Ingeniería Civil Mecánica Mención Energía

Este trabajo de investigación está orientado al estudio y comprensión de los modelos simples de transferencia radiativa solar atmosférica para cielos despejados. Durante el desarrollo de este trabajo se estudió dos modelos existentes de transferencia radiativa, SMARTS2 y SPCTRAL2 (modelos espectrales de transferencia radiativa de dispersión simple para cielos despejados para radiación solar directa y difusa en superficies horizontales e inclinadas), donde se estudió su mecanismo de funcionamiento y procesamiento de datos de entrada. Se realizaron además estudios teóricos fundamentales de transferencia radiativa, los que se aplicaron y ayudaron a encontrar valores característicos de transferencia radiativa de la atmósfera de Valparaíso, tomando en cuenta datos locales medidos. Los principales trabajos y logros de esta investigación se mencionan a continuación. Se realizaron estudios de sensibilidad para ambos modelos donde se logró determinar que los factores teóricamente más influyentes, según los modelos, en la TR en el UV son el ozono atmosférico y la variable “Air mass”, así mismo se encontró que la variable agua precipitable atmosférica tiene un efecto nulo para la TR en la zona espectral del UV. Se realizaron estudios de desempeño de los dos modelos, donde se encontró que ambos modelos tienen errores de subestimación mayores al 10%, en promedio, en su modelación en la zona espectral entre 295 y 400 [nm], en comparación con mediciones obtenidas de la base de datos del espectrorradiómetro EKO del Laboratorio de Evaluación Solar de la UTFSM. Se estudiaron parámetros de TR atmosférica, como espesores ópticos y transmitancias, a través de lo cual se determinó que el coeficiente de turbidez de Angström varía durante el año presentando mayores valores para períodos cercanos al 21 de Junio y menores para días cercanos al 21 de Diciembre, en el caso de la atmósfera de Valparaíso. Además, se hicieron cálculos donde se encontraron valores del espesor óptico atmosférico, cuyos resultados indican que el espesor óptico atmosférico aumenta al acercarse al 21 de Junio y disminuye al acercarse al 21 de Diciembre. Los cálculos de transmitancias v/s longitud de onda del UV arrojaron resultados muy cercanos a los esperados de acuerdo a las formas de las curvas teóricas.

La baja temperatura del Gas Natural Licuado (LNG) es una oportunidad para la generación de potencia en las actuales plantas de regasificación mediante la implemen- tación de un ciclo Rankine de baja temperatura. La fuente de calor usada es el agua de mar, se recupera asi energı́a residual del proceso de regasificación aprovechando las instalaciones ya existentes. Para el caso estudiado, el trabajo neto generado máximo es de 8849 (kW) y corresponde al ciclo cuyo fluido de trabajo en el n-Butano o tam- bién llamado R600. La eficiencia térmica para este ciclo alcanza el 19.25 %. El costo de inversión unitario para el ciclo con n-butano es de 4125 (US$/kW). Se encuentra que el ciclo Rankine de baja temperatura puede generar potencia a partir del proceso de regasificación, siendo una alternativa para el ahorro energético y fuente de energı́a libre de contaminantes y beneficiosa respecto al medioambiente.

El presente informe está basado en el proyecto de investigación USM-DGIP 251367. El estudio experimental realizado consistió en analizar el efecto de la adición de vapor de agua durante la combustión y oxidación parcial de mezclas de Biogás (CH4 y CO2) y aire en un reactor empacado con pequeñas esferas de alúmina (medio poroso inerte), con el objetivo de determinar la producción de H2 y CO (gas de síntesis o syngas). Adicionalmente, se realiza un estudio acabado de los perfiles de temperatura obtenidos en distintos puntos de medición dentro del reactor, con sus respectivos valores máximos y mínimos, velocidades de filtración del flujo de mezcla aire-combustible-vapor y velocidad del frente de llama de combustión. Los grados de conversión de CH4 a H2 y CH4 a CO para la producción de syngas, fueron determinados dentro de un rango de equivalencias combustible-aire (φ) desde φ =0.8 (mezclas pobres inferiores a 1) hasta φ=1.8 (mezclas ricas, superiores a 1), para un flujo de aire-combustible-vapor constante e igual a 8 [lt/min]. Para dicho flujo y el rango de equivalencias indicado, se usaron concentraciones de Biogás como combustible de 55[%] de CH4 y 45[%] de CO2 y otra de 70[%] de CH4 y 30[%] de CO2, manteniendo constante la cantidad de vapor de agua inyectado en cada caso, equivalente a un 20% del flujo total de mezcla y variando sólo la composición del biogás para mantener una velocidad de filtración constante. La inyección de vapor de agua en el proceso de oxidación parcial de biogás, generó un aumento significativo de la producción de H2 en los gases producto del proceso de combustión, alcanzándose valores de hasta casi un19% de acuerdo a los resultados obtenidos. Por otro lado, los grados de conversión máximos de CH4 en H2 y CO que se obtuvieron, fueron de un 55[%] y un 67[%] respectivamente. En base a esto, los valores óptimos de relaciones de equivalencias determinados fueron de φ=1.8 usando una composición de Biogás de 70[%] de CH4 y 30[%] de CO2 sin vapor y de φ=1.8 igualmente, usando una composición de Biogás de 70[%] de CH4 y 30[%] de CO2 en presencia de este. La inyección de vapor en el proceso de combustión generó además una leve disminución de la temperatura de combustión en el frente. Por ejemplo, para una concentración de 70[%] de CH4 y 30[%] de CO2, se alcanzaron temperaturas del orden de los 1180[K] aproximadamente, mientras que sin la inyección de vapor se alcanzaron temperaturas de hasta 1216[K].

En el marco del proyecto FONDECYT 1121188 el presente trabajo de título tiene como objetivo diseñar e implementar dos reactores de medio poroso inerte con sus respectivos sistemas de control y medición para la inyección de combustible (GLP, Petróleo Diésel y Petróleo Pesado Nº 6) y de aire, para la medición de temperatura y análisis de gases de combustión (sólo para Petróleo Pesado N°6), considerando una evaluación con material catalítica. En el desarrollo del tema se muestra detalles de diseño de los reactores, sistemas de inyección para cada combustible y aire. También se realizan pruebas de puesta en marcha, se obtiene parámetros operacionales para los distintos combustibles variando la velocidad de filtración y la relación de equivalencia a un caudal de mezcla constante. Los principales resultados obtenidos son: variaciones de la temperatura máxima en función de la relación de equivalencia, variación de la velocidad del frente de combustión en función de la relación de equivalencia y la cantidad porcentual de gas de síntesis obtenido en las pruebas de Petróleo Pesado N°6. Las conclusiones señalan que es posible oxidar parcialmente el petróleo pesado Nº6 con y sin el uso de material de zeolita, y proponen un mejoramiento al sistema de inyección de combustible para futuras pruebas de investigación.

En el siguiente trabajo de título se presenta el procedimiento para el diseño de un dispositivo mezclador de polvos de metalurgia, el que se utilizará en las dependencias de la Universidad Técnica Federico Santa María para proyectos de investigación. Diseñar un dispositivo propio permite satisfacer todas las necesidades que requiere el personal del laboratorio, permitir una mezcla homogénea, segura y sin filtración entre otras características. A su vez con esto se reduce considerablemente los gastos necesarios para obtener un dispositivo similar del mercado. De igual manera se presenta los pasos necesarios para obtener un diseño final, iniciando con una idea general de las necesidades, pasando por técnicas ingenieriles tales como QFD, Benchmarking, TRIZ entre otras, así generando diversas alternativas de diseño que permitan suplir las necesidades. La selección de un diseño final se basa principalmente en seleccionar una alternativa que permita suplir en su totalidad todas las necesidades expuestas en un inicio. Ya con una alternativa seleccionada, se confeccionan los planos de fabricación en detalle para su manufactura, cabe mencionar que este trabajo se presenta el prototipo que servirá para realizar las pruebas necesarias para obtener un diseño robusto final. Por la calidad de prototipo sus componentes fueron diseñados para ser fabricados mediante técnicas de impresión 3D ya que se puede obtener rápidamente cada componente.

Los altos precios de los combustibles y la creciente contaminación atmosférica han obligado a buscar combustibles distintos a los actuales que presenten una solución a dichos problemas. Una solución viable es la utilización del hidrógeno como combustible, que en comparación con los combustibles derivados posee ciertas ventajas, como un mayor poder calorífico, la combustión es limpia, genera sólo agua como producto. Sin embargo, el problema es la generación ya que es muy caro de producir en la actualidad, además de la complejidad de su almacenaje. Es por esta razón que se debe investigar y generar un estado del arte de los diversos sistemas de generación y almacenamiento de hidrógeno, para poder así poder sugerir la mejor tecnología para el fin buscado. Dentro de este marco resulta muy interesante el uso de electrolizadores SOE y PEM presurizados, eliminando así la problemática del uso de un compresor para aumentar la presión al gas y poder lograr una mayor densidad energética por unidad de volumen y masa. Dentro del marco del almacenaje, los hidruros metálicos presentan el futuro de este sistema, sin embargo, debido a que se encuentra en etapa de I+D, lo más conveniente es almacenar el hidrógeno en estado gaseoso y comprimido si es que se quiere generar y almacenar a bordo del mismo vehículo. Debido a que el almacenaje a presión es complicado y requiere de un gran número de equipos, se ha decidido hacer una experiencia práctica que tiene por finalidad generar, almacenar e inyectar este gas a un motor diésel, utilizando el hidrógeno a presión atmosférica. La generación de hidrógeno se genera por electrólisis, ocupando los equipos disponibles en la universidad. Uno de ellos es una celda generadora de gas HHO, que debido a su forma constructiva es imposible de utilizar para los fines de esta investigación. El segundo equipo disponible es un electrolizador tipo PEM, que tiene la particularidad de no ocupar electrolítico, tales como NaOH (soda caustica), ya que este sistema ocupa una membrana de nafión ácida, el cual es sólido, que hace de electrolito, es decir, hace el intercambio protónico. Este sistema es uno de los mejores, ya que permite ocupar una densidad de corriente mayor, lo cual hace que los equipos tengan un tamaño más reducido, además de tener una alta eficiencia. Esta celda produce 1 litro de hidrógeno cada 7 minutos de funcionamiento, con una eficiencia promedio del 65 por ciento aproximadamente.

A través del presente estudio, se logra la construcción de un mapa solar de la minería del cobre, el cual contiene alrededor de 3000 faenas mineras a lo largo del país, mas específicamente desde la región de Arica y Parinacota a la región del Libertador General Bernardo O´Higgins. Este mapa entrega la ubicación precisa de cada una de la faenas mineras del cobre, además de su información básica, como es su clasificación, tipo de instalación, situación en la cual se encuentra y la irradiación global anual en plano horizontal. Esta irradiación global anual en plano horizontal es obtenida a través de un programa llamado RETScreen, el cual es un software de gestión de energías limpias que utiliza información de la NASA para sus cálculos. Los datos entregados por este programa son comparados con los datos históricos del Ministerio de Energía de Chile y los datos del libro “Irradiancia solar en territorio de la República de Chile” el cual contienen datos desde los años 60. De acuerdo a la investigación realizada con respecto al consumo de energía en la minería, esta ha aumentado con el pasar de los años y se ve explicado principalmente por factores estructurales, tales como una mayor dureza en el mineral, disminución de leyes y mayores distancias de acarreo. A nivel país para el año 2012, la minería del cobre consumió un total final de 8,1% de la energía total. Entre los años 2011 y 2012 el consumo de energía total en la minería del cobre aumentó un 2,1% al pasar de 137,6 PJ a 140,5 PJ. Al observar la variación por tipo de energía, la energía de combustibles disminuyó un 1,7% pasando de 65,7 PJ a 64,6 PJ, mientras la energía eléctrica aumentó un 5,6% de 71,9 PJ el 2011 a 75,9 PJ el 2012. La producción de cobre mina aumentó en un 3,3% en este mismo periodo de tiempo, al aumentar de 5,26 millones de toneladas métricas de cobre fino a 5,43 millones de toneladas métricas de cobre fino. Los procesos que más consumen energía según COCHILCO son: explotación minera, concentradora y LXSXEW consumiendo un 37%, 28% y 18% de la energía total respectivamente. Al analizarlo por tipo de energía, los procesos que más consumen energía de combustibles son la explotación minera y la fundición con un 72% y 12% respectivamente, por su parte los grandes consumidores de electricidad son la planta concentradora y LXSXEW consumiendo el 51% y 27% de la energía eléctrica respectivamente. En este presente estudio se proponen distintas aplicaciones solares térmicas a distintos procesos de la industria de la minería, con el fin de plantear posibles soluciones al consumo creciente de energía. Este recurso ya ha sido utilizado por este sector tanto para la generación de agua caliente sanitaria en sus campamentos como para la calefacción de los mismos. En los últimos años, se han desarrollado distintas propuestas asociadas a utilizar la energía solar con el fin de temperar soluciones utilizadas en distintos procesos, como la electro-obtención, extracción por solvente y lavado de cátodos. La plantas solares térmicas se destacan por su mínima mantención, larga vida útil, y por las características constructivas de éstas, ya que los materiales utilizados en su instalación no presenta mayores riesgos en la operación, ni genera mayores impactos al medioambiente durante su vida útil, ya que pueden llegar a ser completamente reciclables. El porcentaje de reemplazo de combustibles fósiles o también llamado cobertura solar de dichos sistemas, dependerá del proceso en particular, de las condiciones ambientales de la zona y de la disponibilidad de espacio para la instalación de los paneles, pero en este caso en particular se toma como supuesto un 50% de cobertura solar, tomando en cuenta todas las plantas que ya se encuentran en funcionamiento en Chile. A través del colector de placa plana, que es la tecnología mayormente utilizada en estos sistemas, es que se puede llegar a temperaturas entre los 80 [°C] y los 100 [°C], pero esto no quiere decir que sean los únicos que se puedan utilizar ya que también podría utilizarse colectores solares para mucha mayor temperatura y ser utilizados por ejemplo para calentar el aire utilizado en los hornos. Es por esto que estas tecnologías permite abastecer de calor a variados procesos industriales y mineros. Finalmente podemos ver que si se llegara a implementar estas tecnologías en los procesos de minería mencionados anteriormente, se lograría un ahorro del 1,65% del total de energía consumida en un año en la minería del cobre del país y un 4,22% del consumo total de diesel en toda la minería del cobre del país. Esto es igual a un ahorro de 60.074 [𝑚��! ] de diesel.

A nivel mundial sobre un 85 [%] de la energía se genera en base a combustibles fósiles, generando altos niveles de gases efecto invernadero en su extracción y consumo. En esta línea, el reformado de metano y gasificación de sustratos carbonosos en reactores de medios porosos inertes presenta una alternativa al uso de estos combustibles, generando gas de síntesis como combustible alternativo. Este trabajo muestra resultados experimentales sobre la generación de gas de síntesis en un reactor de medios porosos utilizando un material de baja densidad (Alumina Bubble). Este material no se ha utilizado para esta aplicación, por lo que se comparan los resultados con esferas sólidas de alúmina ampliamente estudiadas en la literatura. Se midieron parámetros como la temperatura interna del reactor, velocidad de desplazamiento del frente de combustión y gases producto generados. Se estudiaron rangos de relación de equivalencia (𝜙) de 0.8-1.3 [-] y 1.9-2.4 [-] bajo una velocidad de filtración de 25.0 [cm/s] para combustión filtrada de gas natural y aire, observando velocidades del frente de combustión para 𝜙 = 1.0 [−] de 0.013 [cm/s] aguas arriba para el Alumina Bubble, en comparación con 0.005 [cm/s] para esferas sólidas, junto con un incremento de 100 [K] para la temperatura, evidenciando un claro cambio en el mecanismo de transferencia de calor principal involucrado. Para la combustión híbrida se estudiaron variaciones de contenido de carbón activado en el medio poroso desde 0 [%] a 70 [%] para una relación de equivalencia de 1.0 [−]. Utilizando Alumina Bubble se evidenciaron incrementos en la conversión de los combustibles a hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO), junto con aumentos en la tasa de retorno energética. Los resultados obtenidos muestran que se puede utilizar Alumina Bubble en combustión filtrada para gasificar carbón activado.