La energía geotérmica puede extraerse de la tierra al bombear un fluido calentado en su interior. Este fluido puede ser agua termal extraída de un pozo geotérmico, o un líquido refrigerante que absorba calor de la Tierra mediante evaporación, y a una profundidad superior a los 5 metros. Los pozos se encuentran sólo en zonas de alto potencial geotérmico, mientras que el refrigerante puede inyectarse en gran parte de la superficie terrestre. La geotermia puede usarse para entregar energía calórica o generar energía eléctrica, para uso industrial, comercial y residencial. Este último sector representa una importante fracción del consumo energético de una nación. Por lo tanto, es interesante evaluar el uso que se le puede dar al calor de las termas, en una comunidad ubicada en las cercanías de estas. En este marco, y con la motivación actual en el desarrollo de las energías renovables como pilar esencial de la sustentabilidad ambiental, surge esta Memoria que tiene como objetivo principal diseñar una Red Geotérmica de Distribución de Calor en la comunidad de Coñaripe, en la X Región de Chile. Se seleccionó este pueblo ya que esta rodeado de manifestaciones termales en superficie y tiene un tamaño que perfectamente puede ser abastecido por un pozo geotermal. Esta red es capaz de entregar calefacción yagua caliente sanitaria a las viviendas. Por ende, una Red como esta permite dejar de combustionar leña y gas licuado, cuyas emisiones de CO2 incrementan el calentamiento global del planeta. Las principales tecnologías para utilizar el calor de la Tierra en el sector residencial son las redes geotérmicas urbanas (comunitarias) y las bombas de calor (individuales). Esta última tecnología presenta importantes ventajas frente a los sistemas de calefacción convencionales. Por lo tanto, es interesante pensar en un sistema que combine ambas tecnologías, y comparado con una red geotérmica clásica. Se desarrollaron dos algoritmos: uno que diseña una Red Geotérmica de Distribución de Calor clásica (RGDC), y otro que diseña la combinación entre ésta y una bomba de calor (RGDC-BC). Luego, se optimizó el diseño para evaluar la factibilidad de instalar una o ambas redes, notando las ventajas que pueden ofrecer estas redes frente a redes o sistemas de calefacción convencionales. Para lograr esta optimización se realizó una evaluación económica que definiera el diseño con mayor rendimiento económico de la Red durante el ciclo de tiempo definido. Por lo tanto los algoritmos mencionados permiten no solo diseñar, sino también dimensionar, simular y realizar una evaluación económica privada de la operación de la Red.

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Ingeniero Civil / Mediante la realización de este trabajo de título se ha buscado estimar los aportes en la aislación térmica que pueden llegar a tener las cubiertas vegetales; techos y fachadas, lo que se realizó con ensayos de laboratorio para medir la conductividad de los sustratos y mediante modelación computacional para incluir los efectos que son complejos de considerar. El objetivo general de esta memoria es aportar al conocimiento sobre estrategias de edificación sustentable, mostrando que los techos y fachadas vegetales son una opción viable en Chile y que actualmente puede ser ejecutada sin mayores inconvenientes. Para estudiar y medir la conductividad térmica del sustrato, se han realizado ensayos según la norma chilena NCh850-2008 a distintas mezclas, preparadas en base a la revisión bibliográfica y contactos personales. Gracias a estudios previos y los valores que se entregan en la norma NCh853-2007, fue posible hacer una extrapolación de los resultados obtenidos en seco, congruentes con lo visto en la literatura. La modelación computacional permite considerar los efectos de la capa vegetal, que representan gran parte del aporte a la aislación que provee el techo verde a la envolvente del edificio. Se observaron mejoras en el desempeño energético de una casa que alcanzan valores para la condición de verano sobre el 20%. En el caso del edificio, las mejoras fueron observadas casi únicamente en el último piso, alcanzado valores que llegan al 27% en dicho nivel, por lo que para ambos casos, sus efectos son considerablemente mayores durante la época estival. El análisis de costos permite concluir que por la gran cantidad de beneficios del uso de techos y fachadas verdes difíciles de llevar a valores monetarios y por lo complicado de replicar los parámetros de diseño de un proyecto a otro, un balance económico que solo considera la inversión inicial, es insuficiente. Finalmente, se debe destacar que más allá del ahorro energético en climatización que pueda generar el uso de cubiertas vegetales su mayor importancia recae en sus beneficios medioambientales; aumentan la superficie de áreas verdes, contribuyen a disminuir la contaminación y purificar el aire, reducen el efecto isla de calor en las urbes, contribuyen a la biodiversidad y mejoran el manejo de las escorrentías de aguas lluvias. Además, han mostrado ser buenos aislantes acústicos, aumentan la plusvalía de los edificios y mejoran la estética de las ciudades. Sus beneficios abarcan una zona mucho más global que el lugar donde son instalados, ayudando a construir entornos más saludables, ciudades más prósperas, confortables y sostenibles para las futuras generaciones.

En la actualidad existen muchos lugares en el mundo donde el agua dulce es un bien escaso y por ende, económicamente valioso. Para mejorar esta situación se plantea la instalación de una planta de desalinización con el objetivo de aumentar la disponibilidad de agua dulce en zonas donde solo existe agua salobre. El proceso de desalinización requiere gran cantidad de energía. Dicha energía se puede obtener a partir de energía solar, ya que es renovable, sustentable y evita la emisión de gases de efecto invernadero que pueden agravar el problema de carencia de agua. Los objetivos de este trabajo fueron revisar las distintas tecnologías que existen para la desalinización y para la captura de energía solar con el fin de poder realizar una evaluación económica simplificada sobre la implementación de una planta de desalinización. Se construyó un prototipo concentrador de radiación solar, original de inspiración Fresnel, para poder estudiar eficiencias del diseño. El prototipo consiste de secciones cónicas con un mismo foco construido con acero brillante y en el foco un receptor de radiación que transfiere calor hacia un fluido térmico. El equipo de laboratorio tuvo una eficiencia de 70% del calor transferido al fluido térmico sobre la radiación, cercano al valor teórico calculado de 77%. Con el dato de eficiencia real se pueden diseñar concentradores industriales a partir del prototipo construido. Se realizaron tres evaluaciones económicas para distintos escenarios que se diferencian entre sí por la tecnología de desalinización y el suministro de energía. Para los tres escenarios se consideró una tasa de descuento del 10%, un horizonte de evaluación de 10 años y un requerimiento de producción de 1.000 [m3/día]. Los concentradores dimensionados para las evaluaciones son de 8 [m] de diámetro, totalizando un área de concentración de 40,81 [m2] por concentrador. Para cada escenario se evalúa el agua obtenida para riego de cultivos (tomates) y para uso sanitario. El primer escenario usa una tecnología de destilación que requiere para su funcionamiento 442 concentradores que suman 1,8 [ha] de concentración con lo que se obtiene una eficiencia de 555,6 [(m3 de agua desalinizada)/día/(ha de concentración)] obteniéndose una capacidad de riego de cultivo de tomates de 5,23 [ha/(ha de concentración)]. Todos los escenarios expuestos son para el caso de la venta de agua para uso sanitario ya que tienen un mayor retorno. El VAN resultó ser de - $119.000.000 (préstamo del 75%) para una inversión de $1.243.000.000. Para el segundo escenario se utiliza una tecnología de desalinización por membrana con energía eléctrica del sistema interconectado. El VAN resultó ser $44.000.000 (préstamo del 75%) para una inversión de $530.000.000. El tercer escenario usa una tecnología de desalinización por membrana con energía eléctrica por parte de los concentradores. El VAN resultó ser $212.000.000 (préstamo del 75%) para una inversión de $796.000.000. Se plantea realizar la evaluación técnica y económica para otros materiales reflectivos del concentrador para mejorar eficiencias y también considerar bonos de carbono para aumentar la rentabilidad de los proyectos.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica. Ingeniero Civil Mecánico / El estudio de energía solar responde a las necesidades energéticas actuales, ya que es de una fuente virtualmente inagotable, abundante y amigable al medioambiente. Esta energía puede ser convertida a energía eléctrica mediante celdas solares fotovoltaicas. Éstas presentan comúnmente eficiencias en el rango de 15% al 20%, donde gran parte de la energía restante se transforma en calor. El aumento de temperatura de las celdas trae consigo una disminución de eficiencia y vida útil, lo que justifica el desarrollo de sistemas de enfriamiento. Un conjunto de celdas conectadas en serie se limitan por la celda con peor eficiencia, lo cual crea la necesidad de uniformizar la temperatura para disminuir este efecto. El objetivo principal de este trabajo es plantear teóricamente y modelar numéricamente la fluidodinámica y transferencia de calor de un disipador de calor pasivo que permita disminuir y reducir las variaciones de la distribución de temperatura de un panel fotovoltaico bajo condiciones de operación extrema. Se diseñó un disipador de aletas que cumple con los requerimientos nombrados anteriormente. Se propuso un modelo de altura variable que toma en consideración las transferencias de calor por conducción, convección y radiación para hacer el balance energético. Lo anterior se simuló en el software ANSYS CFX para estudiar la distribución de temperatura en el panel, considerando adicionalmente la fluidodinámica. El modelo simulado en ANSYS CFX (simulación estacionaria) considera 6 celdas con un disipador, orientadas en la dirección del flujo, en un dominio lo suficientemente grande para que no afecte el resultado final modificando el perfil de velocidad. El modelo considera efectos de turbulencia, radiación, convección y conducción. Los resultados simulados son cercanos a lo predicho por el modelo analítico, validando así el modelo propuesto. El disipador logra disminuir y uniformizar la temperatura de forma aceptable. En términos de costos, se puede observar que es prácticamente lo mismo que otros sistemas similares, se podría establecer que la ganancia en eficiencia se ve mermada por un gran costo de manufactura. El problema puede seguir siendo estudiado en profundidad considerando distintas condiciones de operación, lo cual queda propuesto para un trabajo futuro.

El objetivo general del presente trabajo de título es desarrollar una antorcha multifuncional para la destrucción de metano y aprovechamiento de la energía térmica generada, como alternativa a las actuales que solo destruyen metano. Dentro de los objetivos específicos se considera diseñar de manera básica el combustor, recuperador de calor y el control de la antorcha. El metano actúa igual que 21 veces el CO₂ en el efecto invernadero. Una tonelada de metano quemado CH₄ produce 2,75 toneladas de dióxido de carbono CO₂, por lo tanto se reduce el im-pacto en el efecto invernadero en 18,25 toneladas de CO₂. El diseño de la antorcha se realizó utilizando técnicas clásicas de combustión y transferencia de calor, poniendo especial énfasis en la transferencia de calor por radiación. Se definió una zona de destrucción del metano y una zona de recuperación de calor de manera de facilitar el cálculo térmico y fluidodinámico. El cálculo estructural se basó en la norma chilena para diseño sísmico de estructuras NCh 2369.Of2003, en la norma chilena para la acción del viento sobre construc-ciones NCh 432.Of71 y en la norma ASME para chimeneas industriales STS-1-2000. Se realizó también una comparación económica respecto a una antorcha de similares características. El resultado final fue una antorcha con recuperación de 250 kW térmicos, un 40% más económica que la referencia internacional y además por efectos de su operación se logra recuperar el capital invertido al segundo año. Se concluye que la antorcha prototipo desarrollada se presenta como una atractiva alternativa a inversionistas del área de rellenos sanitarios o biodigestores, ya que además de tener un costo menor a la antorcha típicamente usada, agrega el valor de recuperar la energía de los gases de combustión a través de un novedoso sistema de recuperación variable.

Ingeniero Civil Químico / La biolixiviación de minerales de cobre en pilas es una tecnología establecida en la industria minera del cobre. Sin embargo, la rentabilidad de estos procesos se puede aumentar considerablemente si se aumenta la temperatura de operación de lechos minerales lixiviados, ya que esto puede activar la acción de microorganismos termófilos con el consecuente aumento en la eficiencia y la rapidez con que se extrae el cobre desde el mineral. El objetivo de este trabajo de título es evaluar preliminarmente la factibilidad técnica económica del calentamiento de pilas de biolixiviación mediante el uso de energía solar. Se analizó en particular un esquema tecnológico novedoso mediante el cual las pilas de biolixiviación se calientan mediante la incorporación de vapor de agua en el flujo de aire usado para la oxigenación del proceso. Para ello se desarrolló un modelo matemático que permitió evaluar el efecto del aumento de la temperatura, humedad y flujo del aire de alimentación sobre los perfiles de temperatura de la solución lixiviante a lo alto del lecho mineral. Se modeló el caso de una pila de biolixiviación de 10 metros de altura, altura promedio a las usadas industrialmente. En una primera etapa se modeló el caso en que el lecho es irrigado con un flujo de solución, L, de 12,060 lt/m2 hr y el flujo de aire, G, es 10,188 m3/m2 hr, y se estudió el efecto del aumento de la temperatura del aire entre 20 y 315ºC y las variaciones de humedad entre 0 y 0.1 Kg agua/Kg aire. Los resultados de esta etapa indicaron que es posible obtener un aumento en la temperatura de la solución lixiviante de 18 a 60 ºC cuando se aumenta la temperatura de entrada del aire a 100 y 315 ºC. Esto prueba que con este método sería posible activar los microorganismos termófilos, pero evitando la creación de zonas de calentamiento local que puedan dañar a los microorganismos lixiviantes. En una segunda etapa se modeló el sistema para L= 10 lt/m2 hr y G = 0.6 m3/m2 hr, valores más cercanos a los usados industrialmente. Los resultados de esta etapa indicaron que para mejorar la eficiencia del calentamiento hacia el interior del lecho es necesario subir 10 veces el flujo de aire y además aumentar la humedad del aire a valores sobre 0.05 Kg agua/Kg aire. Se efectuó un evaluación económica preliminar del uso de la energía solar para calentamiento de pilas de biolixiviación considerando un costo de inversión de 106 €/MW, un precio del cobre de US$ 3/lb, una pila de 2 hectáreas de superficie y 10 metros de alto, y un aumento de la recuperación de cobre del 29.29%. La que entregó un VAN = USD$ 9,695,251 una TIR = 34%, un IVAN = 58%, una potencia de planta termosolar necesaria del 11.13 MW y 1.85 hectáreas de superficie para estos equipos solares. Estos resultados demostraron un potencial económico existente en este proyecto, el cual debe ser objeto de mayores estudios a futuro.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniero Civil / En los últimos años, han habido varios avances en las técnicas computacionales que han permitido investigar diferentes procesos físicos en medios permeables a la escala de poros, a través de simulaciones numéricas. En general estas simulaciones consideran medios porosos sintéticos formados por granos regulares y dispuestos en diferentes configuraciones geométricas. A partir de las distintas configuraciones y a través de modelos computacionales, es posible imitar los patrones de flujo que existen en medios permeables reales y simular procesos de transporte que ocurren a la escala de poros. A pesar de avances recientes en este tipo de estudios, existen pocos resultados que permitan determinar la influencia de la estructura del medio poroso sobre los procesos de flujo y transporte. El objetivo principal de esta investigación es estudiar la influencia de las configuraciones geométricas en los campos de velocidad simulados y en las propiedades macroscópicas de transporte de calor para medios porosos saturados bidimensionales (2D). Por esto se generaron medios permeables sintéticos en 2D, a partir de granos sólidos circulares ubicados de manera ordenada y aleatoria. Para generar los campos de velocidades a partir de simulaciones numéricas se utilizó OpenFOAM. Usando este software es posible simular simultáneamente diversos procesos físicos, por ejemplo, el flujo y ecuaciones de transporte en geometrías complejas. Para cada configuración geométrica se simuló el campo de flujo y se calculó propiedades efectivas, tales como la tortuosidad, velocidad media y conductividad hidráulica. El análisis de los resultados de las simulaciones muestra que, en todas las configuraciones simuladas, las propiedades de flujo efectivas se hacen válidas a partir de un volumen que contiene entre 30 a 100 granos. Para una misma porosidad y condiciones de borde, la tortuosidad en la geometría aleatoria es mayor que en las configuraciones ordenadas, mientras que la conductividad hidráulica es menor en una de las geometrías simétricas. Para el transporte de calor se calculó el coeficiente de dispersión térmica longitudinal en cada geometría, ajustando las curvas de temperatura vs tiempo (``breakthrough'') simuladas a la solución analítica propuesta por \cite{levec1985b}. En todos los casos analizados se logró un buen ajuste entre los datos simulados y la solución analítica, indicando que a la escala simulada, que consideró hasta 300 granos aproximadamente, el comportamiento a la escala continua puede ser representado por propiedades efectivas, calculadas a partir de simulaciones a la escala de poros. En los casos simulados la dispersión térmica longitudinal es mayor en las estructuras simétricas con menor tortuosidad. Los resultados obtenidos para el transporte de calor y propiedades del flujo indican que el ordenamiento espacial de los poros tiene influencia en los parámetros efectivos que se utilizan para describir medios permeables como medios continuos, por lo tanto la generalización de los resultados obtenidos a partir de las distintas geometrías de granos puede ser difícil o imposible.

La presente tesis se encuadra en la línea de investigación de modelos matemáticos térmicos del grupo de Modelización interdisciplinar Intertech. En concreto, este trabajo presenta unos modelos matemáticos para la transmisión de calor en el rectificado industrial plano. Después de presentar los modelos de transmisión de calor del rectificado plano industrial presentes en la bibliografía: el modelo de Jaeger y el de Samara-Valencia (modelo SV), se establece una comparación entre los mismos para el estado estacionario en el caso del rectificado seco y fricción continua. La solución del modelo SV constará de dos sumando T(0) y T(1). En primer lugar, se deducirá la equivalencia analítica de T(0) con la solución de Jaeger para un sólido infinito. A partir de esta equivalencia particularizada en la superficie de la pieza, se ofrecerá una integral impropia que no se encuentra en las tablas de integrales usuales. En segundo lugar, se obtendrá una expresión para T(1), deduciéndose que la temperatura en la superficie para T(0) y T(1) son equivalentes. Para ello, se obtendrá una representación de la delta de Dirac que no se encuentra en las tablas más usuales. A partir de la unicidad de la solución del problema que resuelven ambos modelos, se llegará a una integral impropia que no aparece en la bibliografía. A continuación, se presentará un método sencillo y rápido para el cálculo de la temperatura máxima, que se halla en la superficie de la pieza. También se ofrecerá el campo de temperaturas calculado numéricamente para el rectificado de una pieza de aleación de titanio VT20, según ambos modelos. Comprobaremos efectivamente que el modelo SV y el modelo de Jaeger son equivalentes. Por último, se ofrecerán dos tipos de resultados a partir del modelo SV: el estado transitorio en el rectificado seco y la solución para un coeficiente de transmisión de calor del refrigerante constante sobre la superficie de la pieza. De las soluciones obtenidas, se concluirá que el rectificado con / González-Santander Martínez, JL. (2009). Modelización matemática de la transmisión de calor en el proceso del rectificado industrial plano [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/4769 / Palancia

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / En este trabajo se presentan simulaciones numéricas de la distribución de temperatura y velocidades en una vivienda que utiliza un sistema de calefacción pasiva, Muro Trombe tipo Escalonado, con el objetivo de calefaccionar viviendas que se encuentran alejadas de la red eléctrica (SING). Este diseño innovador se caracteriza por poseer muros de concreto (masa térmica) equispaciados a una cierta distancia para mejorar la captación de energía solar y así aumentar la eficiencia térmica de la habitación. Las dimensiones exteriores; 2.5 [m] de alto, 5 [m] y 7.5 [m] de largo, para la pared superior e inferior respectivamente. Estos forman un ángulo de 45° con la horizontal inferior, aumentando la captación solar de la pared vidriada y producir mayores gradientes de temperaturas y velocidades al interior de la habitación. Las simulaciones se realizaron con el método de volúmenes finitos utilizando el software comercial (ANSYS Fluent 17.1), con el método de turbulencia k-ϵ Standard y el modelo de carga solar, incluyendo el método de ordenadas discretas (DO), el cual modela superficies semitransparentes (vidrio) con espesores pequeños. Se presenta una evaluación térmica del sistema utilizando los datos climáticos horarios para un día típico de invierno y verano en la localidad de Putre, Región de Arica y Parinacota. Se encontró que las temperaturas promedio en la habitación son de 20 [°C] y 30 [°C] para invierno y verano respectivamente. Se forma el fenómeno de capa limite hidrodinámica en la pared superior, alcanzando un valor de 0.1 [m] para el día más caluroso y 0.08 [m] para invierno. Esto se debe a la condición de no deslizamiento y a la viscosidad del fluido. Durante el día más frio, la energía máxima almacenada por la masa térmica es de unos 1800 [KJ] y durante el día más cálido es de unos 2200 [KJ]. Esta energía se entrega desde las columnas de concreto al aire en la habitación durante periodos sin insolación. Para futuros trabajos se propone considerar más parámetros para describir el entorno urbano y realizar un modelo a escala real de una vivienda típica del norte Chileno. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por: CONICYT-PCHA/Magíster Nacional/2014 - 22140560