RAE realizado sobre la esterilización 1. TIPO DE DOCUMENTO: Trabajo de grado realizado de instrumental médico en un dispositivo de operación automático, para obtener el título de Ingeniería Mecatrónica.
2. TITULO: Diseño y construcción de un dispositivo médico de esterilización para la industria odontológica. 3. AUTORES: Deisy Johana Tello Velandia y Angélica Mariño Salamanca 4. LUGAR: Bogotá (Cundinamarca) 5. FECHA: Noviembre de 2010 aislamiento térmico, autoclave, bacteria, 6. PALABRAS CLAVES: Actuador, aislamiento bioseguridad odontológica, corrosión, corrosivo, dispositivo médico, efecto temperatura de cero grados, esterilización calor húmedo, esterilización calor seco, esterilización por congelación, esterilización por desecación, esporas, estéril, esterilización, germicida químico, horno de mufla, indicador biológico, microbio, semiautomático , tecnología sanitaria
GILES, Ranald. Mecánica de los fluidos e hidráulica, Propiedades de los fluidos; GILES, Ranald. Sistema de tuberías equivalentes, compuestas, en paralelo y ramificadas; HICKS Tyler. Handbook of mechanical engineering calculation; UANG, Francis. Ingeniería Termodinámica: fundamentos y aplicación; INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Esterilización de productos para el cuidado de la salud. Requisitos para la validación y el control de rutina de la esterilización al calor húmedo en instituciones de salud; En la web http://www.isover.net/asesoria/manuales/industria/Generalidades2.pdf ; JONES, J.B. Termodinámica: Agua: Líquido comprimido y vapor sobrecalentado; En la web http://www.kromadent.com/Main.asp?Category=Products&Content=Products _Autoclaves_inc ; LEHMAN, Charles. Geometría Analítica, Circunferencia; Sector circular. México. LIMUSA S.A; MEGYESY, Eugene. Traducido de: Pressure vessel handbook; En la web http://www.microinmuno.qb.fcen.uba.ar/Seminarioesterilizacion.htm ; http://www.molecularstation.com/es/microbiology/sterilization ; NAVAR, Mohinder. Traducido de:Piping handbook; OGATA, Katsuhiko. Ingeniería de Control Moderna, Introducción; En la web http://www.procobre.org/procobre/aplicaciones_del_cobre/tuberias_de_cobre .html ; http://www.sterilof.com/autoclaves-16-40.htm , STEWART, James. Cálculo: Conceptos y Contextos; En la web http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=stainless_steel_aisi_304 ; http://www.tecnidental.com.co/scripts/prods/prods.asp?at=3&cat=4&scat=24
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DISPOSITIVO MÉDICO DE ESTERILIZACIÓN AUTOMÁTICO PARA LA INDUSTRIA ODONTOLÓGICA
ANGÉLICA MARIÑO SALAMANCA DEISY JOHANA TELLO VELANDIA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DISPOSITIVO MÉDICO DE ESTERILIZACIÓN AUTOMÁTICO PARA LA INDUSTRIA ODONTOLÓGICA
ANGÉLICA MARIÑO SALAMANCA DEISY JOHANA TELLO VELANDIA
CONTENIDO pág. TÍTULO DEL PROYECTO
13
INTRODUCCIÓN
14
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
15
1.1 ANTECEDENTES
15
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
15
1.3 JUSTIFICACIÓN
16
1.4 OBJETIVOS
16
1.4.1 Objetivo general
16
1.4.2 Objetivos específicos
16
3.1.1 Esterilización
19
3.1.1.1 Método físico
19
3.1.1.2 Método por agentes químicos
20
3.1.2 Resistencia a la corrosión
20
3.1.2.1 Corrosión general
21
3.1.2.2 Corrosión galvánica
21
3.1.3 Transferencia de calor
21
3.1.4 Espesor del material
23
3.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO
24
3.2.1 Esterilización de productos para el cuidado de la salud. Requisitos para la validación y el control de rutina de la esterilización al calor húmedo en instituciones de salud. (NTC 4618): Equipos. Servicios
24
3.2.1.1 Componentes
24
3.2.3.4 Control de esterilización
28
3.2.4 Ecuaciones según la norma ASME para la construcción de tanques
29
4. DISEÑO INGENIERIL
31
4.1 DISEÑO MECÁNICO
31
4.1.1 Diseño del tanque principal
31
4.1.1.1 Puerta del tanque principal
55
4.1.1.2 Cálculo de las fuerzas ejercidas sobre el tanque principal
56
4.1.2 Tanque auxiliar
59
4.1.3 Carcasa del equipo
60
4.1.4 Tuberías
60
4.1.5 Selección de los materiales y accesorios
60
6. CONCLUSIONES
92
BIBLIOGRAFÍA
94
GLOSARIO
97
ANEXOS
100
LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Fórmulas en términos de dimensiones internas
29
Tabla 2. Tipos de uniones. Soldaduras
29
Tabla 3. Propiedades del vapor saturado
36
Tabla 4. Propiedades del acero AISI 304
61
Tabla 5. Comparación elementos de control
67
Tabla 6. Relación pines microcontrolador
74
LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Bandeja
32
Figura 2. Porta bandejas vista frontal
33
Figura 3. Vista frontal del tanque principal
34
Figura 4. Tapas del tanque
34
Figura 5. Tanque principal
35
Figura 6. Tanque inclinado un ángulo α
38
Figura 7. Región Total (
39
Figura 8. Región 1( ) Figura 9. Región 2( )
)
39 39
Figura 20. Baquela sensores
69
Figura 21. Fuente de poder
71
Figura 22. Baquela fuente de poder
71
Figura 23. Configuración amplificador no inversor
72
Figura 24. Circuito de potencia
73
Figura 25. Baquela de potencia
73
Figura 26. Circuito microcontrolador
74
Figura 27. Baquela de microcontrolador
75
LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A. MPX 5700
101
Anexo B. Termocupla tipo J
103
Anexo C. AD620
104
Anexo D. LM35
108
Anexo E. Cotización
111
Anexo F. Manual de operación y mantenimiento del autoclave
115
Anexo G. Planos
125
LISTA DE PLANOS pág. Plano 1. AUTOCLAVE
126
Plano 2. CARCASA
127
Plano 3. CARCASA 1
128
Plano 4. ESPALDAR
129
Plano 5. BASE
130
Plano 6. FRENTE PISO
131
Plano 7. CIERRE DERECHO
132
Plano 8. CIERRE IZQUIERDO
133
Plano 9. PASADOR
134
Plano 21. ESTRUCTURA BRAZO
146
Plano 22. GUÍA
147
Plano 23. AJUSTE
148
Plano 24. ACOPLE
149
Plano 25. PALANCA
150
Plano 26. EJE
151
Plano 27. CARGA
152
Plano 28. PORTABANDEJAS
153
Plano 29. BANDEJA
154
TÍTULO DEL PROYECTO Diseño y construcción de un dispositivo médico de esterilización automático para la industria odontológica.
INTRODUCCIÓN Con este trabajo se busca proporcionar a la industria colombiana un equipo actualizado, de fácil operación y desarrollado acorde con las normas ICONTEC. Éste modelo posee controles de temperatura y presión que permiten, a quien lo opere, prestar atención a otras actividades mientras el proceso de esterilización se lleva a cabo. Estas modernas características lo diferencian de otros equipos de su mismo tipo. Una de las ventajas que plantea este proyecto, es que al ser un equipo producido en Colombia, trae consigo una disminución del precio de salida al mercado en comparación con otros equipos de esterilización automatizados que se venden en el país, ya que estos últimos son importados, lo que incrementa su costo final. Son estos altos precios una de las causas para que el acceso a ésta tecnología por parte de los consultorios esté aún muy limitado. Con este equipo se provee un manual de operación y mantenimiento, para que al momento de ponerle en funcionamiento su desempeño sea el correcto y se minimicen las posibles fallas. En caso de presentarse alguna anomalía el usuario podrá identificar la causa del problema recurriendo al manual.
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 ANTECEDENTES Los dispositivos médicos son un componente fundamental en la prestación de los servicios de salud, por este motivo se puede decir que cerca del 60% de los elementos usados en los hospitales,-representado en aproximadamente 5.000 diferentes tipos de equipos médicos incluyendo productos que van desde una aguja o jeringa, hasta elementos de alta tecnología como los tomógrafos, equipos de esterilización y marcapasos implantables, son catalogados en el grupo de tecnologías sanitarias1. En el mercado actual se encuentran dispositivos como los de Sterilof 2, fabricante de autoclaves automáticos en acero inoxidable, con puertas de seguridad tipo pivote que manejan ciclos de 121ºC y 134ºC, control de tiempo y de temperatura; con éstas mismas características tenemos los de Kromadent 3. La compañía Tecnidental4 ofrece autoclaves con diseños más innovadores y semiautomáticas.
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Se pensó en diseñar y construir un dispositivo capaz de esterilizar la instrumentación utilizada en los consultorios odontológicos, teniendo en cuenta las normas establecidas por el Ministerio de la Protección Social para este tipo de
1.3 JUSTIFICACIÓN Ya que en el mercado existen diferentes métodos de esterilización como son la desecación y la congelación, las cuales eliminan muchas especies de bacterias y otras simplemente permanecen en estado vegetativo; el calor seco o húmedo elimina todas las bacterias, combinando adecuadamente factores como la temperatura a la que se someten y el tiempo de exposición. Es necesario decir que los dispositivos que se fabrican para aplicar este tipo de métodos de esterilización son de manufactura muy artesanal y presentan diferentes tipos de problemas. Estos equipos son herramientas de primera mano en los consultorios odontológicos, ya que en estos es necesario esterilizar continuamente la instrumentación para evitar infecciones y propagación de virus.
1.4 OBJETIVOS 1.4.1 Objetivo general Diseñar y construir un dispositivo médico automático para la esterilización de instrumental odontológico. 1.4.2 Objetivos específicos
Como se sabe que los dispositivos para esterilización que permiten ser automatizados trabajan a altas temperaturas, para su construcción se tuvo en cuenta que los materiales usados dentro de este diseño fueran resistentes a altas temperaturas, asegurando su correcto desempeño.
2. METODOLOGÍA 2.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN El enfoque que corresponde a la facultad de Ingeniería es un enfoque empíricoanalítico, ya que se busca lograr una interpretación de un suceso o una situación en específico como lo es el proceso de esterilización de instrumental odontológico, para así lograr un diseño adecuado y conveniente para dar solución a esta problemática. 2.2. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SEDE BOGOTÁ D.C. / SUB-LÍNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA La línea investigativa que corresponde a Ingeniería Mecatrónica es Tecnologías Actuales y Sociedad, de esta forma se puede definir la sublínea de investigación de la facultad más adecuada para este proyecto, siendo esta la de Instrumentación y Control de Procesos ya que uno de los fines de este proyecto es el de controlar de una manera eficiente el proceso de esterilización del dispositivo médico. Luego de haber definido la línea y la sublínea de investigación, es posible ubicar este trabajo dentro del campo de investigación correspondiente a automatización de procesos, ya que se espera diseñar un dispositivo médico automático de esterilización.
3. MARCO DE REFERENCIA 3.1 MARCO TEÓRICO - CONCEPTUAL 3.1.1 Esterilización5. Se define como la destrucción de todas las formas de vida. Puede ser efectuada por varios agentes. En relación a los requisitos prácticos del laboratorio bacteriológico muchos de esos agentes tales como electricidad, luz del sol, entre otros, son de poco valor y se limitan en sus aplicaciones; otros están tan bien satisfechos a los propósitos determinados que su uso está restringido casi enteramente a tales aplicaciones. Los métodos más usados son por calor, vapor y presión, y productos químicos, no obstante el autoclave es el más eficaz si está realizado correctamente. Los dos métodos generales de esterilización son el físico y el químico. 3.1.1.1 Método físico
Esterilización por agente físico: Las soluciones concentradas destruyen
microorganismos retirando el agua de sus células y la desecación que es destructiva a muchos microbios, especialmente los que no formen las esporas. Esterilización por calor seco:
consiste en calentar el agua en intervalos durante tres días, así garantizan la eliminación de la mayoría de los microorganismos. Por la calefacción calefacción continua o discontinua en vapor que que fluye en 100ºC. Por una calefacción en el vapor vapor sobrecalentado (vapor bajo presión) en las temperaturas sobre 100ºC., generalmente 115ºC. (cerca de 10 Ib.) o 120ºC. (cerca de 15 Ib.): Se observa que los elementos sometidos a esta temperatura alta experimentan los cambios hidrolíticos que los hacen inadecuados para la cultivación de microorganismos más delicados. La esterilización en el vapor sobrecalentado se realiza en un aparato especial llamado un autoclave, que puede ser construido en cuanto a funcionamiento por el vapor directo o indirecto. El último es el más adecuado para la esterilización.
Esterilización por la luz (UV): La luz actúa produciendo germicidas químicos
Esterilización de filtración: Se puede efectuar por la filtración de gases o de
Esterilización por diálisis: Es uno de los métodos más recientes que se ideó
de gran alcance, probablemente orgánicos por los óxidos, en el medio rodeando las bacterias. Ciertos rayos de la luz, del azul, del violeta y ultravioleta en detalle son destructivos a las células vivas. líquidos a través de los materiales que conservarán microorganismos. para la preparación de vacunas antirrábicas. Se destruye el virus vivo, y todas sus características de inmunización son conservadas intactas.
corrosivos del fluido que pasa a través de ella, así como las fuerzas externas corrosivas sobre la tubería. La corrosión se divide en dos tipos básicos: general y localizada.
3.1.2.1 Corrosión general. Se trata de un ruptura uniforme en toda la superficie del material de la tubería, por un ataque químico directo. Es causada por la pérdida de la película de protección pasiva que se forma en la superficie de la tubería, junto con la reacción química que ocurre entre el material, la tubería y la sustancia química del fluido. 3.1.2.2 Corrosión galvánica. Este tipo de corrosión ocurre en medio de un líquido (llamado electrolito) cuando un metal más activo (ánodo) y un metal menos activo (cátodo) entran en contacto y forman un electrodo de potencial. Cuando esto ocurre, el metal más activo tiende a disolverse en el electrolito. es un movimiento a gran escala 3.1.3 Transferencia de calor 7. La convección es de líquidos o gases. No se puede producir en los sólidos. Diferencias de densidad entre los fluidos calientes y fríos producen un movimiento natural de la gravedad. Cuando un líquido se calienta, se vuelve menos denso. El líquido más ligero se moverá hacia arriba en la ausencia de circulación forzada. El calor se transfiere
Hay varios métodos utilizados para calcular el flujo de calor a través del material, o la resistencia del material a dicho flujo. La capacidad de un sólido específico para conducir el calor se llama conductividad térmica, y se mide en BTU/h. Esto se conoce como el factor k. El estándar que se utiliza para encontrar k determina la cantidad de calor que se derivará en 1 hora a través del espesor del material y un área de superficie con una diferencia de temperatura entre las caras del material que se midió. El flujo total de calor en Btu/m 2*h a través de cualquier material se calcula mediante la siguiente fórmula:
Ecuación c
Donde: k= Flujo de calor [Btu/h/ft 2/ºF] KI= k factor de aislamiento del material. = diferencia de temperatura [ºF] A= Área en el exterior del aislamiento [ft 2] t= Espesor del aislamiento [in] A medida que aumenta el factor k, también lo hace el flujo de calor. La conductividad mide el flujo de calor a través de una muestra de espesor estándar arbitrario de un material específico. La conductividad (C) se mide en BTU/h*m 2*F, calculada con la fórmula siguiente:
Para el aislamiento, la conducción es el método principal en la transmisión de calor. La conductividad térmica se lleva a cabo sólo en materiales homogéneos. En la gama de materiales utilizados para el aislamiento térmico, un material homogéneo se define como una sustancia cuya conductividad térmica no cambia dentro del rango de espesor. En su mayor parte, los materiales de construcción como el ladrillo y la madera son considerados como homogéneos. Sin embargo, el aislamiento térmico es más poroso y en realidad compuesto de material sólido que rodea pequeñas bolsas de aire. Por lo tanto, la conducción no es el único medio de transferencia de calor. Además, una película superficial del aire, líquidos, o incluso la materia sólida está casi siempre presente en todo el aislamiento y el tubo en el que está instalado. Esto impide el flujo de calor. Por esta razón, el término de la conductividad térmica aparente es científicamente correcto cuando se refiere a los valores de k utilizados. El flujo de calor se define como la ganancia o pérdida total de calor de todo un sistema o un componente de ese sistema, y se mide en BTU/h. El flujo de calor término se utiliza para medir la ganancia o pérdida de calor a partir de sólo 1 ft 2 de un sistema o componente. El flujo de calor se mide en BTU/h*ft 2 y es el producto de la diferencia de temperatura y la conductancia C.
integridad para llegar al espesor de la pared mínimos de diseño final. Los componentes principales de c son: Espesor de la pared añadido para tener en cuenta el deterioro progresivo progresivo o adelgazamiento de la pared en servicio debido a los efectos de la corrosión, erosión y desgaste. Espesor de la pared añadido al material material removido para facilitar la unión de los distintos segmentos del sistema. Espesor de la pared agregado para proporcionar resistencia mecánica.
3.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO NORMATIVO 3.2.1 Esterilización de productos para el cuidado de la salud. Requisitos para la validación y el control de rutina de la esterilización al calor húmedo . Servicio Servicio s en instituciones de salud. (NTC 4618): E q u i p o s 9 . El esterilizador debe estar diseñado para operar con vapor saturado o mezclas preestablecidas de aire-vapor. Cuando se utilice vapor saturado, el vapor suministrado al esterilizador debe tener un valor seco menor a 0.95, conteniendo no más de 3.5% de volumen de fracción de gases no condensables y no debe sobrecalentarse a más de 5ºC. La caldera de vapor y las tuberías de transmisión deben ser de tamaño y capacidad suficientes para proveer al esterilizador una presión y volumen de vapor adecuadas. La fluctuación de la presión del vapor antes de la válvula de reducción no debe ser mayor a 2:1. Las trampas de vapor y aire se deben instalar para los
3.2.1.2 Sistemas de control. La temperatura de la cámara se debe medir utilizando un sensor térmico ubicado de tal forma que tenga relación con la temperatura ocurrente en el espacio utilizable de la cámara. Por lo general se aceptan detectores de temperatura de resistencia (RTD) o señales de sensor de termocupla. En la esterilización de vapor saturado, la temperatura controlada de la cámara se correlaciona con la presión indicada de la cámara. 3.2.1.3 Precisión de los instrumentos. El aparato de control de temperatura debe: Ser análogo o digital. Tener una exactitud de ±1% dentro de la escala de 50ºC a 150ºC. Estar ajustado a ±0.5ºC en la temperatura de esterilización. interrumpido. Tener protección de sensor interrumpido. Ser ajustable en el sitio, utilizando una tecla, código o herramienta sin desarmar el instrumento. El aparato de control de la presión debe: Ser análogo o digital. exactitud de ±1.6% o mayor dentro de la escala de 0 bar a 5 bar Tener una exactitud absolutos (0kPa a 500kPa). Tener protección de sensor interrumpido. interrumpido. Ser ajustable en el sitio, utilizando una tecla, código o herramienta sin desarmar el instrumento.
En circunstancias excepcionales podría ser necesario desarrollar los ciclos de esterilización que utilizan relaciones de tiempo/temperatura diferentes a las reconocidas en la literatura científica y técnica.
3.2.1.5 Esterilización de rutina al calor húmedo11. La base del control del proceso de esterilización con vapor es la medición de parámetros físicos, como el tiempo, la temperatura y la presión. La capacidad para reproducir el ciclo sólo se puede determinar si la instrumentación utilizada para las mediciones funciona correctamente y se calibra periódicamente. 3.2.2 Requisitos fundamentales de seguridad y funcionamiento de los dispositivos médicos12. Los dispositivos médicos deberán cumplir con los requisitos de seguridad y funcionamiento establecidos por el fabricante que les sean aplicables de acuerdo con la finalidad prevista. Al seleccionar las soluciones más adecuadas a los riesgos derivados de la utilización de los dispositivos médicos, el fabricante aplicará los siguientes requisitos, en el orden que se indica a continuación: a. Eliminar o reducir los riesgos en la medida de lo posible (seguridad inherente al diseño y a la fabricación); b. Adoptar las oportunas medidas de protección, incluso alarmas, en caso de que fuesen necesarias, frente a los riesgos que no puedan eliminarse;
alterarse en un grado tal que se vean comprometidos el estado clínico, la salud y la seguridad de los pacientes y, en su caso, de terceros, cuando el producto se vea sometido a las situaciones que puedan derivarse de las condiciones normales de utilización.
3.2.3 Bioseguridad Odontológica13. Es el conjunto de medidas preventivas que tienen como objeto proteger la salud y seguridad y seguridad personal de los profesionales de salud y pacientes frente a los diferentes riesgos producidos por agentes biológicos, físicos, químicos y mecánicos. Estas normas indican cómo hacer para cometer menos errores y sufrir pocos accidentes y, si ellos ocurren, cómo se deben minimizar sus consecuencias. Bioseguridad debe entenderse como una doctrina de comportamiento de comportamiento encaminada a lograr actitudes actitudes y conductas que disminuyan el riesgo del trabajador de la salud de adquirir infecciones en el medio laboral. medio laboral. Compromete Compromete también a todas aquellas otras personas que se encuentran en el ambiente el ambiente asistencial, éste ambiente debe estar diseñado en el marco de una estrategia de disminución de riesgos. Para evitar la propagación de las enfermedades o contagios se debe interrumpir el proceso de transmisión de las mismas. Entonces es preciso tomar medidas protectoras tanto para protegerse como para proteger a las personas que están bajo el cuidado de los diseñadores. Todo instrumental que se usará en área clínica directa debe estar estéril. Piezas
No críticos: Instrumentos o insumos que toman contacto con piel intacta.
Deben recibir desinfección de nivel intermedio o bajo, o lavado con detergente y agua. Ej.: cabezal de equipo de rayos.
Todos los instrumentos dentales críticos y semicríticos que son estables al calor deben ser esterilizados rutinariamente después de cada uso, de preferencia en autoclave a vapor, o en su defecto, calor seco, siguiendo las instrucciones del fabricante de los instrumentos y de los equipos.
3.2.3.2 Condiciones de uso Equipos de Esterilización 180° C por 30 minutos. 170° C por 1 hora. 160° C por 2 horas. 121° C - 15 minutos - 1.5 atm. 126° C - 10 minutos - 2.0 atm. 134° C - 3 minutos - 2.9 atm. 29-38° C por 5 horas. 2.5 horas. 49-63° C por 2.5 3.2.3.3 Precauciones Largo tiempo de esterilización daña plásticos y gomas. No abrir la puerta antes del término del ciclo. No usar contenedores
3.2.4 Ecuaciones según la norma ASME para la construcción de tanques Tabla 1. Fórmulas en términos de dimensiones internas P= Presión máxima, kPa S= Esfuerzo del material, kPa t= Espesor del material, mm
R= Radio interno, mm E= Unión de eficiencia, (véase tabla 2) CA= Tolerancia de corrosión, mm a. ARM ARMAZ N ESF RICO 1 2
a. TAPA TAPA ESF ESF RICA RICA O SEMIESFÉRICA 1 2
Fuente. MEGYESY, Eugene. Traducido de: Pressure vessel handbook. Décima Edición.
Tabla 2. (Continuación) 3
Uniones circunferenciales con espesor no mayor 5/8” y diámetro externo no mayor a 24”. Aplicar a, b, ó c.
4
0.90 0.80 0.60
* Unión longitudinal con espesor no mayor a 3/8”. Aplicar a.
* Unión circunferencial con espesor no
0.90 0.80 0.55
mayor a 5/8”. Aplicar b ó c.
5
* Uniones circunferenciales para acoplamiento de tapas n o mayor a 24”; diámetro externo del revestimiento no 0.90 mayor a 1/2". No incluye uniones semiesféricas. Aplicar b. * Unión Unión circunferencial circunferencial para revestimiento revestimiento
0.80 0.50
no mayor a 5/8” de espesor nominal, donde
6
la distancia desde el centro de la clavija a la soldadura no sea menor a 1.5 veces el diámetro del agujero de la clavija. Aplicar c. * Para la conexión de la tapa convexa a la presión a lo largo el espesor requerido no 0.90 debe ser mayor a 5/8”, solo se usa en la
línea de soldadura interna. Aplicar a ó b. * Para conexiones de tapas que tienen
0.80 0.45
4. DISEÑO INGENIERIL Estudiando los diferentes métodos de esterilización se seleccionó el método de esterilización por calor húmedo, debido a que el agua es una especie química muy reactiva y muchas estructuras biológicas (DNA, RNA, proteínas, entre otros) son producidas por reacciones que eliminan agua 14. Por lo tanto, reacciones inversas podrían dañar a la célula a causa de la producción de productos tóxicos. Además el vapor de agua posee una conductividad térmica más elevado que el aire (Agua 0.613 W (m•K) – Aire 0.026 W (m•K))15. Por lo que, los materiales húmedos conducen el calor mucho más rápidamente que los materiales secos por la energía liberada durante la condensación 16. El método de esterilización por calor seco se descartó ya que este requiere de un mayor tiempo de esterilización respecto al calor húmedo, por causa de la baja penetración del calor. También fue descartado el método de esterilización por la luz UV, ya que estos rayos son escasamente penetrantes y son más utilizados para superficies. Habiendo decido que el método de esterilización es el de vapor húmedo y descartando los demás métodos, se sabe que el dispositivo que realiza este tipo de esterilización es el autoclave, además de ser uno de los más utilizados en los laboratorios. Este método permite un rápido calentamiento y penetración, destrucción de bacterias y esporas en corto tiempo, no deja residuos tóxicos, hay
ellas y para permitir el flujo de vapor, estos orificios fueron distribuidos de una manera uniforme en 8 filas de 5 columnas con diámetro de 4.5mm, ya que los instrumentos deben ser esterilizados con vapor de agua y no ser sumergidos en ella para lograr el objetivo.
Figura 1. Bandeja
Figura 2. Porta bandejas vista frontal
Por física mecánica se conoce que el círculo es la forma que tiene mayor resistencia a las fuerzas aplicadas, por esta razón el tanque debe tener una forma cilíndrica ya que esta permite una mayor resistencia de las paredes a la presión interior del vapor 17, una menor acumulación de bacterias y que facilita la limpieza de este, el diámetro del tanque se define por la ecuación de la circunferencia 18 como:
Figura 3. Vista frontal del tanque principal
Por lo tanto para el cilindro del tanque principal de la figura 3, donde se muestra el porta bandejas dentro de este, el diámetro esta dado según la ecuación 1 por:
El centro de la circunferencia se define trazando las mediatrices 19 de las dos rectas que se conocen en forma perpendicular y por el centro de cada una. De la figura 4 se observa que las dos mediatrices se cortan en el punto (18.5, 11) por lo tanto el radio de la circunferencia esta dado por la ecuación 1:
̅
De esto se tiene que el segmento
Figura 5. Tanque principal
de la figura 4 mide 3cm.
El volumen del casquete cilíndrico que forma las tapas del tanque esta dado por:
Ecuación 4
Se toman el y el obtener el volumen total:
para reemplazarse en la Ecuación 2 y así
Ecuación 2.1
Por lo que el volumen del tanque principal es 0.01522
.
Para lograr la esterilización por vapor la norma NTC 4618 (antes mencionada) establece como temperatura de operación 121ºC, de donde se tiene según tablas de vapor saturado:
Tabla 3. Propiedades del vapor saturado
Despejando X1 se conoce que la presión de operación es 205.63 KPa. Para X2:
Despejando X2 se conoce que el volumen específico para el líquido saturado ( es 0.001061 m 3/kg. Para X3:
)
Despejando X3 se conoce que el volumen específico para el vapor saturado ( ) es 0.86985 m3/kg. Debido a que la masa de agua inicial en el proceso es la misma cuando se alcanzan los valores de operación (ya que se considera que el sistema no tiene escapes), y se conoce por su estado final que el volumen de vapor más el
Despejando equivale a:
se obtiene que la masa de agua es 0.342Kg, lo que en cm 3
Así el volumen de agua es 342 cm3, lo que es equivalente a 0.000342 m 3. Con este valor se puede determinar el ángulo de inclinación del tanque principal, ya que al encontrarse en esta posición se facilita la extracción del agua que se haya condensado luego de terminado el proceso (véase figura 6).
Figura 6. Tanque inclinado un ángulo α
Figura 7. Región total (R 3)
Figura 8. Región 1 (R1)
Por lo tanto el volumen que corresponde a la región total esta dado por:
Se reemplazó
Ecuación 6
0.000342 m3:
Ecuación 6.1
corresponde al volumen de la región 1(véase figura 7) y esta dado por:
Figura 10. Rotación región 1
∫
Ecuación 7
Se reemplazó la ecuación 9 en 8 y se obtuvo:
∫ * ∫
Ecuación 8.1
Luego se sustituyo ésta en la ecuación 7:
Ecuación 7.1
corresponde al volumen de la región 2 (véase figura 8):
∫
Ecuación 10
Figura 12. Área región 2
De donde: O = centro de la esfera de la figura 4 A1 = triángulo 1 A2 = triángulo 2 h1 = altura del triángulo 1 h2 = altura del triángulo 2 En la figura 12 se puede ver que que es el área de interés esta dado por:
Figura 13. Triángulo 1
Para conocer h1:
Ecuación 13
Es necesario calcular h 3 para determinar la altura del triángulo 2, por lo que se debe hallar primero h 4 y h5. Por el teorema de Pitágoras se obtiene h 4:
Se reemplazó la ecuación 9 y 13.1 para determinar h 4:
Ecuación 15
Teniendo h4 se determinó h5:
Figura 14. Triángulo 2
Ecuación 16
̅
̅ ̅ ̅ * ̅
Para conocer h2 se determinó primero N, por lo lo que de la la figura 7 del triángulo que se forma en , el segmento está dado según el teorema teorema de Pitágoras por:
Por lo que,
Del triángulo de
de la figura 7 por la ley del seno se tiene,
Ecuación 18
̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅
Se halló luego el segmento
por la ley del coseno
Sustituyendo τ,
Ecuación 21
Fue necesario formar un nuevo triángulo con el segmento de la figura 7 y hallar por el teorema de Pitágoras el segmento , ya que no se tenían datos adicionales de la figura 14 y lo que se necesitaba conocer era N.
Se reemplazó H (Ecuación 19)
Para determinar el área del triángulo 2 (véase figura 14) se obtuvo h 2:
*
Ecuación 24
Sustituyendo la ecuación 19 y 23.1 en 24:
Ecuación 24.1
Conociendo h2 y que b 2 =21.5cm el área del triángulo 2 esta dada por:
El ángulo de rotación de la región 2 (véase figura 11) esta dado por la figura 15:
Figura 15. Ángulo de rotación R2
Por lo que el ángulo de giro de la región 2 esta dado por:
El ángulo υ del sector circular de la región 2 ( véase figura 12) está dado por el teorema del coseno para ζ del triángulo 1 (véase figura 13):
Se reemplazaron las ecuaciones 9 y 17.1 y despejando ζ:
Ecuación 26
Y ε del triángulo 2 ( véase figura 14):
Se reemplazaron las ecuaciones 13.1 y 17.1 y despejando ε
[ *]*] *
[ *]*] * Ecuación 28 Se reemplazó el ángulo Ф en la ecuación 10.1:
∫
Reemplazando N (ecuación 23.1) y despejando z se tiene:
,
Ecuación 29
Por semejanza de triángulos se determinó L:
,
Reemplazando H (ecuación 9), z y despejando L se obtuvo:
L=
√
Ecuación 31
Luego de obtener X1 se halló el ángulo η para luego determinar μ ya que el ángulo de giro θ es 2 veces μ.
Si X= X1 y se despeja η: η=
[ *]*]+
[ *]*]+ √ Ecuación 34
Se reemplazó el ángulo θ en la ecuación 7.1:
[*]+ ( ) √ ∫ Ecuación 7.2 Las ecuaciones 7.2 y 10.2 se reemplazan en la ecuación 6.1
[*]+ [ ( ) ) ( √ ∫
Fue necesario llevar a Matlab estas ecuaciones para buscar el valor de por lo que el código fue:
syms b // b = syms h // h = syms d // d= >>a=2*(90-acos((sqrt(121-tan(b)*(30+((sqrt(715.38+684.13*cos(3.1416(asin((15.91*sin(0.7621 (asin((15.91*sin(0.7621-b))/21.5))-(0. -b))/21.5))-(0.7621-b))-sqr 7621-b))-sqrt((30*tan(b) t((30*tan(b)).^2+900) ).^2+900)))*cos(b)))))/11 ))*cos(b)))))/11)); )); >> e= tan(b); >> C= 450*int(e,d,-a,a) C= 450*tan(b)*(360-4*acos(1/11*(121tan(b)*(30+1/10*(71538+68413*cos(4759/2000+asin(37/50*sin(-7621/10000+b))+b)3000*(tan(b)^2+1)^(1/ 3000*(tan(b)^2+1)^(1/2))^(1/2)*co 2))^(1/2)*cos(b)))^(1/2 s(b)))^(1/2))) ))) >>f=231.25*sin(acos(((30*tan(b)).^2-462.25-sqrt((30*sin(1.0338)*tan(b)).^2+(21.5sqrt((30*tan(b)).^2(30*sin(1.0338)*tan(b)).^2)).^2))/(43*sqrt((30*sin(1.0338)*tan(b)).^2+((30*tan(b)).^2(30*sin(1.0338)*tan(b)).^2).^2)))+acos(((sqrt(715.38+684.13*cos(3.1416(sin((15.91*sin(0.7621-b))/21.5))-(0.7621-b)))-sqrt((30*tan(b)).^2+900)).^2-462.25sqrt((30*sin(1.0338)*tan(b)).^2+(21.5-sqrt((30*tan(b)).^2(30*sin(1.0338)*tan(b)).^2)).^2))/(43*sqrt((30*sin(1.0338)*tan(b)).^2+(21.5sqrt((30*tan(b)).^2-(30*si sqrt((30*tan(b)).^2-(30*sin(1.0338 n(1.0338)*tan(b)).^2 )*tan(b)).^2)).^2))))-322.5* )).^2))))-322.5*sin(1.0338 sin(1.0338)*tan(b))*tan(b)(10.75*((sqrt(715.38+684.13*cos(3.1416-(asin((15.91*sin(0.7621-b))/21.5))-(0.7621-b)))sqrt((30*tan(b)).^2+90 sqrt((30*tan(b)).^2+900))*sin(asin((15 0))*sin(asin((15.91*sin(0. .91*sin(0.7621-b))/21 7621-b))/21.5)))); .5)))); >> g=int(f,h,(-1.0727),(1.0727)) g=
7593543950336/43*(900*tan(b)^2-1849/41/281474976710656*(52645380808466989564567450817929*tan(b)^2+79228162514264 337593543950336*(43/21/281474976710656*18659965454370914269622104484471^(1/2)*(tan(b)^2)^(1/2))^2)^(1 /2))/(417099678631 /2))/(417099678631855550 8555509700007 9700007120138 1201386484855 64848556741819 6741819167197 1671972954374 2954374144*tan(b 144*tan(b)^2 )^2 +348194310758315921031225800025423978151253379622996928680149841*tan(b)^4) ^(1/2))+acos(281474976710656/43*((1/10*(71538+68413*cos(4759/2000+sin(37/50*sin(7621/10000+b))+b))^(1/2)-30*(tan(b)^2+1)^(1/2))^2-1849/41/281474976710656*(52645380808466989564567450817929*tan(b)^2+79228162514264 337593543950336*(43/21/281474976710656*18659965454370914269622104484471^(1/2)*(tan(b)^2)^(1/2))^2)^(1 /2))/(526453808084 /2))/(526453808084669895 6698956456745 6456745081792 0817929*tan(b)^2 9*tan(b)^2+792281 +7922816251426 6251426433759 433759354395 354395033 033 6*(43/21/281474976710656*18659965454370914269622104484471^(1/2)*(tan(b)^2)^(1/2))^2)^(1 /2)))10458680442085195209/17592186044416000*tan(b)+17066657/1000000*(1/10*(71538+ 68413*cos(4759/2000+asin(37/50*sin(-7621/10000+b))+b))^(1/2)30*(tan(b)^2+1)^(1/2))*sin(-7621/10000+b)-1400 >> [b]=solve(K)
Debido a que los resultados que se obtuvieron en Matlab no fueron concluyentes para determinar el ángulo necesario para inclinar el autoclave, por medio pruebas realizadas directamente sobre el equipo se determino que un ángulo apropiado no debía ser mayor a los 12º, por presentación del equipo y porque se podrían mojar
El elemento guía esta fijo en el centro de la puerta y va unido al eje roscado, el cual aleja o acerca la puerta al girar las palancas y el brazo es el que asegura que se ejerza la presión necesaria para sellar correctamente el equipo ya que este esta fijo en uno de sus lados y se asegura al otro extremo a través de un pasador.
4.1.1.2 Cálculo de las las fuerzas ejercidas sobre el tanque tanque principal. Para: r = 110mm; P=205.63KPa; t=1.5mm
Tensiones normales en la pared del cilindro: El esfuerzo en el aro y axial son los principales para el cilindro. Existe un tercero que actúa en la dirección radial. En la superficie externa del cilindro la presión es cero, en consecuencia el esfuerzo radial =0. En la superficie interna, el esfuerzo radial es , desde que la presión empuje la superficie interior.
El esfuerzo en la dirección de la circunferencia (esfuerzo en el aro) esta dada por:
Ecuación 37
En la superficie interior de un recipiente a presión cilíndrico cerrado, el esfuerzo cortante máximo absoluto debe tener en cuenta el esfuerzo radial creado directamente por la presión. El esfuerzo principal positivo esta dado por el esfuerzo en el aro
Ecuación 38
Y el esfuerzo principal negativo esta dado por la tensión radial Ecuación 39
Por lo tanto el esfuerzo cortante máximo absoluto en la superficie interior esta dado por:
Y la deformación axial es:
Ecuación 42
La deformación radial es:
Ecuación 43
La presión interna crea una tensión de compresión igual en la dirección radial en la superficie interna del cilindro. Puesto que hay tensiones normales en tres direcciones en la superficie interior del cilindro (sentido longitudinal, circunferencial y radial), la pared se somete a un estado de tensión triaxial. Usando la ley de Hooke para tensión triaxial para calcular las deformaciones
La deformación radial es:
Ecuación 46
4.1.2 Tanque auxiliar. Las dimensiones de este tanque son limitadas por el tamaño del equipo, se decide darle una capacidad para un uso de 4 ciclos seguidos, para que el personal que lo vaya a usar tenga que recargarlo lo menos posible en una jornada normal de uso; conociendo que la cantidad de agua utilizada por cada ciclo es de 342cm 3, el tanque auxiliar debe tener una capacidad de:
Conociendo que se necesita un tanque auxiliar con una capacidad de ,y por espacio para no hacer demasiado grande el equipo, ya que será usado en un como equipo de mesa, se sabe que sus medidas mínimas serían de 11x11x11 cm se definen las dimensiones de este tanque así:
Donde las electroválvulas que se usarán serán ubicadas a 3 cm de la base del tanque por lo que los 1368 cm 3 deben estar por encima de ese nivel, con estas medidas la capacidad real del tanque auxiliar es .
4.1.3 Carcasa del equipo. Para definir estas medidas se tuvo en cuenta las medidas del tanque principal y de reserva, se definió que:
Debido a la profundidad del tanque principal (desde el cilindro cilindro hasta la tapa posterior), la profundidad de la carcasa debe ser de 40cm.
Se definió el ancho con base el las dimensiones de los tanques y teniendo en cuenta la necesidad de ubicar los elementos de encendido, puesta en marcha y los indicadores, de esta forma el ancho es de 39cm.
Teniendo en cuenta la altura de los tanques y el espacio ocupado por al aislante, el alto de la carcasa es de 29cm.
La carcasa se elabora en acero AISI 304 calibre 22, se eligió este calibre ya que este elemento no esta sometido a alta presión, es resistente y no aumenta significativamente el peso total del equipo.
4.1.4 Tuberías. Una vez definidas las medidas de los tanques se delimito la
Tabla 4. Propiedades del acero AISI 304 Propiedad Densid Densidad ad Capacidad térmica especifica Conductividad térmica Resistencia a la tracción
Valor unidad métrica 7.9 *10 kg/m kg/m 502 J/(kg * ºK) 16.2 W/(m * ºK) 586 MPa
Fuente. SUBSTECH. Acero Inoxidable AISI304 [en línea] [citado el 29 de Julio de 2009]
Según la ecuación a1 de la tabla tab la 1 se tiene: P= 500 kPa R= 110 mm S= 586000 kPa De la tabla 2 se seleccionó E=1 ya que es la unión de eficiencia que no tiene fisuras.
accidente, lo que hace que sea necesario utilizar un calibre 16 para la elaboración del tanque principal, debido a que las presiones dentro del mismo son muy altas y se debe evitar al máximo cualquier percance. Como este tanque no soporta grandes presiones, ya Como Calibre del tanque auxiliar:
que su función es solo la de almacenamiento de agua, se utiliza un acero inoxidable austenítico AISI 304 de calibre 22, pues se considera que este calibre es de fácil manipulación y en la aplicación no sufrirá deformaciones.
Selec ci ón d e las t ub erías : Las tuberías utilizadas son de cobre porque este
material es altamente resistente a la corrosión por agua y por atmósfera, soporta altas temperaturas, tiene una vida útil muy extensa y es flexible. Esta última característica es muy importante y definitiva para el diseño, ya que las tuberías son de longitudes cortas y es necesario doblarlas. También se sabe que el cobre tiene propiedades antibacterianas21, cualidad que es muy útil para la aplicación.
Selec ci ón
de
v álv ula s: Para la aplicación desarrollada se eligió utilizar
electroválvulas debido a su fácil operabilidad y bajo costo. La ficha técnica de las válvulas seleccionadas son:
Válvula de llenado:
Selección Selección d e accesorios: Para la unión de las tuberías se utilizaron racores de Para
latón, ya que este material tiene acción antimicrobiana.
Selección de aislante: Para escoger el material aislante es necesario conocer la
transferencia de calor del tanque a su entorno por lo que según la primera ley de la termodinámica en sistemas cerrados:
Ecuación 47
Para este caso como no se realiza trabajo tenemos: Ecuación 48
La transferencia de calor entre el tanque y sus alrededores esta dada por convección puesto que es concebible que el aire en los alrededores del tanque tanque se calentará y ascenderá como resultado de la transferencia térmica del tanque.
̇
Ecuación 49
Para
Figura 18. Figura para determinar el área de la tapa del autoclave
Por ley del coseno:
El área de la región sombreada es:
̇ ̇ ̇ ̇ ̇
De donde: = es la emisividad de la superficie (0.17) 23 =es la constante de Stefan-Boltzman ( ) A= área de la superficie mediante la cual ocurre la transferencia térmica. = Temperatura de la superficie (tanque) (121 = Temperatura de las paredes circundantes. (22
[
]
Ecuación 51.1
Por lo tanto la tasa de transferencia de calor del tanque es:
Ecuación 52
Conociendo la transferencia total de calor del tanque se necesita un aislante que no permita este flujo de calor, como el aislante envuelve al tanque la transferencia de calor que se daría entre estos es por conducción, se decide utilizar como aislante la fibra de vidrio porque además de ser de fácil adquisición en el mercado, es de fácil manipulación y es incombustible, inatacable por agentes exteriores
Despejando
Por lo tanto el espesor mínimo para el aislante de fibra de vidrio es 0.25 cm, por disponibilidad en el mercado se utilizó un aislante con espesor de .
4.2 DISEÑO ELECTRÓNICO Y DE CONTROL Para la automatización de este equipo se deben controlar tres variables principales que son: temperatura, presión y tiempo; además de unas variables secundarias que son: cerrado de la puerta, nivel del agua dentro del tanque y nivel del tanque auxiliar. Para lograr el control de estas variables, variables , fue necesario buscar sensores que cumplieran con los parámetros de diseño establecidos en la norma técnica, además de implementar los actuadores. Para sensar la temperatura se necesitaba un elemento tipo industrial debido a la magnitud de las temperaturas a controlar (máx. 121ºC). En el mercado nacional se encontraron termocuplas tipo J y un dispositivo compuesto por el transmisor SITRANS TH 100 y el sensor RTD Pt100 que ofrece siemens. Entre estas dos opciones se eligió la termocupla tipo J por su tamaño y bajo costo.
Tabla 5. Comparación elementos de control ELEMENTO
TAMAÑO
COSTO
PLC PIC FREESCALE
X
X
Adecuado para el diseño
FACILIDAD DE PROGRAMACIÓN
X
X No adecuado para el diseño
De la tabla comparativa se puede observar que el microcontrolador freescale, freescale , es el más adecuado para el diseño. Dentro de las referencias que ofrecen los microcontroladores de freescale se optó por el GP32 debido a que satisface las necesidades de programación de la aplicación además de su manejo de potencia y el numero de puertos necesarios para el intercambio de datos o manejo de sensores, una razón muy fuerte para su uso es el manejo que le puede dar a diferentes señales con sus 8 ADC los cuales permitieron digitalizar todas las señales provenientes de cada uno de los sensores de manera separada.
4.2.1 Diseño Electrónico 4.2.1.1 Sensores. En la etapa de sensores, se debían controlar dos variables;
Cada paso del conversor análogo del microcontrolador registra 19.6mV para aproximarse a los 44.13mV donde el sensor registra el aumento de 1PSI es necesario tomar mediciones cada 2 pasos (39.2mV) del microcontrolador.
Temperatura: Para el caso de la temperatura la situación era diferente ya
que la termocupla, entrega una diferencia de voltaje en sus salidas dependiendo, del valor de temperatura encontrado en su entrada. Sin embargo esta medición mostraba un inconveniente y era que al conectar la termocupla a la baquela en los puntos de soldadura se crea otra termocupla que genera un voltaje, que se resta al valor del voltaje presentado por la acción de la temperatura en la entrada, conocido como la temperatura de cero grados; este error se corrige de varias maneras, una de ellas es poner a cero grados la unión de la termocupla a la baquela, lo cual resulta muy complicado en este caso, razón por la que se opto por otra solución, la cual es medir constantemente la temperatura en las uniones de la termocupla con la baquela y sumar esta temperatura, ya que si no se realiza esta compensación la termocupla estaría mostrando cero grados a la temperatura ambiente, por esto se adiciono un LM35 el cual es un sensor de temperatura lineal que se ubico en el punto de unión de la termocupla y que mide la temperatura de esta unión, realizando la compensación en frio sin necesidad de poner a cero grados la unión. Otro inconveniente se encuentra en el rango de variación de voltaje de la
Se observo que al conectar directamente los sensores al microcontrolador se producían errores aleatorios en las mediciones. Se concluyo que estos errores eran presentados por pulsos falsos, ya que el GP32 realiza instrucciones a una velocidad de 1MHz, por lo cual fue necesario poner condensadores cerámicos 104 conectados a tierra para eliminar estos pulsos falsos, obteniendo excelentes resultados, esta solución se llevo a todas las entradas usadas en el microcontrolador.
Figura 19. Circuito sensores
4.2.1.2 Fuente de poder. Fue necesario utilizar una fuente dual, ya que el amplificador de instrumentación AD620, usa voltajes positivos y negativos para su funcionamiento. En la etapa de transformación de voltajes, se uso un transformador con tap central y salidas de más o menos 12 voltios, estos voltajes entran a un puente rectificador de 2 amp. Ya que la corriente solicitada por el circuito no supera los 300 mA, se uso este puente para evitar inconvenientes de sobrecarga. A la salida del puente rectificador se ubicaron dos condensadores de 4700µf a 35V, uno para la salida positiva y otro para la salida negativa, estos elementos entregan una señal rectificada y filtrada de alrededor de 15Vdc debido a la gran capacidad de los condensadores. Según los criterios de diseño eran necesarias salidas de 12Vdc para la etapa de potencia, 5Vdc para LCD, los sensores y para el microcontrolador, el voltaje de menos 5Vdc era necesario en la amplificación de voltajes de la termocupla. Todos estos voltajes se debían obtener a partir de 15Vdc entregados en las etapas de rectificación y filtrado, por lo cual se opto por utilizar reguladores fijos de 5v,-5v y 12v, de la línea 78xx para voltajes positivos y de la línea 79xx para el voltaje negativo, a estos reguladores se les puso un diodo 4148 entre la salida y la entrada para la protección de estos, además fueron ubicados en la baquela con sus respectivos disipadores de calor, para evitar daños por exceso de temperatura.
Figura 21. Fuente de poder D3
1N4148 4 1 T1
D1
C1 4.7mF
C5 100nF
7
LM7812CT
LM7805CT
LINE VOLTAGE
LINE VOLTAGE
VREG
COMMON
C2 10uF
C7 100nF
VREG
COMMON
8 C9 10uF
C10 10uF 0
2
C4 4.7mF
C6 100nF 6
COMMON
VREG
VOLTAGE LINE
LM7905CT D2
1N4148
Figura 22. Baquela fuente de poder
C3 10uF
5
C8 100nF
escogió el LM324, el cual cumple con estas especificaciones y funciona a fuente única de hasta 30v. En el diseño del amplificador se tuvo en cuenta, que un uno lógico o un sí, enviado del microcontrolador son 5v y se debía llevar a 12v para disparar correctamente los relés los cuales realizan conexiones de potencia a 110 v AC.
Figura 23. Configuración amplificador no inversor
Para llevar 5v a 12v es necesaria una ganancia
Figura 24. Circuito de potencia
Figura 25. Baquela de potencia
4.2.2 Diseño de control 4.2.2.1 Esquemático Figura 26. Circuito microcontrolador
Tabla 6. (Continuación) PIN 13 14 15 16 17 18 19 20
NOMBRE PTE1 IRQ PTD0 PTD1 PTD2 PTD3 VSS VDD
VARIABLE E LCD ____ Sensor cerrado puerta Start-Inicio ____ ____ ____ ____
Figura 27. Baquela de microcontrolador
PIN
NOMBRE
33 34 35 36 37 38 39 40
PTA0 PTA1 PTA2 PTA3 PTA4 PTA5 PTA6 PTA7
VARIABLE D0 LCD D1 LCD D2 LCD D3 LCD D4 LCD D5 LCD D6 LCD D7 LCD
4.2.2.2 Diagrama de flujo
NO
Puer “PUERTA ABIERTA”
NO
“Tanque agua vacio”
NO
SI
Nivel de agua tanque = ok SI
Nivel de agua tanque auxiliar =
SI
Abre válvula válvula de entrada agua agua NO SI
Nivel de a ua
Cierra la válvula
Prende la resistencia C
“Presión” “Temperatura”
NO
4.2.2.3 Programa Declaración Declaración d e variables: $INCLUDE 'GPGTREGS.INC' COPD EQU 0 COCO EQU 7 RS EQU 0 E EQU 1 TEMPER EQU 40H ASCII1 EQU 41H ASCII2 EQU 42H ASCII3 EQU 43H TEMP EQU 44H MULT EQU 45H PRESION EQU 46H FACTOR EQU 47H SEG EQU 48H ; Crea un pedazo de memoria como registro MIN EQU 49H ; Crea un pedazo de memoria como registro LM35 EQU 4AH NIVEL EQU 4BH TANQUE EQU 4CH LED1 EQU 3 LED2 EQU 4 START EQU 1 RESIST EQU 0 SECADO EQU 1 VALVULA EQU 3 AGUA EQU 2 ORG 8000H
BCLR LDA STA BSET BCLR JSR LDA STA BSET BCLR JSR LDA STA BSET JSR
RS,PORTE #00111000Q PORTA E,PORTE E,PORTE TEMP_16 #00001100Q PORTA E,PORTE E,PORTE TEMP_16 #00000110Q PORTA E,PORTE BORRAR
; 8 bits, dos lineas, matriz 5x7
; display on, cursor desabilitado
; incremento de memoria, pantalla estatica
Inicio del programa: *********ESCRIBE 'autoclave' EN LA PRIMERA LINEA DE LA LCD************** JSR UBICAR TITU: LDA TITULO,X INCX ; imprimir „autoclave‟ STA PORTA BSET E,PORTE BCLR E,PORTE JSR TEMP_16 CPX #0AH BNE TITU
***********REVISA EL NIVEL DE AGUA INTERNO ******************************************* ******************************************* LDA #10T ; carga el numero 10 para comparacion SUB NIVEL BLS LLENO ; Compara la entrada del conversor con un paso de 10 que significa ; 200mV, esto para saber si hay agua en la autoclave LDA #10T ; carga el numero 10 para comparacion SUB TANQUE BLS LLENAR JSR UBICAR TITU2: LDA TITULO2,X INCX ; imprimir 'tanque vacio' STA PORTA BSET E,PORTE BCLR E,PORTE JSR TEMP_16 CPX #0CH BNE TITU2 JMP INICIAR2 LLENO: BSET RESIST,PORTC ; prende la resistencia al encontrar nivel de agua ADENTRO BCLR AGUA,PORTC ; no deja entrar más agua a la camara JSR BORRAR JSR ESCRIBE LLENO1: JSR CONVERSION JSR TEMPERATURAREAL LDA #120T ; comprueba si la temperatura llego 120 grados SUB TEMPER BLS PRESION35
PRESION35: ; corrobora si la presion llego 30 PSI BCLR RESIST,PORTC ; apaga horno JSR CONVERSION LDA #35T SUB PRESION BLS CONTAR JMP LLENO1 CONTAR: JSR CONVERSION JSR TEMPERATURAREAL JSR CONTADOR LDA #120T ; comprueba si la temperatura llego 120 grados SUB TEMPER BLS FINAL BSET RESIST,PORTC LDA #36T SUB PRESION BLS FINAL1 BCLR VALVULA,PORTC JMP CONTAR1 FINAL: BCLR RESIST,PORTC JSR CONVERSION LDA #36T ; comprueba si la presion llego 30 psi SUB PRESION BLS FINAL1 BCLR VALVULA,PORTC JMP CONTAR1 FINAL1: BSET VALVULA,PORTC JMP CONTAR1
JSR TEMP_16 CPX #10H BNE TITUL4 PROBARI: LDA PORTD AND #02H CBEQA #02H,INICIARF JMP PROBARI INICIARF: JMP INICIO
;Sino oprimio start espera hasta oprimir
Subrutinas: **************ESCRIBE PRESION EN LA SEGUNDA LINEA DE LA LCD******************* ESCRIBE: BCLR E,PORTE JSR TEMP_16 LDA #0C0H ; ubicar cursor STA PORTA BSET E,PORTE BCLR E,PORTE JSR TEMP_16 BSET RS,PORTE CLRX TITU5: LDA TITULO3,X INCX ; imprimir presion STA PORTA BSET E,PORTE BCLR E,PORTE
**************UBICA EL CURSOR AL PRINCIPIO DE LA FILA 1 ******************** ******************** UBICAR: BCLR RS,PORTE LDA #080H ; ubicar cursor STA PORTA BSET E,PORTE BCLR E,PORTE JSR TEMP_40 BSET RS,PORTE CLRX RTS ***********CONVERSION ANALOGA DIGITAL************** CONVERSION: MOV #01000000Q,ADCLK MOV #00000000Q,ADSCR ; CH0=PTB0=TEMPERATURA BRCLR COCO,ADSCR,$ MOV ADR,TEMPER MOV #00000001Q,ADSCR ; CH1=PTB1=PRESION BRCLR COCO,ADSCR,$ MOV ADR,PRESION MOV #00000010Q,ADSCR ; CH2=PTB2=LM35 ES LA TEMP. AMBIENTE BRCLR COCO,ADSCR,$ MOV ADR,LM35 MOV #00000011Q,ADSCR ; CH3=PTB3=TANQUE BRCLR COCO,ADSCR,$ MOV ADR,TANQUE MOV #00000100Q,ADSCR ; CH4=PTB4=NIVEL BRCLR COCO,ADSCR,$
LDX #02T ; toca dividir la presion en 2 para cuadrar los pasos LDA TEMPER DIV STA TEMPER LDA #02T LDX LM35 MUL STA LM35 ; se amplifico en dos para poder llevarla al mismo nivel LDA TEMPER ADD LM35 STA TEMPER **********************************VIS **********************************VISUALIZA UALIZA EL VALOR DE LA PRESION**************************** VER: LDA PRESION CLRH LDX #100T DIV STA ASCII1 PSHH PULA CLRH LDX #10T DIV STA ASCII2 PSHH PULA STA ASCII3 BCLR RS,PORTE LDA #0C5H ; ubicar cursor
JSR MOV BSET BCLR JSR MOV BSET BCLR JSR
TEMP_40 #115T,PORTA E,PORTE E,PORTE TEMP_40 #105T,PORTA E,PORTE E,PORTE TEMP_40
******************ESCRIBE ******************ESCRIBE LA TEMPERATURA********************** TEMPERATURA******************************** ********** LDA TEMPER CLRH LDX #100T DIV STA ASCII1 PSHH PULA CLRH LDX #10T DIV STA ASCII2 PSHH PULA STA ASCII3 BCLR RS,PORTE LDA #085H ; ubicar cursor
JSR MOV BSET BCLR JSR RTS
TEMP_40 #067T,PORTA E,PORTE E,PORTE TEMP_40
CONTADOR: *********************************** ******************************************** ********* CONTADOR DE 20 MIN ********************************** *************************************** ***** SEGUNDERO: LDA SEG INCA CBEQA #60T,MINUTERO STA SEG JMP SEGUNDOS MINUTERO: CLR SEG LDA MIN INCA CBEQA #20T,FIN_CONTEO ; Espera 20 minutos que es el tiempo que la autoclave debe ; estar funcionando STA MIN JMP SEGUNDOS FIN_CONTEO: CLR SEG CLR MIN LDX #05T ; ya realizo un ciclo de 20 minutos RTS
PSHX LDHX #50000T ; para que dure medio segundo 50000 CICLO7: AIX #-1T CPHX #0H BNE CICLO7 PSHX LDHX #50000T CICLO8: AIX #-1T CPHX #0H BNE CICLO8 PULH PULX BCLR RS,PORTE LDA #08BH ; ubica cursor para escribir en la LCD el tiempo STA PORTA BSET E,PORTE BCLR E,PORTE JSR TEMP_40 LDA MIN ; divide en 10 para obtener las decenas del MIN CLRH LDX #10T DIV STA ASCII1 PSHH PULA STA ASCII2 BSET RS,PORTE ; escribe en la lcd los MIN LDA ASCII1
ADD STA BSET BCLR JSR LDA ADD STA BSET BCLR JSR RTS
#30H PORTA E,PORTE E,PORTE TEMP_40 ASCII2 #30H PORTA E,PORTE E,PORTE TEMP_40
TITULO DB TITULO1 DB TITULO2 DB TITULO3 DB TITULO4 DB TITULO5 DB TITULO6 DB TITULO7 DB TITULO8 DB
' Autoclave' 'Cerrar puerta' 'Tanque vacio' 'Pres' 'Temp' 'Llenando' ' CICLO TERMINADO' 'Abrir puerta' 'Secado'
ORG 0FFFEH DW INICIO
El programa inicia cuando el operario del equipo selecciona start (mientras no se
la cuenta del reloj. Cuando la temperatura sobrepase los 130ºC, se apagará la resistencia, la cual se volverá a encender cuando llegue a un valor mínimo de 120ºC; al mismo tiempo se continuará preguntando por la presión, cuando esta supere los 31PSI se activará la válvula de presión por la cual se dejará escapar el vapor necesario para regresar a los 30 PSI, cuando el sensor vuelva a tomar esta medida se cerrará nuevamente esa válvula. Este ciclo continua mientras el reloj este corriendo. Cuando se hayan cumplido los 20 minutos de operación bajo las condiciones requeridas para esterilizar, se apagarán todos los actuadores que aún estén funcionando y se abrirá por aproximadamente 5 segundos la válvula de llenado para vaciar cualquier resto de agua que haya en el fondo del tanque principal, luego se procederá a abrir la válvula de presión para igualar la presión del tanque con la del ambiente. Terminado esto se mostrará en la LCD “Abrir puerta” y cuando esta se encuentre abierta se encenderán por 5 minutos las resistencias de secado, después de este tiempo se mostrará en la LCD “Ciclo terminado”.
5. PRESENTACIÓN DE ANÁLISIS Y RESULTADOS Habiendo construido el equipo y realizado el control, se procedió a ejecutar las pruebas necesarias para comprobar el correcto funcionamiento de este. Para
las pruebas de presión se analizó tanto el equipo como el sensor, encontrando que existían pequeñas fugas en los racores de conexión de los sensores, por lo cual fue necesario sellar estas estas fugas. Se pudo comprobar además que el sensor cumplió con los requerimientos de funcionamiento.
Luego de usar un pulsador como sensor de cerrado de la puerta y ver que este no soportaba la temperatura de operación, evidenciado la pérdida de su forma, fue necesario diseñar un sensor que soportara el contacto con la
Al momento de haber solucionado so lucionado los problemas presentados pres entados y de comprobar que el proceso de esterilización en el equipo se realizaba con satisfacción, se trasladaron los montajes de protoboard a baquela. Se pudo evidenciar que el funcionamiento no se vio afectado luego de este cambio. Para facilitar la conexión y arreglo de posibles daños, se decidió realizar las conexiones eléctricas entre las diferentes baquelas a través de conectores, de tal manera que si llegase a presentarse un daño en cualquier baquela sería mucho más fácil su detección, corrección, y de ser necesario, su reemplazo; sin necesidad de realizar desoldamiento de las partes, esto con el fin de realizar un trabajo ceñido a la realidad, debido a que en los aparatos clínicos comerciales la conexión de sus diferentes partes se realiza de esta manera.
6. CONCLUSIONES
Se diseñó y construyó un dispositivo médico automático para la esterilización de instrumental odontológico por medio de vapor saturado, en respuesta a que luego de investigar y analizar los demás métodos, se pudo concluir que este es el más eficiente y el que menos riesgos biológicos implicaba, tanto para el que opera el equipo, como para el paciente.
Para diseñar la estructura adecuada para el método de esterilización esterilización por vapor saturado, fue necesario tener en cuenta la norma ICONTEC NTC4618, donde se encontraban los tiempos y temperaturas necesarios con los que debe operar este equipo.
En el desarrollo del proyecto se tuvieron en cuenta una serie de ecuaciones para llegar al ángulo adecuado de operación del equipo, pero al momento de buscar la solución por medio del programa MATLAB, este dio un resultado inconcluso; luego de revisar estas ecuaciones, se pudo determinar que estaban bien formuladas, pero que era un problema con múltiples soluciones, por lo que fue necesario determinar este ángulo de forma experimental sobre el equipo ya
En la construcción del dispositivo fue necesario adaptar algunos de los cálculos iniciales al modelo de una empresa colombiana que fabrica este tipo de equipos, debido a que los costos en su fabricación sobrepasaban cualquier calculo estimado en un comienzo, ya que no se tuvo en cuenta que para la construcción de la tapa y la parte trasera del autoclave eran necesarios unos moldes, los cuales son muy costosos y como solo se necesitaba un prototipo para la terminación de este trabajo hubiesen sido un gasto innecesario.
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GLOSARIO ACTUADOR Dispositivo que ejecuta una orden del controlador y da una salida necesaria para activar un elemento final de control. AISLAMIENTO TÉRMICO Es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor por conducción. AUTOCLAVE Dispositivo médico que se usa para esterilizar a través de vapor de agua a alta presión y temperatura. BACTERIA Microorganismo unicelular de tamaño micrométrico. BIOSEGURIDAD ODONTOLÓGICA Es el conjunto de medidas preventivas que tienen como objeto proteger la salud y seguridad y seguridad personal de los profesionales de salud y pacientes frente a los diferentes riesgos producidos por agentes biológicos, físicos, químicos y mecánicos. Estas normas indican cómo hacer para cometer menos errores y sufrir pocos accidentes y, si ellos ocurren, cómo se deben minimizar sus consecuencias.
Diagnóstico del embarazo y control de la concepción; Cuidado durante el embarazo, el nacimiento nacimiento o después del mismo, incluyendo el cuidado del recién nacido; Productos para desinfección y/o esterilización de dispositivos médicos. médicos. Los cuales no ejercen la acción principal que se desea por medios farmacológicos, inmunológicos o metabólicos.
(Art. 3, Decreto 4725 de 2005)
EFECTO TEMPERATURA DE CERO GRADOS Al conectar la termocupla a la baquela en los puntos de soldadura se crea otra termocupla que genera un voltaje, que se resta al valor del voltaje presentado por la acción de la temperatura en la entrada. ESTERILIZACIÓN CALOR HÚMEDO Esta se realiza en autoclave. La acción bactericida del calor húmedo produce desnaturalización y coagulación de proteínas mediante vapor saturado a presión. ESTERILIZACIÓN CALOR SECO Se lleva a cabo en las estufas llamadas "Poupinel" (ya en desuso). La acción bactericida del calor seco, se debe a la oxidación física ó a una lenta coagulación de las proteínas bacterianas por acción
ESTERILIZACIÓN Proceso de destrucción de los microorganismos, sean cuáles sean sus características, siendo lo mismo que sean patógenos o no, que estén sobre el material o dentro de el. GERMICIDA QUÍMICO Producto químico que se emplea para destruir gérmenes. HORNO DE MUFLA Se usa para realizar ensayos térmicos a muy altas temperaturas. INDICADOR BIOLÓGICO Son atributos de los sistemas biológicos que se emplean para descifrar factores de su ambiente. MICROBIO Es un ser vivo que sólo puede visualizarse con el microscopio. SEMIAUTOMÁTICO Dicho de un mecanismo o de un proceso: Parcialmente automático. TECNOLOGÍA SANITARIA Es una parte de la tecnología de la salud que abarca
ANEXOS
Anexo A. MPX5700
Anexo B. Termocupla tipo J
Anexo C. AD620
Anexo D. LM35
Anexo E. Cotización
Anexo F. Manual de operación y mantenimiento
MANUAL DE OPERACIÓN Y
MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO AUTOCLAVE
CONTENIDO
Dimensiones
117
Características Característi cas técnicas
117
Símbolos
118
Información general
118
Panel de control
119
Instalación y carga de agua
120
Preparación de los elementos a esterilizar
120
Operación del equipo
121
DIMENSIONES:
SÍMBOLOS
Precaución superficie caliente
Precaución escape de vapor
INFORMACIÓN GENERAL El calor húmedo en la forma de vapor saturado bajo presión, es el medio más confiable conocido, para la destrucción de todas las formas de vida microbial. El poder destructor de microbios está compuesto de dos factores, los cuales son ambos esenciales: humedad y calor. El vapor atmosférico (que fluye) no tiene valor para la esterilización quirúrgica. También el agua hervida no es microbicida adecuado y su uso no debe de ser recomendado cuando hay vapor bajo presión
Requerimientos:
Temperatura: 121°C
Presión: 30 Psi
Tiempo: 20 min
PANEL DE CONTROL
INSTALACIÓN Y CARGA DE AGUA
El equipo esta provisto con una clavija de alimentación de tres espigas planas con toma a tierra para aumentar su seguridad. NO LA ELIMINE colocando un adaptador o reemplazándola por otra de dos espigas.
El equipo se debe ubicar en una superficie plana y a nivel, para que los sensores provistos funcionen correctamente.
Se debe cargar el agua en el tanque auxiliar aproximadamente litro y medio sin que toque la válvula de escape. Máximo 2 cm por debajo de la válvula de seguridad.
PAPEL POROSO (doble envoltura).
TELA (doble envoltura).
POLIPROPILENO.
Si el empaque no es transparente debe indicarse su contenido.
Forma de empaque:
Debe permitir la penetración del vapor a todos los sitios, los recipientes hondos (copas, frascos).
Deben colocarse boca arriba y destapados, pinzas y tijeras abiertas.
Los paquetes no deben superar los 17 cm de ancho, 35 cm de profundidad y 3 cm de alto.
Se deben colocar en forma vertical con espacios libres para que circule el vapor.
No se debe enfriar rápidamente el autoclave para evitar rotura de vidrios y evaporación de líquidos.
Al terminar la esterilización: esterilizaci ón: Debe sellarse cada paquete con FECHA, y CICLO de Esterilización. Esterilización. No.
Coloque los paquetes sobre superficies frías para evitar la condensación del vapor
8. Presione el Start y espere a que el autoclave verifique los sensores de cierre de la puerta y de nivel del agua del tanque auxiliar. Si todo esta correcto se iniciara el proceso de esterilización con el llenado del tanque principal. En caso contrario se mostrará en la LCD “cerrar puerta” (indica que debe ajustar la puerta nuevamente con el ajuste), o “tanque vacio” (indica que el tanque auxiliar debe ser llenado).
9. Abra la puerta cuando se muestre en la LCD “abrir puerta”. Primero debe desajustar totalmente el ajuste, luego debe retirar el pasador y dejar entre abierta la puerta. 10. Espere a se muestre en la LCD “ciclo terminado” para retirar el material esterilizado.
MANTENIMIENTO DRENADO DEL TANQUE AUXILIAR
Asegúrese de que el autoclave no se encuentre en funcionamiento, que el cable
CAMBIO DE FUSIBLE
Asegúrese de que el cable eléctrico se encuentre desconectado.
Abra el tapón que se encuentra en la parte trasera del equipo para poder cambiar el fusible.
Cambie el fusible y vuelva a cerrar.
El fusible correspondiente es un fusible de 15A.
LIMPIEZA
Limpie el interior del tanque principal en forma diaria con un paño limpio y húmedo.
Limpie la puerta en forma diaria con un paño limpio y húmedo.
La limpieza del escape del aire es muy sencilla, pero se debe hacer regularm regularmente ente
MODO DE TRANSPORTE Antes de transportar el autoclave:
Usted puede dejar las bandejas dentro cuando lo va a transportar transportar..
Use el botón Power para apagar el autoclave. Cortando de esta manera el suministro de energía.
Retire el agua del depósito para para evitar derrames de agua al ser transport transportado. ado.
Cierre firmemente la puerta del autoclave.
Desconecte el cable de energía
Mientras transporta el autoclave, manéjelo con cuidado. No lo someta a golpes o vibraciones fuertes.
NORMAS DE SEGURIDAD AL USAR EL AUTOCLAVE
Anexo G. Planos
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