Revista de la Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela

Conductividad térmica en metales, semiconductores, dieléctricos y materiales amorfos

Se estudia la física de la conductividad térmica y sus aspectos más importantes en una variedad de materiales. La conductividad térmica es influenciada por diferentes mecanismos de dispersión de fonones o electrones, los cuales limitan el transporte de energía térmica en el sólido. La conductividad térmica a una temperatura cercana al 80% de la temperatura de fundición es elevada en metales (~300 W/mK) y en semiconductores (~22 W/mK); es baja en dieléctricos (~6 W/mK) y es muy baja en materiales amorfos (~1,5 W/mK). En particular, en materiales amorfos la muy baja conductividad térmica es consecuencia del desorden atómico y de la ocurrencia de procesos de dispersión asociados a la existencia de potenciales de pozo doble asimétricos y a la presencia de modos vibracionales localizados. El propósito de este estudio es revisar las teorías existentes para explicar la conductividad térmica en sólidos y así identificar aspectos o procesos físicos relevantes en el régimen de muy altas temperaturas y antes de la temperatura de fundición, que nos permita articular las conclusiones en un referencial que nos sirva de guía para la especificación y preparación de materiales que puedan ser usados en la elaboración de la nueva generación de barreras térmicas. Nuestro interés se restringe al estudio de la conductividad térmica en sólidos dieléctricos a muy altas temperaturas, en donde hemos encontrado que la contribución de los fonones con un camino libre medio del orden de las dimensiones de las constantes de la red es muy importante y en algunos casos también se logra identificar una contribución relevante por parte de los electrones y/o fonones localizados (fractones localizados).

We studied the physics underlying thermal conductivity and the most important thermal properties in a myriad of materials. Thermal conductivity is determined by different phonons or electron scattering mechanisms that limit the transport of thermal energy inside the solid. For the sake of the analysis, thermal conductivity close to 80% of melting point in metals is elevated (~300 W/mK) and low in semiconductors (~22 W/mK); is lower in dielectrics (~6 W/mK) and is very low in amorphous materials (~1,5 W/mK). The very low thermal conductivity in amorphous materials is a consequence of the atomic disorder, the occurrence of scattering processes associated with the existence of asymmetric double-well potential and localized vibrational modes. The purpose of this study is to review existing theories explaining the thermal conductivity of solids and so identify issues or relevant physical processes with regard to conditions of very high temperature and near to the melting point that could be important when studying thermal conductivity. This would allow us to place the findings in a framework that could guide the functionalization and preparation of materials that can be used in the elaboration of the new generation of thermal barrier coatings. Our interest is restricted to the study of thermal conductivity at very high temperatures in dielectric solids, where we found that the contribution of phonons with a free path of the order of an interatomic spacing is very important and in some cases we also found relevant the contribution of electrons and/or localized phonons (fractons).

Influencia de la velocidad de calentamiento en la cinética de precipitación en el aluminio AA-6061 a través de medidas de resistividad eléctrica

En este trabajo se estudia la influencia que ejerce la velocidad de calentamiento en la cinética de precipitación y en la formación y posterior transformación de las zonas de Güinier-Preston (zonas GP). Las fases metaestables β´´ y β´ hasta la fase de equilibrio β, y otros precipitados presentes en el aluminio AA-6061 también son considerados. El estudio se condujo mediante la observación y el análisis de las curvas de la resistividad eléctrica en función de la temperatura para recocidos no-isotérmicos; obtenidas mediante la aplicación del método de los cuatro contactos eléctricos. Los experimentos se llevaron a cabo a velocidades de calentamiento, constantes y variables, en el rango desde la temperatura ambiente hasta 600°C. Para velocidades de calentamiento bajas (£ 20°C/min), las regiones de formación y transformación de las zonas GP, las fases β´´ y β´, y el intermetálico β se aprecian con más detalles.

In this work the influence of heating rate in the kinetics of precipitation and in the formation and later transformation of the Güinier-Preston zones (GP zones) is studied. In addition, the study includes the transformation of the metastable phases β and β, until the equilibrium phase β is reached, and precipitates present in the aluminium AA-6061. The study was conducted through the observation and analysis of the curves of electrical resistivity as a function of the temperature for non-isothermic annealing, obtained by application of the four electrical contacts method. The experiments were carried out at constant and variable heating rates, in the range from room temperature to 600°C. For lower heating rates (£ 20°C/min), the regions of formation and transformation of the GP zones, the phases β and β, and the intermetalic β can be clearly observed.

Estudio de la corrosión de una aleación Ti6Al4V utilizada como biomaterial

En el presente trabajo se evaluó el comportamiento corrosivo de una aleación Ti6Al4V, a través de resistencia a la polarización lineal y curvas de polarización potenciodinámicas, obtenidas a partir de muestras que fueron expuestas previamente a 0, 180 y 360 horas de inmersión en una solución que simula el fluido corporal (FCS). Además, las muestras se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido (M.E.B.) y microanálisis químico por espectroscopia de rayos X por dispersión en la energía (E.D.X.), en su condición de entrega y luego de ser ensayadas, de manera de evaluar los productos de corrosión formados y el daño generado. La caracterización microestructural reveló la presencia de una microestructura bifásica constituida por una matriz rica en Al (fase ) y una rica en V (fase ), distribuida en los bordes de grano. Los resultados de los ensayos electroquímicos indican la disminución en el valor de la resistencia a la polarización lineal de las muestras expuestas durante 180 horas y 360 horas, así como la presencia de una doble película pasiva. La caracterización del daño por corrosión sobre las muestras ensayadas, indica el ataque preferencial de la fase a través de corrosión por picadura con respecto a la fase y corrosión microgalvánica.

In the current work the corrosion behavior of a Ti6Al4V alloy was evaluated by linear polarization resistance and potentiodynamic polarization curves, in samples previously exposed to a solution of simulated body fluid (SBF) for 0, 180 and 360 h. The samples were characterized by scanning electron microscopy (S.E.M.) and energy dispersive X-ray spectroscopy (E.D.S.) in order to evaluate the corrosion products and the generated damage. The microstructural characterization revealed the presence of a two-phase microstructure, consisting of an aluminum phase ( phase ) and a vanadium phase ( phase ) located at the grain boundaries. Electrochemical tests showed decrease in the value of the linear polarization resistance in the samples exposed for 360 and 180 h and the presence of a double passive film. The characterization of the corrosion products in the tested samples indicated a preferential attack of the phase compare respect to phase by pitting corrosion and microgalvanic corrosion.

Resistencia a la corrosión localizada de juntas soldadas en un acero inoxidable duplex saf 2205

La corrosión por picadura es uno de los mecanismos de falla más frecuentes que se presentan en la industria química, petrolera y petroquímica. El hecho de que metales o aleaciones metálicas estén expuestos a ambientes agresivos inducen a fenómenos de corrosión como la «corrosión por picadura». El conocimiento de cómo se originan y la detección temprana de este mecanismo se traducen en ahorros económicos considerables debido a que se evitaría la interrupción momentánea de operaciones de una actividad dentro de un complejo industrial. El presente trabajo tiene como objetivo estudiar la resistencia a la corrosión localizada de juntas soldadas de un acero inoxidable duplex SAF 2205 en una solución salina que emule el ambiente marino. En el desarrollo de la investigación se utilizaron dos procesos tecnológicos de soldadura: Gas Tunsteng Arc Welding (GTAW) y Plasma Arc Welding (PAW). Los resultados obtenidos indican que el acero inoxidable duplex SAF 2205 presenta una resistencia a la corrosión por picadura elevada, comparado con otros aceros comerciales de características similares, siendo la técnica por soldadura GTAW la que presentó mejor comportamiento.

Pitting corrosion is one of the failure mechanisms which occur most frequently in the chemical, oil and petrochemical industries. This failure may occur when metals or alloys are exposed to an aggressive environment. Knowledge as to how pitting appears and its early detection could lead to considerable savings since it would avoid any shutdowns to operations in industrial plants. The aim of this study was to evaluate the pitting corrosion susceptibility of duplex stainless steel (SAF 2205) welded joints when submitted to a saline solution similar to a marine environment. Two welding process were used in this work: Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) and Plasma Arc Welding (PAW). Results show that the Duplex Stainless Steel SAF 2205 has a very high pitting corrosion resistance compared to other similar commercial alloys and the GTAW welding process performs better.

Transporte de sólidos en mezclas de biopolímeros en solución y mejoras en la distribución de sólidos de un sistema experimental de simulación de flujo en conductos verticales de sección anular

Este articulo presenta la comparacion de los resultados obtenidos en la suspension y transporte de solidos de dos aparatos de simulacion experimental de flujo en conductos verticales de seccion anular vertical. Para ambos casos se utilizaron soluciones no-newtonianas de biopolimeros como fase liquida. Los biopolimeros empleados fueron goma xantano y goma guar, y la fase solida consistio en arena de silice con un diametro promedio de particula de 250 μm. Uno de los equipos consiste en un sistema de tubos concentricos de 3 m de altura y con un diametro hidraulico de 0,15 m. El segundo equipo tiene una altura de 6 m y diametros hidraulicos de 0,10 m. Ambas unidades simulan el proceso de perforacion de pozos a temperatura ambiente, sin el efecto de la rotacion de la mecha. Las variables mas importantes estudiadas fueron la velocidad de suspension en la seccion anular y la concentracion de polimero. Se obtuvieron mejoras significativas en el transporte de solidos al modificar el patron de distribucion de solidos en el sistema y las caracteristicas geometricas de la seccion anular. Por otra parte, se encontro que las mezclas de goma xantano y goma guar, que poseen una mayor proporcion del primer polimero, tienen una capacidad de transporte de solidos superior a la que se obtiene con soluciones de los polimeros puros, lograndose un efecto sinergistico importante desde el punto de vista de la aplicacion de estos polimeros como aditivos viscosificantes para formulaciones de lodos de perforacion.

This paper compares the results on suspension and transport of solids in two experimental flow simulators in vertical ducts with annular cross section. In both cases, non-Newtonian biopolymer solutions were used as the liquid phase. The biopolymers used were xanthan gum and guar gum, and the solid phase was silica sand with an average particle size of 250 ìm. The first experimental system used was based on a 3-m height concentric pipe with a 0.15 m hydraulic diameter. The second equipment was built by changing the dimensions of the first system to a height of 6 m and a 0.10 m hydraulic diameter. These changes were made so that the solid phase would distribute better throughout the whole system. Both units simulate a well drilling process at room temperature and without the effect of drill bit rotation. The most important variables studied were annular velocity and polymer concentration. Significant improvements were obtained in solids transport when changing the solids distribution pattern in the system and the geometrical characteristics of the annulus. Furthermore, the xanthan-guar gum mixture solutions with a higher proportion of guar gum have a higher solids transport capacity than pure polymer solutions; there is an important synergistic effect from the point of view of the use of these polymers as viscosifying additives for drilling fluids.

Estudio del mezclado de emulsiones concentradas de aceite en agua aplicando la metodología de superficie de respuesta

En la industria alimentaria se producen con frecuencia emulsiones con alto contenido de fase dispersa (> 75%), considerando parámetros físico-químicos, de composición y las condiciones de mezclado. La mayoría de las investigaciones relacionadas con el mezclado de sistemas dispersos han estudiado sistemas diluidos y sin surfactante. El presente trabajo analiza la preparación de emulsiones concentradas de aceite de maíz en agua utilizando un surfactante no iónico etoxilado. El método experimental se basó en un diseño factorial 2³ con puntos centrales y axiales, variando: velocidad de rotación del impulsor, tiempo de mezclado y proporción aceite:agua. Se evaluó la influencia de estas variables sobre el promedio aritmético de la distribución de volumen y de área de las gotas de la emulsión, d43 y d32, respectivamente. Mediante el análisis de varianza del espacio experimental, eliminando los efectos no significativos, se determinó que el d43 puede ser predicho casi en un 99% por un modelo cuadrático, a diferencia de la superficie de respuesta del d32 que no puede ser explicada en toda su extensión, porque la falta de ajuste es apreciable; sin embargo, dicho modelo pudo ser usado para analizar la influencia de las variables. Se realizó un ajuste cúbico para el d32. Este modelo presentó términos confundidos que impidieron determinar una relación final entre las variables puras y cruzadas, sin embargo, logró explorar toda la superficie de respuesta, ya que expresó mejor la variabilidad experimental sin falta de ajuste. Los modelos cumplieron con las premisas de normalidad, independencia y homocedasticidad.

In the Food Industry, highly-concentrated disperse phase emulsions (> 75%) are frequently produced, considering physicochemical and compositional parameters, and the mixing conditions. Most of the research related to the mixing of disperse systems has studied diluted systems without surfactants. The present work deals with the preparation of highly-concentrated corn oil in water emulsions with ethoxylated non ionic surfactant. The experimental method was based on factorial design 2³ with central and axial points, where impeller rotational speed, time agitation and, oil: water ratio were varied. The influence of those variables on volume and surface area mean drop diameter of emulsions, d43 and d32, respectively, was evaluated. Through the analysis of variance of experimental space, eliminating the non-significant effects, it was determined that d43 can be predicted almost by 99% by a quadratic model, but this model, by itself, can not explain the d32 whole extension response surface, because the lack of fit is considerable; however the quadratic model can be used to analyze the influence of the variables. A cubic fit was developed for the d32, this model presented confused terms that do not permit the determination of a final relationship between pure and crossed variables, but allows the exploration of the complete d surface response, because it represents better the experimental variability without lack of fit. The models assumptions normality, independence, and homocedasticity were satisfied.

Aspectos de gestión empresarial que condicionan el desempeño ambiental de la agroindustria de alimentos venezolana

En Venezuela, uno de los sectores con mayor peso dentro de la estructura económica, es el agroalimentario, cuya magnitud e impacto ambiental amerita especial atención. Con el propósito de suministrar información básica para la formulación de estrategias que apuntalen el desarrollo sostenido de la industria agroalimentaria venezolana, en este estudio se analizan las debilidades y fortalezas que la caracterizan, en función de su capacidad de gestión de los factores que condicionan su desempeño ambiental. El análisis fue realizado sobre una muestra constituida por 129 industrias de las diferentes ramas productivas distribuidas en las seis regiones geográficas del país, tomando en cuenta su rama de actividad, tamaño, ubicación geográfica, antigüedad, origen del capital, entre otras. Los factores considerados incluyen los de carácter estructural asociados a los aspectos organizacionales, económicos y tecnológicos de las empresas, así como aquellos del entorno que influyen en la gestión ambiental. Los resultados muestran que la mayoría de las industrias analizadas realiza algún tipo de gestión relacionada con los aspectos ambientales, apoyándose con personal profesional y técnico superior, pero la antigüedad de las empresas y sus equipos, así como la baja capacidad de inversión en materia ambiental, atenta contra el logro de los objetivos planteados. Sin embargo, se vislumbran claras posibilidades asociadas a estrategias preventivas que inciden tanto en la productividad, como en su desempeño ambiental.

One of the most important economic sectors in Venezuela is the agro-foodstuffs industry, whose magnitude and environmental impact require special attention. In order to provide basic information to formulate strategies that support the sustainable development of this industry in the country, we analyze the weaknesses and strengths that characterize it, based on its capacity to manage the factors that condition its environmental performance. The analysis was carried out on a sample made up by 129 industries of the different productive branches distributed in the six geographic regions of the country, taking into account activity, size, geographic location, age, financial bases, among others. The considered factors include those of structural character associated with the organizational, economic and technological aspects of the companies, as well as external factors that influence in environmental management. The results show that most of the analyzed industries carry out some kind of management related to environmental aspects, largely through professional staff as well as technical personnel, but the age of the companies and their equipment, as well as the low capacity of investment in the environmental matters tend to undermine any achievements of the proposed objectives. Nevertheless, clear possibilities are seen, associated with preventive strategies that affect as much productivity as environmental performance.

Automatización del diseño de silenciadores reactivos: Evaluación de desempeño. parte II

La contaminación por ruido produce grandes daños en el ser humano, tanto fisiológicos como psicológicos, tal como se mencionó en la primera parte de este trabajo, en la cual se desarrolló un programa versátil y amigable para el diseño de silenciadores reactivos llamado Programa para la Automatización del Diseño de Silenciadores Acústicos (PADSA), el cual se utilizó para realizar un análisis de sensibilidad del desempeño de silenciadores de cámara simple. En el presente trabajo dicho programa, fue empleado para completar el análisis de los silenciadores reactivos de doble cámara, con tubo conector tanto externo como interno. A partir de los resultados obtenidos se señalan las conclusiones que también se cumplen para los silenciadores de cámara simple, entre ellas se destacan que, el aumento de la relación de áreas m provoca un aumento en la magnitud de las pérdidas por transmisión, sin modificar la frecuencia de ocurrencia de los máximos y mínimos; que es posible optimizar la escogencia de las longitudes del silenciador que garanticen máximas pérdidas y mínimas longitudes; y que el aumento en la temperatura de operación produce un desfasaje en el gráfico de pérdidas por transmisión, lo cual compromete seriamente el desempeño del equipo. Además, se determinó que existen relaciones críticas entre la longitud del tubo conector y la longitud de las cámaras que pueden producir una disminución importante de las pérdidas y que para el silenciador con tubo conector interno, la escogencia de la relación entre las longitudes lc y le, dependerá altamente de la forma del espectro y de la posición relativa de las frecuencias críticas a atenuar. Finalmente, se evidenció una mayor efectividad de los silenciadores con tubo conector interno sobre los de conexión externa.

Noise pollution may cause important physiological and/or psychological harm to human beings, as mentioned in part one of this work. As such, a versatile and user friendly program, named PADSA, was developed and used to analyze a single chamber muffler performance. In this part, PADSA is used to complete the analysis of reactive mufflers considering double chamber mufflers with both external and internal connection tubes. From these analyses it is observed that, just as in the case of single chamber mufflers, an increase in the relationship of area causes a rise in transmission losses, with no change in the frequency of occurrence of the maximum and minimum values; that the selection of the muffler lengths can be optimized in order to achieve maximum loss with minimum longitude; and a temperature increase produces a phase modification in the transmission loss curve, which affects the muffler performance. Additionally, it was determined that there are critical relationships between the tube connector length and the lengths of the chambers that can produce a significant reduction in transmission losses and that for mufflers with an internal connector, the optimal length is highly dependent on the spectrum to be attenuated. Finally, it is important to mention that mufflers with an internal connector are more effective than those with an external one.

Análisis fluido-dinámico bidimensional de los gases que pasan a través de dos válvulas de control en la línea de cabecera del regenerador de una planta de desintegración catalítica

El presente trabajo contempla el analisis fluido-dinamico bidimensional de los gases que pasan a traves de dos valvulas de control ubicadas en la linea de cabecera de la unidad de desintegracion catalitica tipica de una refineria de petroleo crudo. La linea presenta vibraciones de alta frecuencia, inducidas por el flujo turbulento. El fluido de trabajo es gas de combustion, compuesto en su mayoria por nitrogeno. El caudal es de aproximadamente 5,54 x 10(6) m³/dia. El analisis se realizo resolviendo un sistema de ecuaciones no lineales, las cuales describen el comportamiento del flujo. Se utilizo el modelo de turbulencia RNG , mediante simulacion numerica por computadora. Se realizaron diferentes mallas, seleccionando finalmente una malla conformada por 15.957 nodos y 15.364 volumenes de control. Para modelar y resolver el sistema de ecuaciones planteado se utilizo el programa comercial FLUENT 6.0 de dinamica de fluidos computacional (CFD). Se estudio la distribucion de presion, la variacion de presion en el tiempo, el perfil de velocidad, las lineas de corriente y la formacion de vortices en la seccion de la tuberia en estudio.

In this work the bidimensional fluid dynamic analysis of gases that pass through two control valves located in the headline of a typical catalytic cracking plant in an oil refinery is simulated. The line presents high frequency vibrations induced by turbulent flow. The work fluid is combustion gas, composed in its majority by nitrogen (N2). The volume is approximately 5.54 × 10(6) m³/day. The analysis was performed solving a non-linear system of equations, which describes the flow behavior. The model of turbulence RNG was used, by means of computer numerical simulation. Different meshes were evaluated; finally selecting a mesh made up by 15,957 nodes and 15,364 cells. In order to model and solve the system of equations, the commercial program FLUENT 6.0 of computational fluid dynamics (CFD) was used. The pressure distribution, pressure variation in time, velocity profile, streamlines and vortex shedding in the section of pipe in study were studied.

Plataforma: Desarrollo de un sistema dinámico integrado para la determinación de las caracteristicas de sistemas electrónicos de potencia

This work presents the basic design of and later improvements to the integrated dynamic test system called Plataforma, which is a test rig developed by the Industrial Systems and Power Electronics Group (GSIEP) of the Universidad Simón Bolívar in Caracas, Venezuela. It is intended for experiments in power electronics and motor control, testing new strategies and control schemes, based on vector control theories, parametric estimation, neural networks and fuzzy logic control systems, applied to machine drives, and taking into account the effect of these control strategies over the power quality. The equipment includes driver power stages, a mechanical load emulation stage, an instrumentation stage and a signal processing and control stage. Due to its high versatility, this test system can be used in research laboratories, as well as in undergraduate and postgraduate teaching courses.

Este trabajo presenta las etapas de desarrollo y las mejoras posteriores del sistema de ensayo dinámico denominada «Plataforma», la cual es un equipo modular de prueba desarrollado por el Grupo de Sistemas Industriales y Electrónica de Potencia (GSIEP) de la Universidad Simón Bolívar en Caracas, Venezuela. Su finalidad es la realización de experimentos en electrónica de potencia, control de máquinas, ensayos de nuevas estrategias fundamentados en la teoría de control vectorial, estimación paramétrica, redes neuronales y lógica difusa, aplicadas al accionamiento de máquinas, considerando su impacto sobre la calidad del servicio eléctrico. El equipo incluye las etapas de potencia, de emulación de la carga mecánica, de instrumentación y una etapa de procesamiento de señales y control. Debido a su gran versatilidad, este sistema de ensayo puede ser utilizado en laboratorios de investigación, así como para la enseñanza en cursos de pregrado y postgrado.

Formación de la textura del coque de petróleo en coquizadores retardados

Se procesaron distintos residuales en unidades de coquización retardada a escala piloto y comercial y se compararon las propiedades físicas, químicas y texturales de los coques obtenidos en cada caso. Los resultados evidencian que la naturaleza química de los residuales condiciona la textura del coque, sin embargo, las condiciones operacionales, el perfil térmico y el desprendimiento de los gases durante la coquización pueden afectar fuertemente el desarrollo de mesofase y la formación de la textura del coque. Los resultados también sugieren que las plantas pilotos diseñadas para simular el rendimiento en productos livianos y coque, no resultan apropiadas para predecir las propiedades texturales de los coques obtenidos, dado que cambios en las condiciones de operación y/o las variaciones introducidas con el cambio de escala y condiciones de turbulencia propias de los tambores industriales, pueden modificar sustancialmente las propiedades físicas del medio de reacción y por ende las propiedades de los coques obtenidos.

Physical, chemical end textural properties of cokes obtained from the processing of four residua in pilot and commercial scale delayed coking units are compared. Results reveal that, even though the chemical nature of the residua influences the cokes texture, operational parameters regarding thermal profiles and gas evolution during the coking process significantly affect the texture development and formation. Consequently, results suggest that pilot plants designed to simulate light product and coke yield do not accurately predict the structural properties of the coke since variations introduced due to scale changes modify the physical properties of the coke.