En el presente trabajo de tesis se realizó el estudio y modelamiento matemático del intercambiador de calor presente en el laboratorio de Control y Automatización de la Sección Electricidad y Electrónica de la Pontifica Universidad Católica del Perú (PUCP). Debido a que no se cuenta con información interna del equipo, se planteó realizar el modelamiento mediante pruebas experimentales. Por tanto, se utilizaron los fundamentos brindados por la Identificación de Sistemas para obtener un modelo matemático válido que describa adecuadamente el comportamiento de la planta estudiada. Inicialmente, se utilizó técnicas de Identificación No Paramétrica para obtener características generales de la dinámica de la planta. Posteriormente, se utilizó esta información para planificar el experimento de Identificación Paramétrica. En el experimento de Identificación Paramétrica se utilizó comandos del System Identification Toolbox de MATLAB para realizar el diseño de la señal de entrada, la estimación de modelos paramétricos y su respectiva validación. Asimismo, se realizó el diseño de sistemas de control en lazo cerrado aplicados al modelo obtenido que presenta mayor similitud con el comportamiento de la planta real. Este diseño contempló el uso de dos tipos de controladores: un controlador PID y un controlador PID con Predictor de Smith. Finalmente, se realizaron simulaciones de los sistemas de control empleando los controladores diseñados y se analizaron los resultados obtenidos. / Tesis

Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta el 24/11/2019. / Ingeniera Civil Química / El agua es un recurso cada día más demandado en la población mundial y a su vez se ha convertido en un bien escaso debido a la creciente producción del sector minero en la II región de Chile, es por esto que los circuitos de agua son de suma importancia en los procesos productivos y en particular en la Planta Oxinor de la empresa Air Liquide ubicada en la ciudad de Antofagasta. Es por lo anterior que el presente trabajo tiene por objetivo diseñar, dimensionar y especificar la ingeniería básica de los circuitos de agua de enfriamiento de la planta, considerando las diferentes unidades operativas involucradas en el sistema y las nuevas necesidades dentro de los planes de desarrollo de la planta. Dentro del presente trabajo se realizó en primer lugar el balance de masa y energía para los tres circuitos de enfriamiento que posee la planta, obteniendo como resultado que las plantas disipan energía en forma de calor y masa equivalente a 2,586 [Mcal/Ton*h], 2,037[Mcal/Ton*h] y 0,212[Mcal/Ton*h] para las plantas I, III y IV respectivamente. Por otro lado se estudió que el desempeño actual de las torres de enfriamiento, obteniendo como resultado que las torres están operando con un desgaste en el número de Merkel de 72% y 49% para Oxinor I y II respectivamente, en relación con los valores de diseño En el planteamiento del rediseño de la torre de enfriamiento de Oxinor I se estudiaron 6 propuestas, las que contemplaron variaciones en intercambiador de placas y en el número de celdas presentes en la torre. Producto de un análisis económico y técnico, las propuestas viables consideran una torre de enfriamiento para un flujo de 0,39 [m^3/Ton *h] y un calor disipado de 2,64 [Mcal/Ton*h] con 3 o 4 celdas, sin modificar el intercambiador de placas. De los resultados obtenidos se destaca que los flujos pueden poseer leves diferencias con la realidad, principalmente por la serie de supuestos tomados debido a la falta de mediciones en los flujos y humedad atmosférica. A modo de conclusión se destaca que con la propuestas viables es posible operar con temperaturas adecuadas y además realizar mantenciones en las celdas de Oxinor I y III. En particular con la propuesta de 3 celdas es posible detener uno de sus ventiladores 1.195 horas al año, mientras que para la propuesta de 4 celdas el ventilador puede estar detenido 3.990 horas al año.

La presente tesis tiene como objetivo el desarrollo de una interfaz hombremáquina basada en una tarjeta de adquisición en una computadora. Esta interfaz, permitió visualizar y analizar la información proveniente de los sistemas de detección de fallos en los lazos de control de la planta estudiada. Asimismo, también permitió visualizar la evolución de las variables y actuar sobre estas cuando fue necesario. El trabajo propuesto incluyó, el estudio de metodologías de desarrollo de interfaces, el desarrollo de software de la interface visual, el desarrollo de las librerías de registro de información proveniente de los sistemas de detección de fallos y desarrollo del algoritmos de monitoreo y control de las variables de la planta objeto de estudio. / Tesis

A través de los cinco capítulos de presente estudio de pre-factibilidad, se demuestra la factibilidad técnica, económica y financiera de la implementación de un Taller de Mantenimiento y Reparación de Intercambiadores de calor en la Región Cajamarca. En el primer capítulo del estudio estratégico, se analizaron los factores ambientales externos e internos. Se establecieron la visión y misión y se realizó un análisis FODA, del cual surgió una estrategia mixta DIFERENCIACIÓN – ENFOQUE. En el estudio de mercado, segundo capítulo de la tesis, se utilizó la demanda histórica de una compañía minera de la región para proyectar la demanda y se utilizó la oferta histórica de un taller en Lima para poder proyectar la oferta. A partir de esto, se determinó la demanda del proyecto a satisfacer. También se determinó todo lo que respecta a los componentes de Mix de Marketing. En el tercer capítulo del estudio técnico se efectuó un análisis de macrolocalización y microlocalización para determinar la ubicación óptima de las instalaciones. Luego se fijaron la distribución de las áreas, la dinámica de las operaciones y se planteó la relación de insumos requeridos y servicios a contratar. En el estudio legal y organizacional se estableció el tipo de sociedad y la afectación tributaria. Se definió la estructura organizacional incluyendo los perfiles y requerimientos del personal. En el último capítulo, el estudio económico y financiero, se planteó la inversión total y se seleccionó el financiamiento. Fue calculado el costo de oportunidad de capital. Luego de definir los presupuestos de ingresos y egresos se procedió a estructurar los estados financieros y se analizaron los principales indicadores económicos y financieros. Luego se efectuó un análisis de sensibilidad que incluía múltiples escenarios para variaciones en los factores críticos validándose la viabilidad económica y financiera del proyecto. / Tesis

En la presente tesis se realiza la simulación numérica del comportamiento de un intercambiador de calor de flujo cruzado o transversal aleteado. En primer lugar se procedió a describir este tipo de intercambiador de calor, así como algunos ámbitos de su aplicación. Luego, se presentan las correlaciones analíticas a utilizarse para el cálculo de la capacidad de transferencia de calor de este tipo de intercambiadores de calor. Después, se procedió a establecer el modelo computacional del intercambiador previamente mencionado, tomando en cuenta sus características físicas así como sus condiciones de funcionamiento. Posteriormente, se procedió a hacer la simulación del modelo computacional planteado, obteniéndose tanto la variación de las propiedades del flujo de aire a lo largo del intercambiador de calor como la distribución de temperaturas en las aletas y tubos que lo componen. Los resultados de la capacidad del intercambiador de calor obtenidos a través de la simulación arrojaron una variación alrededor del 11% respecto a los datos brindados por el fabricante y de 4.5% respecto a la capacidad calculada analíticamente. Además, se obtuvieron las tasas de transferencia de calor que presenta el intercambiador en diferentes zonas, lo cual nos sirve como un punto de partida para una futura optimización del equipo. / Tesis

En el presente trabajo se ha realizado el diseño del evaporador del ciclo Rankine orgánico, el cual cumple con la disponibilidad de espacio requerido y la caída de presión admisible. A su vez, este diseño garantiza la transferencia de calor de los gases de combustión hacia el refrigerante R123. Para el diseño del evaporador se comenzó por determinar las propiedades termodinámicas y termofísicas del refrigerante R123. A su vez, se determinó la composición de los gases de combustión, temperatura de entrada, flujo másico y propiedades termofísicas de cada componente de los gases. Por lo tanto, las condiciones nominales de operación son las siguientes: presión absoluta de evaporación de 2 MPa, temperatura de condensación de 330 K, flujo másico del refrigerante R123 de 4 kg/s, temperatura de entrada de los gases de combustión 740 K y flujo másico de los gases de combustión 4.35 kg/s. Finalmente, se realizó el diseño del evaporador definiendo la geometría, número de pasos, número de tubos y separación entre tubos. De acuerdo a este análisis, se determinó que el área superficial requerida para la eficiente transferencia de calor es 37.7 m2, por lo tanto, se seleccionaron 250 tubos de ¾” de diámetro nominal y una longitud de 2.5 m. / Tesis

Hoy en día, las industrias son cada vez más activas, más aún en nuestro país se está produciendo grandes avances en distintos rubros industriales gracias a las inversiones que se han realizado. Se genera entonces la necesidad de tener un control correcto y efectivo en estos procesos para hacerlos óptimos, es así que aparecen los sistemas de diagnósticos de fallas para mejorar las capacidades de los sistemas de control. Para lograr que los sistemas de diagnósticos de fallas sean adecuados para cada proceso y cumplan su propósito se desarrollan sistemas de emulación de falla, que permiten evaluar y de ser necesario corregir, los sistemas de diagnóstico de falla. En el presente trabajo de tesis se presenta el diseño e implementación de un sistema de emulación de fallas para una planta intercambiadora de calor, específicamente en las bombas centrífugas y válvulas que se encuentran en esta. La emulación de fallas para bombas centrífugas se basó en el método de detección por análisis de vibraciones y en el caso de las válvulas en la falla de fricción estática. Los trabajos realizados incluyen, el estudio de los requisitos de condición de falla que aparecen en los instrumentos de una planta intercambiadora de calor (bombas centrifugas y válvulas), el diseño de circuitos para generación de señales de falla y de dos canales de generación de fallas (uno para bomba centrifugas y otro para válvulas). El sistema de emulación de fallas desarrollado funciona de manera correcta, emula de manera correcta las fallas de desequilibrio, desalineación y falla eléctrica en el caso de las bombas centrífugas y genera la señal adecuada para válvulas. / Tesis

En el presente trabajo de tesis se realizó el estudio y modelamiento matemático del intercambiador de calor presente en el laboratorio de Control y Automatización de la Sección Electricidad y Electrónica de la Pontifica Universidad Católica del Perú (PUCP). Debido a que no se cuenta con información interna del equipo, se planteó realizar el modelamiento mediante pruebas experimentales. Por tanto, se utilizaron los fundamentos brindados por la Identificación de Sistemas para obtener un modelo matemático válido que describa adecuadamente el comportamiento de la planta estudiada. Inicialmente, se utilizó técnicas de Identificación No Paramétrica para obtener características generales de la dinámica de la planta. Posteriormente, se utilizó esta información para planificar el experimento de Identificación Paramétrica. En el experimento de Identificación Paramétrica se utilizó comandos del System Identification Toolbox de MATLAB para realizar el diseño de la señal de entrada, la estimación de modelos paramétricos y su respectiva validación. Asimismo, se realizó el diseño de sistemas de control en lazo cerrado aplicados al modelo obtenido que presenta mayor similitud con el comportamiento de la planta real. Este diseño contempló el uso de dos tipos de controladores: un controlador PID y un controlador PID con Predictor de Smith. Finalmente, se realizaron simulaciones de los sistemas de control empleando los controladores diseñados y se analizaron los resultados obtenidos.

La hoja de ruta para el Sector Energético Global de la Agencia Internacional de Energía (IEA) llamada “Net Zero by 2050” dice: “El sector energético es la fuente de alrededor de las tres cuartas partes de las emisiones de gases de efecto invernadero en la actualidad y tiene la clave para evitar los peores efectos del cambio climático, quizás el mayor desafío al que se ha enfrentado la humanidad.” (Agencia Internacional de la Energía 2021: 13). La Unión Europea y 44 países se han comprometido a alcanzar el objetivo de emisiones netas cero, que representan alrededor del 70 % de las emisiones globales de CO2 y del PIB. Asimismo, el informe de la IEA señala “La participaciòn de las energías renovables en la generación total de electricidad a nivel mundial aumenta del 29 % en 2020 a más del 60 % en 2030 y a casi el 90 % en 2050. Para lograr esto, las adiciones de capacidad anual de energía eólica y solar entre 2020 y 2050 deben ser cinco veces mayores que la media de los últimos tres años” (Agencia Internacional de la Energía 2021: 73). Esto indica, ahora y en los próximos años, la necesidad de aumentar la cuota de los sistemas de energías renovables y aumentar la I+D+i para mejorar la eficiencia, de forma que la producción de energía renovable sea barata en comparación con la energía fósil. Uno de los campos prometedores con respecto a las fuentes renovables es la energía solar concentrada (CSP), que utiliza espejos para concentrar la luz solar en un receptor. La luz concentrada puede transformarse en calor y almacenarse fácilmente para que luego pueda usarse para generar electricidad. Esta energía también podría utilizarse en otras aplicaciones en las que se necesiten altas temperaturas. En este campo, la generación de CSP creció un 34% estimado en 2019, aunque este aumento exponencial es sobresaliente, aún se necesita una tasa de crecimiento promedio anual del 24% hasta el 2030 para estar encaminado con el Escenario de Desarrollo Sostenible (International Energy Agency 2020). Esto significa que en el futuro se utilizarán más centrales termosolares, lo que exigirá el desarrollo de nuevos sistemas, así como la mejora de los existentes. Por todo lo anterior, este trabajo de investigación se centra en la mejora de una de las tecnologías utilizadas en las plantas CSP, que es el Intercambiador de Calor Aire-Arena (ASHE) y en el que ha estado trabajando el Solar-Institut Jülich (SIJ) durante más de una década. El SIJ comenzó a desarrollar adecuadamente la tecnología ASHE en el 2005 con el proyecto “Sandspeicher”, que resultò en la simulación y construcción de un primer prototipo. Debido a los resultados alentadores, se lanzó el proyecto Intercambiador de Calor de Lecho Móvil de Alta Temperatura para Almacenamiento Térmico en Material Granular (HiTexStor), y luego se amplió para desarrollar un intercambiador de calor de 150 kW. Para ello se desarrollaron varios prototipos, culminando en un prototipo final de ASHE cilíndrico de 15 kW. Debido a la configuración confinada de ese prototipo, no es posible realizar mediciones experimentales de los efectos del flujo granular. Por lo tanto, la investigación es sobre el dispositivo de prueba de flujo de material a granel de modelo rectangular 03 (SFVA 03), que ofrece una mirada a la interacción aire-arena. / In this research, tests are carried out on an air-sand heat exchanger to evaluate and measure the phenomena of pinning, blistering, and blocking within the exchanger. Here, the PIV method is applied to observe and measure interactions between the air and the sand.

En la presente tesis se realiza la simulación numérica del comportamiento de un intercambiador de calor de flujo cruzado o transversal aleteado. En primer lugar se procedió a describir este tipo de intercambiador de calor, así como algunos ámbitos de su aplicación. Luego, se presentan las correlaciones analíticas a utilizarse para el cálculo de la capacidad de transferencia de calor de este tipo de intercambiadores de calor. Después, se procedió a establecer el modelo computacional del intercambiador previamente mencionado, tomando en cuenta sus características físicas así como sus condiciones de funcionamiento. Posteriormente, se procedió a hacer la simulación del modelo computacional planteado, obteniéndose tanto la variación de las propiedades del flujo de aire a lo largo del intercambiador de calor como la distribución de temperaturas en las aletas y tubos que lo componen. Los resultados de la capacidad del intercambiador de calor obtenidos a través de la simulación arrojaron una variación alrededor del 11% respecto a los datos brindados por el fabricante y de 4.5% respecto a la capacidad calculada analíticamente. Además, se obtuvieron las tasas de transferencia de calor que presenta el intercambiador en diferentes zonas, lo cual nos sirve como un punto de partida para una futura optimización del equipo.