Tesis Pregrado

Permanent URI for this collection

https://repositorio.udec.cl/handle/11594/191

Browse

Now showing 1 - 9 of 9

Análisis comparativo de cápsulas plásticas para uso material de cambio de fase en un entorno de materiales livianos.
(Universidad de Concepción, 2025) Zúñiga Muñoz, Pablo Vicente; Medina Muñoz, Carlos Andrés; Cuevas Barraza, Cristian Alberto
La climatización de edificaciones livianas y su baja inercia térmica representan un desafío para la eficiencia energética. En este contexto, los materiales de cambio de fase (PCM) han surgido como una alternativa para mejorar la regulación térmica natural, permitiendo almacenar y liberar energía en forma de calor latente. Sin embargo, su desempeño térmico depende de la forma de encapsulación y la interacción con los elementos de la aplicación en que se ocupe. Este estudio analiza el impacto de la forma y orientación de cápsulas plásticas de PCM en la estabilidad térmica de un sistema de materiales livianos, evaluando tres tipos de encapsulación (simple, tubos y cuadros) fabricadas con PVC y wax de parafina como PCM. Se realizaron ensayos experimentales en un banco de pruebas compuesto por cubos instrumentados con sensores de temperatura, expuestos a condiciones ambientales en dos configuraciones: vertical, ubicando las cápsulas en una posición similar al de estar inmersos en una pared, y horizontal, donde las cápsulas están instaladas como cielo falso de una construcción. Los resultados indican que la geometría del encapsulado influye significativamente en la regulación térmica del aire interior. En la configuración vertical, la cápsula Cuadros mostró una reducción de hasta 22.81% en la amplitud térmica diaria, atribuida a la compartimentación del PCM, que minimiza la convección interna y mejora la estabilidad térmica. Sin embargo, la cápsula Tubos, pese a tener compartimentos más pequeños, presentó un menor desempeño debido a la mayor cantidad de juntas internas, las cuales generan puentes térmicos que pueden dificultar la transferencia de calor dentro del encapsulado. En la configuración horizontal, donde la gravedad tiene menor influencia en la redistribución del PCM, las diferencias entre diseños fueron menos pronunciadas, con un desempeño levemente superior del diseño simple, debido a la ausencia de estos puentes térmicos. Además, se observó el fenómeno de subenfriamiento en la solidificación del PCM, donde el material permaneció en estado líquido por debajo de su temperatura de fusión antes de cristalizar, lo que afecta la eficiencia del almacenamiento térmico. Estos hallazgos aportan al diseño de estrategias de encapsulación optimizadas para PCM en construcción liviana, evidenciando que la compartimentación mejora la estabilidad térmica en ciertas orientaciones, pero una reducción excesiva del tamaño de los compartimentos puede aumentar la resistencia térmica. Como trabajo futuro, se propone optimizar la geometría del encapsulado, evaluar su desempeño en diversas condiciones climáticas e investigar la viabilidad comercial de esta tecnología como solución sostenible para la eficiencia energética en edificaciones.
Análisis de la factibilidad técnica de la suplementación en la intermitencia de recursos en la producción de hidrógeno verde con la gasificación por plasma de RSU en la región del Bío-Bío.
(Universidad de Concepción, 2024) Elgueta Caorsi, Ignacio Andrés; Blanco Machín, Einara
Los vertederos de recolección de residuos municipales se encuentran en un crítico estado en la región del Bío-Bío, acercándose varios a su máxima capacidad y teniendo el principal acopio del gran Concepción clausurado el 2023 por las autoridades gubernamentales por llegar a su límite y generar daños significativos a las comunidades aledañas. La problemática también abarca distintas zonas del país, con transportes de residuos de Hualpén a Ñuble y de Ancud a Los Ángeles. La necesidad de buscar alternativas al manejo de residuos se caracteriza como urgente. En el mismo contexto de tomar nuevas medidas con enfoque medioambiental, se sitúa la intermitencia en el recurso eólico renovable como un problema que significa un bajo factor de planta para la producción de hidrógeno verde. En este contexto, el trabajo se centra en analizar la factibilidad en la suplementación del recurso eólico disponible a partir de la gasificación por plasma de residuos sólidos urbanos, así logrando un aumento en el factor de planta al mismo tiempo que se aborda la problemática de gestión de residuos. Los sistemas de gasificación por plasma presentan un mejor aprovechamiento de los residuos, ya que permiten la gasificación completa con sus altas temperaturas y la obtención de un syngas con un poder calorífico mayor al de otros sistemas tradicionales de gasificación. Esta tecnología aplicada se simula en el software Aspen Plus, que permite modelar sistemas termoquímicos y caracterizar un syngas a partir de la definición de los RSU, su flujo másico y su composición. Los resultados de la simulación son similares a la literatura explorada, con un PCI de 11,97 MJ/kg para el syngas y un valor de 0,878 kW para gasificar un kilogramo de RSU. Se definió un caso base de producción de hidrógeno verde a partir de recursos eólicos en la región, donde el factor de planta trató como el indicador principal de la suplementación a estudiar. Se encontró un aumento del 48,97% del factor de planta, casi llegando a un factor ideal con un 0,997. También se relacionó que, por cada 1kg de hidrógeno verde producido, se involucran 11,23 kg de residuos.
Análisis de la influencia de la tasa de quemado en las emisiones de material particulado generadas por cocina a leña, utilizando un método óptico para medición de material particulado.
(Universidad de Concepción, 2024) Puentes Uribe, Reinaldo Alberto; Farías Fuentes, Óscar Francisco; Jiménez Del Río, Jorge Rodrigo
El presente estudio aborda la influencia de la tasa de quemado en las emisiones de material particulado generadas por cocinas a leña, empleando un método óptico basado en el sensor PMS5003 para la medición instantánea de dichas emisiones. Este trabajo se enmarca en la importancia de la biomasa como fuente energética renovable y su relevancia en Chile, donde la combustión de leña es una de las principales fuentes de contaminación atmosférica. El enfoque experimental considera las características específicas de las cocinas a leña y busca proporcionar soluciones técnicas y modelos que optimicen su uso, minimizando el impacto ambiental. Entre los objetivos alcanzados, se destaca el desarrollo y validación del método óptico para la medición de material particulado. La implementación del sensor PMS5003 permitió obtener datos en tiempo real, los cuales fueron comparados con el método isocinético convencional, mostrando una alta correlación entre ambos, con un coeficiente de determinación (R²) de 0.97. Adicionalmente, se formuló un modelo adimensional para representar la tasa de quemado, estableciendo una relación directa con las emisiones de material particulado, lo que valida su aplicabilidad para diferentes configuraciones de operación de la cocina. Los resultados experimentales demuestran que el tiraje medio proporciona mejores condiciones para una combustión eficiente y controlada en comparación con el tiraje abierto. En esta configuración, las emisiones de material particulado y monóxido de carbono (CO) son considerablemente menores, lo que optimiza el uso del combustible y reduce el impacto ambiental. El modelo propuesto mostró una excelente correlación con los datos experimentales, especialmente durante la fase de ignición, donde se obtuvo un error promedio del 6.96%. En el caso más desfavorable, correspondiente a la etapa de burnout, se registró un error promedio de 27.34%, lo que valida su capacidad para predecir de manera precisa el comportamiento de la combustión. En conclusión, la configuración de tiraje medio es recomendada para operar la cocina Alcázar M-70, ya que minimiza las emisiones de material particulado y CO, al tiempo que mejora la eficiencia térmica del sistema. El desarrollo de herramientas como el método óptico y el modelo adimensional contribuye significativamente al diseño de soluciones más sostenibles, ofreciendo un enfoque técnico y práctico para mejorar la calidad del aire y el desempeño energético en el uso de cocinas a leña.
Análisis de parámetros que influyen en el rendimiento de un recuperador de calor a condensación instalado en cocina a leña.
(Universidad de Concepción, 2024) Daza Meza, Mateo; Farías Fuentes, Óscar Francisco; Ramírez Menay, Roberto Enrique
El uso de tecnologías eficientes para reducir los impactos ambientales derivados de la combustión de leña y optimizar los recursos energéticos es una prioridad, especialmente en comunidades donde la biomasa es un recurso accesible y económico. En Chile, el 70 % de las viviendas rurales utiliza biomasa como principal fuente de calefacción, lo que contribuye significativamente a los altos niveles de emisiones contaminantes, especialmente en la zona sur, donde la combustión de leña genera el 90 % del material particulado fino durante el invierno. En este trabajo, se analiza un prototipo de recuperador de calor por condensación integrado en una cocina a leña. Este dispositivo fue diseñado para mejorar la eficiencia energética y mitigar el impacto ambiental mediante la implementación de un modelo térmico unidimensional. El estudio combina un modelo teórico en régimen transitorio, desarrollado en EES, con experimentos realizados en un banco de pruebas. Esto permite predecir las temperaturas del agua, de los gases y el rendimiento del sistema. El prototipo de recuperador de calor evaluado en este estudio alcanza un rendimiento del 90 % y cuenta con un tanque de 50 litros que permite calentar agua desde 20 °C hasta 60 °C, recuperando 12,6 MJ de energía, equivalente a una potencia de 3,33 kW. Además, reduce la temperatura de los gases de salida a 50 °C, lo que optimiza la transferencia de calor y minimiza las pérdidas energéticas. Su implementación logra disminuir el consumo de biomasa en un 40 % en comparación con el uso de una cocina a leña sin el recuperador. El modelo utilizado predice la temperatura del agua de salida del recuperador con un error inferior al 5 %, mientras que el error en la predicción de la temperatura de los gases de salida alcanza hasta un 15 %. Este último resultado se atribuye a las simplificaciones realizadas en el cálculo de las propiedades térmicas y a la omisión de la radiación de gases. En cuanto al rendimiento, el error promedio varía entre un 5 % y un 12 %.
Análisis en CFD del efecto de la porosidad de los soportes metálicos sobre los gradientes térmicos en una celda de combustible de tipo SOFC.
(Universidad de Concepción, 2025) Barros Díaz, Pacao Andrés; Escalona Inzunza, Andrés René; Cuevas Barraza, Cristian Alberto; Sanhueza Gómez, Felipe Abner
La presente Memoria de Título investiga el comportamiento térmico y electroquímico de celdas de combustible de óxido sólido tipo plana (SOFC) con soporte metálico, analizando el efecto de la porosidad de los soportes sobre los gradientes térmicos. Se analizan problemas relacionados con las tensiones térmicas en materiales cerámicos, las cuales pueden ocasionar problemas como delaminaciones y grietas debido a altos gradientes térmicos. Mediante simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) en ANSYS Fluent, se estudian configuraciones con porosidades en los soportes desde 0.2 hasta 0.8, manteniendo constante la porosidad en los electrodos. Los resultados muestran que la porosidad de los soportes impacta en el rendimiento térmico y electroquímico. Un aumento en la porosidad mejora la difusión de reactantes hacia la zona de reacción en la frontera de triple fase (TPB), aumentando la densidad de corriente y la potencia generada. Sin embargo, para porosidades muy altas en los soportes se generan cuellos de botella en la difusión de especies, limitando el transporte efectivo de reactantes y, por ende, la eficiencia de la celda. Además, el aumento de porosidad reduce la capacidad de los soportes para distribuir el calor producido por las reacciones electroquímicas, lo que provoca un aumento en los gradientes térmicos. A partir de porosidades mayores a 0.5, en ciertas zonas de los electrodos, cercanas a la zona del INLET, estos gradientes pueden superar los 10 [°C/cm], comprometiendo la estabilidad estructural de la celda. Esta concentración de grandes gradientes térmicos es explicada debido a la intensificación de las reacciones electroquímicas por la mayor concentración de reactantes y el salto térmico de los gases al alcanzar la zona de reacción. Se identifica una porosidad óptima de 0.4 para los soportes metálicos, ya que equilibra la distribución térmica y el transporte de reactantes, optimizando el rendimiento de la celda y manteniendo los gradientes térmicos dentro de límites seguros para su durabilidad. Se destaca además la necesidad de estudios adicionales que incluyan heterogeneidades microestructurales, la difusión de knudsen, propiedades térmicas anisotrópicas y el comportamiento a largo plazo de los materiales bajo. Los hallazgos en este informe representan un avance significativo en el diseño de SOFC más eficientes y duraderas, especialmente para aplicaciones estacionarias de generación de energía, abriendo la puerta a futuros trabajos e investigaciones que permitan optimizar el desempeño y reducir fallas estructurales en este tipo de celdas.
Análisis técnico-económico-ambiental de la implementación de sistemas de refrigeración con co2 en supermercados de Chile.
(Universidad de Concepción, 2025) Barriga Zambrano, Fabian Ignacio; Cuevas Barraza, Cristian Alberto
El presente proyecto da una solución a la problemática del uso de los refrigerantes convencionales hidrofluorocarbonos (HFC), los cuales emiten un 2% de las emisiones de gases efecto invernado a nivel mundial, y que de acuerdo con la enmienda de Kigali deberán tener una reducción paulatina de su uso, donde para el caso de Chile al año 2045 deberá reducir a un 20% el uso de los HFC. Este proyecto se centra en el uso de dióxido de carbono (R744) como refrigerante para supermercados de Chile, proponiendo tres sistemas que utilizan este refrigerante, los cuales son: Booster convencional, con compresor paralelo y con eyector. Además, se propone un cuarto sistema que utiliza R404A como refrigerante, el cual servirá como referencia para realizar una comparativa con las configuraciones que usan el refrigerante natural R744. Estos sistemas de refrigeración se estudiarán en ocho ciudades chilenas diferentes. Se estudia un supermercado con una superficie de 3000 m2, el cual tendrá una capacidad de refrigeración de 147,1 [kW] y 35,9 [kW] para los evaporadores de media y baja temperatura, respectivamente, esta capacidad frigorífica variará con respecto a un factor de carga. Los sistemas utilizan compresores a pistón y Scroll, para ambos tipos de compresores se analizará un modelo matemático, el cual describirá su funcionamiento, y los resultados se compararán con valores de catálogos. Los condensadores/gas cooler se analizarán por medio del modelo matemático pinch point. Se estudia el comportamiento climático de las ocho ciudades seleccionadas durante un año meteorológico típico. Las componentes seleccionadas son del fabricante Copeland en el caso de los compresores, Danfoss para el eyector y las válvulas de expansión, y RIVACOLD para el condensador y gas cooler de los sistemas. Se obtuvieron resultados de COPs de 1,25, 1,54, 1,69 y 1,86 para los sistemas Booster con R404A, Booster convencional, con compresor paralelo y con eyector, respectivamente, a una temperatura ambiente de 35°C. Se llegaron a reducciones de consumo energético de los sistemas Booster convencional, con compresor paralelo y con eyector, respecto al sistema con R404A de 3,6%, 12,3% y 22,6% en la ciudad de Calama, respectivamente, y de 21,4%, 25,6% y 37,2% en Punta Arenas para los mismos sistemas. Los sistemas con R744 redujeron entre un 77,5% y 88,1% el valor del TEWI respecto al sistema con R404A. Los sistemas Booster con R744 tuvieron costos operacionales más bajos que el sistema Booster con R404A.
Diseño de ingeniería de sistema de ahorro y generación de recursos para una vivienda rural en distintas zonas térmicas del país.
(Universidad de Concepción, 2025) Fuentealba Navarrete, Ramiro Ignacio; Fissore Schiappacasse, Adelqui Andrés
Los hogares chilenos requieren recursos energéticos, los cuales son suplidos por distintas fuentes que tienen una huella de carbono importante. Chile es uno de los países con mayor potencial de energías renovables del mundo, esto implica una excelente oportunidad para las familias de conseguir estos recursos sin seguir destruyendo el medio ambiente. En este informe, se estudian distintas tecnologías de generación y ahorro energético, para lograr que el consumo energético neto de un hogar chileno sea cero. Con un enfoque centrado en los distintos equipos que puedan cumplir este objetivo, con un cálculo de eficiencias y que efectos generan entre ellos. Además de su potencial, Chile presenta diversas condiciones climáticas que impiden un análisis único para todo el país. Es por ello, que se seleccionan siete zonas térmicas, definidas por Ministerio de vivienda y urbanismo, para realizar el estudio de manera independiente en cada una. Se investigaron distintas fuentes oficiales, como la CNE, la SEC, el SERNAC, entre otros, para determinar de manera precisa, cuáles son las demandas de recursos que tienen los chilenos a cada hora del año. Además, se investigaron las condiciones meteorológicas, cabe decir, radiación, temperatura, velocidad del viento, para tener todos los parámetros que pudieran afectar el funcionamiento de los equipos. Las demandas horarias y los parámetros ambientales nos permiten tener un contexto muy preciso de lo que está sucediendo a cada hora del año. Esto sumado a un entendimiento global del funcionamiento de los equipos antes mencionados, nos permitirá sacar conclusiones a partir de un análisis. Se llevó a cabo un cálculo, estudiando la eficiencia instantánea de cada equipo. Este cálculo se realizó de manera escalonada para considerar el impacto que van generando unos con otros, además de calcular flujo de caja y métricas económicos como el VAN y el TIR. El objetivo principal es que la demanda neta sea cero, para ello se investigaron todas las configuraciones posibles para cada zona. Con la herramienta Excel se realizó el cálculo base, con una cantidad de paneles, colectores y equipos auxiliares. Luego, en la misma herramienta, ahora con macros, se realizó un proceso iterativo que prueba y guarda los resultados para 60 configuraciones en cada zona térmica. Los resultados sin tratar se encuentran en el Anexo A. Hay diversas configuraciones que cumplen el cometido. La que conlleva menor gasto inicial es la de dos paneles fotovoltaicos y un calefón para agua caliente sanitaria. La que tiene mayor VAN es de dos colectores solares y 3 paneles fotovoltaicos, también apoyada en un calefón como energía auxiliar. Cabe destacar que estas soluciones son válidas para cinco de las siete zonas térmicas.
Modelación de un gasificador de biomasa de tiro descendente para la producción de un combustible sostenible de aviación.
(Universidad de Concepción, 2024) Ortega Chandia, Ignacia Ivonne; Blanco Machín, Einara
En Chile, la mayoría de los residuos forestales generados en terrenos de plantación son gestionados de forma ineficiente, siendo quemados ocasionando significativos impactos ambientales. Aunque no se logró cuantificar con precisión la cantidad de residuos disponibles en terreno, este estudio se centró en los residuos provenientes de la industria del aserrío. A nivel nacional, el 1.03% de estos residuos corresponde subproductos destinados a regalar, el 1% a residuos acumulados, mientras que el 98% restante es destinado a autoconsumo y comercialización. Como alternativa para valorizar estos residuos, esta investigación propone su gasificación como una estrategia para producir un gas de síntesis apto para la generación de biocombustibles sostenibles para aviación. El objetivo principal de esta investigación es modelar un sistema de gasificación de biomasa en un gasificador de corriente descendente, evaluando su viabilidad técnica, económica y ambiental con el propósito de contribuir a la descarbonización del sector aeronáutico. La hipótesis plantea que el uso de un gasificador de corriente descendente incrementa la eficiencia de conversión del carbono, produciendo un gas con un alto contenido de hidrógeno y monóxido de carbono, lo cual es favorable para la síntesis de combustibles sostenibles mediante el proceso Fischer-Tropsch. Para abordar este objetivo, se desarrollaron y evaluaron cuatro modelos basados en un enfoque de equilibrio termodinámico no estequiométrico. El modelo M1 es un modelo de equilibrio no estequiométrico puro, el modelo M2 posee una restricción en el contenido de metano, el modelo M3 considera una restricción cinética que determina la tasa de gasificación aparente y finalmente las dos restricciones mencionadas anteriormente se implementan juntas en el modelo M4. Los resultados indicaron que los modelos M2 y M4 presentaron la mayor precisión, con un error normalizado medio cuadrático (NRMSE) promedio de 0.08 cada uno. Tras validar los modelos utilizando datos experimentales reportados en la literatura, se aplicaron al estudio de la gasificación de aserrín de pino en un gasificador de corriente descendente utilizando aire como agente gasificador. Los análisis mostraron que, bajo condiciones operativas de tiempo de gasificación superior a 30 minutos, relación de equivalencia (ER) de 0.32 y contenido de humedad (MC) del 10%, se alcanzan eficiencias de conversión del carbono mayores al 90%. Se realizó un análisis económico y ambiental preliminar que demostró la viabilidad de implementar un sistema de gasificación, evidenciando tanto beneficios económicos como ambientales. Sin embargo, este análisis se limitó exclusivamente a la etapa de gasificación. Para obtener una evaluación más completa, es necesario incorporar el proceso de síntesis de Fischer-Tropsch, lo que permitiría un análisis económico y ambiental más detallado y verificará si el biocombustible producido cumple con los requerimientos técnicos, económicos y normativos del sector aeronáutico.
Reutilización y modificación de bolsas biodegradables de PLA para aplicaciones avanzadas en manufactura.
(Universidad de Concepción, 2025) Contreras Fuentes, Cecilia Del Pilar; Medina Muñoz, Carlos Andrés
La creciente demanda de materiales sostenibles como alternativa a los convencionales ha impulsado la necesidad de prácticas de fabricación responsables que equilibren el uso eficiente de recursos limitados, reduzcan el impacto ambiental y mantengan la viabilidad económica, promoviendo al mismo tiempo el bienestar humano. En este contexto, el uso de PLA reciclado en la impresión 3D surge como una solución prometedora para disminuir los costos y la huella ambiental asociados al uso de PLA virgen. Sin embargo, uno de los principales desafíos radica en la baja resistencia mecánica de los componentes fabricados con PLA reciclado, lo que subraya la necesidad de comprender y optimizar sus propiedades mecánicas y su potencial de sostenibilidad. Este estudio evaluó el desempeño del PLA reciclado en la impresión 3D mediante la creación de mezclas con PLA virgen y la incorporación de glicerina como plastificante. Se analizaron propiedades mecánicas, calidad del filamento y rendimiento en impresión 3D. Los resultados demuestran que el PLA reciclado puede ser una alternativa viable al PLA virgen si sus propiedades se modifican y controlan adecuadamente. Además, estrategias como la combinación con materiales vírgenes, la optimización de parámetros de impresión y el uso de aditivos han mostrado ser efectivas para mejorar el comportamiento del PLA reciclado. Los estudios demuestran una disminución de propiedades de hasta el 40%, por lo que la mezcla de PLA reciclado y virgen se presentó dentro de las estadísticas aceptable, haciéndolo así un candidato importante para aplicaciones de impresión 3D. Aunque gran parte de las investigaciones se han centrado en los beneficios ambientales del PLA reciclado, esta investigación también aborda las dimensiones económicas y sociales de su implementación, incluyendo un análisis del mercado de producción de filamentos para impresión 3D. A pesar de los avances, se requiere más investigación para comprender plenamente los impactos ambientales, económicos y sociales del uso de PLA reciclado en la fabricación aditiva. Los hallazgos de este estudio consiguieron demostrar una vez más, en conjunto con los estudios previos, que es necesaria la adición de material virgen para poder controlar la degradación de propiedades referida a materiales reciclados. Además, aporta una base sólida para que profesionales y académicos exploren el potencial de los materiales reciclados y los adapten a las necesidades específicas de sus aplicaciones, fomentando así la economía circular y la sostenibilidad en la industria de manufactura avanzada.

Browse

Browsing Tesis Pregrado by Subject "Acción CLIMÁTICA"

Results Per Page

Sort Options