potasio)

Figura 33 Toma de muestra de agua estanque # 1 (Lérida, Tolima)

Para análisis de laboratorio. Método Winkler OD= 8,5mg/l

Fuente: Autores

Los procedimientos que se realizaron, en el viaje de campo en Lérida se exponen a continuación. Prueba 1 DATOS RECOLECTADOS EN LERIDA Se tomaron en cuenta las condiciones de los estanques tomando muestras a tres de ellos y comprobando también las características variables del agua. Segundo estanque finca LAS PALMAS Cachama blanca Área 4300 m2 PH 6,732 190,6 us/cm TDS (solidos disueltos) 414mg/l Temperatura 26,4°C Oxígeno disuelto en el agua= 7,3mg/l (ppm)

Primer estanque finca EL EDEN Cachama blanca Área 4300 m2 PH 6,732 215 us/cm TDS (solidos disueltos) 466mg/l Temperatura 28°C Oxígeno disuelto en el agua= 8,5mg/l (ppm)

Tercer estanque LAS CARRETERAS Mojarra Roja Área 4200 m2 PH 6,98 185,6 us/cm TDS (solidos disueltos) 403mg/l Temperatura 26,2°C Oxígeno disuelto en el agua= 6,5mg/l (ppm)

5.1.2.1 Análisis de los datos recolectados en la visita Analizando los datos recolectados podemos concluir que el oxígeno disuelto está estrechamente relacionado con las características del lugar donde se encuentra el estanque y las condiciones fisicoquímicas que posee. Por ejemplo la medición de la última finca, indicó que el nivel de oxígeno disuelto era menor que en los otros dos estanques, esto se debe a que en el lugar no contaba con casi ningún tipo de aireación natural, ni caídas de agua constantes, ni vientos superficiales que filtraran oxígeno por su efecto de arrastre. También por su menor área de extensión posee menos plantas para que crezcan en su lecho, para oxigenar el estanque por medio de fotosíntesis. En este estanque la única fuente de aireación que tenia se suministra por medio de una manguera, desde un estanque que tiene una diferencia de altura, y puede suministrar agua como se evidencia en la (Figura 34), estas variables en los estanque se tienen muy en cuenta para la selección del estanque de prueba para implementar la nueva tecnología de aireación que estamos planteando. Figura 34 Método de aireación habitual. (Lérida, Tolima)

Fuente: Autores

El agua en un estanque se compone por sustancias disueltas como gases, minerales y otros compuestos, también existen algunas partículas en suspensión como plantas y animales muertos. Para tener un buen manejo del estanque y su composición, se debe controlar, mejorando las condiciones, inyectando oxígeno, para esto se deben tener en cuenta estas variables. o Durante la noche el oxígeno disminuye y se aumenta la producción de dióxido de carbono. o En climas donde la temperatura del agua es más cálida su composición cambia más rápidamente o Cuando la turbidez en el agua es elevada la producción de oxígeno es muy baja.

Prueba 2 Se realizó una calibración del electrodo marca CONSORT SK10B, y se tomaron datos junto con un medidor de oxígeno portátil Oxímetro pint point II (0-20 ppm), en un ambiente controlado en laboratorio. Tabla 7 sensor Electrodo (0-1023) Oxímetro pint point II (020)ppm

Agua de llave en reposo 1 37

1.1

Medición más baja después de mucho tiempo reposo

0.9

0.8

Medición más alta después de mucho tiempo agitación

39 1.2

31 1.6

26 1.4

Agua destilada reposo 1 22

2 20

3 20

1.5

1.2

00.9

20 0.9 19 1.3

19 0.8 19 1.0

18 0.7 18 0.8

Agua estancada reposo 1 20

2 18

3 17

1.3

1.2

1.1

18 1.0 17 1.5

17 0.9 16 1.3

17 0.9 16 1.1

Tabla 8 sensor Electrodo (0-1023) Oxímetro pint point II (020)ppm Medición más baja después de mucho tiempo reposo Medición más alta después de mucho tiempo agitación Tabla 9 sensor Electrodo (0-1023) Oxímetro pint point II (020)ppm Medición más baja después de mucho tiempo reposo Medición más alta después de mucho tiempo agitación

voltaje(mv)

Fuente: Félix Monroy

178.5 199

voltaje(mv) 117.8 105.5 100

voltaje(mv) 107.3 97 94

5.1.3 Etapas Proyecto El proyecto se divide en etapas para lograr, una adecuada selección de los componentes y la instrumentación que conforma el aireador automático, para este tipo de agroindustria, principalmente se diseñara y construirá para mantener un mantener un buen nivel de oxígeno disuelto. 5.1.3.1 Primera Etapa: Selección de tipo de aireador En esta etapa se dio prioridad a realizar un análisis y evaluación de tipos de aireadores a implementar, que se ajuste a las condiciones mecánicas y eléctricas; que exige el desarrollo tecnológico experimental para esta actividad de aireación en una zona con las siguientes características: Físicas: Alta humedad relativa 67%, temperaturas promedio entre 22°C (mínima) y 30°C (máxima) Ambiente: Condiciones de ph neutro, además de ser un ecosistema sensible a variaciones organolépticas Eléctricas y electrónicas: Poder usar baterías sin necesidad de tener el prototipo conectado constantemente a la red eléctrica. Logísticas: módulos para facilidad de transporte del prototipo hasta zonas de prueba. Iniciando con la selección del tipo de aireador que cumpla con las especificaciones requeridas y determinación de los subsistemas, teniendo en cuenta que cada tipo de aireador tiene diseño diferente, pero se rigen con un mismo principio de funcionamiento de succión o arrastre de aire por deferencia de presiones. Figura 35 Diseño CAD. Sistema de aireación tipo bomba electro sumergible

Fuente: Félix Monroy

Teniendo en cuenta esto, se realizó primero una prueba piloto del tipo de aireador de bomba sumergible de marca New Water de la marca (new gas and oil). Figura 36 Prueba principio venturi

Figura 37 Tobera

Fuente: Autores

Se procede a construir un prototipo a escala de este sistema con elementos de bajo costo como lo son los elementos plásticos de PVC, como tuberías y una manguera flexible de caucho, para la conexión de la electrobomba con una potencia de 0.50 HP y una un consumo de 0.37kW, alimentada con corriente eléctrica alterna a 110V. Esta prueba no da resultados favorables, dado que no cumple con ciertas condiciones, como la alimentación eléctrica, pues debe estar conectada directamente a la red de energía eléctrica AC, además por tener una electrobomba sumergible, comercialmente se obtienen solo con motor AC, es un aireador cuyas características con poca simplicidad de diseño y con un mantenimiento complejo, con esta prueba se comprobó la gran cantidad de energía que consume para tener un funcionamiento óptimo, debido que hace recircular gran cantidad de agua en poco tiempo para mezclarla con el aire atmosférico que succiona; por otra parte no genera partículas de burbujas lo suficientemente pequeñas para que cumplan su propósito y posteriormente se convierten en oxígeno disuelto. En definitiva este tipo de aireación y el principio de funcionamiento no cumple con las especificaciones requeridas, ni con las condiciones que debe tener para adaptarse al ambiente que se someterá, en su funcionamiento usual para estanques artificiales de piscicultura.

5.1.3.2 Segunda etapa: Selección diseño de aireador La selección se redujo a dos tipos de diseño de un mismo principio de funcionamiento, debido a que la prueba piloto del aireador tipo bomba electro sumergible, no cumplió con ciertas características, aparte de no lograr una buena cantidad y calidad de aireación. Para determinar la selección de alguno de estos dos diseños de aireadores de tipo difusor sumergible restantes para la selección. Se analizó la cantidad de elementos y el costo vs beneficio, encontrando las principales diferencias, escogiendo el más adecuado para las condiciones y necesidades del proyecto. Tabla 10 Costos de aireadores comerciales

Marca de Aireador

Costos Aireadores

Costo en Pesos (COL)

Peso

Aire O2

$950 (USD)

$1´886.305

19,5 kg

TORING

€1000 (EUR)

$ 2´572.524

18 kg

Fuente: Aire O2 y TORING

Aspectos importantes para dispositivos de aireadores: -

Generar una gran cantidad de oxígeno disuelto usando la menor cantidad de energía posible Capacidad de producir burbujas pequeñas, para que tengan un buen nivel de dispersión y el oxígeno sea absorbido en su mayoría Económicos, con mantenimiento simple y fáciles de reparar.

Además de estas características se debe priorizar que estos aireadores no interfieran con el ecosistema, esto quiere decir que su funcionamiento dentro del medio, tenga las condiciones y especificaciones aptas para estar sumergidos dentro del cuerpo de agua sin modificar, ni generar estrés en el hábitat de las especies cultivadas. Aireador Aire O2 Series II Figura 38 Aireador Modelo Series II

Fuente: Aire O2

Este diseño de aireador se consideró como una buena opción por la posibilidad de implementar al sistema un motor DC, el inconveniente es que tiene muchas piezas internas, en movimiento esto dificulta su mantenimiento. La fabricación y diseño de un sistema de estas características es muy complejo puesto que integra varios componentes en un mínimo espacio, también el valor para mecanizar las piezas es mucho más elevado pues son partes que deben estar fabricadas en acero inoxidable. (Figura38). Aireador TORING Figura 39 Acople y Rodete TORING

Fuente: TORING

Luego de descartar el otro diseño por presupuesto y complejidad, finalmente se seleccionó el aireador tipo difusor sumergible con turbina basado en el efecto de vórtice libre como el aireador de marca Toring (Figura 39), por sus ventajas sobre los demás, dado que tiene solo cuatro partes que lo componen. Por tanto es mucho más viable diseñar a partir de este modelo y su principio de funcionamiento, un nuevo aireador que se adapte a los recursos disponibles en el mercado nacional y que use herramientas comunes. Para la definitiva selección del tipo diseño del prototipo se realizó una prueba a escala con un pequeño motor de 12VDC con una batería de 12V - 4A a este se le acopló a una pieza plástica con una tapa, junto con unos arreglos de aberturas y salidas del aire succionado, para que emulara el funcionamiento del aireador seleccionado, dentro de un recipiente trasparente con poca cantidad de agua para ver y analizar su comportamiento (Figura 40). Nota: Al realizar las pruebas no se contaba con los instrumentos necesarios para tomar las mediciones pertinentes, pero se observa la formación de burbujas de un tamaño mínimo, permaneciendo por un tiempo breve en el agua (Figura 41). Así se determinó el cumplimiento de las características deseadas, para el uso de ese tipo de aireador y su principio para piscicultura.

Figura 40 Mini aireador

Figura 41 Mini aireador en funcionamiento

Fuente: Félix Monroy

5.1.3.3 Tercera etapa: Parámetros para Inicio de diseño En la primera etapa, se seleccionan y adquieren cada uno de los elementos que conforman el sistema automático de aireación, de acuerdo a los requerimientos y condiciones del entorno ya mencionados. Previamente, se diseñó cada una de las piezas del prototipo en SOLID WORKS, y por último la estructura en una herramienta de CAD para estructuras software SKETCHUP. En esta etapa se definirán los subsistemas del prototipo, para que estén en función de los factores que determinan su movimiento. El prototipo aireador debe contar con un control, para esto se deben analizar posteriormente a los diseños mecánicos las diferentes teorías de control, con el fin de establecer el idóneo para implementar en estanques artificiales. Lista preliminar de elementos para realizar prototipo •

Motor eléctrico de 12VDC de altas R.P.M

•

Batería seca 12V

•

Acople en acero inoxidable (eje motor – Tubo acero inoxidable)

•

Tubo 60 cm

•

Acople Polímero (Tubo acero - inyector)

•

Inyector en Polímero

•

Tapa de lámina en plástico o acero inoxidable

5.1.3.4 Cuarta etapa: CĂĄlculos y SelecciĂłn de Motores BasĂĄndose en los parĂĄmetros establecidos, los elementos preseleccionados de acuerdo a las necesidades y condiciones de la aplicaciĂłn para piscicultura, se debe escoger un motor DC, que tenga la capacidad de girar a altas revoluciones, se ajuste a las necesidades del diseĂąo de las piezas. Consultando informaciĂłn sobre aerodeslizadores 40 se encontrĂł que los cĂĄlculos, ecuaciones y constantes, aplican tambiĂŠn para la disciplina de aeromodelismo entonces esa misma informaciĂłn, es Ăştil para calcular aproximadamente los datos. CĂĄlculos para determinar potencia de empuje de motor Ley de Ohm đ?&#x2018;&#x2030;

đ??ź = đ?&#x2018;&#x2026; (amperios) Potencia

đ?&#x2018;&#x192; = đ?&#x2018;&#x2030; â&#x2C6;&#x2014; đ??ź (watios) đ??žđ?&#x2018;Ł â&#x2C6;&#x2014; đ??žđ?&#x2018;Ą = 1355 K t * I Torque

đ?&#x2018;&#x2030; = đ??ź â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;&#x2026; (Voltios)

đ?&#x2018;&#x2030;

đ?&#x2018;&#x2026; đ??ź (ohmios)

đ?&#x2018;&#x192; = đ??ź 2 â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;&#x2026; (watios)

đ?&#x2018;&#x192;=

đ?&#x2018;&#x2030;2 đ?&#x2018;&#x2026;

(watios)

đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161; = đ??žđ?&#x2018;Ł â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;&#x2030;

DĂłnde: đ?&#x2018;˛đ?&#x2019;&#x2014; đ?&#x2019;&#x161; đ?&#x2018;˛đ?&#x2019;&#x2022; = đ?&#x2018;Şđ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201D;đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x201D; đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x2020; đ?&#x2019;&#x2014;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x2039;đ?&#x2019;&#x2020; đ?&#x2019;&#x161; đ?&#x2018;Şđ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201D;đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x2020; đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x2020; đ?&#x2018;ˇđ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x201C; đ?&#x2018;ťđ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2019;&#x2019;đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x2020; đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;? đ?&#x2018;´đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201C; đ?&#x2018;šđ?&#x2019;&#x2018;đ?&#x2019;&#x17D; = đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x2014;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x201D; đ?&#x2019;&#x2018;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201C; đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;? đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;? đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201C;

ParĂĄmetros tĂŠcnicos del Motor: CIM 217 (PM25R) Vex Robotics Especificaciones MecĂĄnicas ď&#x201A;§

Free Speed: 5,310 rpm (+/- 10%)

ď&#x201A;§

Free Current: 2.7A

ď&#x201A;§

Maximum Power: 337 W (at 2,655 rpm, 172 oz-in, and 68A)

ď&#x201A;§

Stall Torque: 2.42 N-m (343.4 oz-in)

ď&#x201A;§

Stall Current: 133A

WEBAEREO. Enrique Brandariz. FĂłrmulas para Aeromodelismo ElĂŠctrico. ] [Citado el: 21 agosto 2014]: www.miliamperios.com,

CĂĄlculos analĂticos para R.P.M MĂĄximas đ?&#x2018;šđ?&#x2019;&#x2018;đ?&#x2019;&#x17D;: 5310 đ?&#x2018;˝đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;?: 12đ?&#x2018;Ł DĂłnde: đ?&#x2018;šđ?&#x2019;&#x2018;đ?&#x2019;&#x17D; = đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x2014;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x201D; đ?&#x2019;&#x2018;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201C; đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;? đ?&#x2018;˝đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;? = đ?&#x2018;˝đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x2039;đ?&#x2019;&#x2020; đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x2020; đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x201A; đ?&#x2018;˛đ?&#x2019;&#x2022;= đ?&#x2018;Şđ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201D;đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2018;ˇđ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x201C; đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201C;

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EcuaciĂłn 3:

đ?&#x2018;°đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x2022; = đ?&#x2018;°đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;°đ?&#x;&#x17D;

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DĂłnde: đ?&#x2018;ˇđ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;?= đ?&#x2018;ˇđ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;&#x201A; đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x2020; đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x201A;

đ?&#x2018;ˇđ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;?=đ?&#x2018;˝đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;?â&#x2C6;&#x2014;đ?&#x2018;ł

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Se realiza la ecuaciĂłn multiplicando la constante de par torque por la corriente efectiva. EcuaciĂłn 5:

đ?&#x2018;ť = đ?&#x2018;˛đ?&#x2019;&#x2022; â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x2018;°đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x2022;

đ?&#x2018;&#x2021; = 343,4đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;§â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2C6;&#x2014; 4,3đ??´ = 1476,62đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;§â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A;

DĂłnde: đ?&#x2018;ť = đ?&#x2018;ťđ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2019;&#x2019;đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x2020; Se realiza la ecuaciĂłn multiplicando el torque por las revoluciones y luego dividiendo la constante de voltaje EcuaciĂłn 6:

đ?&#x2018;&#x192;

đ?&#x2018;ˇ

đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x2022;=

đ?&#x2018;ťâ&#x2C6;&#x2014;đ?&#x2018;šđ?&#x2019;&#x2018;đ?&#x2019;&#x17D; đ?&#x;?đ?&#x;&#x2018;đ?&#x;&#x201C;đ?&#x;&#x201C;

1476,62đ?&#x2018;&#x201A;đ?&#x2018;§â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2C6;&#x2014;5310đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;˘đ?&#x2018;Ą= =5786,60đ?&#x2018;&#x160; 1355

Dónde: 𝑷𝒐𝒖𝒕 = 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒅𝒆 𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 Ecuación 7:

𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛

𝑬𝒇𝒊𝒄 =

5786,60𝑊 = 68,88% 84𝑊 Resulta un porcentaje de eficiencia alto de 68,66% con el motor a su máxima capacidad de 5310 R.P.M Dónde: 𝑬𝒇𝒊𝒄 = 𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝑬𝒇𝒊𝒄 =

𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒃𝒊𝒅𝒂

Se convierte el valor resultante de potencia de salida a Hp Ecuación 8:

𝑃

1𝑊 = 13410𝐻𝑝 5786,66𝑊 = 7,7591𝐻𝑝

𝑟𝑝𝑚 3 𝑎𝑏𝑠=𝐾𝑝∗𝐷4 ∗𝑃𝑖𝑡𝑐ℎ∗� � 1000 𝑖𝑛

5310𝑟𝑝𝑚 3 � =2245,8𝑊 1000

𝑎𝑏𝑠=1,25∗18𝑖𝑛 ∗8𝑖𝑛 ∗�

Dónde: 𝑷𝒂𝒃𝒔 = 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒃𝒊𝒅𝒂 𝑷: 𝒑𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒆𝒏 𝒘𝒂𝒕𝒊𝒐𝒔 𝑲𝒑: 𝑪𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒆 𝑯é𝒍𝒊𝒄𝒆

1,31 𝑀𝑎𝑠𝑡𝑒𝑟 𝐴𝑖𝑟𝑠𝑐𝑟𝑒𝑤, 𝑇𝑜𝑝𝐹𝑙𝑖𝑡𝑒, 𝑍𝑖𝑛𝑔𝑒𝑟 1,18 𝐶𝐴𝑀 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 1,11 𝐴𝑃𝐶 𝟏, 𝟐𝟓 𝑪𝒍𝒂𝒔𝒔𝒊𝒄 𝑺𝒆𝒓𝒊𝒆𝒔

𝑲𝒗: 𝑪𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒆 𝒗𝒐𝒍𝒕𝒂𝒋𝒆 𝑫: 𝒅𝒊á𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐 𝒆𝒏 𝒑𝒊𝒆𝒔 𝑷: 𝒑𝒂𝒔𝒐 𝒆𝒏 𝒑𝒊𝒆𝒔 (𝒑𝒊𝒕𝒄𝒉)

Con esta ecuación se determina el empuje se obtiene multiplicando la constante de 375 por la potencia absorbida en Hp, sobre la velocidad en Mph que en 1.1 m/s Ecuación 9: 375 ∗ 𝐻𝑝 𝐸𝑚𝑝 = 𝑀𝑝ℎ 71

𝐸𝑚𝑝 =

Dónde: 𝑬𝒎𝒑 = 𝑬𝒎𝒑𝒖𝒋𝒆

375∗7,7591𝐻𝑝 2,49𝑀𝑝ℎ

=𝟏𝟎𝟖, 𝟗𝟑 𝑾 Potencia de empuje 𝑲𝒈

Cálculos analíticos para R.P.M para velocidad optima Parámetros técnicos del Motor: 𝑹𝒑𝒎: 2655 𝑽𝒊𝒏: 12𝑣 𝑰𝟎 : 2,7𝐴 𝑲𝒕: 343,4 𝑂𝑧 − 𝑖𝑛 Dónde: 𝑹𝒑𝒎 = 𝒓𝒆𝒗𝒐𝒍𝒖𝒄𝒊𝒐𝒏𝒆𝒔 𝒑𝒐𝒓 𝒎𝒊𝒏𝒖𝒕𝒐 𝑽𝒊𝒏 = 𝑽𝒐𝒍𝒕𝒂𝒋𝒆 𝒅𝒆 𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑲𝒕= 𝑪𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆𝑷𝒂𝒓 𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 Ecuación 10:

𝑰𝒏𝒆𝒕 = 𝑰𝒊𝒏 − 𝑰𝟎

𝐼𝑛𝑒𝑡 = 7𝐴 − 2,7𝐴 = 4,3𝐴

Dónde: 𝑰𝒏𝒆𝒕 = 𝑪𝒐𝒓𝒓𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒆𝒇𝒆𝒄𝒕𝒊𝒗𝒂 𝑰𝒊𝒏 = 𝑪𝒐𝒓𝒓𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒆 𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑰𝟎 = 𝑪𝒐𝒓𝒓𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒎𝒊𝒏𝒊𝒎𝒂 𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 Se realiza la ecuación multiplicando el voltaje del motor por la corriente que entrega la batería. Ecuación 11:

Dónde: 𝑷𝒊𝒏= 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒅𝒆 𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂

𝑷𝒊𝒏=𝑽𝒊𝒏∗𝑳

𝒊𝒏

𝑃𝑖𝑛= 12𝑣 ∗ 7𝐴 = 84𝑊

Se realiza la ecuación multiplicando la constante de par torque por la corriente efectiva. Ecuación12:

𝑻 = 𝑲𝒕 ∗ 𝑰𝒏𝒆𝒕

𝑇 = 343,4𝑂𝑧−𝑖𝑛 ∗ 4,3𝐴 = 1476,62𝑂𝑧−𝑖𝑛 72

Dónde: 𝑻 = 𝑻𝒐𝒓𝒒𝒖𝒆 Se realiza la ecuación multiplicando el torque por las revoluciones y luego dividiendo la constante de voltaje Ecuación 13:

𝑃

𝑜𝑢𝑡=

Dónde: 𝑷𝒐𝒖𝒕 = 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒅𝒆 𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂

𝑷

𝒐𝒖𝒕=

𝑻∗𝑹𝒑𝒎 𝟏𝟑𝟓𝟓

1476,62𝑂𝑧−𝑖𝑛 ∗2655𝑟𝑝𝑚 =951,55𝑊 1355

Ecuación 14:

𝑬𝒇𝒊𝒄 =

𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛

951,55𝑊 84𝑊

= 11,32%

Resulta un porcentaje de eficiencia baja de 11,32% con el motor media capacidad de 2655 R.P.M Dónde: 𝑬𝒇𝒊𝒄 = 𝑬𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂

𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒃𝒊𝒅𝒂

Se convierte el valor resultante de potencia de salida horse power (Hp) Ecuación 15: 1𝑊 = 13410𝐻𝑝 951,55𝑊 = 1275.31𝐻𝑝

𝑃

𝑟𝑝𝑚 3 𝑎𝑏𝑠=𝐾𝑝∗𝐷4 ∗𝑃𝑖𝑡𝑐ℎ∗� � 1000 𝑖𝑛

𝑎𝑏𝑠=1,25∗18𝑖𝑛 ∗8𝑖𝑛 ∗�

2655𝑟𝑝𝑚 3 � =3368,72𝑊 1000

đ?&#x2018;˛đ?&#x2019;&#x2014;: đ?&#x2018;Şđ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x201D;đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x2020; đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x2020; đ?&#x2019;&#x2014;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x2039;đ?&#x2019;&#x2020; đ?&#x2018;Ť: đ?&#x2019;&#x2026;đ?&#x2019;&#x160;ĂĄđ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201C;đ?&#x2019;? đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;? đ?&#x2019;&#x2018;đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x201D; đ?&#x2018;ˇ: đ?&#x2019;&#x2018;đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x201D;đ?&#x2019;? đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;? đ?&#x2019;&#x2018;đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;&#x2020;đ?&#x2019;&#x201D; (đ?&#x2019;&#x2018;đ?&#x2019;&#x160;đ?&#x2019;&#x2022;đ?&#x2019;&#x201E;đ?&#x2019;&#x2030;)

Con esta ecuaciĂłn se determina el empuje se obtiene multiplicando la constante de 375 por la potencia absorbida en Hp, sobre la velocidad de diseĂąo en (Mph) de 1.3 m/s

EcuaciĂłn 16:

đ??¸đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;? =

DĂłnde: đ?&#x2018;Źđ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2019;&#x2018; = đ?&#x2018;Źđ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2019;&#x2018;đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;&#x2039;đ?&#x2019;&#x2020;

đ??¸đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;? =

375â&#x2C6;&#x2014;1275,31đ??ťđ?&#x2018;? 3,10đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;?â&#x201E;&#x17D;

375 â&#x2C6;&#x2014; đ??ťđ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;?â&#x201E;&#x17D;

=đ?&#x;?đ?&#x;&#x201C;, đ?&#x;&#x2019;đ?&#x;? đ?&#x2018;ž Potencia de empuje đ?&#x2018;˛đ?&#x2019;&#x2C6;

Mediante un software se calculan Ătems de gran utilidad para determinar aproximadamente, con los datos que se tienen y con los datos del motor seleccionado, la funcionalidad optima del sistema en tĂŠrminos mecĂĄnicos basĂĄndose en la cantidad de carga predeterminada que lleva el prototipo. Figura 42 CĂĄlculos de potencia mediante software

Fuente: Propeller Selector

Analizando estos resultados se puede ver que los cĂĄlculos de (Power output) son similares a los cĂĄlculos realizados analĂticamente como en la (Figura 42) el nĂşmero 1 que tiene 150,31W y en los cĂĄlculos analĂticos da como resultado 108W, luego vemos que el nĂşmero 2 que tiene 15W en los cĂĄlculos analĂticos da como resultado del empuje 15,42W, esto indica que el sistema de propulsiĂłn a esas R.P.M es capaz de generar suficiente empuje para desplazarse fĂĄcilmente sobre el agua. Para el control de los motores se seleccionĂł un driver de alto poder de marca POLOLU, compatible con la plataforma de programaciĂłn ARDUINO y se adapta a las especificaciones tĂŠcnicas de los motores ademĂĄs de contar con protecciĂłn de sobre picos generados por el motor y apagado de emergencia por esfuerzo del motor y exceso de temperatura del controlador o driver.

5.2 DISEÑO MECÁNICO DEL PROTOTIPO Esta es la etapa de diseño más importante, porque en esta se generó la mayor cantidad de innovaciones y mejoras, como una buena alternativa para la aireación en estanques, con el desarrollo de piezas diseñadas y mecanizadas, originalmente desde bosquejos, basados en el tipo de aireador de turbina sumergida y el principio de aireación de vórtice libre. Para cumplir con las especificaciones los materiales con los que se mecanizan las piezas tienen que ser adecuados, para este caso teniendo en cuenta el presupuesto y las características de cada una de las partes que integran los sistemas seleccionamos, dos materiales seleccionados para mecanizar como acero inoxidable y polímero Nylon6. A continuación se muestran las características especiales del nylon y sus ventajas que aplican para las características de las piezas para el sistema de aireación. Tabla 11. Características plástico de ingeniería: Tipos de Nylon

Tipos de Nylon 41 Nylon 6/6  (Blanco y Negro) Nylon 6/12 Nylon con relleno de vidrio Nylon MDS Nylon vaciado

Fuente: Félix Monroy

Características Alta resistencia al desgaste y a la abrasión Alta durabilidad Bajo coeficiente de fricción Auto lubricado Amortiguamiento de Ruido Aislante Eléctrico Resistencia Química Fácil de mecanizar Liviano

Fuente: Industriales R.D.V

A continuación se presentan detalladamente los diseños de los componentes que conforman cada sistema principal, para su adecuado funcionamiento. Con estas piezas mecanizadas detalladamente en su geometría, se logra generar aireación por medio del principio de vórtice libre, que genera la succión y con una especie de turbina la dispersión de aire que luego se transforma en oxígeno disuelto. Cada uno de estos componentes se diseña pensando en un dispositivo conjunto de aireación que se considera como el sistema de mayor importancia en el proyecto, en estas piezas se invirtió bastante tiempo y esfuerzo, se descartaron varias versiones de las piezas para que al final se logrará lo mejor con garantía de calidad. 41

Representaciones Industriales R.D.V. Ltda ] [Citado el: 21 septiembre 2014]: http://www.rdv.com.co/productos_plasticos-ingenieria.html

5.2.1 Rodete Inyector Se diseñó con base a los impulsores y turbinas que se encuentran en el mercado actual, pero adaptándose a un diseño original del acople, que une el eje al inyector. El inyector se encarga de aumentar la velocidad final del aire, entregando un flujo constante, para que cumpla su principal función, dispersar la mezcla. Este elemento esta fabricado en nylon6 de color blanco, este diseño es complejo de mecanizar, por su geometría que debe tener una simetría perfecta. Este componente recibe el aire succionado desde el eje, que pasa por el acople inyector y junto a este se encarga de la mezcla y luego de la dispersión del flujo de aire de manera horizontal, también cumple la función de mezclar el aire con el agua, cuando este se encuentra totalmente saturado de agua en sus cavidades entre las 23 aspas y por la acción del motor, genera la fuerza centrífuga que se encarga de la dispersión final. El resultado es una turbina o inyector con geometría similar a la turbina toring con un diseño y dimensiones especiales. Figura 43 Rodete inyector

Fuente: Félix Monroy

5.2.2 Acople negro Inyector a eje tubo Este acople se fabricó con nylon6 de color negro, esta es la pieza base del sistema de aireación, por eso este diseño es diferente al aireador ofrecido comercialmente por la marca TORING. Este componente se encarga principalmente de acoplar el inyector con el eje tubo, además es el medio entre la succión del eje y la mezcla del inyector, es la pieza que acopla el eje y rodete inyector. Tiene una función adicional de recibir el flujo de aire por el efecto de succión a una velocidad y presión determinadas, inmediatamente aumenta la velocidad por su geometría entregando el flujo abundante de la mezcla hacia el inyector.

Figura 44 Acople inyector a eje tubo

Fuente: Félix Monroy

5.2.3 Acople en acero inoxidable de eje motor a eje tubo Esta pieza se fabricó con acero inoxidable 316L (Figura 45), dado a las características mecánicas que tiene para que soporte y de buena estabilidad entre el pequeño diámetro del eje del motor y el tubo de ¾” de acero inoxidable, además de resistencia a la corrosión, se mecanizo de ese modo para que los elementos de sujeción como lo son tornillos, tuercas y arandelas de presión estuvieran integrados para asegurar un excelente ensamble entre las piezas y no tuviera efectos de bote o balanceo al girar a altas revoluciones. Para que este componente quedara balanceado se diseñó de tal modo que los elementos de sujeción como lo son tornillos y tuercas estuvieran integradas, para asegurar un excelente ensamble entre las piezas y no tuviera efectos de bote o desbalanceo al girar a altas revoluciones. Figura 45 Acople de eje motor a eje tubo

Fuente: Félix Monroy

A continuación se muestran los ensambles entre los 2 componentes mencionados (Figura 46): Figura 46 Despiece acople de motor a tubo

Fuente: Félix Monroy

Dispositivos y componentes principales para aireador tipo difusor sumergible con turbina similar a marca TORING: •

Motor CIM 217 (PM25R) 12VDC marca Vex Robotics

•

1 Acople en acero inoxidable (eje motor – Tubo acero inoxidable de ¾)

•

1 Tubo de acero inoxidable 316L de ¾ de X 60cm

•

1 Acople Polímero negro Nylon6 Tubo acero - inyector (Figura 47)

•

1 Inyector en Polímero Nylon6

•

Tapa lamina en acero inoxidable 3mm de grosor

Figura 47 CAD de ensamble entre acople e inyector del sistema de aireación

Fuente: Félix Monroy

5.3.1 Estructura y Flotación Esta parte del proceso es una de las finales, este módulo se encarga de integrar todo los sistemas y es la base para del prototipo. Se construyó luego de tener la parte mecánica lista, para que el diseño se acoplara a la forma de los sistemas de aireación y propulsión. 5.3.1.1 Diseño estructura La estructura se diseñó con materiales como el aluminio y acero, que conectan los dos flotadores, manteniendo sobre la superficie del agua todo el conjunto de los sistemas, se plantea con una geometría adecuada que mejora el balance y la hidrodinámica para que la propulsión sea menos forzada con un desplazamiento más suave y con un centro de gravedad bajo haciendo el prototipo más estable (Figura 48). Figura 48 Diseño estructura CAD integración de sistemas vista isométrica

Fuente: Cristhian Puerto Figura 49 Diseño estructura CAD integración de sistemas vista frontal

Fuente: Cristhian Puerto

Además esta tiene buenas propiedades como su ligereza, anticorrosión, menos daño de los componentes, que hacen algún esfuerzo mecánico; las partes que están en contacto con el agua, están protegida por la humedad, calor y viento del lugar. 5.3.1.2 Construcción de estructura La estructura totalmente construida en aluminio, en sus eslabones, para los soportes se usó acero micro aleado (coldroll) y para las sujeciones se utilizaron: tornillos brístol milimétricos, tuercas, arandelas de presión y remaches (Figura 50). Figura 50 Construcción de estructura e integración de sistemas

Fuente: Autores

5.3.2 Sistema de Propulsión del prototipo Se optó por implementar en este sistema el modelo embarcación hidrodeslizador, para diseñarlo se tuvieron en cuenta los elementos principales, y de acuerdo a las características comunes de este tipos de naves. Junto con el cálculo del empuje aproximado que genera el motor, se realizó la siguiente lista. Selección componentes del sistema de propulsión final (Hidrodeslizador): •

Motor CIM 217 (PM25R) 12VDC Marca Vex Robotics

•

1 Acople y mecanizado de Hélice a motor en acero inoxidable

•

1 Hélice bipala

•

1 Timón de 2 aspas en acrílico con eje metálico

•

1 Servomotor de alto torque

En cuanto al motor para el desplazamiento, se optó por motor ya mencionado DC de altas R.P.M, este modo de propulsión se basa en un hidrodeslizador para evitar el mayor contacto con el agua y así evitar turbidez excesiva, evitar perturbar las mediciones del sensor y también el contacto directo de este sistema con las especies, también logra que las piezas móviles como la hélice este totalmente aislada de los peces dado que afectaría su hábitat, generaría estrés en ellos y cambiaría el proceso natural del cultivo. 5.3.2.1 Diseño elementos de propulsión El sistema de propulsión por medio de un motor, acoplado a una hélice bipala con un diámetro de 18”, ajustada a las dimensiones generales de la superficie de contacto del prototipo que son 37cm de ancho y 80cm de largo, y la determinada carga que oscila en los 20- 30Kg, esta variable se priorizo para que aporte un beneficio al arrastre de todo el prototipo, diseñado con materiales livianos. El conjunto se desplaza a una velocidad moderada, de este modo el sistema de control, dependiente del sensor de oxígeno disuelto, no tenga problemas en la lectura de los datos y pueda trabajar de un forma eficiente; sin consumir demasiada energía, así evitar desplazamiento continuo, sin paradas para producir OD. Las palas del timón darán dirección al flujo de aire, generado por la hélice haciendo el viraje del prototipo, estas tienen acoplados unos mecanismos de bielamanivela, hacia un servomotor que será controlado por el arduino, su función es cambiar el ángulo de las aspas (Figura 51), de acuerdo a las condiciones del programa que implementará para el control del desplazamiento. Figura 51 Diseño de timón anclado a estructura

Fuente: Cristhian Puerto

El desplazamiento del prototipo se han diseñado de manera tal, que al moverse en los estanques genere el menor impacto a el hábitat, las condiciones y variables que se encuentran allí, la mayoría de embarcaciones usan una propulsión con propela sumergida dentro del agua, generando una constante agitación que genera un efecto negativo en el cultivo, estrés y posibles factores de riesgo para los peces que se desplazan por todo el estanque. 5.3.2.2 Selección de Hélice (Propeller) Figura 52 Grafica Empuje vs Potencia (Diámetro Hélices)

Fuente: Aeromodelismo Master Airscrew

Esta grafica expone unas curvas de trabajo de un aerodeslizador con una hélice acoplada a un motor y como resultado el empuje final aproximado con la relación de dos variables, la potencia del motor vs el diámetro de la hélice. También muestra una nota de recomendación respecto a la unión del eje del motor con la hélice, que si se le adicionan componentes innecesarios como rodamientos o trasmisión por correa, esto afectara directamente el rendimiento de las revoluciones que entrega el motor por lo tanto minimiza su eficiencia. Basándose en esta información, se seleccionó el tipo de hélice mencionada y se aplicaron las recomendaciones acoplando el motor casi directamente a centro de la hélice lo más cerca posible entre ellos, entonces se diseñó y fabrico un acople especial en forma de buje, que asegura por medio del eje del motor este buje, la hélice con una cuña a este y un tornillo que asegura todo.

5.3.2.3 Construcción elementos de propulsión La posición de la hélice es una característica importante para su funcionamiento, puesto que por su adecuado balance y estar perfectamente centrada, con referencia al eje del motor, mejora la estabilidad evitando botes o vibraciones que afectan el funcionamiento de la embarcación, la estabilidad y vida la útil del motor. Figura 53 Construcción Sistema de Propulsión

Fuente: Autores

5.3.3 Sistema de Aireación del prototipo Finalmente se prefirió por su compatibilidad con la aplicación la aireación por difusor sumergible con turbina. Asumiendo las observaciones que hace el fabricante de estos aireadores TORING, se tienen en cuenta con una alta prioridad, para iniciar el su diseño; que contar con algunas similitudes por trabajar con el mismo principio, de este tipo de aireador de difusor sumergible comercial, pero contara variaciones en sus piezas, materiales y equipos que se tienen disponibles en el mercado nacional. De acuerdo a lo descrito antes sobre este tipo y diseño de aireador se sabe que el aireador, tiene buen rendimiento, en el proceso de generación de oxígeno disuelto además solo necesita un mínimo mantenimiento. Posteriormente es posible cambiar el eje que trasporta el aire a uno de mayor tamaño para que logre más alcance y funcione a más profundidad, solo necesitara las perforaciones pertinentes (Figura 55). A continuación se evidencia el resultado del diseño en CAD con varios detalles en su geometría, para su adecuado funcionamiento e integración con los demás sistemas en la (Figura 64).

Figura 54 CAD Sistema de Aireación Completo

Fuente: Félix Monroy

Fundamentado en los resultados de las pruebas experimentales preliminares, que se hicieron en un entorno afín a los estanques, donde se pondrá a prueba el prototipo final, también pensando en las demás variables y condiciones diseño. Estos conformaron los criterios de selección para construir los elementos fundamentales que cumplen con el principio de aireación que se usan para el aireador automático. Figura 55 Perforaciones de eje tubo y potencia motores vs profundidad

Fuente: TORING Turbine

En la (Figura 55) se encuentran las dimensiones generales y de las perforaciones que debe tener el eje, que b谩sicamente es un tubo de acero inoxidable, es una de las piezas fundamentales para que funcione el principio f铆sico del sistema de aireaci贸n seleccionado para el prototipo. Las perforaciones son la entrada del aire, que por medio de la succi贸n transporta el flujo hasta el rodete inyector.

5.4 ELECTRÓNICA Y CONTROL Se implementa un electrodo que mide oxigeno disuelto, por medio de su estructura por contacto, envía una señal en voltaje de acuerdo a la cantidad de OD que hay en el área bajo la superficie del cuerpo de agua, sumergido a una profundidad de acuerdo al hábitat de las diferentes especies de peces que son cultivadas en las granjas piscícolas. 5.4.1 Sensor OXIMETRO Este dispositivo que se encarga de medir y transmitir al sistema de control del prototipo, es un sensor electrodo que obtiene una medida de oxígeno disuelto por contacto directo. El material del cuerpo epoxy le da una alta durabilidad, este dispositivo es esterilizado e higiénico, con características específicas como precisión óptima desde 3ppm apta para esta aplicación acuícola, resistencia a presiones medias, diseño robusto, fácil sustitución en caso de daño, y compatibilidad con el sistema de control porque no requiere trasmisor; cuenta con una salida análoga, que entrega un rango de 0 a 5v. Cuando el sensor detecta bajos nivel es de oxígeno disuelto envía de 0-1 V de señal análoga para que el sistema de adquisición de datos y gestor del control, controle el funcionamiento del aireador partiendo de esa condición de OD que hay en el agua en ese momento.

Figura 56 CAD Electrodo oxímetro CONSORTSK10B

Fuente: Félix Monroy

5.4.2 Driver para motor controller 24V12A POLOLU Este dispositivo se encarga de controlar la potencia del motor seleccionado 42, esta referencia por sus características y su compatibilidad con los motores, se escogió por soportar los picos altos de arranque del motor, que se alimenta de una batería de 12VDC a 7A por esto su amperaje del controlador es 12A. Cada motor debe llevar un driver independiente y los dos están conectados al ARDUINO que los controla. Este controlador es de gran utilidad por que cuenta con un módulo para radio control que puede ser útil para controlar los motores manualmente, por medio de una interfaz para RC. Figura 57 Driver 24V 12ª marca pololu. Ensamblado

Fuente: POLOLU

5.4.3 Servo motor Este dispositivo se encarga del control mecánico del giro del timón, es el encargado de darle la dirección, se instalara en la estructura junto al sistema de propulsión, este mecanismo esta acoplado al eje de las aspas del timón y por medio de una junta que esta acoplada al servo. Gracias a ese mecanismo el servo convertirá el movimiento radial de su eje a un movimiento horizontal de las aspas que tendrán un ángulo de ataque sobre el flujo de aire que entregue la hélice junto con el motor en pleno funcionamiento, esto crea la modificación del curso de desplazamiento. Para que el prototipo pueda trabajar suave en sus movimientos se seleccionó un servomotor adecuado que tiene una gran precisión y es capaz de entregar el torque necesario, para que el viento no alcance a mover las aspas del timón, y tener dificultades en su funcionamiento. Por estas razones se seleccionó el servomotor de marca motor Tower pro SG-5010 (Figura 58). 42

POLOLU Simple Motor Controller User’s Guide. [En línea] [Citado el: 22 septiembre 2013]: http://www.pololu.com/docs/0J44/6.7.1

Figura 58 Servo motor Tower pro 5v 180° SG-5010

Fuente: Servo Database

Dentro de sus principales características todos sus componentes son de materiales resistentes a las condiciones del entorno donde se va a usar, además se encuentra sellado herméticamente por lo tanto no es necesario impermeabilizar por completo su parte mecánica. Este servo tiene la capacidad de realizar un control de su velocidad mantiene un movimiento suave y constante con un torque de (11.00 kg-cm) a bajas revoluciones en la (Figura 59), se muestran sus dimensiones. Figura 59 Esquema servo motor Tower pro 5v 180° SG-5010

Fuente: MR-RC WORLD.UK

5.5 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO En esta etapa del proceso, se recopilan todo los diseños de las piezas mecanizadas de cada componente de los sistemas y se arman en un orden determinado, con los elementos de sujeción seleccionados, de manera tal que sea seguro y confiable su funcionamiento, luego se ensamblan los sistemas junto a la estructura en aluminio combinada con soportes en acero (coldroll), anclada los elementos de flotación, dos recipientes cuadrados de 20 litros cada uno, mantendrán el prototipo con un buen nivel de flotación. Este prototipo se compone de dos sistemas independientes, integrados por el control del prototipo junto con la estructura y flotación. Figura 60 Construcción Sistema de Aireación

Fuente: Autores

La primera parte de la construcción empezó con el mecanizado de las piezas diseñadas (Figura 61) de materiales como acero inoxidable y nylon; para la estructura se usaron materiales como el acero en platina y perfil de aluminio en barras cuadradas. Luego de la entrega de los mecanizados terminados se empezó a ensamblar los componentes del sistema de aireación con tornillos especiales de acero inoxidable diseñados para estar sumergidos en el agua, por último se asegura la tapa de acero inoxidable; luego de tener los mecanizados armados se empezó con la construcción de la estructura y adaptarle los flotadores. Figura 61 Previo a mecanizado final piezas de nylon

Fuente: Autores

Para garantizar la seguridad del prototipo se instaló una malla de protección para evitar accidentes, debido a que el sistema de propulsión trabaja al altas revoluciones y puede llegar a perjudicar al usuario y causarle daños, cuando está en funcionamiento el dispositivo la hélice no se ve claramente por esta razón es de gran importancia protegerla. Figura 62 Construcción sistema de propulsión con malla de seguridad

Fuente: Autores

Por último se aseguran todas las partes con herramientas convencionales como llaves brístol, destornilladores y una llave de expansión; luego se calibran los sistemas con pruebas independientes, después de pasar las pruebas de control; se ingresa el prototipo al agua en una parte segura del estanque donde tenga una profundidad mínima de 80 cm para que el sistema de aireación no se enrede pueda llegar a volcarse y por lo tanto dañar algunas partes susceptibles al sumergirse dentro del agua.

5.6 PRUEBAS PARA VALIDACIÓN DEL PROTOTIPO Para la validación del sistema de aireación del prototipo se realizan pruebas independientes de los sistemas para comprobar el funcionamiento integral de los componentes que forman la aireación y el desplazamiento sobre el agua. Para realizar la prueba primero se comprueba que el aireador este completamente armado, igualmente que el sistema de aireación este asegurado y el usuario protegido, además de que el computador tenga instalado el controlador del dispositivo y el software POLOLU. La prueba se realiza conectando el driver, por medio de su puerto mini USB al computador que, ya cuenta con el software y a el driver se conectan los cables del motor en los pines output A y B del driver, luego se conectan los pines de salida del driver al positivo y negativo de la batería con mucho cuidado, en la figura (Figura63) muestra la interfaz gráfica y las variables importantes de funcionamiento: Temperatura, voltaje de entrada, porcentaje de potencia que entrega el driver al motor. Figura 63 Software de driver pololu para control de motores

Fuente: Autores

Como resultado de la prueba vemos que eje del sistema de aireación, que tiene que romper la inercia dentro del agua, además estar acoplado a un rodamiento el cual lo frena, se enciende y empieza a subir el (%) de potencia y logra romper la inercia y empieza a girar con el 22% de energía que entrega la batería.

5.7 COMPONENTES Y COSTOS Tabla 12. Lista de componentes aireador. Especificaciones y precios Dispositivo o Pieza 1

Arduino

Controlador

Especificaciones

Cant.

Mega 2560 Alto poder Pololu 24v12A

Cable USB

mini USB

Cable USB

Precio

Total

116.000

141.000

282.000

5.000

Tipo AB

5.000

Servomotor

Dynamixel AX-12A

110.000

Fuente de voltaje

26.000

Motor

12V/5V (2A) Vex Robotics CIM 12V DC

140.000

280.000

100.000

20.000

300.000

350.000

150.000

15.000

10.000

30.000

Mecanizado Acople 8 eje motor a tubo Tubo acero 9 inoxidable 3/4" Mecanizado Acople 10 inyector -eje tubo Mecanizado 11 Inyector Mecanizado Acople 12 Hélice a eje Motor 13 Mecanizado Tapa Tornillos Bristol y 14 tuercas Rodamiento y 15 chumacera 16 Garrafas 17 Perfiles y platinas Troquelado de 18 Platinas Sensor Oxígeno 19 Disuelto 20 Cables de conexión 21 Ventilador 22

Hélice

2 1

Acero inoxidable SA-240-316L X 1mt Nylon color negro Nylon 12cm x 3cm 23 aspas Buje, cuña, tornillo y tuerca. Acero inoxidable 12cm X 3mm Acero inoxidable anticorrosivos

1 1 1 1 1 1 1

acero 3/4" Flotadores cuadrados

10.000

20.000

Aluminio Acero, soporte de motores Electrodo Consort SK10B

35.000

15.000

30.000

925.000

Calibre 18 Cobre 60X60X15mm DC 12V 130mA 3000RPM Master Airescrew Propeller 18 X8

10.000

15.000

22.000

2 1

1 1

TOTAL Fuente: Autores

$ 2.860.000

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS Fundamentados en las pruebas de laboratorio realizadas, arrojaron resultados donde se pudo comprobar, el funcionamiento del sistema de aireación y el electrodo, así quedaron confirmados como componentes con características indicadas para ser agregados al prototipo y el sistema de control respectivamente. Prueba # 1 Autonomía del sistema de aireación Esta actividad se realizó poniendo en funcionamiento el aireador con un 55% de potencia durante 10 minutos, cabe resaltar que esta prueba se hizo controlada en un tanque pequeño libre de perturbaciones externas. Establecidas estas condiciones los resultados evidenciados son los siguientes: -

Durante el tiempo de funcionamiento el driver del motor alcanzo una temperatura estable entre 45° a 49°C, refrigerado por un ventilador a 12VDC. Las vibraciones del sistema de aireación a la potencia mencionada cuando su eje gira alrededor de 2650 R.P.M, fueron mínimas. El comportamiento de la mezcla generada por la aireación generaba homogenización en el tanque de pruebas en un tiempo de 40 segundos. Si el driver no se refrigera correctamente el esfuerzo de motor aumenta la temperatura a niveles críticos 70°C y se dispara la protección de este en un tiempo de 30 segundos luego de encendido.

Prueba # 2 Control de oxígeno disuelto En basándose en los datos recolectados en el laboratorio el electrodo (Consort SK10B) trabaja por medio de niveles de voltaje, cuando está saturado de aire, el multímetro alcanza a medir 0,1mv y tiene un nivel de voltaje hasta 2,5V que es el nivel máximo de oxígeno disuelto, que se pudo generar con una bomba de agitación mecánica durante unos minutos. Este electrodo tiene un rango de 0-5V y tiene un rango de sensibilidad para medir oxígeno disuelto de 1.1 ppm a 20ppm, comparado con un dispositivo portátil de medición de oxígeno marca (pint point II) también con una resolución de (0-20 ppm), el electrodo entrego con 1.1 ppm un voltaje de 20mv en ausencia de (OD) y luego con (OD) saturado al 100% envía una señal con un máximo de voltaje de 5v, esto es igual a 20ppm nivel máximo de (OD) que alcanza el sensor SK10B. Estos rangos de datos se deben tener en cuenta, al momento de integrar al sistema control del arduino, la señal análoga del electrodo, que en el monitor serial a través de conexión por USB a un ordenador, muestra una resolución con un rango de 0 a 1023.

Luego se calculó con extrapolación los datos teóricos entre el rango de 0,1 a 5V y la resolución de los datos de la interfaz del software arduino, de esta manera se generaron los datos de la (Tabla 13), para voltaje, resolución y (OD). Tabla 13. Extrapolación datos en voltaje a resolución en datos seriales Datos Teóricos Resolución Voltaje (V) Voltaje (mV) OD (ppm) 0 0 0 0 5

0,024

24,4

0,098

0,049

48,9

0,196

0,098

97,8

0,391

0,147

146,6

0,587

0,196

195,5

0,782

0,244

244,4

0,978

0,293

293,3

1,173

0,342

342,1

1,369

0,391

391,0

1,564

0,440

439,9

1,760

100

0,489

488,8

1,955

110

0,538

537,6

2,151

120

0,587

586,5

2,346

130

0,635

635,4

2,542

140

0,684

684,3

2,737

150

0,733

733,1

2,933

160

0,782

782,0

3,128

170

0,831

830,9

3,324

180

0,880

879,8

3,519

190

0,929

928,6

3,715

200

0,978

977,5

3,910

210

1,026

1026,4

4,106

220

1,075

1075,3

4,301

230

1,124

1124,1

4,497

240

1,173

1173,0

4,692

250

1,222

1221,9

4,888

Fuente: Autores

Con la realización de esta prueba se organizaron los resultados de estos datos que suministran los 2 sensores en tiempo real, con los que se establecerán los limites en la programación para los niveles críticos y óptimos de (OD) que entregará el sensor, por medio de la señal análoga hacia el sistema de control que va a intervenir el ciclo normal de funcionamiento del prototipo y detener su movimiento para que el sistema de aireación pueda empezar a suministrar (OD).

7. CONCLUSIONES  En cuanto a las pruebas de integración de los sistemas con estructura se presentaron inconvenientes con el balance y la estabilidad general del prototipo, debido a la incorrecta posición de los sistemas acoplados, esto generaba desbalance, por esto se ideo una geometría en forma de “T" más estable y también se bajó el centro de gravedad del soporte del sistema de propulsión.  El diseño de las piezas es algo fundamental para su buen funcionamiento, por esto se deben usar primero las herramientas de diseño como los software CAD, por ejemplo el programa Solid Works, donde se diseñaron todas las partes principales del sistema de aireación, debido a esto hubieron errores a la hora de mecanizar las piezas.  El controlador del motor para el sistema de aireación, funciona pero no es adecuado, porque el inyector cuando entra en contacto con el agua, frena el motor por la cantidad de volumen de esta, por esto el motor se sobre esfuerza y consume más energía, por lo tanto no es eficiente, además generando que el controlador se recaliente rápidamente hasta 70°C y se apague por protección.  Es de vital importancia la protección de los componentes frente a las condiciones climáticas y los factores que constantemente están el medio de trabajo del prototipo, por esta razón se aislaron los elementos electrónicos y de estructura vulnerables a la humedad, el sol y los factores físico-químicos del agua. Que por el pasar del tiempo estos deterioran y piden averiarse, si no se protegen adecuadamente.  La implementación de este prototipo con un aireador de tipo difusor sumergible con turbina y similar al diseño de marca TORING, fue la mejor opción para la aplicación requerida, porque se logró realizar una construcción más económica, a diferencia de adquirir un aireador comercial, asimismo es menos complicado de diseñar a diferencia de otros aireadores.  El sistema de propulsión tiene características óptimas para la aplicación, se acopla a las condiciones del entorno, porque no genera altos niveles de ruido, ni turbulencia en la superficie del agua, logra moverse con el efecto de empuje que genera la hélice sobre el viento, esto facilita la lectura del sensor de OD, por estar libre de perturbaciones e interferencias, a diferencia de una propela que impulsa generalmente las embarcaciones.  Por último destacar la portabilidad del prototipo, se puede desarmar fácilmente y totalmente por módulos, esto brinda facilidad en su trasporte.

8. RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO

Este prototipo fue diseñado cuidadosamente pieza por pieza y construido para llegar en futuro a optimizar los niveles de oxígeno en los estanques piscícolas del país, además de ser innovador y confiable, junto con muchas mejoras específicas que se le aplicaron en el proceso, posteriormente se sugiere realizar una validación del prototipo en un estanque similar a donde se va a implementar. La idea original es darle una excelente e innovadora herramienta a los productores acuícolas en el municipio de Lérida, principalmente para que logren mejorar continuamente la producción piscícola, este prototipo se pensó para que sea una base, para que más adelante se tenga la posibilidad de desarrollar muchas más tecnologías eficientes y amigables para el ambiente, que mejoren su funcionalidad a nivel industrial ahorrando energía, se busca que sea aplicado para otras zonas rurales del país; y se posicione en el mercado como una buena opción de aireación en zonas no interconectadas de comunidades para pequeños y medianos productores dedicados a la piscicultura sostenible, así lograr producir alimentos de buena calidad que mantengan las buenas prácticas y el modo de más natural posible para la generación y conservación de los cultivos. La utilidad de este prototipo es generar niveles óptimos de oxígeno disuelto en el agua, para esto se deben tener en cuenta las recomendaciones que presentamos y también tener en cuenta el desarrollo de nuevas tecnologías que realicen de este tipo de equipos agroindustriales aplicado para uso en los campos del país. Se podría tener una buena fuente de trabajo en el campo junto con una buena calidad de vida para los campesinos, que gracias al buen aprovechamiento de los recursos que tienen disponibles en las zonas rurales, logren tener una visión industrial y sea posible a mediano plazo, para los productores mejorar sus productos con técnicas para incrementar la calidad del producto desde el inicio de la siembra del cultivo hasta la cosecha final; también provechando los residuos y teniendo una producción cíclica, para que puedan ser más eficientes las actividades que conforman la producción, procesamiento el producto y mejora de este, con valores agregados que se le podrían integrar. Todo esto es posible desde el inicio de esta implementación como un desarrollo tecnológico que a simple vista no genera gran un impacto pero que con el tiempo trasforma positivamente la agroindustria.

MEJORAS PARA TRABAJOS FUTUROS La autonomía en cuanto a energía debe mejorar, para su alimentación implementar energía solar fotovoltaica, con unos módulos solares mono cristalinos, para que mientras los sistemas trabajan puedan unos acumuladores recolectar energía, para ser usada después cuando no se tenga luz solar disponible, así se evita la recarga frecuente de las baterías. Específicamente se podría mejorar la calidad de algunos componentes realizando un rediseño adecuado tanto en su parte mecánica con la mejora de la calidad de los materiales, por ejemplo para los mecanizado de las piezas en plástico de ingeniería usar teflón, un material con grandes beneficios, que tiene mejores características que el nylon para la aplicación en cultivos de peces. Los elementos de flotación se deben cambiar por un material con características especiales para usar en piscicultura, además de ser fuerte a los impactos, y diseñarnos con una geometría especialmente y construida con moldes de plástico roto moldeado, para darle una forma específica para mejorar su hidrodinámica. En cuanto a la funcionalidad del prototipo, es posible implementar mayores prestaciones como la toma de más cantidad de datos como: Indicador en tiempo real de la cantidad (OD), humedad, presión, velocidad del viento, temperatura, Ph, visualización de recorridos, así determinar mejor la calidad del agua. Se tiene que mejorar la parte de estructura del aireador, se recomienda seguir usando materiales livianos y resistentes pero que las juntas que unen las diferentes partes se realicen con soldaduras de tipo TIG con uniones más robustas, para evitar mejor el desgaste por el paso del tiempo, el uso frecuente de este, para así evitar fatiga y pueda causar serios daños. El motor CIM de 12VDC debe ser repotenciado o cambiado, así como su controlador por uno que sea más potente y eficiente, porque el efecto de frenado que tiene el agua, causa que el motor se sobre caliente, además hace que consuma más energía, generando esfuerzo en el controlador, que no cuenta con refrigeración por sí mismo, entonces llega a su temperatura limite y se apaga por seguridad. Por último se recomienda el rediseño del rodete inyector y el eje, a una escala de mayor diámetro y con más cantidad de aspas en su circunferencia y menos espacio entre estas, para así lograr recibir más flujo, entregar más cantidad de mezcla y generar burbujas más pequeñas, realizando este rediseño se mejorará notablemente la calidad de (OD) producido por el sistema de aireación.

ANEXO A MANUAL DE USUARIO Y PLANOS PIEZAS AIREADOR



MANUAL DE USUARIO: OPERACION Y MANTENIMIENTO

Tabla A1. Especificaciones Técnicas Aireador

Dimensiones Peso Motor Velocidad crucero de desplazamiento Temperatura de funcionamiento controlador Motor Ventilador

Alto 40cm Ancho 37cm Profundo 80cm 22 Kg Eléctrico 12 VDC, 5300 R.P.M máximas 1.2m/s a 2655 R.P.M Rango: (20-50°C) 12VDC 1.2 A 60X60 mm 3000 R.P.M

Fuente: Autores

INTRODUCCIÓN. Este manual de servicio está dirigido a los usuarios del prototipo de aireación, contiene las instrucciones de instalación, servicio y mantenimiento. Antes de proceder a cualquier tipo de intervención el usuario debe leer atentamente este manual y prestar mucha atención a sugerencias y advertencias, especialmente las que sean precedidas de los siguientes símbolos de seguridad:

La no observancia de estas instrucciones puede exponer a las personas a riesgos importantes para su salud.

La no observancia de estas instrucciones puede exponer a las personas a riesgos de origen eléctrico.

La no observancia de estas instrucciones puede exponer a las personas a riesgos de origen mecánico.

ATENCIÓN Las instrucciones identificadas con este mensaje indican su importancia para una correcta instalación, utilización y mantenimiento. El incumplimiento de las sugerencias y recomendaciones de este manual, así como la incorrecta manipulación no autorizada del producto puede provocar posibles daños, ya sean personales o materiales. Ante cualquier duda respecto del producto, su utilización, mantenimiento o reparación. Contactar con: Universidad Agraria de Colombia, Facultad de Ingeniería El manual se suministra junto con el aireador y debe estar próximo al lugar de la instalación, debidamente protegido, para que pueda ser consultado por los usuarios en caso de necesidad.

LIMITACIONES DE USO ATENCIÓN No utilizar el Aireador NIVEL MÍNIMO DE LÍQUIDO: El aireador puede funcionar siempre y cuando se encuentre una profundidad mínima de 80cm. Es muy importante tener en cuenta que para profundidades inferiores a dichas características, el motor puede resultar quemado o presentarse daños del sistema estructural o mecánico. RUIDO El aireador genera niveles de ruido mínimos APLICACIONES Este aireador únicamente aplica para uso en estanques artificiales o lagos naturales con cultivos de piscicultura. Este aireador no es apto para aguas de residuos industriales y civiles, así como aguas fangosas.

INSTALACIÓN INSTALACIÓN: NORMAS DE SEGURIDAD Para prevenir cualquier riesgo en la manipulación o instalación del Aireador, es necesario seguir los siguientes consejos: • Utilizar un cinturón y o una cuerda de seguridad. No ignorar el peligro de profundidad. • No ignorar el peligro para la salud y tener en cuenta las normas de higiene. • Prestar atención a los riesgos derivados por averías eléctricas. • Asegurarse de que los elementos para suspender el grupo están en buen estado. • Disponer una adecuada barrera de seguridad en torno al área de trabajo. • Asegurarse de tener una buena salida al exterior del área de trabajo. • Utilizar casco, gafas de seguridad y calzado idóneo para su manipulación • No introducir nunca los dedos en la boca de aspiración o sistema propulsor pues existe el riesgo de producirse algún corte. Antes de manipular, se recomienda parar y desconectar la corriente eléctrica. Para prevenir cualquier daño en los ojos y en la piel, se deben tener en cuenta las siguientes normas: • Utilizar gafas protectoras y guantes de goma. • Enjuagar los diversos componentes con agua limpia, después de ser desmontada. Actuar del siguiente modo en caso de alguna salpicadura con el líquido tratado: En los ojos: • Enjuagar inmediatamente con agua En la piel: • Lavar bien la piel con agua y jabón. SEGUIR LAS REGLAS DE HIGIENE, SEGURIDAD Y LAS NORMATIVAS VIGENTES.

100

UTILLAJE DE SUJECIÓN El aireador debe introducirse en la poceta sin tener que hacer ningún tipo de reajuste. Un utillaje de sujeción sobredimensionado puede causar daños. Asegurarse que el utillaje de sujeción sea seguro.

CONEXIÓN ELÉCTRICA

La conexión debe ser efectuada por personal calificado, siempre siguiendo la normativa vigente.

PELIGRO Riesgo de descarga eléctrica En caso de tener que sustituir el cable eléctrico, por razones de seguridad, el conductor negativo (Negro) y de fase o positivo (rojo).. Si se desconecta accidentalmente el cable eléctrico, el terminal negativo tendrá que ser el último en desconectarse. NINGUN CUADRO ELECTRICO (CONEXIONES O CONTROL) PODRÁ SER REMPLAZADO DENTRO DEL ESTANQUE. Recordar que la corriente absorbida en el momento de arranque puede ser 6 veces superior a la corriente nominal. Asegurarse que los elementos de protección sean los adecuados. ATENCIÓN El empalme del cable eléctrico deberá ser totalmente hermético. Verificar que la tensión y la frecuencia de la red corresponden a la del Aireador. La tensión de alimentación debe ser la misma que la indicada, con una tolerancia del 5%. Controlar siempre que la corriente absorbida corresponda a la del Aireador.

101

MOTOR ELÉCTRICO Motor DC con rotor montado en bujes libre de mantenimiento, para corriente directa DC 12V y 7A. Free Speed: 5,310 rpm (+/- 10%) Free Current: 2.7A Maximum Power: 337 W (at 2,655 rpm, 172 oz-in, and 68A) Stall Torque: 2.42 N-m (343.4 oz-in) Stall Current: 133A Mounting Holes: (4) #10-32 tapped holes on a 2" bolt circle

SENTIDO DE GIRO El control del sentido de giro de un motor debe hacerse de una forma muy minuciosa antes de poner en funcionamiento. ATENCIÓN Un error en el sentido de giro puede provocar daños al Aireador. EL sentido de giro correcto para el sistema de aireación es en sentido opuesto a las manecillas del reloj, hacia ese sentido gira el aireador, NO INVERTIR EL SENTIDO DE GIRO. ESTÁ TOTALMENTE PROHIBIDO TRANSPORTAR O SUJETAR POR EL CABLE ELÉCTRICO. Asegurarse que el cable de alimentación no está dañado. Si es así, sustituirlo inmediatamente. ATENCIÓN El cable no puede estar sumergido, sino que debe estar debidamente montado y sujeto sobre el nivel máximo del líquido para evitar que el agua pueda penetrar a través del mismo.

102

CUADRO ELÉCTRICO ESTA TOTALMENTE PROHIBIDO CONECTAR EL AIREADOR DIRECTAMENTE A LA RED AC, SE DEBE CONECTAR A TRAVÉS DE UN CUADRO ELÉCTRONICO PROVISTO DE ADECUADA PROTECCION. Este cuadro permitirá el funcionamiento del aireador de forma automática. Dicho cuadro dispone de un sistema para el control y uno de apagado por funcionamiento incorrecto. EQUIPO CON ACCIONAMIENTO AUTOMÁTICO El funcionamiento automático del aireador se consigue utilizando un solo interruptor (marcha/ paro), El sistema se instalará en un lugar apropiado para su correcto funcionamiento. ATENCIÓN Se deberán inspeccionar periódicamente los sistemas para eliminar cualquier sustancia que se incruste en el mismo, dado que puede impedir su correcto funcionamiento. INSPECCIÓN No introducir en ningún caso los dedos en la boca de aspiración o sistema propulsor a fin de evitar cualquier riesgo de contacto. Para tal propósito, se advierte el aireador puede parar y arrancar automáticamente. Para mayor seguridad desconectar de la red eléctrica. El control periódico garantiza un mejor y más duradero funcionamiento. En caso de trabajar en condiciones muy extremas, las inspecciones deben ser mucho más frecuentes.

LIMPIEZA • •

Si el rodete inyector está impregnado de sólidos es necesario limpiarlo con agua para evitar cualquier tipo de incrustaciones. Se aconseja controlar periódicamente el funcionamiento del sensor de OD,

103

• •

Si se encuentran incrustaciones en los flotadores, es necesario eliminarlas si es necesario, limpiar con agua. Verificar que la protección de la hélice, se encuentre libre de sólidos, pelusas u otras impurezas.

ATENCIÓN: ES IMPORTANTE NO INSISTIR EN EL ARRANQUE DEL AIREADOR SI LA PROTECCIÓN TÉRMICA SE HA DISPARADO. A continuación en la (Tabla A2) se agregó un formato para que se documenten las posibles fallas del prototipo, cada vez que sea necesario incluir las fallas, para tener un histórico de las causas de la anomalía y cuál es su solución, en el caso que sea recurrente se pueda solucionar con esta información. Tabla A2 Formato de anomalías en el funcionamiento ANOMALIA

CAUSA

104

SOLUCION



PLANOS PIEZAS AIREADOR

Fuente: Félix Monroy

105

Fuente: FĂŠlix Monroy

106

Fuente: FĂŠlix Monroy

107

Fuente: FĂŠlix Monroy

108

ANEXO B DESPIECE DE LA ESTRUCTURA DEL AIREADOR AUTOMATICO Figura B.1. Aireador armado totalmente vista transparente

Fuente: Autores

Tabla B.1 Listado de componentes para montaje e instalación del prototipo. ITEM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

PIEZA

DESCRIPCION

CANT

Motor Hélice Base Protector Paleta Tornillo Tornillo Base Base Chumacera Tornillo Eje Acople Dispersor Base Flotador

Vex Robotics Master Airscrew Propeller 18x8 Soporte para motor propulsor Protector de Hélice Ø500mm Paleta para dirección Tornillo CB 5mm x 30mm Tornillo CB paso fino Soporte para motor aireador Soporte chumacera 90mm x 90mm Soporte de piso con rodamiento ¾” Tornillo CH 3/8” x 11/4” con tuerca Eje Inox ¾” Aireador Acople reductor 19mm a 8mm Dispersor nylon Ø Estructura soporte principal perfil cuadrado Aluminio ½” Flotador Alto, Largo, Ancho 370x274x246mm

2 1 1 1 2 8 4 1 1 1 4 1 1 1 1 2

Fuente: Autores

109

ORDEN PARA MONTAR Y ARMAR PROTOTIPO PRIMERA PARTE Figura B.2. Pasos para armar sistema de propulsi贸n

Fuente: Autores

Figura B.3. Sistema de propulsi贸n completamente armado

Fuente: Autores

110

SEGUNDA PARTE Figura B.4. Sistema de aireaci贸n completamente armado

Figura B.5. Pasos para armar sistema de aireaci贸n

Fuente: Autores

111

TERCERA PARTE En esta última parte se prepara la estructura para que se puedan montar los demás sistemas sobre esta. Figura B.6. Pasos para armar estructura y flotación

Fuente: autores

__________________________________________________________________

PARA DESMONTAR EL PROTOTIPO SIGA LOS MISMOS PASOS DE MANERA INVERSA. __________________________________________________________________

112

ANEXO C HOJAS DE ESPECIFICACIONES TECNICAS DE DISPOSITIVOS MECANICOS Y ELECTRONICOS. Hoja de especificaciones tĂŠcnicas Motor CIM 217 12VDC Marca Vex Robotics

Technical Specifications Kit Contents

(1)CIM Motor

Downloads & Docs

Manufacturer's Specifications and Performance Information (PDF)

Battery In

12V DC

Outputs

Output Shaft size:8mm (0.314in) with 2mm keyway

Specification

Free Speed: 5,310 rpm (+/- 10%) Free Current:2.7A Maximum Power:337 W (at 2,655 rpm, 172 oz-in, and 68A) Stall Torque:2.42 N-m (343.4 oz-in) Stall Current:133A Mounting Holes:(4) #10-32 tapped holes on a 2" bolt circle

CAD Model

STEP File

Drawing

Interface Drawing: 217-2000 (CIM Motor) (PDF)

Size

2.5" CIM Motor

Weight

2.8 lbs

Fuente: VEX ROBOTICS, http://www.vexrobotics.com/217-2000.html

113

Hoja de datos Driver Motor Controller 24V12A POLOLU Simple High-Power

Características: • • • • • • • • •

Control bidireccional de motor DC de escobillas. Rango de alimentación de 5.5V a 30V (18v7, 18v15 y 18v25) o 40V (24v12 y 24v23). Salida máxima de corriente continúa 7A a 25A sin disipador de calor dependiendo del modelo del controlador. Cuatro opciones de comunicación o de control: Interfaz USB para conexión directa al PC. Nivel lógico (TTL) interfaz serial para conexión directa a micro controladores u otros sistemas embebidos. Radio control (RC) de ancho de pulso de interfaz para conexión directa a un receptor RC o un servo controlador RC. Interfaz analógico 0-3.3 V para la conexión directa de los potenciómetros y los joysticks analógicos. Configuración sencilla y calibración a través de USB con el programa de libre configuración (Windows 7, Vista, Windows XP y compatible con Linux).

Dimensiones: • •

Tamaño: 2.1 "x 1.1" x 0.5" Peso: 14 g

Especificaciones generales: • • • • • • • • •

Canales para motor: 1 Control de interfaz: USB; serial TTL no invertido, pulsos de servos RC, voltaje analógico 1 Voltaje mínimo de operación: 5.5V Voltaje máximo de operación: 40V Salida de corriente continua por canal: 12A 2 Máxima frecuencia PWM: 21.77 KHz Máximo voltaje lógico : 3.3V 3 Protección de voltaje reversible: N Kit parcial: N

Fuente: POLOLU, http://www.pololu.com/product/1378

114

Hoja de datos Servo motor 5V / 180° Tower pro SG-5010 Basic Information Modulation:

Analog 4.8V:

Torque:

111.1 oz-in (8.00 kg-cm) 6.0V:

152.8 oz-in (11.00 kg-cm) 4.8V:

Speed:

0.17 sec/60° 6.0V:

0.14 sec/60° Weight:

1.34 oz (38.0 g) Length:

1.58 in (40.1 mm)

Dimensions:

Width:

0.80 in (20.3 mm) Height:

1.70 in (43.2 mm) Motor Type:

3-pole

Gear Type:

Plastic

Rotation/Support:

Dual Bearings Orange= Signal PWM

Pin Color

Red= 5V Brow=Ground

Additional Specifications Rotational Range:

180°

Pulse Cycle:

20 ms

Pulse Width:

600-2400 µs

Ideally suited to RC model Robotics, Boat, Racing car, Helicopter and Aire plane.

Fuente: Servo data base, http://www.servodatabase.com/servo/towerpro/sg-5010

115

BIBLIOGRAFÍA

ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS PARA LA AGRICULTURA Y LA ALIMENTACIÓN GLOBAL. El estado mundial de la pesca y la acuicultura. Subdivisión de Políticas y Apoyo en Materia de Publicación Electrónica., Roma, 2009. ISBN 978-92-5-306029-0. INCODER. Plan Nacional de Desarrollo de la Acuicultura Sostenible en Colombia FAO - Diagnóstico del Estado de la Acuicultura en Colombia, Diciembre 2011. ARTURO LIZARDI R., ALEN DÍAZ C., RAYMUNDO LÓPEZ C., JUAN R. MORALES G, ARACELI LARA V. Diseño, construcción y evaluación de un aireador tipo vórtice libre Universidad Autónoma Metropolitana- Azcapotzalco Departamento de Energía, Área de Termo fluidos. RAMALHO, R. S., (1998). Tratamiento de Aguas Residuales. Edit. Reverté, S. A. EGNA Y BOYD. Dynamics of pond Aquaculture. Ed CRC press. EEUU. 1997. ANDRÉS FELIPE ARIAS LEIVA; RODOLFO CAMPO SOTO Y ADRIANA SENIOR MOJICA. Pesca y acuicultura Colombia 2006. Corporación Colombia Internacional CCI. Bogotá, 2006. SANDRA CLEMENCIA PARDO CARRASCO; HÉCTOR SUÁREZ MAHECHA Y VÍCTOR ATENCIO GARCÍA. Análisis a los Sistemas de Producción Piscícola en el Municipio de Castilla La Nueva (Colombia) y su Problemática. Rev. Fac. Nal. Agr. Medellín 63(1): 5345-5353. 2010 GREENPEACE. 2014 acuicultura sostenible [En línea] [Citado: agosto del 2014] http://www.greenpeace.org/espana/es/Trabajamos-en/Defensa-de-losoceanos/pesca/acuicultura/ SOLID WORKS. Miscelánea de Modelos de elementos a escala en Solid Works 2012. [En línea] [Citado: agosto del 2014] http://www.3dcontentcentral.com/. RANALD V. GILES, JACK B. EVETT, CHENG LIU. 1994 Mecánica de fluidos e hidráulica, 3ra edición. McGraw-Hill. ISBN 0-07-02336-0 Pag. 65-66 CLAUDIO MATAIX Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas, 2da edición. Alfaomega. ISBN 978-968-6034-29-5.

116