Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniería Civil Mecánica / Este trabajo tiene por objetivo el estudio experimental del comportamiento de una llama de difusión bajo la acción de cortinas de aire del tipo doble jet doble flujo (DJ DF), y así determinar la efectividad de estas cortinas como sistema de protección contra incendios. Las mediciones se llevaron a cabo en un modelo de un túnel vial de escala 1:34, el cual cuenta con un quemador de difusión como fuente térmica para simular un incendio dentro de éste. El quemador consta con un circuito de gas, el cual provee el combustible, en este caso etileno, además de poseer un circuito de enfriamiento y un sistema de ignición remota. Por otro lado las variables relevantes a medir en el estudio fueron la altura de llama, medida a través de una cámara CCD, y la radiación emitida, medida a través de un radiómetro. El estudio fue llevado a cabo primero midiendo la radiación incidente sobre el radiómetro, dada un combinación de caudal de gas (tasa de liberación de calor), con velocidades en las cortinas, dando origen a 20 mediciones en total, cada una con 10 puntos de medición. Posteriormente se medió mediante la cámara CCD la altura de la llama para cada una de estas 20 mediciones, obteniendo así por un lado curvas de radiación en función de la distancia para distintas velocidades de las cortinas, desde donde se puede obtener un gráfico de la radiación promedio por medición en función de las velocidades promedio de las cortinas, y por otro lado se tiene una curva de la altura de llama en función de las velocidades promedio de las cortinas. En forma paralela, se realizan mediciones de la altura de la llama en función de la tasa adimensionalizada de calor, para tres casos: el primero sin la presencia de cortinas, mientras que los otros dos con la presencia de dos configuraciones distintas. Los resultados obtenidos permiten concluir que efectivamente las cortinas pueden utilizarse como sistema de protección contra incendios, al crear una barrera que efectivamente reduce la eficacia de la combustión, esto se puede apreciar tanto en la reducción de la radiación emitida, como en la reducción de la altura de la llama. También los resultados obtenidos para la altura de llama en función de la tasa de liberación de calor sugieren el mismo resultado, más aún, en los tres se sugiere que en la medida que se incrementa la velocidad de las cortinas, el confinamiento aumenta. Finalmente se dejan propuestos trabajos futuros, tales como variar el tipo de combustible, variación de las relaciones entre los jets frío y caliente, entre otros.

Ingeniero Civil Mecánico / Chile es líder en la producción de litio, materia prima fundamental requerida en la fabricación de baterías de ión-litio. Es por esto que surge la necesidad de explorar aplicaciones con mayor valor agregado para el litio como una forma de mejorar la competitividad de la industria nacional. En este sentido, una alternativa es que en el país se desarrolle o diseñe tecnología que pueda ser de utilidad para los fabricantes y diseñadores de baterías y/o sistemas de almacenamiento energético (por ejemplo, los vehículos eléctricos). Para desarrollar tecnología basadas en la utilización de baterías de ión-litio se debe cumplir con un conjunto de restricciones técnicas, dentro de las cuales se encuentra el manejo térmico de los bancos de batería. Esto, ya que a bajas temperaturas el rendimiento de las baterías disminuye, mientras que las altas temperaturas reducen su ciclo de vida. En este Trabajo de Título se estudia y analiza el comportamiento térmico de baterías compuestas por celdas de ión-litio. La finalidad del estudio recae en determinar los factores que influyen en el aumento de temperatura y la disminución de la eficiencia en un banco de baterías. Estas propiedades dependerán básicamente de las variables eléctricas y geométricas que caracterizan el diseño de un banco. Por lo tanto, determinar la mejor configuración para el empaquetamiento de las celdas de ión-litio, desde el punto de vista del ámbito térmico, requiere de mucho estudio. Para el análisis, se desarrolla un modelo paramétrico aplicando conocimientos de transferencia de calor, específicamente un modelo basado en el método de resistencias térmicas y de diferencias finitas. Para la validación del modelo desarrollado se emplea un programa de mecánica de fluidos computacional (ANSYS [14]), con el cual se comparan los resultados obtenidos, donde se obtienen resultados con un error máximo de 10% correspondiente a tres grados de temperatura. El modelo es utilizado para realizar un estudio al comportamiento de las celdas frente a una aplicación de potencia variable, como lo es un vehículo eléctrico. Finalmente se obtienen resultados para distintas condiciones de operación del vehículo, los cuales determinan que el objetivo más importante es la disminución de la potencia eléctrica del sistema de refrigeración (ésta influye en la disminución de la eficiencia del sistema y en el aumento de temperatura del banco de baterías) y la disminución del área ocupada por las celdas dentro del banco. Los factores que más influyen en el comportamiento térmico de las baterías son finalmente el espaciado entre celdas, la disposición de filas y columnas de las celdas y el caudal de entrada del fluido de refrigeración, aparte de las variables eléctricas propias de las celdas de ión-litio. La memoria se lleva a cabo en el contexto del proyecto Innova-CORFO 11IDL1-10466 "Empaquetamiento Óptimo de Baterías de Litio".

Ingeniera Civil Mecánica / En la presente memoria se analizan las pozas solares, que corresponden a cuerpos de agua y sal disuelta que en su sector más profundo presentan temperaturas que pueden llegar a los 90(ºC), mientras que la superficie se encuentra a temperatura ambiente. Dada esta diferencia de temperaturas este sistema es digno de estudio por su gran potencial como fuente de energía renovable. El parámetro a estudiar es su tasa de evaporación, porque da cuenta de uno de los cuidados de mantenimiento que se debe tener en este tipo de sistemas. El estudio se realiza mediante un modelo de volúmenes finitos en el software multifásico ANSYS FLUENT. Este informe se divide en el estudio de tres modelos. Primero se realiza un modelo monofásico isotermo en que se supone la superficie de la poza como una superficie sólida con humedad relativa igual a 100%, donde sólo existe transferencia de masa. Se estudia los efectos de la variación de la humedad relativa, la velocidad del aire y el tamaño de la poza sobre la tasa de evaporación. Cada resultado computacional de la tasa de evaporación es validado con un cálculo en base a un modelo que utiliza la analogía entre transferencia de calor y transferencia de masa. En segundo lugar se realiza un modelo bifásico sin gradiente salino, que se encuentra compuesto por el cuerpo de agua y la atmósfera, con diferentes temperaturas entre el aíre y el agua, sin fuente da calor radiativa. Se analizan el caso de convección natural y el caso de convección forzada con flujo laminar a 1(m/s). Se realiza un modelo bifásico de aire y salmuera, donde el sistema se inicializa con un gradiente salino determinado y existe una fuente de calor radiativa desde el fondo de la misma. Se analiza el caso de convección forzada a 0,15 m/s en el aire. Finalmente se realiza un análisis comparativo de la tasa de evaporación entre los tres modelos para las mismas condiciones físicas del sistema. Las tasas de evaporación en sistemas salinos resultan menores que las de agua pura, las que a su vez son menores que las obtenidas con la analogía entre transferencia de calor y masa.

Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta el 10/3/2020. / Ingeniero Civil Mecánico / Las baterías Ión-Litio resultan ser una alternativa muy eficiente para aplicaciones móviles. Sin embargo muchos aspectos de su desempeño y seguridad son fuertemente afectados por la temperatura de operación de las celdas al interior de la batería, entre estos aspectos destacan la vida útil y la eficiencia. Teniendo en cuenta lo anterior, el Centro de Energía (C.E.) de FCFM decidió investigar el comportamiento térmico de los arreglos de celdas Ión-Litio, con miras a la implementación de un software de optimización para el diseño de baterías, para lo cual generó diversos modelos de predicción de temperatura. Como objetivos de este trabajo se tiene la caracterización del comportamiento térmico de una batería, con ventilación forzada, en función de distintas condiciones de operación y de configuración. Asimismo se pretende contrastar los resultados experimentales con las simulaciones en fluidodinámica computacional (CFD) y el modelo paramétrico, ambos generados por el C.E. Junto con lo anterior, también se espera identificar y comparar en importancia los distintos factores que influyen en el aumento de la temperatura de las baterías. Lo anterior se logra por medio del diseño, construcción e implementación de un equipo capaz de medir la temperatura de las celdas para distintas disposiciones de estas, pudiendo variar el caudal de aire que fluye a través de la batería y midiendo la caída de presión. Para la experimentación se cuenta con 2 disposiciones de celdas distintas y se experimenta con 3 caudales distintos por disposición. Asimismo se generan repeticiones de experimentos para asegurar la existencia de resultados similares para condiciones similares. Posterior a la etapa de experimentación se analizan los datos obtenidos y validan o rechazan los modelos propuestos. Como resultados se tiene que el comportamiento térmico que rige el enfriamiento de las celdas no es el predicho por los modelos contrastados, comportamiento tipo decaimiento exponencial, existiendo una diferencia entre el modelo y el experimento de hasta 4 °C. Este enfriamiento sucede de manera más rápida de lo predicho y es regido por una función levemente distinta a la utilizada por los modelos. Asimismo también se tiene que la configuración de las celdas tuvo poca influencia en la velocidad promedio de enfriamiento, sin embargo esta si tuvo gran influencia en la homogeneidad de la temperatura dentro de la batería. En cuanto a los modelos contrastados, el modelo paramétrico mostró una tendencia distinta a la de los resultados obtenidos, lo cual significó su invalidez en la predicción. Por el otro lado, los resultados en las simulaciones de CFD tuvieron un error relativo de hasta un 138% invalidándolos también. Como principal trabajo futuro queda propuesta la creación de un modelo de enfriamiento que prediga con mayor certeza el decaimiento de temperatura de las celdas, para lo cual se propone el modelo fractal. Asimismo se hace necesaria la investigación de la velocidad óptima de ventilación del arreglo.

Ingeniero Civil Mecánico / Diversas son las herramientas tecnológicas que existen en la actualidad para ejecutar de forma precisa las mantenciones sintomáticas y predictivas necesarias a los sistemas mecánicos, y existe un uso emergente por utilizarlas en la industria. El presente trabajo de título representa una conexión entre la herramienta termográfica y su uso para caracterizar el desgaste de poliuretano de revestimiento interior de tuberías, y con ello dar un paso más hacia la optimización de los planes de mantención. Para realizar esta conexión, el autor realizó una completa revisión bibliográfica y un repaso de los principales conceptos físicos que rodean a los fenómenos térmicos; Con ello, se planteó un modelo de solución al problema de transferencia de calor, conducente a determinar los espesores remanentes de poliuretano. Este modelo presenta un gran énfasis en el estudio de la convección natural y en como ella influye en la caracterización del desgaste, proponiéndose dos formas de abordar el problema convectivo: utilizando una aproximación de discretización del dominio geométrico que permite utilizar correlaciones teóricas existentes, y realizando una simulación computacional. Finalmente se integran las dos formas al modelo propuesto y se comparan los resultados con mediciones empíricas, obteniéndose una metodología para caracterización del desgaste, que posee rangos definidos en los cuales es admisible utilizar correlaciones teóricas para aproximar cálculos convectivos y rangos en los cuales se propone utilizar los resultados de la simulación computacional.

Ingeniera Civil Mecánica / Una poza solar es un sistema térmico que permite colectar y almacenar energía solar. El hecho de ser un sistema que realiza ambos trabajos en un mismo equipo le entrega ventajas sobre los sistemas comunes. Por otra parte, las pozas solares utilizan un tipo de energía renovable que contribuye a la disminución del impacto ambiental debido a la generación de energía y permite aprovechar el recuso solar que tiene Chile. Estas pozas contienen una solución salina, acá se crea un gradiente de concentración generando 3 zonas importantes: la zona convectiva inferior (LCZ), es la zona más profunda de la poza y donde se almacena la energía solar colectada en forma de calor sensible; la zona no convectiva (NCZ), la cual posee un gradiente de concentración salina tal que se suprime la convección natural y sólo hay transferencia de calor por conducción, limitando la pérdida de calor desde la LCZ. Finalmente, está la zona convectiva superior, en la cual la concentración de sales y la temperatura son bajas. El objetivo de este trabajo es realizar un estudio de factibilidad del suministro de calor a procesos mineros mediante un sistema de escala mediana basado en pozas solares. Para esto, se debe diseñar una poza solar con sus dimensiones y su sistema de extracción para suplir la demanda energética del proceso al cual se le suministra calor, en este caso, el proceso de electro-obtención para la minería del cobre. Este sistema se ubica en la II región de Antofagasta en las cercanías de Calama debido a la alta radiación y gran concentración de mineras presentes en este sector. La herramienta básica de este trabajo es el programa creado en MATLAB que permite modelar el estado térmico de la poza en función del tiempo, obteniendo la capacidad de extracción de calor de ésta. Los resultados presentados se realizaron en base a distintas dimensiones de pozas y muestran el comportamiento térmico de ésta. Las tres zonas presentaron un comportamiento esperado, donde la UCZ sigue las variaciones de la temperatura ambiente de forma amortiguada, la NCZ presenta un gradiente de temperatura que adopta un perfil lineal luego de un tiempo, y finalmente, la LCZ presenta temperaturas bastante altas, las cuales siguen las variaciones estacionales del año. Se obtuvo que mediante la poza se puede suministrar el calor necesario para que el electrolito llegue a su temperatura deseada de 55°C un máximo del 61% del tiempo total de extracción de calor, el resto del tiempo, se debe respaldar el suministro mediante un sistema de calderas, obteniendo una eficiencia de la poza del 16% aproximadamente. Al realizar la evaluación económica del proyecto, se pudo ver que para pozas con una superficie mayor a 140×140 m2 el proyecto es rentable, aumentando esta última con el tamaño de la poza. Sin embargo, para pozas más pequeñas el proyecto pierde su rentabilidad. Finalmente, se obtuvo un costo de la poza de 40 USD/m2, el cual se asemeja a valores obtenidos de pozas solares construidas en Israel, EEUU e India.

Ingeniero Civil en Biotecnología / Este trabajo de título se enmarcó en el diseño de un calentador sumergido para en el calentamiento de soluciones con miras a evaluar su utilización para el riego de pilas de biolixiviación. El primer objetivo de este trabajo fue diseñar, construir y poner en marcha un calentador de petróleo Diesel que trabaja en base a una llama sumergida. El segundo objetivo tiene relación con la caracterización del equipo, con el fin de encontrar la ecuación de diseño de éste, en particular, el coeficiente de transferencia de calor en las burbujas (hla). El tercer objetivo tiene relación con la determinación del efecto de los desechos de combustión y el intenso calor que el quemador irradia sobre la solución, sobre la proliferación y actividad de las bacterias que están presentes en las soluciones de biolixiviación. El equipo consistió en un contendedor de agua de 60[cm] de diámetro y 60[cm] de alto, en cuyo centro se encontraba el tubo de llama de 20[cm] de diámetro, sumergido 8[cm] en la solución acuosa. El quemador se ubica en la parte superior de este tubo. Para la evacuación del agua desde el tubo, se utilizó un compresor de aire que se fijó en 3[L/seg]. El equipo, por su parte, tiene la capacidad de de operar con un flujo continuo de agua, además incorpora cinco termocuplas que miden la temperatura de los gases dentro del tubo de llama, en el borde de éste, en la chimenea, en el agua de entrada y de salida. Para realizar pruebas, el equipo se operó con tres flujos continuos de agua 0,5; 1; 1,5 [L/min] donde se registró la temperatura en cada minuto por un periodo de 30 minutos. Se determinó el valor de hla para los tres flujos estudiados, obteniéndose valores similares en cada caso con un valor promedio de [kW/(m3*ºC)]. Se registró una eficiencia máxima del calentador de un 74% y una mínima del 64% en contraste con una caldera que alcanza una eficiencia de 82,5%. No obstante, se demostró que se puede aumentar la eficiencia del quemador sumergido por sobre la de una caldera, a un 90%, si el tubo del quemador se sumerge hasta 12,1[cm]. Por otra parte, se determinó que el uso del quemador sumergido para calentar soluciones conteniendo bacterias lixiviantes resulta en un serio daño de su actividad. El calentamiento directo de una solución conteniendo 4,8 x 105redujo la población a 2,1 x 104bacterias/ml. El efecto más nocivo está relacionado con la incorporación de orgánicos residuales productos de la combustión del Diesel, que se refleja en un aumento del contenido de carbono orgánico de 1,25 a 17[mg/l]. Esta contaminación resultó en una completa inhibición de la actividad oxidativa bacteriana sobre el ión ferroso. Los resultados de este estudio indican que el uso de un quemador sumergido de Diesel para el calentamiento de soluciones de biolixiviación, es atractivo por su buena eficiencia energética, pero se recomienda efectuar el calentamiento indirectamente a través de la generación de vapor de agua, de modo de minimizar la incorporación de orgánicos contaminantes en la solución lixiviante.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo corresponde al estudio numérico de cortinas de aire Doble Jet-Doble Flujo (DJ-DF) como dispositivo de confinamiento de calor al interior de túneles, el cual se enmarca en el proyecto FONDECYT N°1085015. La modelación se realizó en base a una instalación experimental que representa un túnel vial a escala, el cual contiene dos cortinas DJ-DF y una fuente térmica entre éstas. Las simulaciones se realizaron en el software FLUENT implementando el modelo turbulento LES, utilizando cálculo en paralelo en 32 núcleos. Se llevaron a cabo simulaciones para 4 casos, los cuales se definieron en base a los experimentos realizados por Schneider [1], que corresponden a variaciones de velocidad de los jets que componen la cortina DJ-DF y variaciones de la potencia de la fuente térmica. Para la cortina más cercana a la fuente térmica se compararon los perfiles numéricos y experimentales de velocidad y temperatura, para distintos niveles horizontales, observándose resultados satisfactorios en cuanto a magnitud y forma. Mediante el estudio de cantidades turbulentas asociadas a velocidad y temperatura se logró observar un traspaso axial y transversal de calor y masa a través de mecanismos turbulentos, tanto entre el entorno y la cortina, como entre los mismos jets que la componen. El mayor traspaso turbulento de calor y masa se observó en los sectores medios de la cortina. En la zona de impacto se observó principalmente advección de temperatura desde el lado confinado hacia el protegido debido al impacto, inclinación de la cortina y generación de jets de pared. Además se identificaron estructuras turbulentas en capas de mezcla, las cuales están relacionadas directamente con la magnitud de la velocidad y contribuyen con el transporte de calor y masa. Mediante el análisis del espectro de frecuencias de la velocidad axial de la cortina fue posible observar frecuencias predominantes, además de observar pendientes de -5/3 y -3 asociadas a la presencia de estructuras en el subrango inercial y a la influencia de la fuente térmica en las estructuras del flujo, respectivamente. También se determinaron distribuciones espaciales de los momentos de tercer y cuarto orden, observando sectores con valores cercanos a -0,45 asociados a zonas de alto cizalle necesario para estirar y dividir vórtices; y sectores con valores cercanos a 3 asociados a zonas de turbulencia homogénea, concordante con la presencia de la pendiente -5/3 del análisis espectral. En base a los resultados obtenidos se concluye que la configuración DJ-DF con el jet rápido en el lado protegido entrega el confinamiento más efectivo dentro de las alternativas estudiadas, sin embargo, se recomienda continuar el estudio incorporando combustión al interior del túnel, para así determinar la concentración de humo o algún producto de combustión, como característica que indique la efectividad del confinamiento.

La mayoría de los evaporadores de refrigeración para enfriamiento de aire usan el concepto de intercambiador de tubos y aletas, en que un refrigerante se evapora en el interior de tubos horizontales que forman un haz. Dado que el coeficiente convectivo del aire exterior es mucho menor que el de evaporación, la superficie externa se extiende mediante aletas paralelas que abarcan el haz completo. Para los coeficientes convectivos externos en flujo cruzado de aire respecto al haz de tubos se dispone de varias correlaciones empíricas. En la presente memoria se realiza la determinación de los coeficientes externos mediante simulación numérica, usando el software Comsol. Dada la complejidad geométrica de estos equipos, que requiere de computadores de gran capacidad de memoria y de procesamiento, se restringió el estudio a 6 casos con tubos en línea, variando el diámetro y los espaciados de tubos paralelo y transversal al flujo, usando valores recomendados para estos parámetros. Aunque el flujo es tridimensional, se debió restringir el estudio a una versión bidimensional de los arreglos, consistente en una estructura básica de 4 tubos. Además se desacoplaron los fenómenos de transferencia de calor entre el aire y los tubos, de la transferencia de calor en las aletas. Se creó un modelo de flujo y transferencia de calor a bajos números de Reynolds (10³-10) para determinar coeficientes convectivos en la configuración de 4 tubos, arrojando dependencias entre el coeficiente convectivo y el número de Reynolds. Los modelos se validaron por comparación con resultados empíricos para el caso de tubo único. El análisis de los campos de flujo y temperatura caracteriza el fenómeno como uno de capa límite. En la selección de mallas se intentó suprimir las oscilaciones numéricas en el coeficiente superficial de convección alrededor del tubo, y reproducir su evolución lo largo del arco, según se describe en la literatura. Para las aletas se usó un modelo de conducción 3D aplicado a una configuración unitaria de 4 tubos, variando el espesor y el número de Reynolds del flujo. Se comprobó que las aletas de aluminio entregan eficiencias superiores al 70%. Los coeficientes convectivos se representaron por una expresión en términos de los parámetros independientes. Las restricciones geométricas indicadas, así como el estrecho rango de Reynolds usado, limitan la generalidad de esta expresión. Se indican las directrices generales para la continuación de este estudio

Ingeniero Civil Mecánico / Los medios porosos no homogéneos están presentes en un amplio rango de aplicaciones, como es el uso de catalizadores. Estos materiales se generan a partir de compactación de polvos para formar pellets de diferente configuración geométrica. El correcto control de las reacciones químicas en la superficie de catalizadores puede influir en la eficiencia de estos materiales. Por otra parte, la transferencia de calor inversa busca estimar las causas que producen un efecto conocido en un problema de transferencia de calor, siendo uno de los más habituales el de la estimación de propiedades dependientes de temperatura, cuya resolución numérica es la más común. Este trabajo consiste en la determinación de un modelo de conductividad térmica para el material, en función de la posición espacial y el tiempo, mediante transferencia de calor inversa. Analizando así otro método de estimación de esta propiedad, frente a los métodos utilizados regularmente. Se dispone de videos termográficos, que muestran la distribución de temperaturas de la superficie de una pastilla de alúmina con platino. A través de un software de regresión simbólica, y luego de procesar los datos del video elegido, se encuentran funciones de temperatura que dependen de la posición en la superficie. Considerando más fotogramas del video, se obtienen funciones dependientes también del tiempo. Mediante análisis de error y forma se escogen las mejores funciones de los dos tipos. Para encontrar modelos de conductividad térmica se utiliza un método analítico y uno numérico. El método analítico se basa en la resolución de la ecuación diferencial de calor utilizando las funciones de temperatura. El resultado de este método no es satisfactorio por presentar valores sin sentido físico en algunas zonas. El método numérico encuentra modelos realizando regresión simbólica a datos de conductividad encontrados por una iteración numérica que utiliza la ecuación de calor y diferencias finitas. Las funciones de conductividad encontradas no se ajustan bien a todos los datos, pero tienen valores dentro de los rangos esperados. Los modelos encontrados mediante el método numérico se consideran válidos y aplicables para problemas que utilizan un catalizador de material similar.