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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 de riesgo, seguridad y legislativo para la incorporación de hidrógeno verde en líneas de gas natural en la región del Biobío.
(Universidad de Concepción, 2025) Salazar Arévalo, Marcelo Alexis; Márquez Romegialli, Fernando Eduardo; Carrasco Moraga, Juan Carlos
A nivel global y en Chile, se ha implementado la inyección de Hidrógeno Verde (H2V) en redes de Gas Natural (GN), como estrategia para contribuir a la carbono neutralidad. Los porcentajes de inyección se pretenden incrementar gradualmente hasta llegar a un 100% de HV, reutilizando la infraestructura del GN. Sin embargo, la manipulación de H2V e inyección a las redes de GN plantea riesgos tanto para los clientes como para la integridad de las líneas. Es por esto, que en el presente informe se realiza un estudio sobre los riesgos que conlleva el almacenamiento e inyección de H>V y el uso y transporte de mezclas de GN con H2V al 5%, 10%, 15% y 20%. A su vez, se realiza un análisis legislativo aplicable al proyecto y se entregan recomendaciones al Sistema de Gestión de Integridad de Redes (SGIR) de Innergy. El objetivo de lo anterior es determinar si la inyección de H2V es segura en las redes de Empresas Innergy (Región del Biobío) y conocer los estándares que deben cumplirse. El estudio evidencia que la inyección de H>V en el GN provoca variaciones en el Índice de Wobbe, permitiendo que la mezcla sea segura hasta un 19,4% de H.V, mientras que, aguas arriba de PSR Pemuco el límite debe ser 16,2% debido a la calidad del gas argentino. La inyección, también varía el coeficiente de Joule-Thomson provocando una reducción en la bajada de temperatura que tiene el GN debido a la regulación de presión, siendo esto beneficioso para la integridad de las líneas, ya que podría evitar el congelamiento de estas. A su vez, para evitar la estratificación y fragilización de las líneas, se recomienda inyectar en líneas que operen a baja presión y altas velocidades, construidas con materiales de baja ductilidad. Lo anterior se cumple en los laterales de Innergy y no en los de Gasoducto del Pacífico. Se realizó un análisis HAZOP a la planta de almacenamiento e inyección de H2V, en donde se identificó que los principales riesgos operacionales son el retorno del gas y una mezcla no controlada. En el caso de roturas de los estanques, se obtuvo mediante el software ALOHA, que se podrían generar nubes inflamables de hasta 844 [m] de radio y una sobrepresión por deflagración de 526 [m]. Desde el punto de vista legislativo, el proyecto debe realizarse según la NFPA 2/2020, ASME B31.12 y D.S. 13 con el fin de cumplir estándares de seguridad tanto nacionales como internacionales. Además, para mantener la integridad de las tuberías se deben actualizar todos los procedimientos, manuales y planes del SGIR que tengan como parámetros valores obtenidos a partir del GN.
Análisis del rendimiento de un sistema de electrodiálisis con membrana catiónica para la recuperación de hidróxido de litio a partir de cloruro de litio.
(Universidad de Concepción, 2025) Campos Castro, José Francisco Alberto; Montoya Rendón, Luis Felipe; Pino Soto, Luis Humberto
La extracción eficiente de minerales de interés en salmueras es una prioridad tecnológica, destacando el litio por su papel clave en el almacenamiento de energía y el desarrollo de tecnologías limpias. Si bien la evaporación solar es el método predominante para su recuperación, enfrenta importantes limitaciones debido a su larga duración y elevados costos económicos y ambientales. Esto ha incentivado la investigación de alternativas más sostenibles y eficientes, como la electrodiálisis. El objetivo de este estudio es analizar un sistema de electrodiálisis diseñado específicamente para la recuperación de hidróxido de litio (LiOH) a partir de una solución alimentadora de cloruro de litio (LiCl). Este sistema consta de una celda tipo H y una membrana de intercambio catiónico, y su evaluación se centra en sus propiedades físicas, electroquímicas y eficiencia. Desde el punto de vista físico, se observó que el proceso de electrodiálisis genera incrustaciones de material inerte en la superficie de la membrana, constituidas por partículas de litio que no logran atravesarla hacia el compartimiento catódico. Este fenómeno perjudica la funcionalidad de la membrana y reduce la eficiencia global del sistema. Los análisis electroquímicos, realizados mediante voltametria cíclica, espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y cronopotenciometría, mostraron un incremento significativo en la resistencia eléctrica de la membrana durante el proceso. En particular, se registró que dicha resistencia aumenta más de tres veces su valor inicial tras periodos prolongados de operación, afectando negativamente el rendimiento del sistema. En términos de eficiencia, se identificó que las condiciones óptimas corresponden a configuraciones con menor concentración inicial de LiCl, máxima densidad de corriente y tiempos de operación adecuados, logrando una eficiencia de recuperación del 23%. Por el contrario, a concentraciones iniciales más altas, la saturación temprana de la membrana disminuye considerablemente la eficiencia del proceso. En conclusión, el estudio destaca el potencial del sistema de electrodiálisis como alternativa sostenible para la extracción de litio, aunque también resalta sus limitaciones. Para maximizar su viabilidad en aplicaciones a gran escala, será esencial desarrollar estrategias que reduzcan la formación de incrustaciones y el incremento de la resistencia eléctrica de la membrana, mejorando así su desempeño y eficiencia.
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 multidimensional de la integración de una celda de combustible SOFC en una planta de generación de energía eléctrica de ciclo combinado.
(Universidad de Concepción, 2025) Roa Brüning, Claudio Andrés; Escalona Inzunza, Andrés René; Cuevas Barraza, Cristian Alberto
Este estudio evalúa la viabilidad técnica, económica y ambiental de integrar una SOFC en el ciclo combinado de una planta real en Chile, utilizando un modelo 0-D para dimensionar la SOFC. Sobre esta base, se diseña un sistema híbrido SOFC-TG-TV de 180 MW netos, que opera a densidades de corriente de potencia máxima de la celda de 2,755 𝐴/𝑐𝑚² (𝐻₂) y 2,673 A/cm² (𝐶𝐻₄). El módulo de SOFC-𝐻₂ desarrolla 67,71 MW (36,33% de aporte), mientras que el de 𝐶𝐻₄ entrega 58,52 MW (32,43%). En cuanto a eficiencia global, se obtuvieron valores de 60,56% y 57,32%, presentando grandes mejoras frente al caso base escogido. Para 2025, el LCOE resulta de 0,218 𝑈𝑆𝐷/𝑘𝑊ℎ (𝐻₂) y 0,122 𝑈𝑆𝐷/𝑘𝑊ℎ (𝐶𝐻₄), así mismo, el caso 𝐻₂ retorna la inversión en 10 años, mientras que el 𝐶𝐻₄ alcanza un payback en el año 1. Además, un análisis de sensibilidad evidencia mayor estabilidad económica del 𝐶𝐻₄. Desde el punto de vista ambiental, el 𝐻₂ elimina el 100% de las emisiones de 𝐶𝑂₂ y el 𝐶𝐻₄ las reduce en un 55% respecto al ciclo base. De este modo, el caso 𝐻2 del sistema SOFC-TG-TV combina rendimiento técnico y superioridad en términos ambientales, mientras que el caso 𝐶𝐻4 se presenta de forma atractiva en la rentabilidad económica.
Análisis técnico económico del uso de Baterías de Carnot como fuente de almacenamiento energético y uso en plantas térmicas
(Universidad de Concepción, 2025) Contreras Alarcón, Ángela Praxedes; Cuevas Barraza, Cristian Alberto; Escalona Inzunza, Andrés René
El presente trabajo aborda el desafío de reconvertir centrales termoeléctricas a carbón retiradas o en proceso de retiro en Chile, mediante la implementación de sistemas de almacenamiento térmico tipo batería de Carnot, con el objetivo de aprovechar el vertimiento de energías renovables variables como la solar y eólica, y avanzar hacia un sistema eléctrico más flexible y descarbonizado. El estudio se enfoca en dos casos representativos: la central Cochrane, ubicada en Mejillones, y la central Santa María, en Coronel, centrales con condiciones de operación distintas y regiones con condiciones climáticas contrastantes. La metodología empleada consistió en modelar un sistema de almacenamiento térmico acoplado a una bomba de calor (P2H) para la carga, y el ciclo Rankine de cada central para la descarga, utilizando aire como fluido de trabajo en la bomba de calor y sales solares como medio de almacenamiento. Se aplicaron balances de masa, energía, junto con análisis de sensibilidad térmica, para evaluar el comportamiento del sistema bajo distintos escenarios climáticos anuales caracterizados con datos del software Meteonorm. Además, se realizó una estimación económica basada en precios de compra de energía como cliente libre y potenciales ingresos por venta al sistema eléctrico. Los resultados indican que el ciclo de bomba de calor logra un COP de hasta 1,525 en Cochrane, favorecido por temperaturas ambientales más elevadas y menores temperaturas de retorno del sistema de almacenamiento. En contraste, Santa María alcanza un COP de 1,461, debido a sus menores temperaturas ambiente durante gran parte del año. En la fase de descarga, la central Santa María presentó una eficiencia térmica superior de un 50􀯗% respecto a Cochrane con un 32􀯗%, debido principalmente a una menor presión de condensación. El análisis económico muestra que ambos casos resultan viables en escenarios con precios competitivos de compra, especialmente en contextos de alto vertimiento renovable. En conclusión, los resultados demuestran la viabilidad técnica y económica de las baterías de Carnot como alternativa para la reconversión de centrales a carbón, especialmente en zonas con alta disponibilidad de energía renovable no utilizada. Sin embargo, se reconoce que esta tecnología aún se encuentra en etapa de maduración, sin aplicaciones a gran escala, por lo que su implementación debe ser cuidadosamente evaluada y perfeccionada en futuras investigaciones y desarrollos tecnológicos.
Análisis técnico-económico de captura de Co2 en la pirólisis de residuos lignocelulósicos.
(Universidad de Concepción, 2025) Castillo Gonzalez, Felipe Ignacio; Garrido Acuña, José Matías
En este trabajo se realizó un análisis técnico-económico de la captura de CO₂ durante la pirólisis de residuos celulósicos, específicamente de corteza de pino, mediante la comparación de dos tecnologías de captura: Calcium Looping (CaL) y absorción química con metildietanolamina (MDEA). El objetivo central fue optimizar técnica y económicamente un proceso de valorización de residuos que permita capturar el CO₂ de forma eficiente. El estudio se desarrolló en tres etapas, las cuales vendrían siendo, revisión bibliográfica sobre propiedades del CO₂, tecnologías de captura y características principales de la biomasa, posteriormente se realizó la simulación del proceso completo en Aspen Plus, incluyendo todas las etapas de la pirolisis para posteriormente simular la captura de CO₂, en base a esto se realizó el análisis económico mediante el método de Guthrie actualizado y para concluir este trabajo se llevó a cabo la evaluación financiera con sus respectivos flujos de caja bajo distintos escenarios operativos. La simulación considera la corteza de pino (#1268 según la base Phyllis2), con un poder calorífico de 21,37 MJ/kg. Se modela la pirólisis y posterior gasificación obteniendo un total de 5.298 kg/hr de CO₂, a partir de este flujo se implementaron dos sistemas de captura: •Calcium Looping, con una eficiencia cercana al 95% y una pureza de CO₂ superior al 99%, utilizando CaO como sorbente regenerable. •MDEA, con una eficiencia mayor al 95%, aunque con una menor pureza, operando en medio acuoso presurizado, siendo simulado con un proceso más avanzado. Económicamente se evaluaron escenarios optimistas y pesimistas para ambas tecnologías, el análisis reveló que el método de captura de Calcium Looping presenta una mayor rentabilidad, con un VAN de 5.688.835 USD y un TIR del 49% en el escenario favorable, frente a un VAN de 1.186.387 USD y un TIR del 19% en el sistema de MDEA, cabe destacar que, en escenarios desfavorables, MDEA resulta inviable económicamente con un VAN negativo por ende no resultaría atractivamente posible. Se concluye que la integración de Calcium Looping a procesos de pirolisis de residuos forestales representa una alternativa económicamente atractiva y ambientalmente sustentable para la captura de CO₂, especialmente en la zona estudiada ya que presenta una alta disponibilidad de biomasa y una infraestructura industrial adecuada, además la valorización del CO₂ como activo mediante bonos de carbono refuerza la viabilidad del proyecto.
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.
Aplicación y comparación de modelos de localización de instalaciones para mitigación de daños por incendios forestales.
(Universidad de Concepción, 2025) Godoy Ortega, Felipe Ignacio; Jensen Castillo, María Magdalena; Pradenas Rojas, Lorena del Carmen
Los incendios forestales en Chile han generado un impacto significativo en comunidades rurales, creando la necesidad de estrategias preventivas. Este estudio tiene como objetivo analizar la funcionalidad y el rendimiento de un modelo de programación matemática para la localización de reservorios de agua en pequeñas comunidades, como medida de mitigación ante estos eventos. Para ello, se revisa literatura relacionada a Logística Humanitaria, se define un modelo de localización tipo Capacitated Facility Location Problem (CFLP) y se generan datos representativos de demanda a partir del método de centro de gravedad ponderado, en base a la distribución habitacional de 11 comunidades de las regiones del Biobío y Maule. La metodología incluye una primera aproximación mediante el método heurístico de centro de gravedad, seguido por la aplicación del modelo de CFLP para integrar restricciones de capacidad, cobertura y asignación óptima. Los resultados evidencian que la mayoría de las ubicaciones óptimas de reservorios no coinciden con las propuestas iniciales, sino que corresponden a variaciones generadas en el análisis iterativo. Esto reafirma la utilidad de combinar enfoques heurísticos y exactos para mejorar la calidad de las soluciones. El modelo propuesto demuestra ser replicable, adaptable a distintos territorios rurales y una herramienta útil para la planificación preventiva frente a incendios. Se concluye que la integración de análisis geográfico con programación matemática permite abordar problemas territoriales complejos incluso en contextos con limitación de datos, considerando una implementación aplicable a la realidad para la localización de instalaciones.
Caracterización de acero inoxidable super dúplex mediante técnicas de nanoindentación a 475ºC.
(Universidad de Concepción, 2025) Ibáñez Fuentes, Daniel Elías; Medina Muñoz, Carlos Andrés; Rojas Jara, David Eduardo
El presente trabajo investiga la evolución microestructural y mecánica de un acero inoxidable súper dúplex sometido a envejecimiento térmico a 475 °C. Se analizaron muestras en estado de solubilizado (T0) y después del tratamiento térmico (T2) mediante microscopía óptica, microscopía de sonda de barrido, EDS y nanoindentación, con énfasis en el mapeo estadístico (XPM). A temperatura ambiente, las fases ferrita y austenita se distinguieron claramente tanto microestructural como mecánicamente, registrando valores promedio de 5.42 GPa de dureza y 225 GPa de módulo elástico para la ferrita, y de 4.03 GPa y 204 GPa para la austenita, respectivamente. Tras el envejecimiento, la ferrita sufrió una severa descomposición espinodal, lo que condujo a la formación de fases secundarias con respuestas mecánicas distintas. La austenita secundaria exhibió una dureza media de 4.19 GPa y un módulo elástico de 170 GPa. La ferrita descompuesta (α′) presentó valores notablemente superiores, con una dureza de 6.56 GPa y un módulo de 220 GPa. La fase sigma (σ), identificada en regiones localizadas, mostró la mayor rigidez, con una dureza de 9.7 GPa y un módulo elástico de 277 GPa. El principal aporte de este estudio radica en la aplicación de XPM a alta temperatura, lo que permitió obtener mediciones estadísticamente robustas en condiciones experimentales desafiantes y entregar evidencia directa de la evolución mecánica de las fases secundarias durante el envejecimiento. Los resultados son consistentes con la literatura, demostrando que el tratamiento térmico a 475 °C promueve un endurecimiento significativo de la ferrita mediante descomposición espinodal y precipitación de fases secundarias, lo que tiene implicaciones directas en las condiciones de servicio.
Caracterización de emulsiones y oleogeles con hidroxipropilmetilcelulosa y micropartículas de quitina.
(Universidad de Concepción, 2025) Escobar Ochoa, Alonso Andrés; Pereira Soto, Miguel Ángel
El elevado consumo de grasas es uno de los factores de riesgo asociado a diversas enfermedades. Una de las soluciones planteadas es la estructuración de aceites, denominados oleogeles. El objetivo de este trabajo fue el estudio de las propiedades fisicoquímicas de emulsiones y oleogeles elaborados con aceite de girasol, empleando diferentes concentraciones y pesos moleculares de HPMC, así como la incorporación de micropartículas de quitina utilizando el método emulsión template. Se evaluaron las siguientes variables: concentración de HPMC en emulsión (1,5; 2,0 y 2,5% p/p), tipo de HPMC (alto o bajo peso molecular) y concentración de quitina en emulsión (0,5; 1,0 y 1,5% p/p) para una concentración fija de HPMC (1,5% p/p y bajo peso molecular). Los oleogeles se obtuvieron mediante el método de emulsion template. Las emulsiones se secaron por convección a 80°C, empleando relaciones aceite/agua de 50:50. La caracterización incluyó ensayos reológicos, microscopía, análisis de perfil de textura (TPA), colorimetría y evaluación de la retención de aceite (OBC). Para las emulsiones se realizaron barridos de deformación (0,01-100%), frecuencia (0,1-10 Hz), curvas de flujo (0,01-1 s⁻¹) y análisis del tamaño de gota mediante microscopía. Por su parte, los oleogeles se les aplicaron barridos de deformación (0,01-10%), frecuencia (0,1-10 Hz), rampas térmicas (25-80°C), TPA, colorimetría y OBC. El aumento de HPMC incrementó los módulos viscoelásticos y redujo el tamaño de gota de las emulsiones. Las emulsiones con HPMC de alto peso molecular (HPMC A) mostraron un punto de gel que se ajustó bien al modelo generalizado de Maxwell con cuatro elementos. Los modelos de Cross-Williamson y Casson describieron adecuadamente el comportamiento viscoso de las emulsiones. La incorporación de micropartículas de quitina aumentó la viscosidad del medio, pero no afectaron significativamente el comportamiento viscoelástico ni la distribución del tamaño de gota producto del tamaño de partícula (20-100 μm) similar a las gotas de aceite. En los oleogeles, el aumento de la concentración de HPMC de bajo peso molecular (HPMC B) conllevó a una mayor estructuración de los sistemas, dureza y OBC. Para HPMC A, estas propiedades permanecieron constantes. La incorporación de quitina en los oleogeles con HPMC B conllevó a un aumento de los módulos viscoelásticos, dureza y croma, pero una disminución desfavorable del OBC. Todos los oleogeles presentaron alta termoestabilidad y no se observaron cambios significativos en los parámetros de color con el aumento de HPMC independiente del tipo.
Condiciones históricas de oleaje en el golfo de Arauco.
(Universidad de Concepción, 2025) Vargas Zurita, Ghislaine Catalina; Guerra Paris, Maricarmen Andrea Josefina
El aumento en la ocurrencia de las marejadas en los últimos años junto con el incremento en la demanda de infraestructura costera y el eventual aumento del nivel del mar debido al cambio climático aumentan el riesgo en la zona costera también afectada por terremotos y tsunamis. En el Golfo de Arauco, Biobío, Chile, la información pública sobre oleaje y sobre las marejadas es prácticamente nula. Para generar un sistema de alerta frente a marejadas es necesario determinar el clima de oleaje medio y extremo, para así identificar el oleaje que pueda afectar la actividad marítima y dañar la infraestructura de la costa. En este trabajo se evaluaron las condiciones históricas de oleaje en el Golfo de Arauco utilizando un modelo de oleaje retrospectivo debido a que las mediciones del oleaje existentes en el Golfo son insuficientes para realizar un análisis de largo plazo. Se implementó el modelo espectral Wavewatch III para modelar el oleaje desde aguas profundas hasta las cercanías de la costa en la zona centro-sur de Chile. Se simularon 30 años de oleaje, desde enero del año 1994 hasta diciembre del año 2023, con el fin de generar información de largo plazo de la altura significativa, periodo peak, dirección media y peak del oleaje en el Golfo de Arauco. Los resultados del modelo son validados con series de tiempo de parámetros resumen del oleaje obtenidas costa afuera de Caleta Tumbes, Talcahuano, por la boya Watchkeeper perteneciente al SHOA. Luego se crearon mapas de parámetros resumen del oleaje promedio para la zona de estudio y se obtuvo el clima medio y extremo para diferentes puntos de interés dentro del Golfo de Arauco. Se obtuvo un buen ajuste de la altura significativa con respecto a los datos observados. Se obtuvo un ajuste aceptable para el periodo peak y la dirección, pudiendo mejorarse si se agrega a la modelación información del viento local. Los mayores valores de altura significativa se observaron en Punta Lavapie y en la Isla Santa María. La altura del oleaje mínima se observa en Arauco (promedio 0.49 m). Para el clima extremo se destaca que las máximas alturas de oleaje se observaron en el nodo de Punta Lavapie, con valores superiores a los 5 m, el periodo de retorno a los 10 años varía entre 1.6 metros en Arauco y 4.7 metros en Punta Lavapie, para 100 años el mínimo está igualmente en Arauco con 1.8 m y el máximo en Punta Lavapie con 5.1 m.
Conservación de la energía a través del uso de lubricantes especiales.
(Universidad de Concepción, 2025) Brunner Schalchli, Martín José; Canales Cárdenas, Cristian Alexis
La presente investigación tiene como objetivo evaluar el ahorro energético asociado al uso de lubricantes con aditivos especiales en reductores de velocidad industriales, operando bajo condiciones reales de planta. Para ello, se diseñó una metodología dual: una teórica, aplicada al caso nominal del sistema, y otra experimental, basada en técnicas predictivas de mantenimiento enfocadas en el monitoreo de variables eléctricas, térmicas y vibracionales. El estudio comparó el rendimiento de dos lubricantes ISO VG 220: Royal Purple Synergy 220 cSt y Mobil SHC 630 220 cSt. Los resultados teóricos evidenciaron que el lubricante Synergy 220 cSt permite reducir las pérdidas energéticas en un 18%, lo que se traduce en un incremento de eficiencia del orden de 1.38% a 1.54% en un reductor de tres etapas helicoidal. No obstante, la validación experimental de estos resultados se vio limitada por dos factores clave: i) la presencia de diferencias vibracionales entre los equipos evaluados, y ii) la elevada incertidumbre del equipo de medición de corriente (SUPCO DVCV), cuyo error absoluto supera el umbral necesario para una validación estadísticamente confiable. Por tanto, aunque la hipótesis de lograr un ahorro energético superior al 3% se cumple teóricamente, no pudo ser confirmada de forma concluyente en condiciones de planta. A pesar de estas limitaciones, el estudio demuestra el alto potencial del uso de lubricantes avanza dos como una herramienta efectiva para mejorar la eficiencia energética en entornos industriales. Esta línea de acción cobra especial relevancia en el marco de la Ley 21.305 sobre Eficiencia Energética, que obliga a grandes consumidores a implementar sistemas de gestión energética. Como trabajos futuros, se propone la incorporación de instrumentación de mayor precisión en terreno, como el multímetro Fluke 289 con pinza i30 y sensores de vibración triaxiales. Asimismo, se sugiere el desarrollo o utilización de un banco de ensayos tipo FZG, que permita replicar condiciones controladas, estandarizadas y comparables para validar con mayor certeza el impacto real del lubricante sobre la eficiencia del sistema.
De residuo a recurso: Carbonos porosos a partir de corteza de eucalipto para la remediación de agua contaminada con fenol.
(Universidad de Concepción, 2025) Ruiz Ortega, Javier Jesús; García Carmona, Ximena Andrea; Matos Lale, Juan
La contaminación del agua por compuestos orgánicos, como el fenol y/o sus derivados, representa un grave problema ambiental y sanitario debido a su toxicidad, persistencia y baja biodegradabilidad. Frente a esta problemática, el uso de carbonos activados como materiales adsorbentes se presenta como una alternativa eficiente y sostenible. En esta memoria se estudió la viabilidad de producir carbonos porosos a partir de corteza de eucalipto, un residuo lignocelulósico abundante, para su aplicación en la remoción de fenol desde soluciones acuosas, para luego evaluar la regeneración de los carbonos saturados con fenol. El trabajo se centró en la síntesis de biocarbonos mediante tres metodologías: hidrotermal clásico, hidrotermal asistido por microondas y activación química con ácido fosfórico seguida de pirólisis. Los materiales obtenidos fueron caracterizados mediante análisis de área superficial BET, distribución de tamaño de poros, pH superficial, microscopía SEM e isotermas de adsorción de N₂ a 77 K. Posteriormente, se evaluó su desempeño en ensayos de adsorción de fenol utilizando HPLC para la determinación de concentraciones residuales y se estudió la regeneración de los carbonos saturados mediante microondas. Los resultados mostraron que los biocarbonos activados químicamente a 550 °C alcanzaron áreas superficiales entre 600 y 987 m²/g, comparables o superiores al carbón comercial, con predominio de microporosidad. En cuanto a la eficiencia de remoción, los carbonos activados con relación de impregnación 1:1 lograron hasta un 88 % de adsorción de fenol en 180 minutos, mostrando cinéticas rápidas y alta afinidad. Por su parte, los tratamientos hidrotermales sin activación presentaron bajos rendimientos (<4 %), lo que confirma la necesidad de la activación química y térmica. Además, la regeneración por microondas permitió recuperar parcialmente la capacidad adsorbente, evidenciando el potencial de reuso del material. En conclusión, los biocarbonos derivados de corteza de eucalipto constituyen una alternativa eficiente, económica y sustentable para el tratamiento de aguas contaminadas con fenol, contribuyendo a la valorización de residuos forestales y al desarrollo de tecnologías de remediación ambiental más sostenibles.
Desarrollo de ánodo tubular nio-gdc para soporte de celda de combustible de óxido sólido.
(Universidad de Concepción, 2025) Figueroa Uslar, Natalia Claudia; Figueroa Uslar, Natalia Claudia
Esta tesis presenta el desarrollo y caracterización de un ánodo microtubular basado en óxido de níquel (NiO) y de cerio dopado con gadolinio (GDC), optimizado para su aplicación en celdas de combustible de óxido sólido (SOFCs, por sus siglas en inglés). Se aborda todo el proceso, desde la formulación de la pasta cerámica hasta la sinterización final, con especial énfasis en el control reológico y microestructural. Se demuestra que la extruibilidad está gobernada por el contenido de sólidos (NiO-GDC y α-celulosa), cuantificado mediante el parámetro Pigment Volume Concentration (PVC). Concepto propio de recubrimientos y pinturas, pero que se extrapola al contexto de pastas cerámicas, se define como la fracción volumétrica de fase sólida en la pasta seca, y se utiliza para correlacionar formulación, comportamiento reológico y desempeño en extrusión. Formulaciones con PVC entre 70 y 92 % muestran comportamiento pseudoplástico con esfuerzo de cedencia, adecuadamente modelado con Carreau–Yasuda y validado por ensayos oscilatorios. La pasta VI exhibe la red interna más resistente, mientras que la pasta VII, con PVC excesivo, resulta no extruible. El secado en cámara de humedad controlada preserva la porosidad y, tras sinterización a 1200 °C, genera ánodos con mayor contenido de carbono residual, menor segregación superficial de Ni y mayor retención de óxidos de tierras raras. Esta temperatura se identifica como óptima para soportes porosos, ya que, a temperaturas superiores, estas diferencias se reducen o desaparecen. Se concluye que la extrusión reproducible y de alto desempeño se alcanza manteniendo el PVC en el rango 70–92 %, utilizando rampas de sinterización ≤ 0,9 °C/min para evitar defectos, y empleando reómetros adecuados como el Discovery Hybrid Rheometer-3 (DHR-3). Además, se recomienda integrar ensayos tixotrópicos y barridos de frecuencia para ajustar parámetros de extrusión y mejorar la estabilidad mecánica del tubo verde. Estos hallazgos contribuyen al diseño racional de ánodos microtubulares, clave en la fabricación de SOFCs más eficientes y compatibles con estrategias de transición energética como el hidrógeno verde.
Desarrollo de estrategias de mantenimiento para la gestión de equipos críticos a través de análisis de confiabilidad en la empresa CMPC Pulp planta Santa Fe.
(Universidad de Concepción, 2025) Fuentealba Cisternas, Joaquín Francisco; Canales Cárdenas, Cristian Alexis; Arcaya Chirinos, Félix
La presente memoria de título tiene como objetivo desarrollar una metodología estructurada que permita definir estrategias de mantenimiento para equipos críticos A de Planta Santa Fe que actualmente no cuentan con una estrategia asociada. El trabajo comprende la consideración de impacto económico y productivo, herramientas basadas en análisis de confiabilidad y validación mediante metodología FMECA, acorde tanto a normativa nacional, internacional y estándares internos de planta. Inicialmente, se verifica el análisis de criticidad realizado por la UC&GA de planta, seleccionando equipos de alta criticidad (A) que no presenten plan de mantenimiento asociado. Posteriormente, se analizan las estrategias y directrices de mantenimiento presentes actualmente, detectando brechas y oportunidades de mejora. Con el fin de caracterizar el historial de falla de los equipos seleccionados, se aplica el modelo de Weibull, el cual responde con parámetros como: confiabilidad, tasa de falla, MTBF, MTTR, β y η, lo que permite visualizar y caracterizar las fallas de cada activo. Además, con el fin de priorizar activos de manera mas técnica se consideran análisis de Pareto y Jack Knife. De esta manera, se seleccionan equipos representativos para Planta Santa Fe los cuales son analizados mediante FMECA, lo que permite identificar modo de falla, causa, efecto, severidad, detectabilidad, impacto, entre otros, definiendo así estrategias de mantenimiento basadas en la metodología RCM. Finalmente, se estimaron indicadores clave de desempeño, tales como disponibilidad operativa y tasa de falla, así como también se propuso que, una vez evaluada la metodología por parte de planta, se estimaran la confiabilidad y disponibilidad de los activos en cuestión, lo que permite evaluar la efectividad de la metodología desarrollada. En base a lo anterior, la memoria de título concluye que es posible caracterizar detalladamente el comportamiento de falla por equipo, lo que conlleva directamente a priorizar activos de manera estratégica y definir estrategias de mantenimiento efectivas, lo cual contribuye no tan sólo a una toma de decisiones alineada con lineamientos internos, sino también con la gestión de activos.
Desarrollo de un modelo basado en algoritmos de deep learning para la detección y cuantificación de estado de apertura en imágenes microscópicas de estomas.
(Universidad de Concepción, 2025) Lara Arriagada, Martina Angélica; Vidal Miranda, Mabel Angélica; Navarrete Lizama, Carlos Camilo
Esta memoria de título aborda la necesidad de automatizar la identificación y medición de los estomas en imágenes microscópicas. Este proceso es fundamental para el análisis hídrico de cultivos, especialmente relevante ante el creciente impacto del cambio climático y la escasez de agua en la agricultura. Los estomas son estructuras clave en el tejido epidérmico vegetal, esenciales para el intercambio de gases y la fotosíntesis, esto los convierte en indicadores vitales del estado hídrico de las plantas. El estudio propone el uso de metodologías de deep learning y computer vision para superar las limitaciones de los métodos manuales y semiautomatizados actuales, que son ineficientes, costosos y propensos a errores. La investigación esta centrada en dos objetivos principales: Identificación del estoma, que consiste en la implementacion de un modelo de deep learning especializado en computer vision para la tarea de detección de objetos, basado en una arquitectura YOLO, se desarrolla para localizar estomas. Este modelo alcanza un alto rendimiento en métricas que evaluan distintas capacidades de los modelos. En precisión (0,957), recall (0,956), mAP@.50 (0,983) y mAP@.50:.95 (0,676), demostrando una capacidad robusta y precisa para identificar estomas. La determinación del estado de apertura, se logra mediante un modelo de segmentación de instancias que clasifica directamente el estado (abierto o cerrado). Los resultados del modelo tambien evidencian un buen rendimiento. Con mAP@.50 (0,889)mAP@.50:.95 (0,806), recall (0,906) y precisión (0,741), lo que indica su fiabilidad para la delimitación precisa de los estomas y su estado. La metodología incluye la recolección y composición de diversos conjuntos de datos, provenientes de distintas fuentes, incorporando imágenes de especies como Cicer arietinum y Arabidopsis thaliana. Se realiza un preprocesamiento y re-etiquetado manual para asegurar la calidad y precisión de las anotaciones, utilizando máscaras de segmentación para delimitar las clases “stomata”, “pore-open” y “pore-closed”. Los resultados demuestran que los modelos desarrollados representan un avance significativo en la automatización del análisis estomático, proporcionando una herramienta fiable para el fenotipado y la gestión agrícola. Además, se explora el impacto de los mecanismos de atención en las arquitecturas del modelo, confirmando su potencial para mejorar el rendimiento de la segmentación. En resumen, esta memoria de título contribuye al campo del computer vision en la agricultura al ofrecer soluciones basadas en deep learning para la identificación y cuantificación del estado de apertura estomática, facilitando así la toma de decisiones informadas para el manejo hídrico de los cultivos.

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