El presente trabajo de Tesis es un estudio comparativo técnico-económico de tres sistemas de calentamiento de fluidos basados en resistencias eléctricas, calderas diésel e inducción magnética. El objetivo principal de este trabajo es establecer las ventajas comparativas de cada sistema de calentamiento de fluidos de pasada, verificando bajo qué condiciones un sistema resulta superior a los otros. Para ello se desarrolló una metodología de comparación, la que requirió determinar las características más importantes de cada sistema. Dicha metodología toma en cuenta las características del fluido a calentar, la precisión del control de temperatura, el rendimiento energético de los equipos, la existencia de puntos calientes, la vida útil, las dimensiones geométricas, la contaminación, el efecto del medio ambiente sobre los equipos, la confiabilidad de los sistemas, los costos de inversión (tanto de los equipos de calentamiento como de los equipos auxiliares) y los costos de operación, mantenimiento y personal de operación, entre otros aspectos. En base al estudio realizado, se concluyó que los sistemas resistivos son una opción óptima para medianas potencias (hasta 10[MW]) debido a que la operación de calentamiento de fluidos con energía eléctrica resulta más económica y eficiente en comparación a los otros sistemas estudiados. Presentan además ventajas en aplicaciones donde exista espacio suficiente para su instalación y en procesos no críticos, es decir, donde no se requiere de elementos duplicados de seguridad para mantener el proceso de calentamiento disponible en todo momento (24/7). Los sistemas de calentamiento con calderas son ventajosos en aplicaciones de gran potencia (sobre 10 [MW]), requieren de la instalación de un circuito cerrado de agua, y no son recomendables en ambientes extremos (operación en altura y con variaciones de temperatura importantes). El sistema inductivo de calentamiento, debido principalmente a su alta inversión, es la mejor solución en situaciones donde exista una tubería en funcionamiento por la que circula el fluido a calentar, donde haya restricciones de espacio, donde no sea posible modificar los elementos existentes instalados y donde se requiera de un control preciso de temperatura con respuestas rápidas frente a perturbaciones. Además, es mucho más fácil adaptarlo a diferentes tipos de fluidos, con variaciones de diseño mínimas. Para una aplicación minera, como son los procesos de biolixiviación y electro-obtención, el calentamiento inductivo se presenta como un método eficaz y ventajoso económicamente, con un control preciso de la temperatura que responde eficazmente ante cambios del flujo de solución o cambios en la temperatura de entrada del fluido, debido a su naturaleza adaptable. Las dimensiones compactas del equipo permiten instalarlo en la sección final de las tuberías de riego, eliminando las pérdidas de calor por las tuberías (a diferencia de lo que ocurre en el caso de instalación de una caldera diesel) aumentando la eficiencia del proceso. Este trabajo de Tesis se realizó en el marco del proyecto Fondef D05I 10098 “Mejoramiento de Operaciones de Biolixiviación de Minerales de Cobre y Electro-Obtención en Plantas a Gran Altura Mediante Calentamiento de Soluciones por Inducción Magnética“ desarrollado por la Universidad de Chile, la Universidad Federico Santa María, y las empresas IDT S.A y Anglo American Chile.

Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor tienen, entre sus principales componentes, un compresor el cual para su correcto funcionamiento necesita de un circuito de lubricación que transporta el aceite desde el cárter hacia los componentes mecánicos. En los sistemas actuales, a efectos de controlar la temperatura del ambiente a refrigerar, los compresores son apagados constantemente dependiendo del nivel de temperatura requerido; es decir, cuando la temperatura de la cámara disminuye debajo de lo necesario el compresor se apaga hasta que la temperatura aumenta por encima de lo requerido y el sistema vuelve a encenderse. Cuando el compresor se apaga, la presión del sistema se estabiliza a un nivel intermedio entre la presión del evaporador y la del condensador, esta condición origina que el refrigerante sea absorbido por el aceite presente en el cárter formando una mezcla líquida caracterizada por una temperatura y una concentración de refrigerante. Cuando el sistema vuelve a funcionar, la presión en el cárter disminuye rápidamente originando que el refrigerante, contenido en la mezcla líquida, cambie de fase y forme una capa de espuma, la cual trae problemas en el compresor y los demás componentes del sistema de refrigeración. En el presente trabajo, se realizó un análisis de los datos experimentales obtenidos en la bibliografía sobre el proceso de formación de espuma en mezclas R134a/POE ISO10 y R1234yf/POE ISO10, llegando a identificarse que dicho proceso consta de dos etapas principales: una etapa de crecimiento y otra de caída de la altura de la capa de espuma, las cuales se dan a velocidades distintas. Asimismo, se identificó que el fenómeno de formación de espuma se caracteriza por dos parámetros: la altura máxima de la espuma y el tiempo de vida de la espuma, y que dichos parámetros pueden ser controlados variando las condiciones iniciales de la mezcla (temperatura y concentración de refrigerante). Asimismo, se implementó un modelo matemático que permitió estudiar el fenómeno de formación de espuma en mezclas aceite – refrigerante, el cual a partir de la ecuación de conservación de masa permitió obtener la altura de la espuma formada a lo largo del tiempo de duración del fenómeno descrito. El modelo implementado, presentó errores diferenciados en cada una de las etapas de la formación de espuma. Durante el crecimiento de la capa de espuma, el modelo matemático presenta un error elevado durante los primeros segundos, donde la velocidad de crecimiento es alta, pero luego disminuye el error conforme se va alcanzando la altura máxima llegando a ser en promedio menor al 15%. Durante la etapa de caída de la altura de espuma, el modelo matemático tiene una buena precisión en los instantes iniciales cuando la velocidad de caída es baja, pero conforme la altura de la capa va disminuyendo de su valor máximo el error aumenta de manera constante llegando a ser en promedio mayor al 30%. En general, considerando la etapa de crecimiento y caída de la altura de espuma, el modelo matemático presenta errores, en su mayoría, menores al 20%, lo cual mejora la precisión de los modelos encontrados en la bibliografía. Finalmente, complementando los resultados, se realizó un análisis de sensibilidad de la altura máxima y el tiempo de vida de la espuma formada ante cambios en las variables de entrada del modelo.

La contaminación ambiental a causa del inadecuado manejo de los residuos ha alcanzado niveles alarmantes en la actualidad. Entre las principales acciones que se han venido realizando para mejorar esta situación, se encuentra el reciclaje; pero aún es necesario encontrar más aplicaciones en las que se puedan aprovechar los materiales reciclados. Frente a este escenario, el grupo de investigación Ingeniería de Polímeros y Materiales Compuestos de la Pontificia Universidad Católica del Perú decidió realizar el proyecto “Estudio y desarrollo de procesos de sinterizado en materiales compuestos de plástico reciclado y madera recuperada para la fabricación de piezas de formas diversas, económicamente viable para la industria”. Para el desarrollo del proyecto, se requería obtener muestras del material compuesto mencionado a través de un proceso de moldeo rotacional bajo condiciones variables; como la velocidad de giro, tiempo de calentamiento y enfriamiento. Por lo cual, surgió la necesidad de fabricar un equipo de moldeo rotacional de laboratorio conformado por un sistema mecánico, para la rotación de los moldes; un sistema de calentamiento y un sistema de enfriamiento. El objetivo del presente trabajo fue realizar el diseño térmico y mecánico del sistema de enfriamiento del equipo de moldeo rotacional de laboratorio requerido para la elaboración de muestras huecas, de espesor no mayor a 5 mm, obtenidas mediante el sinterizado de diferentes plásticos reciclados, tales como: HDPE, LDPE, PP o PVC y partículas de madera recuperada. Para el diseño del sistema de enfriamiento, se aplicó la metodología recomendada en la norma VDI 2221: “Métodos para el desarrollo y diseño de sistemas técnicos y productos”. Esta metodología se basa en 4 fases: Comprensión de la solicitud, con la lista de exigencias como principal resultado; Concepción de la solución, donde se obtiene la estructura de funciones y conceptos de solución; Elaboración del proyecto, cuyos principales resultados son los cálculos preliminares y planos de ensamble; e Ingeniería del detalle, fase en la cual se desarrollan los planos de despiece y la memoria de cálculo final. El equipo diseñado tiene la capacidad de enfriar 6 moldes, de sección circular o rectangular, hasta que estos alcancen una temperatura menor o igual a 40°C en un tiempo comprendido entre los 10 y 60 minutos. Se determinó que, para cumplir con el rango de tiempo requerido, la mejor solución sería contar con un subsistema de enfriamiento con aire, empleando ventiladores axiales tubulares; y otro subsistema con agua aplicada por aspersión utilizando toberas con boquillas de tipo cono lleno.

Debido a que la humedad es uno de los factores más cruciales en la correcta conservación de los alimentos, la cual trae consigo como consecuencia directa el poder afectar la salud del consumidor final, y además de generar ahorros significativos para una empresa de este rubro se ha planteado un método no invasivo para el cálculo del porcentaje de humedad que se realice utilizando el método de espacio libre para la obtención de las propiedades dieléctricas, valores claves para poder desarrollar el cálculo de este porcentaje, se propone usar la relación entre las constantes dieléctricas y el porcentaje de humedad para poder hallar una relación entre estas, suponiendo un ambiente favorable para el trabajo de este sistema de microondas, se utiliza el método de espacio libre por los beneficios que se explicarán en esta investigación.

El monitoreo de las variables del medio ambiente es fundamental hoy en día, debido a las necesidades de automatización y control que se pueden presentar, por ejemplo, en campos de cultivo y zonas de crianza de animales, entre otros. El objetivo de la tesis es el diseño de una red inalámbrica de sensores para el monitoreo de la temperatura y la humedad relativa en un campus universitario. La tesis se centra en la medición de dichas variables en determinados puntos del sector estudiado para obtener resultados que se puedan visualizar en un mapa virtual. Se han desarrollado las siguientes cuatro secciones: la problemática de las mediciones de temperatura y humedad relativa; los fundamentos teóricos del estudio; la metodología empleada, y las pruebas y diseño del sistema. El resultado es un análisis de microclimas, que permite observar de manera cuantitativa y en tiempo real las variables analizadas. Este estudio se valida en los resultados de variación de la temperatura y la humedad relativa, pues conforme aumenta la temperatura, la humedad relativa disminuye y viceversa.

[EN] Material heat processing systems using microwave energy have been used for more than 60 years. Design and implementation techniques have greatly evolved during this time, but a precise control in material temperature is still difficult to achieve due to theoretical and practical reasons. This difficulty arises, in many cases, because a deep knowledge in several technical fields is needed in order to design the process properly, being microwave engineering only one of them. Usually it's necessary to combine knowledge in microwaves with material technology, chemistry, and other fields, in order to have a clear idea about how the process should be. The main aim of this work is the development of experimental equipment that allows the heat treatment of material samples using microwave energy, while providing a great control over the sample temperature and the energy absorbed. Using such an equipment, very valuable data can be obtained for the process dynamics when using microwave technology. With this objective in mind, in a first step different suitable types of microwave applicators have been studied, as well as several optimization techniques for the temperature distribution within the sample. Advantages and disadvantages of multimodal applicators have been analyzed, and a detailed study about the effect of mode stirrers in the field uniformity has been carried out, which is the more common technique for this aim. A next step was the study of thermal effects in materials under high power electromagnetic fields. Heat transfer, convection and phase change phenomena have been studied in order to analyze their effect in the sample temperature. The thermal runaway effect has a special importance in the processing of some materials, mainly when dielectric losses increase with temperature. This phenomenon has been analyzed, as well as some suitable techniques that can be used to avoid it, or at least to reduce its effects. Also, different types of temperature sensors have been reviewed to study its usability in microwave systems, and as a result infrared temperature sensors has been chosen as the more suitable technology. In microwave heating systems the temperature increment in the sample is determined by the microwave power absorbed by the applicator, and for this reason an accurate control over this parameter is required for a good temperature control. It should be remarked that microwave heating processes are dynamic, evolving with the changes in material temperature and properties. For this reason, different procedures for absorbed power control has been analyzed, with highlight in the work carried out regarding the development of a dynamic impedance matching system. Moreover, other strategies for absorbed power regulation have been studied, using different control parameters as the generated power, the cavity tuning or the frequency sweep span. Two different systems have been developed. One is based on a tunable monomode cavity with a mechanic tuning system; the second is based on a non-tunable cavity and the use of a variable frequency generator. Both systems integrate temperature sensors and the equipment required to measure the power delivered to the sample. An automated process control algorithm based on PID has been implemented, allowing autonomous working during the experiments. Both developed systems have been used in a high number of experiments with different nature of samples. Some of these results are presented in this work, showing the excellent performance of the systems and the valuable information that can be obtained for the studied materials. As a final point, several future research lines are proposed in order to continue the work developed up to now. / [ES] Los sistemas de tratamiento térmico de materiales utilizando energía de microondas vienen utilizándose durante más de 60 años. La técnica en el diseño e implementación de este tipo de sistemas ha avanzado enormemente durante este tiempo, pero el control preciso de la temperatura de los materiales sigue presentando muchas dificultades teóricas y prácticas. Esta dificultad, en muchos casos, se presenta debido a que un correcto procesado por microondas de muchos materiales precisa de conocimientos en varias áreas técnicas, siendo la ingeniería de microondas sólo una de ellas. En muchas ocasiones es necesario combinar el conocimiento en esta área con conocimientos en tecnología de materiales, química, etc., para obtener una idea precisa de cómo ha de ser el proceso. El objetivo de este trabajo es desarrollar un equipo experimental que permita el tratamiento por microondas de muestras de materiales, manteniendo en todo momento un gran control sobre la temperatura y energía absorbida, lo que permite obtener unos datos muy valiosos sobre la dinámica de procesado de los materiales con esta tecnología. Con este objetivo, en un primer paso se han estudiado los diferentes tipos de aplicadores de microondas que se pueden utilizar, así como las técnicas de optimización de la distribución de temperatura aplicables a cada tipo de aplicador. Se han analizado las ventajas e inconvenientes que presentan los aplicadores multimodales, con un detallado estudio del efecto de uniformización del campo eléctrico que producen los agitadores de modos, que es la técnica más usada para este propósito. A continuación se han estudiado los efectos térmicos que ocurren sobre los materiales sometidos a un campo electromagnético de alta potencia. Los fenómenos de transmisión de calor, convección y cambio de fase han sido estudiados para analizar su influencia sobre la temperatura que alcanzan los cuerpos. El fenómeno de avalancha térmica tiene una gran importancia en el tratamiento de algunos materiales, sobre todo aquellos cuyas pérdidas dieléctricas crecen con la temperatura, por lo que ha sido analizado junto con las técnicas que pueden utilizarse para evitar su aparición. También se han revisado los diferentes tipos de sensores de temperatura y su aplicabilidad a los sistemas de microondas. En los sistemas de calentamiento por microondas el incremento de temperatura de la muestra viene determinado por la potencia absorbida por el aplicador, y por tanto un control preciso de esta potencia es vital en el control de la temperatura. Es necesario destacar que los procesos de calentamiento por microondas son dinámicos, evolucionando según la muestra cambia de temperatura y propiedades. Por este motivo se han estudiado los diferentes mecanismos disponibles, destacando el trabajo realizado en el desarrollo de un sistema de adaptación de impedancias dinámico. Además se han analizado otras estrategias para regular la potencia absorbida, controlando diferentes parámetros como la potencia generada, la sintonización de la cavidad o el ancho de barrido de frecuencias. Se han construido dos tipos de sistemas, uno basado en una cavidad monomodo sintonizable mecánicamente, y otro sistema cuya cavidad no es sintonizable, y precisa del uso de un generador de frecuencia variable. Ambos sistemas integran sensores de temperatura y el equipamiento necesario para medir la potencia entregada a la muestra en cada momento. Para el control del proceso se ha implementado un algoritmo de control PID que permite el funcionamiento automatizado a lo largo de los ensayos. Ambos equipos desarrollados se han utilizado para la realización de multitud de ensayos, sobre muestras de diferente naturaleza, lo que permite poner de manifiesto el excelente funcionamiento de estos equipos y la valiosa información que proporciona sobre los materiales estudiados. Para finalizar, se proponen unas líneas futuras de investigación para continuar el trab / [CAT] Els sistemes de tractament tèrmic de materials utilitzant energia de microones s'han utilitzat durant més de 60 anys. La tècnica en el disseny i implementació d'este tipus de sistemes ha avançat enormement durant este temps, però el control precís de la temperatura dels materials continua presentant moltes dificultats teòriques i pràctiques. Esta dificultat, en molts casos, es presenta pel fet que un correcte processat per microones de molts materials precisa de coneixements en diverses àrees tècniques, sent l'enginyeria de microones només una d'elles. Moltes vegades és necessari combinar el coneixement en aquesta àrea amb coneixements en tecnologia de materials, química, etc., per a obtindre una idea precisa de com ha de ser el procés. L'objectiu d'este treball és desenvolupar un equip experimental que permeta el tractament per microones de mostres de materials, mantenint en tot moment un gran control sobre la temperatura i energia absorbida, la qual cosa permet obtindre unes dades molt valuoses sobre la dinàmica de processat dels materials amb esta tecnologia. Amb este objectiu, en un primer pas s'han estudiat els diferents tipus d'aplicadors de microones que es poden utilitzar, així com les tècniques d'optimització de la distribució de temperatura aplicables a cada tipus d'aplicador. S'han analitzat els avantatges i inconvenients que presenten els aplicadors multimodals, amb un detallat estudi de l'efecte d'uniformització del camp elèctric que produïxen els agitadors de modes, que és la tècnica més usada per a aquest propòsit. A continuació s'han estudiat els efectes tèrmics que ocorren sobre els materials sotmesos a un camp electromagnètic d'alta potència. Els fenòmens de transmissió de calor, convecció i canvi de fase han sigut estudiats per a analitzar la seua influència sobre la temperatura que aconseguixen els cossos. El fenomen d'allau tèrmica té una gran importància en el tractament d'alguns materials, sobretot aquells les pèrdues dielèctriques dels quals creixen amb la temperatura, per la qual cosa ha sigut analitzat junt amb les tècniques que poden utilitzar-se per a evitar la seua aparició. També s'han revisat els diferents tipus de sensors de temperatura i la seua aplicabilitat als sistemes de microones. En els sistemes de calfament per microones l'increment de temperatura de la mostra ve determinat per la potència absorbida per l'aplicador, i per tant un control precís d'esta potència és vital en el control de la temperatura. És necessari destacar que els processos de calfament per microones són dinàmics, evolucionant segons la mostra canvia de temperatura i propietats. Per este motiu s'han estudiat els diferents mecanismes disponibles, destacant el treball realitzat en el desenrotllament d'un sistema d'adaptació d'impedàncies dinàmic. A més s'han analitzat altres estratègies per a regular la potència absorbida, controlant diferents paràmetres com la potència generada, la sintonització de la cavitat o l'ample d'agranat de freqüències. S'han construït dos tipus de sistemes, un basat en una cavitat monomodo sintonizable mecànicament, i un altre sistema on la cavitat no és sintonizable, i precisa de l'ús d'un generador de freqüència variable. Ambdós sistemes integren sensors de temperatura i l'equipament necessari per a mesurar la potència entregada a la mostra en cada moment. Per al control del procés s'ha implementat un algoritme de control PID que permet el funcionament automatitzat al llarg dels assajos. Ambdós equips desenrotllats s'han utilitzat per a la realització de multitud d'assajos, sobre mostres de diferent naturalesa. Alguns d'estos resultats es presenten en este treball, la qual cosa permet posar de manifest l'excel·lent funcionament d'estos equips i la valuosa informació que proporciona sobre els materials estudiats. Per a finalitzar, es proposen unes línies futures d'investigació per a continuar el treball realitzat fins / Plaza González, PJ. (2016). Control de la temperatura en sistemas de calentamiento por microondas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61475 / TESIS

Actualmente, el proceso de refinación de petróleo crudo se encuentra estrechamente relacionado con la eficiencia energética y la contaminación ambiental debido a la utilización de un combustible fósil que constituye un recurso no renovable de precio volátil y alto en el mercado internacional [1]. Ello se debe al elevado consumo de energía y a la emisión de gases contaminantes producto de las reacciones químicas del proceso de refinación del petróleo crudo [1]. La mayoría de las empresas dedicadas a la refinación del petróleo crudo batallan constantemente con estos temas, ya que ello está regulado por las leyes peruanas y acuerdos internacionales, y además la optimización de sus procesos logra aumentar la eficiencia y disminuir la contaminación ambiental redundando en una mayor rentabilidad para las empresas [1,4]. Por esta razón, muchas investigaciones científicas presentemente se enfocan en buscar alternativas para lograr la optimización del proceso de refinación del petróleo crudo, entre las que se encuentra el aumento de la efectividad y robustez en el control de la temperatura del petróleo crudo en la salida del horno de precalentamiento [1, 4, 14]. En esta tesis para el control efectivo de la temperatura del petróleo crudo en la salida de un horno de precalentamiento de una refinería se diseña un controlador robusto de orden fraccionario.

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