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Consistencia termodinámica de datos en ELV utilizando técnicas libre de modelos.
(Universidad de Concepción., 2000) Lam Esquenazi, Elizabeth Johanna; Segura Gómez, Hugo
En el presente estudio se desarrollan métodos para examinar la consistencia termodinámica de datos de ELV de sistemas binarios y ternarios, completamente miscibles y a bajas presiones. Se aplicaron técnicas de discretización basadas en métodos libres de modelos sobre la ecuación de Gibbs-Duhem y la ecuación de Barker. Se analizan las potencialidades de técnicas computacionales libres de modelos sugeridas por Mixon et. al. (1965) las que en el caso de sistemas binarios fueron extendidas a la obtención directa de la función volatilidad ponderada. El método de discretización de Mixon et. al. fue extendido a la aplicación de sistemas ternarios, lo que permitió obtener directamente información numérica de energías de Gibbs en exceso, presentándose en este último caso dos enfoques para la solución numérica.
Diseño asistido por computador de estructuras aeronáuticas mediante criterios de tolerancia al daño.
(Universidad de Concepción., 2001) Vega Perry, Mario Eduardo
El objetivo de este trabajo es desarrollar un método para realizar la evaluación de la tolerancia al daño de aeronaves aplicando herramientas de mecánica computacional. La primera parte del informe presenta la teoría y los métodos necesarios para llevar a cabo la evaluación de tolerancia al daño. La metodología que se emplea es descrita a partir de los requerimientos que imponen las normas vigentes para aeronaves. Se describe la mecánica de la fractura elástico lineal, pues en este trabajo se formula el supuesto de elasticidad lineal en todas las grietas. Se introduce el factor de intensidad de esfuerzos como parámetro para caracterizar grietas. A continuación se presentan las ecuaciones empíricas que modelan el crecimiento de grietas sometidas a cargas variables en el tiempo. Se discuten los límites de validez de la mecánica de la fractura elástico lineal. Estas limitaciones dan paso a una revisión de la teoría de grietas pequeñas. Se presenta el modelo conceptual que se utiliza para simular la propagación de grietas. Se tratan algunos métodos del análisis numérico de grietas. Se presentan las herramientas computacionales para el análisis de grietas. Éstas permiten analizar grietas en 2D y 3D. Los programas disponibles utilizan el método de los elementos finitos y el método de los elementos de contorno. La segunda parte del trabajo informa de la evaluación de tolerancia al daño realizada. Se construyó un modelo de elementos finitos de la estructura del ala. A partir de sus resultados se determinaron los elementos estructurales principales. El espectro de cargas se construyó a partir de datos estadísticos de uso de aeronaves acrobáticas. Se supuso la existencia de grietas iniciales en dos elementos estructurales. Para cada uno de ellos se construyó un modelo de propagación de grietas. A partir de estos modelos se obtuvo la historia del factor de intensidad de esfuerzos en función del tamaño de la grieta. Luego se modeló la propagación de la grieta, obteniendo como resultado el largo de la grieta en función del tiempo. Se determinaron los tamaños críticos de las grietas. Se evaluó la resistencia residual de la estructura considerando falla total en los elementos estudiados. Se propusieron nuevos intervalos de inspección, más largos que los actuales. Finalmente, se evaluó la validez del supuesto de elasticidad lineal en las grietas consideradas.
Diseño e implementación de robot explorador semiautónomo con celdas solares y tracción con orugas
(Universidad de Concepción., 2001) Oliva Peralta, José Arturo; Valenzuela Latorre, Aníbal
El uso de las tecnologías digitales se convierte cada vez más en una herramienta fundamental, incorporándose al mercado cada vez con mayor fuerza el uso de dispositivos y sistemas embebidos. En el caso de la robótica aplicar este tipo de soluciones resulta de particular interés, pues permiten reducir en gran medida el costo computacional, además de permitir la realización de tareas de manera paralela. Es por este motivo que se decidió llevar a cabo el presente diseño empleando una tarjeta basada en tecnología FPGA. El principal objetivo de esta memoria de título es la realización tanto del diseño como la implementación de la estructura mecánica básica del prototipo, su sistema eléctrico-electrónico a niveles de potencia y lógico, requiriendo para ello una interacción con dispositivos, como por ejemplo sensores y motores que permitirán la ejecución e interacción con el entorno. Todo lo anterior incorporando los correspondientes procesos de validación, calibración y testeo. La metodología empleada para el desarrollo de la solución se dividió en tres partes fundamentales. Teóricas, incorporando aquí los modelos, bases de diseño, para permitir evaluar el posterior proceso de diseño. El desarrollo se estableció en primera instancia con la estructura mecánica, posteriormente el diseño de cada uno de los subsistemas, tales como: potencia, alimentación, sensorial y de lógica, considerando en cada una de las etapas la simulación para validar el diseño y un proceso de prueba y calibración de cada uno de ellos de manera independiente. Finalmente, la concentración de cada uno de estos subsistemas conformando la totalidad del diseño y su puesta a prueba, verificando que el sistema opere de manera adecuada. En base al diseño implementado se evaluó controlar el sistema de manera remota en LA y se incorporó un controlador PID digital interno, el cual permitiría controlar en LC enviando remotamente las referencias de posición. Como resultado final se obtuvo un sistema basado en una tarjeta de desarrollo con tecnología FPGA Spartan 3e, sobre la cual se diseñaron las distintas estructuras de drivers para cada una de las componentes. Empleando la fusión de éstas se logró un robot móvil capaz de conectarse con un equipo remoto a través de una conexión inalámbrica, siendo este último la base de control que permitirá enviar rutinas, parámetros de control y monitorear el móvil.
Estudio del proceso de nitrificación en reactores de lecho fluidizado.
(Universidad de Concepción., 2001) Sánchez Broche, Omar; Roeckel von Bennewitz, Marlene
La industria pesquera en Chile genera aguas residuales que, luego de un tratamiento anaerobio, presentan alta concentración de amonio (500-1000 mg N-NH4+/L), que es un contaminante acuático, y alta salinidad. Es factible combinar la nitrificación y la desnitrificación para transformar el nitrógeno amoniacal a nitrógeno gaseoso. Para ello, se investigó experimental y teóricamente la nitrificación en reactores de lecho fluidizado, para definir condiciones óptimas para la transformación de amonio a nitrito, o nitrato. Se midió la velocidad de nitritación para diferentes concentraciones de amonio, nitrito, nitrato, oxígeno disuelto y cloruro de sodio; y la velocidad de nitratación para diferentes concentraciones de nitrito, oxígeno y cloruro de sodio.
Aplicación del análisis ultrasónico al mantenimiento predictivo.
(Universidad de Concepción., 2001) Henríquez Martínez, Alvaro Hernán; Saavedra G., Pedro
Este trabajo, tiene por objetivo estudiar el comportamiento de las ondas mecánicas, en especial las ondas de alta frecuencia, cuando se propagan por vía aérea y a través de los cuerpos sólidos. Asimismo, de analizar el funcionamiento del equipo ultrasónico SonicScan 7000 y su aplicación en la detección de fallas, a través de ensayos realizados en laboratorio. Para cumplir los objetivos planteados, se realizó un estudio bibliográfico con el fin de comprender el proceso de reflexión, transmisión y atenuación de las ondas mecánicas de alta frecuencia. Además, por medio de ensayos en laboratorio, se evalúo el efecto de estos procesos cuando se agrega en la interface de dos muestras metálicas un agente acústicamente conductor. Por otro lado, se efectuaron ensayos experimentales en el laboratorio de Vibraciones Mecánicas y de Termofluidos. Las mediciones se realizaron con el equipo ultrasónico SonicScan 7000, el cual tiene la capacidad de detectar aquellas señales de alta frecuencia que son emitidas por las máquinas rotatorias o estructuras cuando comienzan su etapa de falla. Para su detección, éstas señales deben ser emitidas como ondas de esfuerzo. Los ensayos en el laboratorio de Vibraciones, consistieron en detectar fallas debido a picaduras y problemas de lubricación en rodamientos. Los resultados se compararon con algunas técnicas del análisis de vibraciones, específicamente análisis por demodulación y análisis espectral de señales. En el laboratorio de Termofluidos, se determinó el nivel de ruido ultrasónico generado en una válvula que se encuentra parcialmente abierta. También se detectó la ubicación de una fuga en un estanque de aire presurizado. Se concluye que el equipo ultrasónico es eficaz en detectar y determinar la ubicación del rodamiento con falla. También fue posible determinar si el rodamiento se encontraba con adecuada, excesiva o sin lubricación, a través del análisis de la señal ultrasónica heterodinada. El SonicScan 7000 es efectivo además, para detectar fugas tanto en un estanque de aire a presión como en válvulas.
Uso de las transformadas tiempo-frecuencia en el diagnástico de la condición mecánica de máquinas.
(Universidad de Concepción., 2001) Araya Reveco, Francisco José; Saavedra González, Pedro
En el presente trabajo se estudia el uso de las transformadas tiempo-frecuencia (TFD) en la determinación de la condición mecánica de máquinas que no operan en régimen estacionario de velocidad y carga constante. En la primera parte se analizan los fundamentos de las transformadas tiempo-frecuencia Short Time Fourier Transformation (STFT), la Wavelet de Gabor (WT), la Pseudo Wigner Ville Distribution (PWVD), la Choi Williams Distribution (CW)y la Zhao Atlas Marks Distribution (ZAM) y la implementación de los algoritmos de estas transformadas en un PC en ambiente Matlab. En una segunda parte se aplican estas transformadas a señales vibratorias simuladas en el computador. Se evalúa la performance de ellas en el análisis de señales transientes y señales moduladas en amplitud y frecuencia. Se determinan criterios para seleccionar los parámetros de análisis. Finalmente se aplican estas TFD a señales obtenidas en máquinas reales. Se aplican a un reductor que funciona a velocidad constante, a un compresor alternativo, a la transmisión de levante de una pala minera y a un chancador de cono terciario. Las tres últimas máquinas presentan características de operación con etapas transientes que dificultan la determinación de su condición mecánica mediante el análisis de vibraciones tradicional. Se concluye que es posible realizar un análisis de señales vibratorias procedentes de máquinas que operan a velocidad y carga, o en forma excéntrica o alternativa, con el uso de las TFD.
Estudio de catalizadores alcalino-térreos y sus mezclas (puras y naturales). Efecto sobre la gasificación de naftaleno (reacción modelo de la gasificación de alquitranes).
(Universidad de Concepción., 2001) Alarcón Pulido, Nelson Alfredo; García Carmona, Ximena Andrea; Gordon S., Alfredo
Se estudió la actividad catalítica de óxidos de metales alcalino-térreos, provenientes de sólidos puros comerciales y precursores minerales (caliza y dolomita), en la reacción de gasificación de naftaleno con vapor de agua. Se usó este compuesto modelo del alquitrán, debido a su alta estabilidad térmica y alta concentración en los alquitranes producidos de la gasificación de carbón y biomasa. Se estudió la sinergía catalítica de las mezclas y su posible correlación con sus características de basicidad. La caracterización de los sólidos frescos y usados (antes y después de la reacción, respectivamente), se realizó mediante técnicas de difracción de rayos X (DRX), espectroscopía infrarrojo (FTIR/DRIFTS), análisis termogravimétrico (TGA), análisis térmico diferencial (DTG/DTA), medidas de áreas BET (SBET) y análisis de composición atómica de superficie (XPS). Esto permitió dilucidar el rol de cada uno de los componentes del catalizador, tanto puro como en mezclas, y proponer un efecto cooperativo de los óxidos constituyentes de la mezcla de mayor sinergía catalítica. Se comparó la actividad catalítica de óxidos provenientes de caliza, dolomita y carbonato de magnesio hidratado (CMH) calcinados, con óxidos de calcio y magnesio puros comerciales y sus mezclas. El uso de productos comerciales puros permitió eliminar la perturbación, introducida en la actividad catalítica, de las impurezas de los óxidos provenientes de precursores minerales. Caliza, dolomita y CMH se activaron por calcinación en atmósfera de aire y las mezclas por calcinación en argón e ‘in situ’, en un reactor de lecho fijo a la temperatura de reacción (760 ºC). Las mezclas se prepararon en todo el rango de concentración mediante un mezclado físico húmedo de MgO (pureza 95%) y CaO (pureza 96%). La actividad se cuantificó por la conversión de carbono (Xc), a distintos tiempos de residencia (1-12 s.), obtenida de los gases producto CH4, CO y CO2, medidos en línea con un cromatógrafo de gases, a la salida del reactor. La reacción de pirólisis se hizo para una corriente al 1 % de naftaleno y la de gasificación para una corriente con razones naftaleno/agua de 1/10 y 1/20. Se utilizó como gas transporte, argón al 99.999 % de pureza. Los alquitranes y naftaleno sin reaccionar fueron recogidos en una trampa a la salida del reactor. En la pirólisis con caliza y dolomita calcinadas, Xc es un 3 % de la obtenida en la gasificación y es el aporte sólo de CH4 como gas producto. En la gasificación, la actividad de caliza y dolomita calcinadas fue prácticamente la misma entre sí, y mayor que la de los óxidos comerciales, para cualquier razón de alimentación naftaleno/agua. Una mayor concentración de vapor, aumenta la actividad catalítica de todos los catalizadores ensayados, debido a la gasificación de material carbonáceo depositado en la superficie de los sólidos y a la reacción “shift”. Los análisis DRX, muestran sólo las fases cristalinas correspondientes a los metales como si actuasen por separado, esto es, la presencia de óxidos, hidróxidos y carbonatos de los metales respectivos. No se aprecia un cambio de fase durante la calcinación de caliza, dolomita y CMH, ni tampoco después de la reacción de gasificación. Las medidas de SBET muestran que éstas se generan durante el proceso de calcinación. La SBET de caliza y dolomita aumenta si se prolonga el tiempo de calcinación a la temperatura estudiada (760ºC). Durante la reacción, caliza y dolomita calcinadas, no muestran un cambio en la SBET, a diferencia de CMH y MgO, donde la SBET disminuye debido a la sinterización. La SBET de CaO no cambia durante la reacción, aunque no es posible una explicación satisfactoria debido a que ésta es muy pequeña (1.7 m2/g). Los espectros FTIR de los catalizadores frescos (caliza, dolomita y CMH calcinados), tratados a 400ºC y 1x10-6 mbar, muestran especies carbonato y grupos hidroxilos, carboxílicos, aldehídos y formiatos. Algunos de estos grupos son especies intermedias en reacciones de gasificación de coque y “shift”. La adsorción de CDCl3 en los catalizadores frescos presenta bandas IR indicativas de sitios básicos débiles (2250 cm-1) y fuertes (2230 cm-1). Se aprecia cualitativamente, que la basicidad fuerte predomina en caliza y dolomita calcinadas respecto de CMH. La basicidad obtenida por integración del pico de adsorción de CDCl3, obedece la tendencia: CMHbasicidadMgO, debido a la mayor estabilidad de los carbonatos presentes en CaO, a la temperatura de tratamiento. La basicidad de los sólidos, tratados “in situ” a 760ºC, obtenida por medidas DRIFTS de CDCl3 adsorbido, se ajustan a la tendencia mostrada en la literatura, pero no explican el efecto sinérgico de la mezcla 10%CaO-90%MgO. La simulación de la atmósfera reactiva, medidas DRIFTS de CO2 y H2O vapor adsorbidos “in situ” a 760ºC, muestra que el tipo de especies carbonato formados en la mezcla y MgO son unidentados y en CaO, del tipo bidentados; siendo los primeros menos estables que los segundos a la temperatura de reacción y en presencia de H2O vapor. Los análisis XPS muestran que la depositación de carbono y la formación de carbonatos en la superficie de los sólidos sigue el orden: Mezcla (10%CaO-90%MgO)
Análisis de la formación de NOx en la combustión de petróleo.
(Universidad de Concepción., 2001) Tartari Barriga, Paula Andrea Paula Andrea; Farías, Óscar
El objetivo del presente trabajo es lograr predecir, a través de un modelo simplificado, la formación de NOx en una caldera de agua caliente utilizando petróleo liviano. Esto ha sido logrado mediante el análisis de los tres diferentes mecanismos de formación de NOx, centrándose principalmente el estudio en el análisis del mecanismo del combustible. En una primera etapa se revisan los aspectos generales acerca de la formación de NOx, tales como los efectos que produce el incremento de las emisiones sobre el medio ambiente y la salud, y las investigaciones desarrolladas relacionadas con el tema en el Laboratorio de Termodinámica de la Universidad de Lieja. Luego se lleva a cabo una investigación de los mecanismos de formación de NOx: térmico, del combustible y espontáneo. Se presenta un detallado estudio bibliográfico sobre la cinética química asociada a cada mecanismo y, en particular, sobre las reacciones químicas que rigen la formación de NOx de origen térmico. A través de un análisis variacional se estudia la influencia de ciertos parámetros necesarios en el desarrollo de un modelo del NOx térmico tales como: temperatura, concentración de oxígeno y tiempo de residencia. Luego estos valores han sido obtenidos mediante expresiones encontradas en literatura, pero no se posee aún una confiabilidad absoluta sobre estos parámetros debido a la complejidad que presentan los gradientes, tanto de temperatura como de concentración de especies, producidos en una llama de difusión turbulenta. Finalmente, de un modelo encontrado en literatura y obtención de parámetros de entrada correspondientes se puede predecir teóricamente la formación de NOx de origen térmico. El NOx generado a partir del combustible es analizado experimentalmente añadiendo un compuesto químico denominado piridina (C5H5N) para simular el aumento de la concentración de nitrógeno presente en el combustible. Los parámetros analizados son: composición del combustible, exceso de aire global y potencia del quemador. Los resultados muestran un incremento lineal de las emisiones, hasta en 42 ppm ( »42%), cuando se aumenta el nitrógeno del combustible desde 0.017 a 0.052% en peso. En el 5 rango investigado las emisiones de NOx del combustible se muestran independientes del cambio de temperatura de la llama producido por la variación del exceso de aire, y no se observa una influencia significativa de los dos niveles de potencia ensayado. El rendimiento de conversión del nitrógeno del combustible a NOx es del orden del 85% para alta potencia y varia de 72 a 92% para baja potencia. Se muestra que este rendimiento es independiente, en el rango investigado de nitrógeno añadido, de la cantidad de nitrógeno presente en el combustible. En el ensayo a alta potencia del quemador, se observa una clara independencia del rendimiento de conversión con respecto al exceso de aire. La dispersión observada en el ensayo a baja potencia no permite establecer una tendencia definida. De los resultados obtenidos se pueden encontrar correlaciones capaces de predecir la formación de NOx en la caldera de agua caliente producidos por el mecanismo del combustible en función de la cantidad de nitrógeno en el combustible a utilizar, para diferentes condiciones de operación utilizadas (exceso de aire y potencia del quemador). Debido a la complejidad del mecanismo de formación espontáneo, no se encontró en la literatura un modelo simplificado que permita analizarlo. Por lo tanto como se mide la cantidad total de NOx en la chimenea (NOx térmico+NOx del combustible+NOx espontáneo), y se conocen los porcentajes de NOx producidos por mecanismos térmico y del combustible analizados en el presente trabajo, es posible obtener por diferencia la cantidad de NOx espontáneo producido para diferentes condiciones de operación de la caldera. Aunque quedan aún incertidumbres en la exactitud de la predicción de NOx térmico debido a la obtención de ciertos parámetros de entrada, el mecanismo de formación de NOx del combustible ha sido analizado, obteniéndose correlaciones que nos permiten ahora predecir la formación de NOx producidas a través de este mecanismo en función de la cantidad de nitrógeno, exceso de aire y potencia del quemador.
New structures and control strategies for static power converters.
(Universidad de Concepción., 2002) Burgos Valenzuela, Rolando Patricio
Los sistemas eléctricos de potencia de todo el mundo muestran signos de debilitamiento y presentan cada vez mayor número de perturbaciones eléctricas a la par con una preocupante reducción del margen de generación-demanda. Naturalmente, esto ha despertado el interés y atención de usuarios y consumidores, quienes se han visto afectados por pérdidas de producción y de ganancias. Más aún, diversos catastros industriales muestran que los convertidores estáticos de potencia se han convertido en equipos incluso más sensibles que los equipos de procesamiento de datos. Además, presentan una calidad de energía eléctrica insuficiente en muchas de estas aplicaciones. En vista de esto, esta tesis se enfoca en los siguientes objetivos: primero, habilitar la operación irrestricta de convertidores estáticos de potencia bajo las condiciones de operación imperantes que son nocivas y desfavorables, y segundo, aliviar y maximizar la utilización de los sistemas eléctricos de potencia mediante el mejoramiento de la calidad de energía de los convertidores, así como habilitarlos para operar como compensadores estáticos de potencia. Específicamente esta tesis propone: (1) un rectificador de altas corrientes optimizado para aplicaciones de electroobtención, (2) un rectificador activo para accionamientos de corriente en media tensión, (3) una estrategia de minimización de filtros para rectificadores activos fuente de voltaje en accionamientos multi-motores, (4) una estrategia para sobrellevar subidas de tensión también para rectificadores activos fuente de voltaje, y (5) una estrategia para sobrellevar caídas de tensión para accionamientos con convertidores directos. Estas estructuras y estrategias de control logran: una mínima distorsión armónica de corriente, reducción del consumo de potencia reactiva en rectificadores de altas corrientes, desacoplo del flujo de potencia activa/reactiva para rectificadores activos (permitiendo la compensación de reactivos), minimizan frecuencias de conmutación, requerimientos de filtrado, y mejoran la respuesta dinámica de los convertidores, los cuales logran una respuesta lineal y desacoplada en ejes sincrónicos d-q, y finalmente logran aumentar la confiabilidad operacional al proveer de una capacidad ilimitada para sobrellevar perturbaciones de voltaje en la red de suministro. La factibilidad de las estructuras y estrategias de control propuestas se han validado mediante diferentes pruebas y trabajos experimentales, así como mediante simulaciones computacionales.
Modelo computacional para el estudio de las cargas aerodinámicas sobre un avión en vuelo.
(Universidad de Concepción., 2002) Ortiz Lovera, Andrés David
La técnica del CFD juega, en estos días, un rol que crece en importancia dentro del proceso del diseño aeronáutico, en particular, en la predicción de las características aerodinámicas. El objetivo de este trabajo es simular y analizar, mediante el programa de CFD Fluent ®, el flujo sobre un avión de categoría acrobática de baja velocidad, el ENAER T-35 PILLAN. Específicamente, se busca estimar las capacidades de Fluent en el cálculo de coeficientes aerodinámicos y coeficientes de carga sobre la estructura, evaluando las condiciones críticas de vuelo y las consiguientes distribuciones de carga en el avión. Paralelamente, se presenta un procedimiento de modelación en Fluent ® que permita realizar un estudio similar para cualquier otro avión de características semejantes. Esta modelación del flujo, está marcada por tres etapas: la simulación del flujo plano o bidimensional sobre un perfil aerodinámico, la simulación del escurrimiento sobre el ala completa y la modelación de la estructura completa del avión. Se utilizó tanto procesamiento paralelo en un computador de alto rendimiento (Silicon Graphics - Origin2000) como procesamiento en computador personal con procesador de tecnología superior, demostrando esta última ser una alternativa más rápida en el proceso de cálculo de la solución numérica. Para la segunda etapa se incluye una somera explicación del desarrollo teórico disponible en la literatura, en particular la teoría de Prandtl [1] para alas finitas. La validación de los resultados numéricos proviene de dos fuentes: Comparación con ensayos en túnel de viento realizados por la NACA [2], para la simulación del perfil NACA 652-415 (dispuesto en el ala del T-35), y comparación con métodos semi-empíricos (Prandtl [3], Anderson [4] y Rassmusen-Smith [5]) para la distribución de sustentación sobre el ala. Como conclusión, se obtuvieron excelentes resultados, en que las diferencias no excedieron el rango de –22 a 11%. En cuanto al modelo computacional de la estructura completa del avión, se evaluaron las condiciones críticas de vuelo, según la aplicación de la norma FAR-23 [6]. Así se muestra que la peor condición de vuelo, para las cargas aerodinámicas, ocurre a la velocidad de crucero (M 0,25) y factor de carga seis (límite). Allí, se da el hecho que la sustentación, el arrastre, momento flector y momento torsor en la viga principal del ala son máximos, incluso mayor que para la máxima velocidad de vuelo (M 0,37). Finalmente, se desarrolló un conjunto de gráficos que permiten estimar las cargas máximas sobre el ala en función de la velocidad de vuelo y el ángulo de ataque.
Estudio experimental del balance térmico de una ventana.
(Universidad de Concepción., 2002) Fonseca Díaz, Néstor Julio
El presente trabajo está enmarcado dentro de un proyecto de investigación, cuyo objetivo principal es desarrollar un modelo de cálculo teórico para el diseño térmico de ventanas. Dentro del marco general del proyecto, el objetivo específico de este trabajo es desarrollar un estudio netamente experimental del balance térmico de una ventana, con el cual será posible evaluar el comportamiento del consumo de energía de calefacción del recinto, frente a factores como el componente climático real y diferentes tipos de elementos de protección interior utilizados en la ventana. Inicialmente, se desarrolla una etapa de instrumentación y puesta en marcha de un banco de pruebas a escala natural. Este permite simular el comportamiento térmico de un local inmerso dentro de un edificio, con sólo un muro y ventana expuestos al ambiente exterior. Esta etapa incluye un análisis de incertidumbre sobre cada una de las mediciones, con el cual se calcula finalmente el error estimado en los resultados. Se realizaron básicamente dos tipos de experiencias: con calefacción (otoño, invierno) y sin calefacción (verano, primavera). En ellas se modificaron alternativamente algunas condiciones del banco de ensayos, como el tipo de elemento de protección en la ventana e inercia térmica del recinto. Cada configuración se mantiene por períodos aproximados de 10 a 20 días (las 24 horas). Para el caso de elementos tradicionales de protección como la persiana y la cortina, durante parte del invierno, se evaluó el caso en que se mantiene la ventana descubierta sólo durante el día. Como resultado de las mediciones se generó una base de datos con promedios horarios de cada variable registrada, que permitirá en trabajos futuros emprender la validación experimental del modelo. Respecto al balance térmico de la ventana, los resultados experimentales indican que para la ventana en estudio, orientada en dirección Noroeste (que corresponde a la dirección del banco de ensayos), durante los meses más fríos del año, las ganancias solares a través de la ventana influyen significativamente en el balance térmico del recinto. El análisis experimental planteado, sirvió para comparar dos elementos típicos de protección interior en la ventana, como son la persiana y la cortina tradicionales. Los resultados indican, que para una ventana orientada en dirección Noreste al usar una persiana, se registra un consumo de energía de calefacción en el local, significativamente menor al registrado cuando se utiliza una cortina.
Técnicas de control moderno enfocadas a la dinámica de multi-cuerpos flexibles.
(Universidad de Concepción., 2002) Solís Orrego, Claudio Alberto
Los robots manipuladores esbeltos son especialmente adecuados para un número variado de aplicaciones no convencionales en robótica, debido a sus características dinámicas superiores. Sin embargo, deflexiones inherentes en tales manipuladores, demandan un control activo de las vibraciones elásticas, que ocurren durante sus movimientos. Además, debe ser considerado el hecho que el número de coordenadas a controlar es menor que el números de entradas disponibles. Por ello, los métodos de control desarrollados para manipuladores rígidos no son suficientes en este caso, por lo tanto son necesarias nuevas leyes de control, especialmente diseñadas para estos. Por otro lado, en un manipulador que maneja distintos tipos de cargas, los parámetros inerciales de las cargas cambian en el tiempo, sin que el controlador tenga una adecuada retroalimentación de ello. Esta incertidumbre, complica la síntesis de sistemas de control para estos manipuladores. En este contexto, algunos esquemas de control no-lineal, para manipuladores flexibles con incertidumbre paramétrica, son desarrollados en este trabajo. El estudio de los enfoques corrientes para el control de trayectoria en robots rígidos y que se encuentran disponibles en la literatura relacionada al tema permite proponer varios algoritmos de control para robots flexibles. Estos fueron desarrollados basados en la Teoría de Lyapunov, para garantizar la estabilidad en sistemas con incertidumbre paramétrica. Específicamente, en esta tesis son derivados dos clases de controladores robustos para control de trayectoria. Un controlador basado en la técnica de control por superficies de deslizamiento la cual permite lograr un adecuado seguimiento en presencia de perturbaciones e incertidumbre paramétricas y un controlador basado en la técnica de saturación robusta que utiliza una entrada auxiliar para compensar las incertidumbres presentes en la dinámica del manipulador. Además, es desarrollado un controlador con una pre-compensación adaptiva y regulación tipo PD. Luego, este algoritmo es “robustificado” para combinar las ventajas de ambas técnicas. En orden a analizar el desempeño de las estrategias de control presentadas, diferentes simulaciones numéricas fueron efectuadas para un doble manipulador flexible con incertidumbre paramétrica.
Modelo para el diseño térmico de una ventana y su validación experimental.
(Universidad de Concepción., 2002) Hernández Campos, Gastón Alejandro; Fissore Schiappacasse, Adelqui Andres
El objetivo del presente trabajo es desarrollar un modelo matemático confiable, con una mínima cantidad de simplificaciones, en lo posible probadas, para calcular el balance térmico de una ventana de vidrio único, sin protecciones, considerando en forma explícita y detallada la relación entre la ventana con el interior de la edificación y con el medio exterior, además de su validación experimental. El modelo de la parte térmica abordada en este estudio, considera en detalle: el cálculo de los intercambios de calor radiactivos tanto interiores como exteriores, mediante el uso de los factores de forma, el cálculo de los intercambios de calor convectivos tanto interiores como exteriores, la asignación de la radiación solar incidente directa y difusa que pasa a través de la ventana, a la pared en que realmente es absorbida, la geometría y materialidad del recinto interior mediante sus propiedades termofísicas, la geometría, orientación e inclinación de la ventana y las propiedades del vidrio en función del ángulo con que incide la radiación solar. Para la validación experimental del modelo, realizada para verificar y evaluar su comportamiento global respecto de una situación real, se utilizó una base de datos existente. Se compararon las variables: Potencia de calefacción y Temperatura del aire interior del recinto, para tres periodos, observándose una excelente sintonización, entre los resultados arrojados por el modelo y las mediciones experimentales.
Monitoreo de condiciones en máquinas de carga y velocidad variable.
(Universidad de Concepción., 2002) Salamanca Henríquez, Eduardo Andrés; Saavedra G., Pedro
En el presente trabajo se realiza un estudio teórico práctico de la aplicación del Monitoreo de Condiciones en Palas Electromecánicas de la Minería, la que por sus características pretende ser modelo de aplicación para otros equipos de carga y velocidad variable. En la primera parte del trabajo se describe el equipo, las técnicas a utilizar, los problemas que se esperan, junto con las características de los síntomas a los que se deben relacionar. En la etapa experimental del trabajo se registró un ciclo normal de trabajo de una pala, relacionando parámetros eléctricos como voltaje y corriente en la etapa de corriente continua, corriente alterna antes de entrar al motor, velocidad y vibración en los descansos. De estas mediciones se determinaron dos zonas características en el ciclo de movimiento de una pala las que son de gran utilidad para realizar el análisis vibratorio del equipo mientras se encuentra trabajando. Se presentan técnicas que permitan realizar el análisis de las vibraciones mecánicas cuando se producen variaciones de carga y velocidad durante las mediciones. Se propone estrategias de mantención predictivo para las palas basándose en mediciones tomadas con el equipo trabajando. Lo anterior se compara con las estrategias de mantenimiento actuales basadas en mediciones realizadas con la máquina funcionando en vacío. En el análisis de cada una de las señales correspondientes a los descansos, o las técnicas convencionales de análisis de vibraciones y corriente eléctrica, se agregan herramientas nuevas de procesamientos de señales, como son las transformadas tiempo frecuencia. El análisis de vibraciones mecánicas se complementa con un análisis de la lubricación usada, tema poco tratado anteriormente en la literatura para máquinas que trabajan con carga y velocidad variables. Se utiliza el análisis termográfíco para validar algunas de las conclusiones obtenidas. Finalmente se analiza la utilidad del análisis de corriente en los motores. Se concluye que es factible realizar en buena forma un monitoreo de la condición de estos equipos. Se plantea continuar las investigaciones en áreas que robustezcan el desarrollo de estas tecnologías.
Corrección en tiempo real del ruido espacial en sensores infrarrojos usando la forma de covarianza inversa del filtro Kalman.
(Universidad de Concepción., 2002) Pezoa Núñez, Jorge Edgardo; Torres Inostroza, Sergio
En este trabajo se presenta un método recursivo para la estimación de las variables de estado de un arreglo de fotodetectores infrarrojos (IR-FPA), algoritmo que resulta ser un estimador óptimo y además, computacionalmente eficiente. Utilizando las variables de estado estimadas puede realizarse la corrección de las imágenes adquiridas con los sensores IR-FPA, ya que debido a la naturaleza del arreglo de fotodetectores infrarrojos, las imágenes capturadas presentan un patrón de ruido no uniforme que está superpuesto a la imagen real, y que hace que el desempeño completo del sistema de detección se degrade. La técnica desarrollada se basa en modelar el sistema como un proceso aleatorio del tipo Gauss-Markov y realizar la estimación de las variables de estado mediante un filtro Kalman en su forma de la matriz de covarianza inversa. La justificación para utilizar esta versión alternativa del filtro es que se ajusta de forma natural tanto a la dinámica del proceso como al desbalance existente entre la cantidad de observaciones y las variables de estado, lo que permite realizar, además de la estimación óptima de las variables de estado, una reducción considerable en el tiempo de cálculo asociado, haciendo a esta aproximación ser, computacionalmente, mucho más eficiente que el filtro tradicional. Además de la derivación del filtro y su evaluación teórica, se implementa éste en software y se somete a pruebas de simulación, para verificar su comportamiento ante ruido espacial artificialmente generado sobre imágenes infrarrojas. Luego se evaluar su desempeño ante datos reales que presentan ruido en las imágenes. Los índices de mérito tradicionalmente utilizados en la literatura especializada son utilizados para medir la calidad de corrección del filtro, y se aplica también un nuevo índice de mérito de calidad de imágenes que recientemente ha sido publicado. La eficacia de cálculo del algoritmo se compara con el filtro Kalman tradicional y su velocidad de operación se compara también con otras técnicas. Finalmente, y debido a las incertezas existentes en el modelo de trabajo se propone e implementa un algoritmo de filtraje adaptivo basado en un esquema de procesamiento paralelo.
Modelación de impactos en estructuras flexibles.
(Universidad de Concepción., 2002) Baeza Ramírez, Luis Alejandro; Barrientos Ríos, Gabriel Emiliano
El presente estudio permite cimentar las bases del tema de la dinámica de multicuerpos con choques, cuya importancia radica en su gran presencia dentro de la mecánica, permitiendo así fomentar futuros estudios sobre el tema. Los choques están presentes diariamente en todo orden de cosas. A pesar de lo común de los choques, no existe una teoría capaz de modelar todos los tipos de choques. El presente proyecto tiene como objetivo aplicar los conceptos y teorías de choque local y global basados en una formulación moderna. Para esto, en primer lugar se establece la cinemática de multicuerpos, la cual se aplica a través del método recursivo. Posteriormente, se establecen las ecuaciones del movimiento considerando las restricciones y las fuerzas que actúan en el sistema, sin considerar choques (activas). A continuación se establece la cinemática de los impactos, determinándose los puntos de impacto, como también las condiciones cinemáticas al momento de éste. Posteriormente se añaden las fuerzas de contacto y las direcciones de las restricciones, que aparecen producto del impacto, a las ecuaciones del movimiento descritas anteriormente, y se resuelve esta última para el caso de contacto continuo con adherencia. Para resolver el problema en situaciones de separación y transición entre adherencia a deslizamiento o viceversa, se reescribe la ecuación del movimiento como un problema de complementariedad lineal (PCL). Luego se estudian las teorías de choque de Newton y Poisson, en conjunto con la ley de Coulomb, y se formulan junto con las ecuaciones del movimiento como un problema de complementariedad lineal. De esta forma queda establecida la teoría de choque global en una formulación moderna. Con la teoría de choque global asociada a esta en formulación moderna, se resuelven varios problemas usando las distintas teorías (Newton y Poisson) para los distintos casos: adherencia, deslizamiento o transición entre ambas. Los resultados demuestran la diferencia que se obtiene a través de las distintas teorías, como también las fallas que éstas presentan en determinados casos. Por ultimo se presenta la teoría de choques desde el punto de vista del análisis local, la cual es unida con la teoría de no-lineal de vigas presentada por Simo. Con esto se analizan problemáticas de impacto con elementos flexibles y se presentan algunos ejemplos y experimentaciones. Para realizar el estudio de los impactos en estructuras flexibles (modelo de Simo) se comienza con el estudio de la teoría de contacto de Hertz enfocada desde el punto de vista del análisis local, la cual unida a las ecuación del movimiento puede establecer la forma, la magnitud y el tiempo de duración de las fuerzas de contacto. Se aplica esta teoría a una bola rígida dejada caer sobre el extremo libre de una viga empotrada. Se comparan la modelación numérica con la teoría clásica disponible y con ensayos experimentales realizados en el laboratorio. Los resultados numéricos obtenidos muestran concordancia con los resultados experimentales y permiten cuantificar las fuerzas involucradas en el impacto. -
Un esquema de control generalizado para convertidores multinivel con frente activo.
(Universidad de Concepción., 2002) Hernández Campos, Franco Alfonso; Morán Tamayo, Luis Alejandro
En esta tesis se presenta la implementación de un rectificador PWM de tres niveles tipo punto neutro enclavado fuente de voltaje. Las principales características logradas son la multiplicidad de funciones que es capaz de realizar: Rectificación, Filtro activo y Rectificación y filtro activo simultáneamente y la simplicidad con que las lleva a cabo. Las funciones anteriores las efectúa balanceando dinámicamente las tensiones de la barra de continua. El completo modelo desarrollado permite el análisis total de las distintas funciones que efectúa durante su operación. Además el modelo facilita la sintonización de los controladores de voltaje y corriente en el marco de referencia sincrónico. Finalmente, la implementación de un prototipo experimental de 10 KVA nominales, permite validar el modelo planteado, y los resultados de simulación, tanto para operación en régimen permanente como transitorio.
Morfología, Flujo y Transporte en Materiales Porosos.
(Universidad de Concepción., 2002) Bustos Morán, Cecilia Isabel; Toledo Ramírez, Pedro Gonzalo
Una mejor caracterización de los espacios porosos y una mejor comprensión de los fenómenos de flujo y transporte en estos espacios es fundamental para analizar, diseñar y optimizar una gran variedad de procesos y tecnologías de interés práctico, como son la recuperación de gas y petróleo de yacimientos subterráneos, el transporte de fertilizantes y contaminantes en el subsuelo, el flujo y transporte en suelos sometidos a carga, el secado y congelado de alimentos, el diseño de catalizadores y productos cerámicos, el proceso de sedimentación y el de lixiviación en la industria minera, el secado y congelado de alimentos, la manufactura de papel, el flujo y transporte en materiales cerámicos y catalizadores, entre otros. Así, el trabajo de investigación aquí se orienta a la formulación de un modelo mecanístico general, a escala de segmentos de poro, de flujo y transporte en redes de poros, que en flujo bifásico permita predecir distribuciones de fluido, presiones capilares y permeabilidades relativas de fases mojante y no-mojante en drenado y en embebido. El medio poroso se representa mediante redes regulares de ductos y nodos, cuadradas en dos dimensiones y cúbicas en tres dimensiones. El tamaño de los ductos se asigna de acuerdo a una función de distribución. La sección transversal de los ductos es poligonal, con lo que se asegura capacidad de inventario de fluido en esquinas de poros. Para minimizar efectos de tamaño de muestreo se utiliza condiciones de borde periódicas en la dirección perpendicular al flujo global. En la primera parte de este trabajo se modela flujo bifásico en medios porosos, en régimen capilar, considerando toda la riqueza conocida de mecanismos de desplazamiento de fluidos a escala microscópica en redes bi- y tri-dimensionales de poros geométrica y topológicamente bien definidos. El modelo constituye una simulación de Monte Carlo del proceso de drenado y embebido en una red de poros. Se analiza el efecto de la dimensionalidad de la red, la distribución de tamaño de poros y, especialmente, el impacto de la forma de los segmentos de poro y la presión de descabezamiento en el proceso de embebido, relacionada con la asimetría de los poros reales y la rugosidad de sus paredes. Especial objetivo es explicar la histéresis en los comportamientos de drenado y embebido en régimen capilar, la inversión de las curvas de permeabilidad relativa detectada en experimentos y los datos aparentemente conflictivos de permeabilidad relativa en medios consolidados y no consolidados.
Desnitrificación de vertidos salinos con alta carga.
(Universidad de Concepción., 2002) Soto Sánchez, Oscar Ignacio; Roeckel von Bennewitz, Marlene
Se propone un tratamiento biológico integral para dar solución al efecto de vertidos salinos de alta carga orgánica, amoniacal y sulfatada, provenientes de los procesos industriales pesqueros. Este sistema incluye un proceso conocido como desnitrificación anóxica, donde la materia nitrogenada, NO3- o NO2-, es reducida biológicamente a nitrógeno gaseoso (N2), un gas inocuo. Se abordó el problema en tres etapas. En la primera, se estudió la cinética de consumo de nitrato y nitrito (desnitratación y desnitritación) en vertidos salinos de alta carga; la interacción entre sustratos; los efectos inhibitorios por parte del amonio y el sulfuro; el efecto de la relación sustrato – biomasa; la estequiometría del proceso y la selectividad frente a fuentes de electrones orgánicas e inorgánicas.
Modelo numérico para el escurrimiento sin cambio de fase en el espacio anular entre dos superficies activas.
(Universidad de Concepción., 2002) Quevedo Quevedo, Roberto César; Saavedra Olate, Claudio
La presente tesis de grado, tiene como objetivo plantear un modelo numérico que permita resolver las ecuaciones que gobiernan en régimen laminar y turbulento del escurrimiento y el intercambio de calor sin cambio de fase, entre un gas que fluye a través de un pequeño espacio anular y dos paredes tubulares que lo encierra. El trabajo se inicia con un estudio de los métodos de resolución y las limitaciones de las ecuaciones que gobiernan el escurrimiento y la transferencia de calor en un espacio anular. Luego, se realiza el planteamiento teórico de las ecuaciones de gobierno y las soluciones simplificadas en régimen laminar y turbulento. Determinas las ecuaciones de gobierno, se plantea al modelo numérico de volúmenes finitos que permitirá la resolución de éstas. El modelo planteado será comparado con las soluciones teóricas y con correlaciones existentes. Finalmente, el modelo se compara con los resultados experimentales para su validación y a las permite realizar el análisis del comportamiento del escurrimiento en un pequeño espacio anular con dos superficies de transferencia de calor. El modelo ha sido elaborado a partir de las ecuaciones fundamentales para dos regímenes de escurrimiento: laminar y turbulento, las que se resuelven numéricamente mediante un programa CFD basado en el método de los volúmenes finitos. La validación del modelo desarrollado, se efectúa comparando sus resultados, expresados en la forma del número de Nusselt, con los calculados a partir de los datos obtenidos en ensayos de un intercambiador de calor de tres corrientes. También se hace un estudio comparativo con los valores que entregan algunas correlaciones para el cálculo de los coeficientes de transferencia de calor por convección y factores de fricción. El estudio comparativo demuestra que al considerar un número de Nusselt medio como la suma del valor promedio en la región de entrada y el valor en la zona plenamente desarrollado los resultados experimentales son bastantes cercanos a los del modelo numérico laminar hasta aproximadamente un Reynolds de 13.000 donde éstos empiezan a aumentar su valor. Dado que el crecimiento de los resultados experimentales, no es lineal con respecto al número de Reynolds, se está en la etapa de transición. El régimen turbulento desarrollado se iniciaría para número de Reynolds mayores a 30.000, Por lo tanto se puede afirmar que la estabilidad del régimen laminar empieza a ser afectada para valores de Reynolds mayores a 13.000. Estos resultados demuestran que la hipótesis planteada sobre la incertidumbre del tipo de régimen que se desarrolla en un pequeño espacio anular con gas como fluido de trabajo, era válida.

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