Revista Técnica de la Facultad de Ingeniería Universidad del Zulia

Conversión y almacenamiento de energía basados en hidrógeno: Estado del arte y propuesta de estrategias en el Mercosur

Renewable energies are a safe alternative to the socioeconomic problem that the Mercosur region is experiencing. Hydrogen is the ideal medium for wind and electric energy storage. Although hydrogen is the most abundant element in nature, it requires energy for its production, because it seldom occurs free. Pure hydrogen is obtained by water electrolysis. It is for that reason that in the Mercosur regions the ideal scenario that must be exploited is the combination of two elements, wind and hydrogen, inasmuch as the use of fuel cells allows obtaining steady electric energy in isolated places from wind energy, which is intermittent. Methods for obtaining hydrogen by the reforming of natural gas or biofuel with very good results are also being developed. Therefore, the present work focuses on both studies and research on hydrogen energy and its beneficial consequences in relation to renewable and non-renewable resources, and to the mitigation of the environmental impact during its use. The multidisciplinary character of this work has allowed approaching it from a basic and also technological aspect considering different possibilities, such as electricity generation in fuel cells and hydrogen production using wind energy, and their impact on the region.

Las energías renovables son una alternativa segura al problema socio-económico que experimenta la región del Mercosur. El hidrógeno es el acumulador ideal para la energía de origen eolo-eléctrica. Si bien el hidrógeno es el elemento más abundante en la naturaleza, requiere energía para su producción, pues raras veces se lo encuentra libre. Por electrólisis se obtiene hidrógeno puro. Es por ello que en las regiones del Mercosur la conjunción ideal que debe ser explotada es la unión de dos elementos, el viento y el hidrógeno, por cuanto la utilización de celdas de combustible permite obtener energía eléctrica estable en lugares aislados a partir de energía eólica, que es fluctuante. También se están desarrollando métodos de obtención de hidrógeno por reformado de gas natural o biodiesel con muy buenos resultados. Por lo tanto, el presente trabajo tiene como común denominador estudios e investigaciones sobre la energía del hidrógeno y sus consecuencias benéficas en relación con los recursos renovables y no renovables y con la reducción del impacto ambiental durante su utilización. El carácter multidisciplinario de este trabajo ha permitido abordarlo desde un aspecto básico y también tecnológico contemplando distintas posibilidades, como la producción de electricidad en celdas de combustible y la producción de hidrógeno empleando energía eólica y su impacto en la región.

Desarrollo en Venezuela de un sistema energético basado en el hidrógeno: Parte III: Transporte y distribución

The aim of this work is to develop and evaluate a mathematical model for the process of transport and distribution of hydrogen for use as an energetic vector in rural sectors of Venezuela. Pressurized containers of 50 l of geometric volume and 200 bars of pressure transported by truck was the way chosen as the most appropriate means of transport. The non-linear model has been used to calculate the transport and distribution costs, depending on the number of rural homes to be supplied. The results show that economy of scale means the overall cost can be reduced as the number of homes served and/or distance travelled increases. Finally, we see that investment costs are the largest portion of the overall cost, whereas in terms of the operating costs, it is the cost of the lorry that is the main item.

El propósito de este trabajo es desarrollar y evaluar un modelo matemático del proceso de transporte y distribución de hidrógeno con vista a su uso como vector energético en sectores rurales de Venezuela. El hidrógeno gaseoso se transporta y distribuye en camiones, confinado en cilindros con un volumen geométrico de 50 l a una presión de 200 bares, medio y modo de transporte seleccionado como el más adecuado para los fines propuestos. El modelo no lineal resultante se utiliza para calcular los costos de transporte y distribución según el número de hogares rurales a satisfacer de energía. Los resultados muestran que la economía de escala permite disminuir los costos totales a medida que aumentan el número de hogares servidos o la distancia recorrida en los ciclos de distribución propuestos. Finalmente, los costos de inversión predominan en los costos totales mientras que los costos del camión prevalecen en los costos operativos. Los costos obtenidos para el transporte y distribución de H2 resultan competitivos con respecto a la opción de suministro de energía por tendido eléctrico.

Efecto del modelo de combustión en la predicción del campo de temperatura y presión de una cámara anular

A comparison of the temperature and pressure field obtained by the Adiabatic Chemical Equilibrium and the Generalized Finite Rate models, to simulate a twin-spool gas turbines annular combustion chamber, is presented in this paper. The solution of the conservation equations was undertaken by using control volume method. In order to include the effect of the turbulence was used standard Kappa Epsilon model. The results obtained in this study show that the use of both models does not affect the pressure field prediction and the shape of the temperature profile at the outlet of the chamber. The same behavior is observed when the mass weighted temperature is calculated. For both models, this temperature was lower than the adiabatic flame temperature at the same operation conditions. By other hand, the most significant differences observed between the temperature fields given by both model, viewed in the axial and the exhaust plane, are observed when the variable reaches it maximum value.

Esta investigación tiene como objetivo comparar los campos de temperatura y presión predichos por los modelos: equilibrio químico adiabático y tasa finita generalizada, en una cámara de combustión anular de una turbina a gas de eje partido. La solución de las ecuaciones de conservaciones implementadas se obtiene usando el método de volumen finito, y a fin de incluir efectos de turbulencia se utiliza el modelo Kapa-Epsilon. De los resultados obtenidos, se concluye que la elección entre los modelo de combustión mencionados, no afecta la predicción del campo de presiones, ni la forma del perfil de temperatura a la salida de la cámara de combustión. Lo mismo se observa con el cálculo de la temperatura ponderada en masa a la salida, la cual estuvo por debajo de la temperatura de flama adiabática, calculada para las mismas condiciones de prueba. Por otra parte, las mayores desviaciones cuantificadas en el campo de temperatura, vistos en el plano longitudinal y de salida, se presentan en las regiones donde esta variable escalar alcanza su máximo valor.

Programa computacional para predecir las frecuencias y modos de vibración transversales en sartas de perforación mediante el método de elementos finitos y análisis modal

A computer program based on the finite element method was developed to predict the lateral vibration modes and frequencies in the Bottom Hole Assembly (BHA) of a drillstring. This model is applicable in both a planning and a real time mode of operation to avoid resonance problems. The analysis used in this model proceeds in two stages. The first stage solves the two-dimensional nonlinear static deformation of the drillstring; this gives the deformed shape of the BHA and the side forces at points where the BHA touches the wellbore wall. In this way, the length of the BHA that is free to vibrate in the lateral direction is obtained. The second stage consists in a dynamic analysis of the system, to obtain the lateral vibration modes and frequencies. The model was compared with experimental and simulated results obtained from several BHA configurations, giving excellent results.

Se desarrolló un programa computacional mediante el método de elementos finitos, que permite predecir las frecuencias y modos transversales de vibración en el Ensamblaje de Fondo (BHA) de las sartas de perforación. Este modelo se puede aplicar tanto en la planificación como en tiempo real durante la operación de perforación, con la finalidad de evitar problemas de resonancia en el sistema. Este análisis se lleva a cabo en dos etapas. En la primera se resuelve el problema bidimensional y no lineal de la deformación estática de la sarta; esto proporciona su perfil deformado y las fuerzas en los puntos donde contacta las paredes del hoyo. De esta forma se determina la longitud efectiva del ensamblaje de fondo que está libre de vibrar lateralmente. La segunda, consiste en un análisis dinámico del sistema para obtener las frecuencias y modos de vibración transversales. El modelo fue validado con varias configuraciones de sartas de perforación utilizadas en otros estudios y en mediciones experimentales, obteniéndose excelentes resultados.

Efecto del factor humectante en la determinación de viscosidades para mezclas crudo-solvente

An exhaustive research study about the rheological behavior of the mixtures is developed through the experimental incorporation of the moistening factor, which had been considered as a constant in previous investigations. A model of rotational flow is developed in cylindrical coordinates joined to the viscometers measurements and to the fluid distribution in the measurement region, which lets predict the crude oil viscosity in a more accurate way, analyzing as well the viscosity behavior of different crude oil mixtures at various temperatures and concentrations. Three different viscometers were used at the same mixture, concentration and temperature conditions for each of the measurements made: Brookfield, Ostwald and Cole-Parmer. It was concluded that the moistening factor increases with the angular speed but it decreases with the temperature for crude oil mixtures. Apparent viscosity values, similar to the ones gotten experimentally, were obtained by using the calibration parameters of the instrument Effective Length and Moistening Factor and following the theoretical model adapted to the Couette geometry. The relative average error was 14%. All of the samples showed a non-newtonian rheological behavior, specifically a pseudoplastic type. The crude oil viscosity can be reduced with an increase in temperature and in the amount of solvent.

En esta investigación se desarrolla un estudio exhaustivo del comportamiento reológico de mezclas crudo-solvente incorporando experimentalmente el factor humectante, el cual ha sido considerado como constante en investigaciones previas. Se desarrolla un modelo de flujo rotacional en coordenadas cilíndricas acoplado a las mediciones de viscosímetros y a la distribución del fluido en la región de medición, que permite predecir la viscosidad del crudo de una manera más precisa, analizando el comportamiento de la viscosidad de las mezclas a diferentes temperaturas y concentraciones. Se utilizaron tres diferentes viscosímetros: Brookfield, Ostwald y Cole-Parmer, empleando las mismas condiciones de mezcla, concentración y temperatura para todas las mediciones realizadas. Se concluyó que el factor humectante aumenta con el incremento de la velocidad angular y que disminuye con el aumento de la temperatura. Utilizando los parámetros resultantes de la calibración del viscosímetro Longitud efectiva Le y Factor humectante l y siguiendo el modelo teórico adaptado a la geometría Couette se obtienen valores de viscosidad aparente aproximados a los obtenidos experimentalmente. El error relativo promedio es de 14%. Todas las muestras, indican un comportamiento reológico no newtoniano-pseudoplástico. La viscosidad del crudo puede reducirse mediante aumento de temperatura y aumento de la cantidad de solvente.

Modelación y simulación de un evaporador de triple efecto para la concentración de jugos naturales

The concentration process for evaporation on each effect was modeled in a system of nine differential equations and thirteen algebraic equations which allowed solving the system using the fourth order Runge-Kutta numeric method on the level, composition and temperature variables using a simulation program designed on Visual Basic 6.0 and experimental data from of peach juice concentration process. Regarding primary conditions, in the effect one was used liquid level equivalent to 0.56m, feeding composition: 0.028° Brix and temperature on the effect one: 32°C for starting. Feeding composition variation to effect one was varied only within a rank of 2-5° Brix, with a manometric pressure for the effect one of 34.5KPa, effect two and three vacuum pressure of 46.7KPa and 60.0KPa. The simulation program reports values in the temperature variables, liquid level and concentrated fluid composition, steam flowing and concentrated fluids, with a maximum relative error of 3.55% in the temperature variable and 9.75% in the concentration variable for the effect three.

El proceso de concentración por evaporación para cada efecto fue modelado en un sistema de nueve ecuaciones diferenciales y trece ecuaciones algebraicas por cada efecto que permitió resolver el sistema por el método numérico de Runge-Kutta de cuarto orden en las variables de nivel, composición y temperatura a través de un programa de simulación diseñado y elaborado en el lenguaje de programación de Visual Basic 6.0, utilizando datos experimentales de un proceso de concentración de jugo de durazno. Como condiciones iniciales o de borde en el efecto 1 se utilizo nivel del líquido equivalente a 0.56 m, composición de alimentación de 0.028°Brix y temperatura en el efecto uno de 32°C para el arranque. En el simulador solo se varía la composición de alimentación al efecto 1 en un rango de 2-5°Brix, con presión manométrica para el efecto 1 de 34.5 KPa, efecto 2 y 3 presiones de vacío de 46.7KPa y 60.0 KPa. El programa de simulación reporta valores en las variables de temperatura, nivel de líquido, composición del fluido, flujos de vapor y líquido concentrado, se alcanzó un error relativo máximo de 3.55% en la variable de temperatura y de 9.75% en la variable de concentración para el efecto 3.

Determinación de cafeína en café mediante espectrometría infrarroja de transformada de Fourier

In this work a flow analysis-Fourier transform infrared spectrometric (FA-FTIR) method for the determination of caffeine in coffee was developed. The method involves the extraction, in batch, of caffeine from solid samples of roasted coffee with hot water (80°C), on-line retro-extraction of caffeine in chloroform and direct analysis of the organic phase by FTIR spectrometry. The measurement criterion selected for the quantification of caffeine was the absolute peak-valley value (1668-1649 cm-1) of the first order derivate of the absorption spectrum, corresponding to the 1659 cm-1 band. The method provides a limit of detection (3s) of 0.001% (w/v) caffeine, a relative standard deviation corresponding to the whole procedure, until the sample preparation, of 1.2% ([Caffeine] » 0.05% (w/v), n = 5) and a sample throughput (triplicate) of approximately 12 samples h-1. The method was validated by means of standard addition, recovery and inter-day precision studies and by comparative analysis of real samples with the official chromatographic-spectrophotometric procedure. The method was applied to the analysis of commercial samples, obtaining a caffeine content ranging from 0.60 to 1.16% (w/w).

En el presente trabajo se desarrolló un método para determinar cafeína en café, basado en un sistema de análisis en flujo con detección por espectrometría infrarroja de transformada de Fourier (AF-IRTF). El método involucra la extracción de la cafeína, fuera de línea, a partir de la muestra de café sólido con agua a 80°C, la retro-extracción de la cafeína -en línea- en cloroformo y el análisis directo de la fase orgánica por IRTF. El criterio de medida seleccionado fue el valor absoluto de la medida pico-valle (1668-1649 cm-1) de la derivada de primer orden del espectro de absorción en la banda de 1659 cm-1. El límite de detección fue de 0,001% (p/v), la desviación estándar relativa del procedimiento completo, desde la preparación de la muestra, de 1,2% ([Cafeína] » 0,05% (p/v), n = 5) y la frecuencia de análisis real (triplicado), de aproximadamente 12 muestras h-1. El método se validó mediante estudios de adición de estándar, recuperación y precisión entre días; así como por análisis comparativos con el método oficial para el análisis de cafeína en café. Se analizaron 20 muestras comerciales de café tostado, encontrando concentraciones de cafeína en el intervalo de 0,60 a 1,16% (p/p).

Comportamiento de las fracciones orgánicas en aguas de producción petroleras con digestión anaerobia

The removal of different organic fractions of two separated waters from extracted crude oil (APP), applying the micro-SARA method, was evaluated in this work using upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors of 2.5 L of useful volume. The treatment conditions were: hydraulic retention times of 24 h, temperature 37°C and continuous flow, during an approximated period of three months. In order to evaluate the stability of UASB reactors, the chemical oxygen demand (COD), pH and total alkalinity were measured. The micro-SARA method was applied in effluent and influent samples to reactors. A high removal of fractions in separated waters from extracted light crude oil (APPL) was obtained, with an average value of 94% for aromatic hydrocarbons. For the separated waters from extracted medium crude oil (APPM), the elimination was smaller (67%). The results indicate important improvements in water quality by the anaerobic microorganisms presents in the reactor. A study of this system on pilot scale is recommended.

En esta investigación se evaluó la eliminación de distintas fracciones orgánicas de aguas de producción petrolera (APP), tratarlas en reactores de manto de lodo con flujo ascendente (UASB) de 2,5 L de volumen útil y se aplicó el método Micro-SARA de análisis a dos aguas de producción diferentes. Las condiciones de tratamiento fueron: tiempos de retención hidráulica de 24 h, temperatura de 37°C y flujo continuo, durante un periodo aproximado de tres meses. Para evaluar la estabilidad de los reactores UASB, se determinó la demanda química de oxígeno (DQO), así como pH y alcalinidad total. Se aplicó la metodología micro-SARA a las muestras de APP, tanto a la entrada como a la salida del proceso. Se obtuvo una alta remoción de las fracciones en aguas de producción de petróleo liviano (APPL), con un valor medio de 94% para los hidrocarburos aromáticos. Para el agua de producción de petróleo mediano (APPM), la eliminación fue menor (67%). Los resultados indican una eliminación de la materia orgánica presente en las APPL, por parte de los microorganismos anaerobios presentes en el reactor. Se recomienda continuar la evaluación de este sistema a escala piloto.

Análisis geoestadístico de parámetros antisísmicos y de construcción en un sector vial de elevado crecimiento vertical

The purpose of this work is to relate through geostatistics functions (Kriging and Cokriging), the elastic parameters of the ground and the Standard Penetration Testing (SPT). And of this way it will allow the first densification, with the knowledge of the second, in the area located between the Panamericana highway and the Americas avenue of Merida city. The geostatistics analysis allows the estimation of a variable point in an unknown sample space. Therefore, in the case of a defined sector in this study, which has a higher dense vertical growing area in Merida city and where the ground testing has been done for specific purpose, such as the construction of multifamiliar houses, it is isolated in its context geographic, with the intention of establishing the grade of correlation space between them as well as correlation function that allows it to identify elastic-earthquake-proof parameters of the ground with relation to the information obtained from the SPT. That is to say the sample space information, where the common points involved with geophysic information and the SPT, you can determine the possible lateral variations of the ground at a lower cost, from a view point of the area covered with the quantity of the penetration done.

Este trabajo tiene como objetivo el relacionar, mediante funciones geoestadísticas (Kriging y Cokriging), los parámetros elásticos del suelo y las Pruebas de Penetración Estándar (SPT). Y de esta forma, obtener los primeros, con el conocimiento de los segundos, para puntos muestreados en un sector ubicado entre la carretera Panamericana y la avenida Las Américas de la ciudad de Mérida. El análisis geoestadístico permite la estimación de una variable para un punto en un espacio muestral desconocido, que para el sector definido en este estudio, involucra la zona de mayor crecimiento vertical de la ciudad de Mérida, en donde los ensayos de suelos realizados, a los fines específicos de construcción de viviendas multifamiliares, se encuentran aislados en su contexto geográfico, con la intención de establecer el grado de correlación espacial entre los mismos, así como la función de correlación que permite obtener los parámetros elásticos-antisísmicos de aquellos puntos del suelo a los que se les desconocen, con respecto a la información extraída de los ensayos SPT. Es decir, que con la información espacial muestreada, donde se involucran puntos comunes con información geofísica y de SPT, se obtuvieron parámetros elásticos que llegaron a detectar las variaciones laterales del suelo a un menor costo, desde el punto de vista del área cubierta con la cantidad de sondeos realizados.

Control directo de par de máquinas de inducción con limitación de corriente y reducción del rizado mediante lógica difusa

The classic Direct Torque Control scheme proposed by Takahashi y Noguchi [1] obtains fast torque responses of the induction machine. This control scheme however does not regulate the current demand, and the developed torque presents high ripple levels. In this paper a modification to the DTC algorithm is presented where a control loop is added to limit the stator current to a preset value. The proposed control strategy also allows for stator voltage regulation, resulting in a reduction of the electric torque ripple. In the proposed scheme the control voltage vector amplitude modulation is accomplished by a fuzzy controller with two inputs. The proposed control scheme was analized in simulations performed in C language, and afterwards experimental results were obtained with an 1 ½ HP induction motor and the Plataforma III system developed by the SIEP group of the Simón Bolívar University.

El esquema de Control Directo de Par clásico (DTC, Direct Torque Control) presentado por Takahashi y Noguchi [1] logra una respuesta rápida del par de la máquina de inducción. Sin embargo, este esquema de control no permite la regulación de la demanda de corriente y adicionalmente el par generado presenta un fuerte rizado. En este artículo se presenta una modificación del algoritmo DTC clásico que emplea un lazo de control para limitar la corriente de estator a un valor prefijado. La estrategia de control propuesta permite también regular el voltaje aplicado al estator, con lo cual se obtiene una reducción en el rizado de par eléctrico. La modulación de la magnitud del vector de voltaje de control en el esquema de control propuesto se realiza mediante un controlador difuso de dos entradas. El esquema propuesto se analizó mediante simulaciones en lenguaje C y posteriormente los resultados obtenidos se corroboraron experimentalmente en un motor de inducción de 1 ½ HP con el sistema Plataforma III, desarrollado por el Grupo SIEP de la Universidad Simón Bolívar.