Ingeniero Civil Mecánico / La Biolixiviación de cobre en pilas es un método utilizado actualmente por la industria, siendo de gran interés para minerales sulfurados. La rentabilidad de este proceso depende de diversos factores, especialmente de la temperatura de operación de la pila, ya que los microorganismos utilizados son muy sensibles a su variación teniendo un rango óptimo de operación, en el cual su eficiencia se ve mejorada aumentando la velocidad de extracción del cobre. El objetivo de este trabajo es el estudio del comportamiento térmico de una pila de biolixivación a través de un modelo físico-matemático y simulaciones termo-fluidodinámicas que consideren tanto los efectos ambientales, como la generación de calor al interior de la pila. Se presenta un modelo matemático que considera el estado multifásico del sistema, donde coexisten la fase sólida del material apilado, la líquida del fluido de irrigación y la gaseosa de la aireación, describiendo las principales ecuaciones que intervienen tanto en el transporte de momentum y de energía en medios porosos. Se realizan simulaciones en el software COMSOL Multiphysics para un sistema simplificado que considera un medio saturado en fluido cuyo campo de velocidad es descrito con la Ley de Darcy, además de la transferencia de calor considerando los términos de fuente y los fenómenos de borde. Se observa que la generación de calor volumétrica es el principal factor para mantener altas temperaturas en la pila. La convección interna debido al fluido de irrigación también tiene importancia en la temperatura alcanzada por el medio, al aumentar al doble la tasa de irrigación disminuye la temperatura promedio entre 7,5 [K] y 10,5 [K]. Cubrir la pila atenúa los fenómenos de contorno disminuyendo la evaporación, logrando un aumento en la temperatura promedio de 3,5 [K] en verano y de 5,75 [K] en invierno, lo cual es un aporte moderado. Aumentar la temperatura del fluido de irrigación en 10 [K] presenta un aumento entre 1,5 [K] a 2 [K] en la temperatura promedio de la pila, siendo un aporte despreciable con respecto a los costos que puede involucrar el aumento de la temperatura de irrigación.

Ingeniero Civil / La energía geotérmica constituye una fuente inagotable de energía que puede ser extraída de la tierra por medio del bombeo de fluidos calentados en su interior, aprovechando su gran inercia térmica. Este intercambio de calor se realiza para proyectos geotérmicos de baja entalpía en pozos de energía o bien por medio del uso de aguas subterráneas. Este estudio consiste en la evaluación técnica, económica y legal de implementar sistemas geotérmicos de baja entalpía en Chile, orientados a la generación de calor para calefacción de viviendas típicas chilenas ubicadas en dos zonas características del país. El estudio técnico contempla la inclusión de estructuras tales como pozos o norias (ociosas) que puedan ser usados en estos sistemas, reduciendo el alto costo inicial que tiene la implementación de un sistema geotérmico de baja entalpía. Se presentan mapas de procesos que permiten esclarecer los pasos legales de la solicitud de aprovechamiento del recurso geotérmico. La investigación incluye estudios económicos en Santiago y Puerto Montt, comparando los costos de calefaccionar, logrando el confort térmico, en tres viviendas distintas por medio de la geotermia de baja entalpía y sistemas convencionales de calefacción más representativos en las ciudades descritas. Se desarrollan dos diseños de sistemas geotérmicos de baja entalpía identificando tres grandes áreas de diseño: El sistema de intercambio de calor geotérmico, la bomba de calor y el sistema de distribución dentro del hogar. La bomba de calor es fundamental para el desarrollo del sistema, ya que, constituye la mayor ganancia de calor con un Coeficiente de desempeño (COP) cercano a 4. Se destaca que los sistemas de distribución estudiados son los radiadores convencionales y los basados en Fan Coils, identificando estos últimos con un mejor desempeño, también un menor número de terminales haciéndolo viable constructivamente. Técnicamente los proyectos propuestos son factibles de construir pero económicamente tienen un costo inicial alto, cercano a los $23 millones, que puede ser mermado con el uso de estructuras ociosas que permiten reducir los costos iniciales hasta en un 40%. Por otra parte, los costos operacionales son considerablemente más bajos comparado con sistemas convencionales de calefacción. Los sistemas que utilizan aguas subterráneas tienen ventajas por tener costos iniciales que generalmente pueden ser menores a los sistemas verticales cerrados, pero tienen la complicación que no siempre se tiene el recurso de agua subterránea cerca de la instalación o bien no se cuenta con el derecho de uso de agua subterránea. En el ámbito legal en Chile, el año 2010 se aprobó la Ley de Geotermia N° 19.657 que norma el uso del recurso geotérmico otorgando concesiones de exploración y de explotación. La deficiencia de la nombrada ley es que está pensada para proyectos eléctricos de alta entalpía y no para proyectos de aprovechamiento a menor escala, es decir, no hace diferencia alguna sobre tipos de geotermia, teniendo exigencias muy altas para proyectos geotérmicos de baja entalpía, y plazos de concesión muy bajos, siendo necesaria una modificación a la Ley actual.

Ingeniero Civil Mecánico / Actualmente gas, carbón y petróleo abastecen tres cuartos de la demanda energética mundial, lo cual muestra la gran dependencia de los combustibles fósiles que tiene la humanidad; esto sumado a la sobreexplotación de los recursos naturales provoca distintos tipos de contaminación, tanto local (material particulado, compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono) como global (efecto invernadero, lluvia ácida, contaminación de suelo y agua). Lo anterior, junto al agotamiento del petróleo, motiva la búsqueda de nuevas formas de energía como lo son las renovables no convencionales. El presente estudio trata sobre un tipo de energía renovable en particular: la energía geotérmica. El objetivo es desarrollar un mapa geográfico que indique la ubicación de 16 recursos geotérmicos nacionales de alta entalpía (datos brindados por el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes) junto a la potencia y/o trabajo específico máximos obtenidos luego de evaluar cada yacimiento en 6 o 7 ciclos termodinámicos distintos dependiendo de cada caso. Para comenzar, se exponen conceptos básicos sobre geotermia y se contextualiza sobre la situación actual a nivel país. Luego se entrega una breve descripción de los 16 yacimientos geotérmicos considerados en este estudio continuando con la interiorización sobre distintos métodos para el aprovechamiento de la energía geotérmica, los que pueden ser por conversión directa, por expansión súbita de una etapa, expansión súbita de dos etapas, sistemas binarios o por medio de ciclos combinados. La utilización de cada uno de ellos depende netamente del tipo de recurso (alta o media entalpía). A continuación se describen los ciclos termodinámicos seleccionados que se utilizan para la evaluación de los distintos recursos. Estos son programados en EES, software especializado en ciclos termodinámicos que permite, a través de variables independientes, maximizar una variable dependiente. En este caso se maximiza la potencia neta y/o el trabajo específico neto dependiendo de los datos de cada yacimiento. Después se muestra la validación de los ciclos termodinámicos y de la torre de enfriamiento seguido por la metodología donde se explican los criterios utilizados en la evaluación termodinámica y en la económica. La siguiente sección da cuenta de los resultados obtenidos donde se detalla el comportamiento de los distintos ciclos programados para cada yacimiento y se muestra la evaluación económica para cada recurso. De esta última se desprende que hay cuatro proyectos atractivos económicamente para entregar energía a los sistemas interconectados: Sierra Nevada, Apacheta, Puchuldiza y Tolhuaca. Por otro lado Surire e Irruputuncu pueden ser atractivos para la industria minera. Por último se encuentra el mapa geográfico que indica la ubicación de cada yacimiento junto a la potencia y/o trabajo específico máximo obtenible.

Ingeniero Civil Mecánico / En el transcurso de los últimos años, la generación de energía renovable, ha sido promovida por distintas naciones. En este contexto, encontramos las celdas fotovoltaicas como una de las formas de producción de energía renovable más usadas en el mundo debido a que pueden transformar directamente la radiación solar en electricidad y a la vez, pueden ser usadas en aplicaciones domésticas e industriales. Sin embargo, en su operación, solamente se puede aprovechar alrededor de un 20% de la radiación incidente, el resto se convierte en calor, por otra parte, esta eficiencia se ve disminuida cuando las temperaturas de operación aumentan. Por las razones indicadas anteriormente, la dependencia del rendimiento con la temperatura de la celda, convierte a este parámetro en uno de los más relevantes a la hora de diseñar mejoras en el desempeño de un panel fotovoltaico. El objetivo de la presente memoria es elaborar un modelo unidimensional térmico que pueda simular el comportamiento transiente de la temperatura de la celda a lo largo del día. Para el desarrollo del tema referido, se realiza un análisis teórico de la temperatura al interior de un panel fotovoltaico mediante un balance energético, es decir, definir el comportamiento de la temperatura al interior de la celda en función de la radiación incidente, pérdidas por radiación, convección y conducción. A continuación, se procede a ensamblar el modelo planteado en un software numérico con las condiciones de borde adecuadas, para posteriormente realizar el análisis térmico transiente del panel fotovoltaico. Finalmente se verificará si el modelo planteado sirve para modelar el panel fotovoltaico, para esto se compara el comportamiento térmico con modelos reportados en la literatura y mediante a datos obtenidos de una central fotovoltaica instalada en el norte de Chile. La metodología ocupada para el desarrollo de los temas indicados en el párrafo anterior son las siguientes: a) se realizan simulaciones para distintos casos hipotéticos de funcionamiento aumentando de complejidad el modelo; b) se aplica el modelo para comparar los resultados con otros modelos de la literatura y para estimar la corriente generada en un día y se verifica que predice con suficiente precisión lo observado en la realidad; c) se estudia el efecto de las variables climáticas en la temperatura de la celda y se deduce una ecuación que describe el efecto de la temperatura ambiente, velocidad de viento y la radiación sobre la temperatura de la celda; y d) se estudia el efecto de la localización del panel en distintas zonas de Chile en la temperatura de la celda.

Ingeniero Civil Mecánico / Chile tiene uno de los recursos solares de mayor calidad en el mundo, el cual no está siendo aprovechado mayormente. Una forma en que se puede utilizar este recurso es captándolo como energía solar térmica. El ciclo Kalina, inventado a principios de la década de 1980, es un ciclo de potencia cuya principal característica es el fluido de trabajo que utiliza, que es una mezcla binaria, típicamente amoníaco agua. En este trabajo se encuentran rangos favorables de condiciones de operación del ciclo Kalina, para generación eléctrica de 0,5 a 4 [MW], a partir de energía solar térmica de baja temperatura (80 200 [°C]). Se desarrollan y validan modelos termodinámicos por la primera y segunda leyes de la termodinámica de los ciclos Kalina y Rankine Orgánico, este último con los fluidos de trabajo R123, R134a y R152a. Los modelos son validados reproduciendo resultados de la literatura encontrándose una buena concordancia. Se realiza un análisis paramétrico a los ciclos Kalina y Rankine Orgánico, investigando la sensibilidad de los rendimientos térmico y exergético al variar la presión en el evaporador solar, la concentración de amoníaco, la temperatura de la fuente de calor, el pinchpoint y la potencia neta. Se encuentra en el ciclo Kalina que se debe evitar un título de vapor excesivamente bajo a la salida del evaporador solar, porque esto tiene un efecto negativo sobre los rendimientos térmico y exergético. Los componentes con la mayor destrucción de exergía son el condensador, la turbina, el evaporador solar y el regenerador. Al variar la potencia neta las variables extensivas crecen linealmente con ésta. Por último, se encuentran las condiciones de operación más favorables del ciclo Kalina en función de la temperatura de la fuente de calor, para alcanzar el máximo rendimiento exergético. En el ciclo Rankine Orgánico se encuentra que el máximo rendimiento exergético se alcanza a la máxima presión admisible en el evaporador solar, y con R152a como fluido de trabajo. Al comparar los ciclos Kalina y Rankine Orgánico se encuentra que el primero alcanza un mayor rendimiento térmico y exergético que el segundo, sin embargo, requiere de una presión en el evaporador solar de un 40% mayor. A bajas presiones en el evaporador solar la diferencia entre ambos ciclos, a favor del ciclo Kalina, es significativamente mayor que a altas presiones. El mayor rendimiento del ciclo Kalina significa que requiere de una menor área de colectores solares, lo cual generalmente resulta crítico en aplicaciones de energía solar.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / El presente trabajo es un estudio de modelación y simulación 2D del proceso de combustión filtracional rica de fuelóleo pesado (HFO). Se desarrollan dos enfoques de modelación fenomenológica, denominados Modelo I y Modelo C-I, que utilizan decalina como compuesto modelo. El primero aborda el proceso en reactor de medio poroso inerte (MPI), y sus resultados se comparan con datos experimentales de HFO obtenidos en condiciones levemente ricas. Estos últimos muestran que la producción de syngas se acompaña con la formación de un residuo carbonoso sobre el lecho empacado, generando una menor eficiencia del proceso. Para mejorar la transformación de HFO a syngas, el Modelo C-I plantea una configuración de dos zonas reactivas en serie. La primera realiza un craqueo catalítico-térmico de la premezcla rica aire-combustible vaporizado, y la segunda, el reformado de oxidación parcial de los productos del craqueo y el exceso de combustible. En cuanto a los resultados del Modelo I, estos muestran una representación razonable de las tendencias empíricas del procesamiento con HFO. También, se observa mediante simulación, la presencia de un máximo axial en la concentración de H2, y los efectos positivos sobre su producción, con el aumento de la razón de equivalencia y la velocidad de filtración, y la reducción en las pérdidas de calor. Además, el sistema de combustión filtracional rica de decalina presenta un óptimo en la eficiencia de conversión de energía a syngas y los rendimientos de H2 y CO, que se alcanza cuando la razón de flujos másicos de productos (H2, CO) en los gases de escape es máxima. Por otro lado, los análisis de simulación con el Modelo C-I, en condiciones levemente ricas y a velocidad de filtración constante, llevan a determinar que existe una longitud óptima de la zona intermedia del reactor, para la cual la producción de hidrógeno es máxima, debido a un compromiso cinético entre los mecanismos de reacción homogéneo y heterogéneo. En esta condición, se obtiene que la conversión energética total sea predominante con el aumento de la razón de equivalencia, debido a la presencia de especies hidrocarbonadas generadas por el proceso de craqueo de decalina sobre zeolitas. Y además, se mejora la producción de syngas respecto a un reactor de MPI en condiciones similares de operación, cuando los depósitos de material carbonoso en este último, superan un 7.4%. Esta evidencia teórica, recientemente publicada, apoya la hipótesis que la configuración de reactor de medio poroso catalítico inerte en serie, puede representar una mejor alternativa para el aprovechamiento de fuelóleo pesado en su transformación a gas de síntesis durante combustión filtracional rica, respecto a un reactor de lecho poroso inerte, en rangos específicos. / Esta tesis forma parte del Proyecto FONDECYT N° 1121188

Este trabajo de título tiene como objetivo general seleccionar un colector solar plano de aire diseñado para cumplir las características para su utilización en el pueblo de Huatacondo que se encuentra en la primera Región Tarapacá. Además se deberá desarrollar un modelo que permita predecir los resultados que tendrá el colector bajo distintas condiciones ambientales y de radiación. Para la selección del colector solar plano se hizo un modelo analítico de tres tipos de colectores diferenciados por el recorrido del aire a través de ellos. El primer modelo posee un flujo por sobre la placa absorbente, el segundo modelo posee un flujo mixto, es decir por sobre y bajo la placa absorbente y el tercer modelo posee un flujo por debajo de la placa. De aquí se obtienen las curvas de rendimiento característica de los modelos analizados. Se realizó una optimización de los espesores de aislación en el colector, seleccionando el óptimo para los tres modelos, espesor que se utilizó en la construcción de un colector modelo que permitió validar los datos del modelo analítico y simulación. Se construyó un colector modelo que se ensayó durante los meses de Julio y Agosto, obteniéndose resultados de rendimiento para los tres modelos analizados. Se desarrollaron los tres modelos en el programa Simusol y se efectuó una simulación numérica del comportamiento del colector en búsqueda de replicar los datos obtenidos experimentalmente, utilizando como base datos de radiación incidente y temperatura ambiente obtenidos del experimento. Finalmente el análisis experimental arrojó que el mejor modelo para las condiciones dadas es el de flujo por sobre la placa absorbente, siendo el de peor desempeño el de flujo mixto. En los datos analíticos y de simulación se obtuvo la mayor eficiencia para el flujo mixto, siendo esto contrario a lo obtenido experimentalmente. Se deduce que en el modelo experimental el flujo mixto, tuvo un flujo laminar debido al bajo caudal entregado por el ventilador, que mermó considerablemente la eficiencia de este flujo. Se concluye, por lo tanto, que para condiciones de bajo caudal y diferencias de temperatura bajas, la mayor eficiencia la obtiene el modelo con flujo por sobre la placa absorbente.

El objetivo general del presente trabajo, es generar una metodología de evaluación del uso de colectores solares para una piscina municipal temperada en base a factores en base a un análisis exergético y económico; se espera ver tanto el impacto que podrían tener los colectores en el sistema como la magnitud del ahorro económico asociado a su uso. Se utilizó como caso particular para este trabajo, la piscina temperada de uso público que tiene la municipalidad de Vitacura en la misma comuna. Esta piscina funciona todo el año, siempre temperada, y cuenta además con servicio de camarines con duchas, de manera que se tiene tanto una carga por la calefacción de la piscina como en la generación de agua caliente sanitaria (ACS). Actualmente se utilizan equipos eléctricos para calentar el agua necesaria, lo que genera altos gastos asociados al consumo eléctrico de estos equipos. Por otra parte, está el creciente interés en utilizar energías renovables tanto por el beneficio económico que suponen como el beneficio medioambiental que conlleva su uso. Se determinaron, para el sistema actual, las pérdidas de calor asociadas a la piscina y la energía necesaria para producir ACS. Se calcularon los flujos de exergía del sistema y se identificaron puntos donde existe destrucción o pérdida de exergía. Se identificó la producción de agua caliente sanitaria como una importante carga energética y exergética del sistema, principalmente por la alta temperatura que se debe alcanzar. Se calcularon los requerimientos que se quiere suplir con los colectores y se utilizó el criterio de inversión del valor actual neto para encontrar la cantidad de colectores que entregue un mayor retorno económico. Posteriormente se vio el impacto en el balance exergético del sistema al incluir los colectores solares. Se concluye que hay tanto una mejora exergética como un importante beneficio económico al incorporar al sistema la tecnología de colectores solares para el calentamiento del agua. La mejora exergética está dada por la intervención en algunos puntos del sistema donde se pierde exergía y el menor uso de los equipos actuales. Se puede suponer, que a mayor escala, el ahorro energético acarrearía además una disminución en las pérdidas de exergía aguas arriba del sistema, hacia las fuentes de producción de energía eléctrica, lo que puede significar un beneficio mayor.

Ingeniero Civil / El presente trabajo de título tiene como objetivo obtener una estrategia de modelación que permita orientar el diseño de sistemas de aprovechamiento geotérmico de baja entalpía integrados constructivamente. El proyecto se centra en dos de las pilas de entibación y sus respectivos anclajes del edificio Beauchef 851, estructuras que han sido implementadas con circuitos de tuberías de HDPE de diámetro 32 [mm] en la pila y de 22 [mm] en los anclajes por las que se hace circular agua que moviliza el calor del sub suelo hacia la superficie, o viceversa, pudiendo acondicionar espacios mediante el acople de una bomba de calor, permitiendo de esta forma aprovechar la energía geotérmica. Las pilas de entibación y anclajes presentan condiciones de borde particulares que no se encuentran en la literatura. Las pilas, que son de hormigón armado y tienen 1 [m] de diámetro y 30 [m] de profundidad, no están completamente rodeadas de suelo ya que una parte de ellas está en contacto directo con el muro perimetral que da hacia el patio de luz en su tramo superior (hasta los 14,7 [m] de profundidad) y hacia los subterráneos en su tramo inferior. En cuanto a los anclajes, que son de cables de acero inyectados con lechada y que tienen 12 [cm] de diámetro y un largo de circuito de 41,5 [m], se tiene que están inclinados 20° respecto de la horizontal y se encuentran a distintos niveles de profundidad. Esta investigación se desarrolla en base a tres grandes ejes de trabajo. El primero de ellos se relaciona con los aspectos prácticos necesarios de llevar a cabo y que permiten recuperar y preservar la implementación. El segundo eje corresponde a modelaciones realizadas con el software computacional EED que incorporen las condiciones de borde de los circuitos mediante procesos de ponderación, superposición y proyección, que a su vez permiten conocer el potencial térmico de la implementación. El tercer eje abarca las mediciones de test de respuesta térmica llevadas a cabo en terreno durante los meses de Agosto y Septiembre de 2013. Los resultados obtenidos indican que el sistema de entibación implementado tiene el potencial de tomar más del 50% de la demanda energética de calefacción y más del 10% de la de refrigeración en ciclos de carga y descarga del suelo, cantidades que fueron ajustadas y validadas en base a las mediciones realizadas en condiciones de operación, las que muestran que la conductividad térmica efectiva del circuito de la Pila es de 2,19 [W/mK] con una tasa de rechazo de calor de 42,4 [W/m], mientras que para los circuitos de los Anclajes la conductividad térmica efectiva es de 1,92 [W/mK] con una tasa de rechazo de calor de 29,6 [W/m], valores que permiten concluir que la implementación es aprovechable en términos energéticos.

Ingeniera Civil Mecánica / El año 2011 se publicó la norma de emisiones para centrales termoeléctricas, que regula las emisiones de SO_2, NO_x y material particulado 2,5. Esta norma debe empezar a cumplirse entre junio 2015 y abril 2016, razón por la cual se hace necesario establecer un mecanismo para controlar tales emisiones. Dentro de las centrales que deben dar cumplimiento a dicha norma en los plazos ya señalados se encuentran las Centrales Andina y Hornitos (CTA y CTH, respectivamente) ambas operadas por la empresa E-CL S.A., empresa para la cual se realizó este trabajo. CTA y CTH son centrales del tipo lecho fluidizado circulantes, que deben utilizar caliza para mitigar sus emisiones de SO_2. En el presente trabajo se construyó y validó un modelo para el cálculo de eficiencia térmica de una central termoeléctrica de tipo lecho fluidizado circulante, específicamente para CTA y CTH. Junto con el cálculo de eficiencia, se calcula el consumo de combustible y caliza, en donde se tiene como principales entradas la composición de combustible y nivel de dióxido de azufre que se emite a la atmósfera. El primer paso de modelo consiste en obtener el flujo másico de caliza en función de un flujo másico de carbón dado. El siguiente paso corresponde al cálculo de la eficiencia térmica según la Norma ASME PTC 4.0. Con esta eficiencia térmica es posible encontrar el flujo másico real de carbón y así, el de caliza. El modelo se validó con el Informe de Prueba de CTA, donde se obtuvo un error de 1% en la eficiencia térmica; -1,28% en el consumo de carbón y -0,19% como mínimo y 1,08% como máximo en consumo de caliza. Los errores mencionados equivalen a 4 días menos de funcionamiento de la central, es decir, el modelo calcula consumos menores al del informe de prueba. Además de validar el modelo, se compararon los datos medidos el día 2 de noviembre con los resultados del modelo para el mismo día, obteniéndose una curva similar de flujo másico de caliza. Finalmente se analizaron distintos carbones, primero se comparó las distintas minas, luego los 14 embarques de carbón provenientes de estas minas y para un mismo carbón se varió el nivel de emisión de SO_2. Los resultados más importantes fueron que la eficiencia térmica y los consumos de carbón y caliza dependen de la mina de carbón, los carbones de mina Invierno presentan menor eficiencia térmica y menor consumo de caliza y los carbones Cerrejón son los con mayor eficiencia térmica. Además se pudo ver que la eficiencia térmica depende inversamente de (%S)⁄HHV, (%H_2)⁄HHV y (%H_2 O)⁄HHV y directamente de HHV.