Las plumas e impulsos térmicos son fenómenos físicos donde una cierta cantidad de calor es liberada continua o impulsivamente a un fluido, su estudio tiene gran relevancia en los modelos de dispersión de contaminación atmosférica y predicción de flujo del humo en incendios. Experimentalmente, las plumas térmicas son generadas a través de diversos métodos. El más común de todos implica insertar una resistencia eléctrica dentro de un fluido (agua, aire, etc.). La temperatura que genera la resistencia produce una variación en la densidad, con lo que se produce el movimiento. Existen métodos más complejos que permitirían conseguir el efecto de fuente puntual, mediante un calentamiento ohmnico de dos electrodos ubicados dentro de un fluido. El principal parámetro que caracteriza la intensidad de la boyancia es el número de Grashof, o en su defecto, el número de Rayleigh. La siguiente memoria tiene como objetivo estudiar la dinámica de plumas térmicas en régimen laminar, a través de simulación numérica directa (DNS), y turbulento mediante el modelo k -  de turbulencia. Este estudio se enmarca dentro del proyecto Fondecyt 1085020. Para esto, se simuló el fenómeno como un fluido dentro de una cavidad cuadrada con un electrodo metálico en una de sus caras. El electrodo recibe una inyección de potencia a través de la base, lo que produce una variación en las temperaturas desembocando en una boyancia inducida. Las simulaciones se llevaron a cabo en el software CFD Fluent v6.3. De la simulación se concluyó que los resultados laminares son consistentes con la teoría. Los perfiles de temperatura presentan una forma de función Gaussiana que coincide con lo propuesto por la bibliografía. Se observó que la curva Nusselt exhibe una perturbación la cual podría vincularse al instante en que se desconecta la vorticidad asociada a la pluma, de la vorticidad asociada al electrodo. Sin embargo, los contornos de vorticidad no fueron concluyentes y mayores pruebas deben ser realizadas. El régimen estacionario se alcanzo entre los 90 y 10[s]. Respecto de la turbulencia, se observó que el volumen de estudio no fue lo suficientemente grande, tal de no perturbar la generación de la pluma. Se obtuvieron velocidades máximas del orden de 1.5, muy por encima de las generadas en el caso laminar. La energía cinética turbulenta máxima obtenida es del orden de los 0.325[cm²/s²] mientras que su disipación es de 0.13[cm²/s³].

El cobre es un elemento metálico que, se caracteriza por ser uno de los mejores conductores eléctricos y térmicos. Sin embargo, sus propiedades mecánicas son más bien bajas comparado con otros metales. El objetivo general del presente trabajo de título fue estudiar el proceso de precipitación en aleación de Cu - 2% Co (% peso) y su efecto sobre el endurecimiento de la matriz. Para realizar este trabajo se utilizó una metodología que involucró la obtención de muestras y probetas, aplicación de tratamientos térmicos, análisis energético y cinético mediante el uso de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y aplicación de los modelos matemáticos Kissinger Modificado y Mehl-Johnson-Avrami (MJA), análisis de segregación de soluto a las dislocaciones y análisis de microdureza Vickers. Las curvas calorimétricas de la aleación templada muestra, la presencia de dos efectos exotérmicos traslapados, en todas las velocidades de calentamiento lineal utilizadas, que pueden ser asociadas a la formación de precipitados en la matriz de cobre, ricos en Cobalto-α. Se puede afirmar que el sistema está gobernado por variables cinéticas más que termodinámicas. La energía de activación es 164,7 y 195,6 [kJ/mol] para las etapas 1 y 2, respectivamente. El valor de la etapa 2 es bastante cercano al teórico, que es de 200,6 [kJ/mol], mientras que el de la etapa 1 es menor, lo que se puede atribuir a la presencia de vacancias introducidas por el temple. Los resultados cinéticos indican que, en el caso de la etapa 1, se está en presencia de un fenómeno de precipitación por nucleación y crecimiento, en cuanto a la etapa 2, se tiene un proceso de crecimiento a partir de núcleos pre-existentes de tamaño no despreciable. En cuanto a la deformación en frío, se llegó a la conclusión que al aumentar esta, se tiende a inhibir la etapa 2 de precipitación, debido a segregación de soluto en las dislocaciones en la etapa 1 donde cuando comienza la precipitación. Por lo tanto, la aleación endurece por dos procesos, formación de precipitados y segregación de estos átomos de cobalto a las dislocaciones, entorpeciendo su movimiento. La microdureza Vickers para el material templado es superior a medida que aumenta la temperatura de envejecimiento, llegado a los 84, 1[HV], en cuanto a el material deformado en frío, se concluye que mientras aumenta la deformación, mayor es la dureza, llegándose a 141,5 [HV] para el caso de 50% de deformación en su espesor. Cabe mencionar que para ambos casos, material templado y sin deformar, la medida de dureza fue 65,8 [HV]. Se concluye que el material endurece por formación de precipitados y además que algunos de estos son segregados a las dislocaciones, lo que también aumenta las propiedades mecánicas.

El estudio de las aleaciones amorfas ha cobrado importancia en la actualidad debido a las singulares propiedades físicas y mecánicas que éstas presentan, como una alta resistencia a la corrosión y buena resistencia mecánica. Recientes estudios efectuados a aleaciones metálicas amorfas de CuZr muestran que éstas poseen ductilidades superiores a otras aleaciones amorfas. El mecanismo de deformación plástica en vidrios metálicos involucra la formación de bandas de corte, y la presencia de nanocristales juega un papel importante en dicho proceso. En el presente trabajo se estudió la cristalización y formación de nanocristales en las aleaciones amorfas Cu-Zr-Al con diferentes porcentajes de aluminio (0, 2.5, 5, 7.5 y 10 % en peso). Las aleaciones producidas mediante atomización en la Universidad de California sede Davis, fueron caracterizadas mediante Difracción de Rayos X (DRX), Calorimetría diferencial de barrido (DSC), nanoindentación y Microscopía electrónica de alta resolución (HR-TEM). Los polvos con las aleaciones para los análisis fueron divididos en 2 tipos: polvos sin recocer, tal como fueron recibidos desde UC Davis, y polvos recocidos, que son los polvos posterior al análisis DSC, en que éstos fueron calentados desde temperatura ambiente hasta 550ºC. A partir de los difractogramas de polvos sin tratamiento térmico, se observó el estado inicialmente vítreo de las aleaciones. Un nuevo análisis DRX a los polvos recocidos reveló la formación de estructuras cristalinas y la presencia del compuesto Cu10Zr7 en todas las aleaciones. De las curvas calorimétricas se observó que las temperaturas de transición vítrea y de cristalización aumentan con el incremento del contenido de aluminio en la aleación. La aleación que presentó el mayor tramo de líquido subenfriado y, por lo tanto, una mayor estabilidad frente a la cristalización fue aquella con un 2.5 % de aluminio. Además esta aleación fue la que liberó una mayor energía entálpica durante la reacción de cristalización, siendo la con mejor habilidad para formar una estructura vítrea. Del análisis energético se obtuvo que la energía de activación para el comienzo de la cristalización aumenta con el contenido de aluminio. Se observó que al aumentar el contenido de aluminio en las aleaciones amorfas, la dureza aumenta. Así es como las aleaciones con 5 y 10% en peso de aluminio presentaron durezas elevadas: 520 y 608 [HV] respectivamente. Estos valores resultan ser muy superiores a los presentados por otras aleaciones metálicas de base cobre. De las observaciones de HR-TEM, se pudo comprobar el estado predominantemente amorfo de los polvos sin recocer a escala atómica. Sin embargo, en estas aleaciones se encontró la presencia de pequeños nanocristales de unos 5 [nm] insertos en la matriz amorfa. Los análisis de espectroscopía de rayos X confirmaron diferencias en la composición química de las zonas amorfas y las zonas cristalinas, siendo estas últimas más ricas en cobre que las zonas amorfas. Las observaciones de los polvos recocidos con 0 y 7.5 % de Al mostraron la desaparición de la estructura amorfa y la formación de cristales de Cu10Zr7 en ambas aleaciones, además de la posible formación del compuesto Al3Zr4 en la aleación con 7.5 % en peso de Al.

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.

En el diseño de elementos de piping especiales, como elementos con ramificaciones o cruces, las normas correspondientes ASME B31.3 y B31.11, proponen un procedimiento llamado método de las áreas equivalentes. En la literatura no se encuentra directamente la justificación de este método, el cual se ve completamente razonable. Sin embargo cuando el diámetro de los elementos que se intersectan, cambian, la porción de pared restante tiene un comportamiento mecánico diferente. En este escenario el estudio de un caso particular sorprendió dado que el método de elementos finitos predecía, a geometrías similares, tensiones superiores a la de fluencia. El objetivo principal de este trabajo es evaluar detalladamente este tipo de situaciones, realizando un estudio comparativo del comportamiento elasto-plástico de las ramas y cruces en un sistema de piping con respecto al procedimiento que indica la norma ASME, para casos de refuerzos extruidos y soldados. Con esto se busca evaluar el efecto que produce una condición de deformación plástica localizada en la redistribución de tensiones locales, en especial ver el efecto y magnitud que tienen las deformaciones locales en la estructura. Los resultados obtenidos utilizando el método de elementos finitos (cálculo aceptado por la norma) muestran que, en todos los casos, existen zonas críticas en la parte superior e inferior de la intersección de las líneas de piping. En estas zonas se sobrepasa el esfuerzo admisible y el límite de fluencia del material (pero siempre bajo el límite de ruptura), abarcando una porción importante de esta intersección. Los casos extruidos presentan menores niveles de esfuerzos que en los casos soldados. Se obtuvo que la porción de pared restante en la línea principal, luego de la perforación, genera mayores tensiones con el aumento de diámetro del arranque producto de la mayor flexibilidad de esta pared. Se concluye que es razonable entender por qué se ha tenido un buen funcionamiento de la metodología ASME, a pesar de haberse detectado tensiones locales que exceden los valores admisibles. Esto se explica por tener tensiones bajo del límite de ruptura y por la buena capacidad de redistribución de la energía de deformación en las zonas críticas ante incrementos de presión. Se recomienda realizar un estudio detallado utilizando el método de elementos finitos para casos de relaciones de diámetros superiores a 90%. Para los casos soldados, se recomienda preferir aquellos refuerzos que contemplan además un refuerzo en zona del arranque. Para una mejor modelación, es importante tener en cuenta las deformaciones residuales generadas en la fabricación de los sistemas extruidos.

En diversas situaciones se requieren materiales conductores eléctricos que mantengan sus propiedades mecánicas a esfuerzos elevados y temperaturas entre 500 y 800 ºC (electrodos para soldadura por resistencia eléctrica). Estudios previos han demostrado que las aleaciones de cobre endurecidas por dispersión de nanocerámicas satisfacen estos requerimientos. En el presente Trabajo de Título, se estudió la influencia de la solubilidad de los elementos aleantes (Ti y C) en las aleaciones de Cu, reforzadas por una dispersión de nanocerámico (TiC) producidas in situ, además de otros dispersoides como TiO2 y TiCu4 producidos durante el proceso de formación de la aleación y como todos estos influyen sobre la microestructura de dichas aleaciones. También se analizaron los fenómenos de recuperación y recristalización en el Cu y en una aleación Cu-Ti-C, preparada también por molienda reactiva y extrusión. Los cambios microestructurales fueron seguidos usando MO, y las características mecánicas fueron evaluadas usando pruebas de microdureza y pruebas de compresión de alta temperatura. Para realizar estos estudios, se deformaron el cobre y las aleaciones en frío, en distintos grados, efectuándoles recocidos entre 200 y 900 °C, para el caso del cobre, y entre 500 y 900 °C para la aleación. Se ensayaron en compresión en caliente las probetas, sin deformación previa, a 250 y 500 °C para el cobre y a 700, 800 y 860 °C para el caso de la aleación, interrumpiéndolos a ciertos tiempos y templando las probetas. Posteriormente, éstas fueron analizadas mediante MO, con el fin de estudiar la influencia de la temperatura y el tiempo sobre la microestructura. Se concluyó que el Cu se recristaliza de forma estática entre los 200 ºC y los 500 °C, mientras que la aleación Cu-5%v TiC recristaliza de forma estática entre 700 °C y 900 ºC. Se propone que esta diferencia de temperatura de recristalización estática es debida a la presencia de Ti y C en solución solida y dispersoides (TiC, TiO2 y TiCu4) en la aleación, todos los cuales retardan la recristalización. Para el Cu, se identificó una tendencia de recristalización dinámica que sigue un patrón de reducción de dureza, parecida a lo mostrado por la recristalización estática. La aleación Cu-5%v TiC muestra un bajo grado de recristalización dinámica en los rangos de temperatura entre 700 °C y 860 °C, a diferencia de la recristalización estática. Se propone que esta diferencia en la recristalización dinámica se debe a una mayor precipitación de dispersoides (TiC, TiO2y TiCu4), en comparación con la producida en la recristalización estática. Se identificó que hay una mayor densidad de granos recristalizados para el Cu. Además de ser mas grandes estos granos que para el Cu-5%v TiC. Este fenómeno se debe a que en la aleación el Ti y el C en solución solida y como formadores de dispersoides (TiC, TiO2, TiCu4) retardan la recristalización dinámica.

La creciente demanda de la industria por disponer de recubrimientos de alta resistencia a la corrosión y abrasión con un menor costo, induce el desarrollo de nuevos compuestos con menor rugosidad superficial y mayor adherencia al substrato. El desgaste abrasivo es uno de los grandes problemas que se presentan en piezas que trabajan en contacto con minerales. Las técnicas de proyección térmica y soldadura PTA, son usadas para formar recubrimientos duros y se basan en conferir al material a depositar (en forma de polvo o varilla), suficiente energía térmica con tal de proyectar material fundido o parcialmente fundido con alta energía cinética formando un recubrimiento compacto. El estudio que se presenta a continuación tiene su origen en la observación del desgaste prematuro en asientos de válvulas API-9 de bombas GEHO ZPM Duplex presentes en la minería del cobre, las cuales sufren desgaste por abrasión y son reemplazadas cada apróx. 800 [h]. El objetivo del trabajo es producir recubrimientos duros, determinar la influencia de la composición y micro-estructura en el comportamiento en desgaste y micro-dureza y comparar los resultados con el material presente en dicha válvula. Se fabricaron 4 probetas de acero SAE 1020 de dimensiones 50x50x10 [mm], dos de ellas con recubrimientos metálicos; base niquel (Durmat 59 PTA), base hierro (Durmat 505 PTA), y dos con recubrimientos cerámicos una mezcla niquel y carburo de tungsteno (Durmat 62 PTA), y una con Carburo de tungsteno-Cobalto (Durmat 101 PTA). Se hizo Microscopía Óptica, se sometieron a ensayo de desgaste ASTM-G65 procedimiento A, microscopía electrónica de barrido (SEM) y Micro-dureza. Los resultados arrojaron que Durmat 101 HVOF pierde un 65 % menos de peso y un 32% menos de espesor frente al material de la válvula. Además este recubrimiento es un 68 % más duro que la válvula, con un valor promedio de 1341,8 HV03,. Es el único recubrimiento que obtiene mejores resultados que el material de la válvula. El 59 PTA muestra un crecimiento dendrítico fino en la microscopía, y al agregar carburos de tungsteno la resistencia al desgaste mejora y la dureza aumenta en un 31%. El 505 PTA tiene una micro-estructura muy fina y compacta, con carburos finos ordenados en una matriz de hierro. De los recubrimientos aportados por soldadura de arco transferido, fue el de mejor desempeño. El recubrimiento metálico base Níquel, Durmat 59 PTA, es el que presenta el comportamiento más deficiente en todas las pruebas y es el único que en el ensayo de desgaste llegó al material base.

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El objetivo general del presente trabajo de título es obtener un modelo teórico-matemático para la predicción del calentamiento de perfiles de acero protegidos contra incendio, con el fin de predecir su temperatura máxima y el espesor de material aislante Blaze Shield II necesario para satisfacer los requerimientos de resistencia contra el fuego. La Sección de Ingeniería Contra Incendios del IDIEM de la Universidad de Chile, cuenta con laboratorios para la certificación de estructuras según la actual norma chilena para ensayos y diseño de elementos de construcción en general. El uso de modelos teóricos puede optimizar el proceso de certificación disminuyendo la cantidad de productos rechazados y los costos asociados a ello. Los actuales modelos recomendados no consideran la variación con la temperatura de las propiedades térmicas de los materiales, lo que significa que las curvas de calentamiento no son resultados en general confiables, mostrando incluso en ciertos casos valores de temperatura sin sentido físico. A raíz de lo anterior, el modelo propuesto se formuló incluyendo en la ecuación de difusión de calor la dependencia con la temperatura de las propiedades de los materiales, para así obtener mejores aproximaciones de las curvas de calentamiento del acero. Se determinaron los factores que predominan en la respuesta térmica del sistema y fueron ajustados los resultados del modelo a los datos experimentales entregados por el IDIEM. Se pudo observar que la emisividad resultante, la conductividad térmica del material aislante y el calor específico del acero, tienen un efecto importante sobre el calentamiento de los perfiles. Además el modelo propuesto entregó resultados físicamente consistentes en el rango de masividades estudiado, y las curvas de calentamiento se ajustaron satisfactoriamente a los datos experimentales. Se concluye que el modelo desarrollado entrega mejores aproximaciones de las temperaturas máximas y de las curvas de calentamiento que los modelos actuales, utilizando Blaze Shield II como material protector. No obstante, debe ampliarse el rango de validez del modelo para variadas condiciones de incendio y tipos de protección térmica.

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