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Análisis de la inserción de programas de eficiencia energética para mejorar la competitividad y sostenibilidad del sector minero cuprífero en el Perú
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-09) Mendoza Carrera, Carlos Augusto; Jiménez Ugarte, Fernando
Esta investigación tiene como objetivo determinar la importancia de los Programas de Eficiencia Energética (EE) que se han implementado y se encuentran en plena ejecución para el período 2021-2049, con el propósito de medir su impacto en el consumo energético de electricidad en el sector minero del cobre. El estudio implicó recopilar datos históricos de las empresas mineras sobre la producción de cobre y el consumo de electricidad de 2011 a 2020. También se consideraron proyecciones de futuras inversiones en nuevos proyectos mineros, específicamente de producción de cobre, a partir de 2021, con base en información confirmada por el Ministerio de Energía y Minas (Minem). Se recopiló información relevante sobre la normativa que regula la producción de minerales y el consumo de energía, así como los resultados de los programas de eficiencia energética y su avance en América Latina y Perú hasta la fecha. La investigación examinó la situación del sector minero local y sus implicancias en el mercado internacional, considerando factores como la inversión del sector, la producción de cobre, la demanda de energía en la minería metálica, la cartera de proyectos de mediano y largo plazo, la matriz energética, la integración de industrias no convencionales. las energías renovables y la implementación de tecnologías de eficiencia energética en la minería peruana. Además, el estudio tuvo en cuenta el impulso de la demanda de minerales críticos en el mercado global para la transición energética y fuentes de energía respetuosas con el medio ambiente. Se realizó un análisis cuantitativo de la proyección en la producción de cobre para el período 2021-2049 y en este se incorporó una variable exógena, como lo son las inversiones futuras en cobre. Se calculó el índice de crecimiento de la producción de cobre, lo que dio como resultado una proyección anual. A partir de esos resultados, se determinó el consumo de energía, el cual está vinculado al factor de emisión de las fuentes primarias de producción eléctrica que está relacionado con la energía consumida por unidad de peso. En cuanto a la intensidad energética, la investigación reporta una ecuación de curva potencial (Y = 17,39 * X0,366 GJ/TM) que representa la intensidad energética del proceso (beneficio) en relación con la ley del mineral. Se espera que la implementación de programas de eficiencia energética altere el comportamiento de la curva potencial hacia cambios de menor intensidad, lo que conducirá a un ahorro de energía. El estudio concluye con gráficos de líneas que ilustran los cambios en los indicadores de intensidad energética y en las emisiones de dióxido de carbono (CO2) para diferentes escenarios, con lo que refleja las variaciones causadas por la implementación de Programas de Eficiencia Energética. La investigación también incluye un capítulo sobre «Alcances y análisis en la producción y consumo de energía para concentrado de cobre», en el que se presentan dos escenarios: uno con un Sistema de Gestión de Eficiencia Energética (EEMS) integral y el otro con la implementación de mejoras tecnológicas por etapas. Los escenarios proponen dos tipos de gestión con resultados distintos, lo que ayuda a comparar los objetivos finales marcados por cada contexto.
Análisis exergético y exergoeconómico avanzado para el diseño de un sistema de refrigeración por compresión a vapor de configuración paralela utilizando fluido CO2
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-01-18) Sevilla Silva, Daniella del Pilar; Cuisano Egúsquiza, Julio César
Los sistemas de refrigeración actuales se encuentran en un proceso de migración de fluidos refrigerantes contaminantes, a aquellos que utilicen refrigerantes medioambientalmente amigables y que contribuyan a la sostenibilidad del planeta. El refrigerante menos contaminante usado actualmente es el CO2, con un potencial de daño al medio ambiente y una contribución al calentamiento global nula. Sin embargo, a pesar de sus excelentes propiedades, el CO2 como tal no puede trabajar en todo el rango de temperaturas ambientales, sin ser necesario su paso a condiciones transcríticas (por encima del punto crítico). Debido a la condición transcrítica del ciclo de refrigeración convencional con CO2, se tiene que trabajar a altas presiones de compresión, lo que reduce el coeficiente de performance (COP, por sus siglas en inglés) en contraste con los valores de COP para los sistemas de refrigeración donde se usan otros refrigerantes más contaminantes. Esto limita la aplicabilidad de los sistemas de refrigeración con CO2 a nivel industrial. Para contrarrestar lo mencionado, se han estudiado diversas modificaciones al sistema de refrigeración convencional con CO2, entre las que destacan la inclusión de un intercambiador de calor interno, la compresión por etapas, el uso de ejectores, subenfriamiento adicional y la compresión paralela. La compresión paralela implica el uso de un compresor paralelo adicional, que incremente la presión del CO2 vaporizado que sale de la válvula de expansión, cuya capacidad refrigerante en los evaporadores es nula. De esta forma, el CO2 que ingresará al evaporador será sólo líquido (saturado, con calor latente para transferir) y este CO2 será el que ingrese después al compresor principal del sistema. A pesar de introducir un equipo adicional que consume energía (compresor paralelo), el COP de este sistema es considerablemente mayor al de un sistema convencional: mejora la transferencia de calor en el evaporador y reduce el consumo energético del compresor principal al trabajar con menor carga de CO2. De la literatura revisada, se ha definido a esta modificación como la de mayor potencial a futuro por sus mejoras notables en COP. En este trabajo, se ha analizado un sistema existente de refrigeración a dos niveles (media temperatura y baja temperatura) con compresión paralela usando CO2. El objetivo del análisis ha sido determinar el equipo menos eficiente del sistema y evaluar su optimización. Parte del análisis realizado implica el modelamiento matemático del sistema, un análisis exergético simple y avanzado y un análisis exergoeconómico. Se resalta el trabajo en un rango de temperaturas de -5 a 40 °C, no desarrollado hasta ahora en la literatura existente. Una de las primeras conclusiones obtenidas es la importancia del análisis exergético avanzado y sus ventajas sobre el simple. Un análisis exergético simple es válido únicamente para determinar dónde están las mayores pérdidas de exergía de un sistema de varios equipos. Si se requiere definir cuál equipo se debe optimizar para reducir la máxima exergía destruida posible del sistema, se requiere un análisis exergético avanzado, pues uno simple puede conllevar a resultados erróneos. Del trabajo realizado, se concluye que para un rango de temperaturas ambiente de -5°C a 40 °C, el equipo con potencial de mejoras en su diseño para reducir las irreversibilidades del sistema y por ende los costos del mismo, es el compresor de alta presión (CHP). Al mejorar el diseño del compresor de alta presión, no sólo se reduce la exergía destruida (total, endógena y evitable) del compresor de alta presión (CHP); sino además la exergía destruida (total, exógena y evitable) del enfriador de gas (GC), al verse impactadas sus condiciones de operación por el compresor de alta presión que se ubica aguas arriba del mismo en el sistema de refrigeración analizado. Se calculó una reducción máxima en la exergía destruida total para el compresor de alta presión (CHP) de hasta el 40% y una reducción máxima en la exergía destruida evitable de hasta el 45%. Para el enfriador de gas (GC), se obtuvo un máximo de reducción de exergía destruida total del 6% y en la exergía destruida evitable un máximo de reducción del 19%
Análisis termoeconómico de la unidad de compresión de gas natural (UCGN) de una estación de carga de gas natural comprimido (GNC), mediante el método Exergy, Cost, Energy, Mass (EXCEM) para determinar la relación existente entre la eficiencia exérgetica de la UCGN y el costo de producción de GNC
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-11-20) Maraví Camargo, Jesús Edgar; Jimenez Ugarte, Fernando Octavio
El elevado costo de los combustibles líquidos en la actualidad y la alta contaminación producto de su combustión, hace necesario buscar nuevas alternativas energéticas. En consecuencia, el gas natural se presenta como la mejor alternativa para reducir costos energéticos con bajo impacto ambiental. Estos fundamentos son los que conllevan a la búsqueda de alternativas de solución al suministro energético diferenciado tal como el Gas Natural Comprimido (GNC). En el presente documento se realiza el estudio Másico, Energético, Exergético y de Costos (EXCEM por sus siglas en Ingles) de una Unidad de Compresión de Gas Natural (UCGN), componente principal de una Estación de Carga de GNC) con el Objetivo de determinar los costos de producción del GNC y su variación respecto de variables operativas del equipo. Para esto se eatableció la siguiente hipotesis: “El incremento de la Eficiencia Exergética de la Unidad de Compresión de Gas Natural de una Estación de Carga de GNC reduce del costo de producción de GNC.” Basados en esto se plantea como objetivo principal determinar la relación existente entre la Eficiencia Exergética de la UCGN en una Estación de carga de GNC y el costo de producción de GNC. Para llegar al objetivo principal se plantean como objetivos secundarios identificar los subsistemas energéticos de la UCGN, así como sus Flujos de Energía mediante una metodología de evaluación aplicable a sistemas energéticos (EXCEM) para que a través del establecimiento de las Bases Teóricas que gobiernan el funcionamiento de la UCGN se puedan determinar sus principales parámetros de funcionamiento y cuantificar los procesos de conversión de Energía y como estos influyen en los costos asociados a la producción de GNC. Los resultados de este estudio se basan en tres puntos de operación los cuales permiten determinar un análisis de sensibilidad del Costo Exergético de GNC y la Eficiencia Exergética de la UCGN en donde se demuestra que la hipótesis planteada en esta tesis es correcta. Finalmente, como conclusión principal se establece que la reducción del Costo de producción de GNC para un ciclo de trabajo es proporcional al incremento de la eficiencia exergética del sistema.
Caracterización experimental del factor de fricción y la rugosidad hidráulica en tuberías de acero al carbono con costura y sin costura
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-01-31) López Bonilla, Joel Martín; Chirinos García, Luis Ricardo
El presente trabajo pretende caracterizar experimentalmente el fenómeno de la pérdida de presión en dos tipos de tubería: acero al carbono con costura y acero al carbono sin costura, adquiridos en el mercado nacional peruano. Esta caracterización se realiza utilizando aire comprimido, seco y regulado para presiones manométricas entre 1 y 7 bar, bajo condiciones de incompresibilidad en la línea de pruebas y con un rango de número Reynolds entre 9x104 y 8x105. El trabajo comprende la determinación experimental del factor de fricción, mediante un ensayo de pérdida de presión, con la finalidad de comprobar que su comportamiento, para las dos tuberías, obedece al modelo monotónico de Colebrook que se suma a las afirmaciones de Kemler en 1933, Moody en 1944, Schlichting en 1979, Bradshaw en 2000, Perry en 2001 y Langelandsvik en 2008. Esto permite calcular la rugosidad hidráulica para los dos tipos de tubería, resultando que la tubería de acero al carbono con costura tiene una rugosidad hidráulica experimental igual a 0,186 mm, siendo el parámetro de rugosidad Rz y el modelo de Afzal en 2007, las mejores opciones para estimar el valor experimental. Del mismo modo, la tubería de acero al carbono sin costura tiene una rugosidad hidráulica experimental igual a 0,018 mm, siendo el parámetro de rugosidad Rq y los modelos de Langelandsvik en 2008 y Botros en 2016, las mejores opciones para estimar el valor experimental. Así, es posible determinar, con mayor acercamiento, la rugosidad hidráulica (ks) para las tuberías de acero al carbono con y sin costura, conociendo solamente los parámetros de rugosidad superficial (Ra, Rz y Rq). Además, se puede tener la seguridad de utilizar el modelo monotónico de Colebrook para realizar el cálculo del factor de fricción (Λ). Con esto, la estimación de pérdida de presión y el gasto de energía involucrado es mucho más próximo a lo requerido.
Desarrollo de modelos de formación de hollín para la identificación vía modelamiento numérico de las principales especies químicas precursoras de hollín en flujos turbulentos reactivos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-02-01) Valencia Ramírez, René Sebastian; Celis Pérez, César
El modelamiento numérico de procesos de formación de hollín en sistemas de combustión reales representa un gran reto debido a la fuerte interacción entre la turbulencia, la cinética química y la dinámica de las partículas de hollín. Esto significa que tanto los modelos de turbulencia como los de reacción química deben ser lo suficientemente detallados como para producir resultados precisos de las distintas especies químicas que intervienen en los procesos de formación de hollín. También es importante que todas las fases de la formación de hollín sean descritas adecuadamente por los modelos numéricos utilizados, y que exista una herramienta computacional capaz de modelar dichos fenómenos. Sin embargo, en la actualidad no existe ninguna herramienta de libre acceso que incluya algún tipo de modelamiento detallado de hollín, por lo que la mayoría de los estudios sobre el tema han sido realizados en el pasado con herramientas desarrolladas por los propios investigadores. En consecuencia, en este trabajo, utilizando C++ como lenguaje de programación, diferentes modelos detallados de formación de hollín han sido implementados en la herramienta computacional de acceso libre OpenFOAM. Más específicamente, los modelos considerados incluyeron (i) el modelo semi-empírico de 2 ecuaciones (2EQ), y los modelos basados en (ii) el método de momentos con cierre interpolativo (MOMIC), (iii) el método híbrido de momentos (HMOM), y (iv) el método seccional discreto (DSM). Todos los modelos fueron desarrollados y evaluados en los contextos de simulación Reynolds averaged Navier Stokes (RANS) y large eddy simulation (LES). Además, la fase gaseosa del proceso de combustión fue descrita usando el modelo steady laminar flamelet (SLF), en las simulaciones RANS, y el modelo flamelet/progress variable (FPV), en las simulaciones LES. Las simulaciones numéricas fueron realizadas considerando diferentes especies químicas precursoras de hollín en la fase de nucleación de este. Para la oxidación del hollín, especies oxidantes como el radical hidroxilo (OH) y el oxígeno (O2) fueron consideradas. Para el crecimiento superficial, a su vez, el acetileno (C2H2) y distintos hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH) fueron considerados. Los diferentes resultados numéricos obtenidos en contextos RANS y LES fueron comparados con los correspondientes datos experimentales del International Sooting Flame Workshop (ISF), correspondiente a las llamas turbulentas (i) Adelaide jet flame EHN 1 y (i) Adeladie bluff-body flame ENB-1. En concreto, los niveles de hollín predichos con cada uno de los modelos de formación de hollín considerados fueron evaluados y comparados con datos experimentales disponibles en la literatura. Los principales resultados obtenidos indican que, utilizando como especies químicas precursoras al benceno (A1) (en el caso RANS) y al pireno (A4) (en el caso LES), el mejor modelo para predecir la formación de hollín en las llamas turbulentas estudiadas es el HMOM. En particular, este modelo es capaz de captar la bimodalidad de la función de distribución del tamaño del hollín y de incluir las cadenas de agregados. También fue comprobado que los principales precursores del hollín son los PAH, y que el campo medio de estos no varía significativamente de uno a otro. Por lo tanto, utilizando un adecuado factor de adherencia, la importancia del PAH particular utilizado en la nucleación disminuye. Finalmente, los resultados indicaron también que el costo computacional asociado a cada modelo es un factor limitante. Así, el elevado costo computacional del modelo DSM no justifica su uso en llamas turbulentas. De esta forma, en términos de costo computacional, la mejor opción para las llamas estudiadas es también el modelo HMOM.
Desarrollo de un modelo basado en la metodología de Análisis Envolvente de Datos (DEA) para evaluar la eficiencia del consumo de energía eléctrica de tres MIPYMES del sector de alimentos del Perú
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-04-10) Rucano Taya, Rosa Liz; Cuisano Egusquiza, Julio Cesar
Se desarrolló un modelo matemático en base a la metodología de Análisis Envolvente de Datos (DEA) para evaluar la eficiencia del consumo de energía eléctrica de tres MIPYMES peruanas del sector industrial de alimentos, como propuesta de solución para una mejor gestión energética del sector productivo de MIPYMES y que conlleva a menores costos y perjuicios ambientales. El uso de la metodología DEA permitió evaluar la eficiencia de tres MIPYMES considerando que las variables que intervienen poseen distintas características. Para el desarrollo del modelo se definió como variable de entrada (Input) el costo de la energía y la potencia (dentro y fuera de hora punta) como variables de salida (Outputs). Así mismo se consideró a los meses como unidades de estudio. La solución del modelo se realizó a través del cálculo de regresión lineal para lo que fue necesario definir en un sistema de cómputo numérico, una función objetivo, las ecuaciones de restricción y la función de solución del sistema. Los resultados del modelo permitieron conocer la eficiencia de cada plan tarifario para cada MIPYME bajo estudio con lo que fue posible determinar el plan óptimo para disminuir el costo energético. También fue posible determinar la eficiencia en el consumo de energía para cada unidad de estudio (mes) y obtener una propuesta de consumo energético para incrementar la eficiencia del sistema. La evaluación de la eficiencia mediante el uso del modelo desarrollado sugiere que al reducir las horas de consumo eléctrico anual en 2.07% se alcanza un ahorro de S/ 2,811.00 para la MIPYME 1, mientras que para la MIPYME 2 no se registran diferencias significativas. Para la MIPYME 3 el potencial ahorro es de S/ 1,331.00 anual al disminuir 3.14% la potencia consumida anualmente.
Efectos de la restricción parcial del aire de admisión e incremento de la temperatura de la mezcla aire-gas natural en un motor diesel funcionando en el modo diesel/gas
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-10-14) Chevarría Mar, Alvaro Rodrigo; Cuisano Egúsquiza, Julio César
Un motor Diesel funcionando en modo Diesel/gas y a cargas bajas tiende a disminuir su rendimiento y producir más emisiones de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO) en los gases de escape, especialmente cuando se utilizan altas proporciones de sustitución de gas natural. Por tal motivo en esta investigación se utilizan dos técnicas para controlar las emisiones de estos contaminantes y mejorar el rendimiento efectivo del motor, la restricción parcial del aire de admisión, para producir una mezcla de gas natural-aire eficazmente rica y el incremento de la temperatura de la mezcla airegas natural, para promover una mejor combustión. Un motor Diesel adaptado a un banco de pruebas en el Laboratorio de Energía de la PUCP que funciona en modo diesel original y modo Diesel/gas natural se utiliza a través de la experimentación. Se analizan los parámetros del consumo específico de combustibles (diesel y gas), rendimiento efectivo, presión en el interior del cilindro y emisiones de HC, CO y óxidos de nitrógeno (NOx) en los gases de escape. Los ensayos son realizados en una amplia gama de condiciones de funcionamiento (velocidad del motor, carga y relación de sustitución Diesel/gas). La eficiencia efectiva y las emisiones de HC, CO y NOx del modo Diesel/gas se encuentra afectadas cuando se utiliza la restricción parcial de aire y una mayor temperatura de la mezcla aire - gas natural. Los resultados demuestran que es posible mejor las prestaciones del modo Diesel/gas en el uso de ambas técnicas.
Energy and exergy analysis of an HVAC system
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-11-03) Quintanilla Muñoz, Alberto Martin; Vaudrey, Alexandre; Chirinos, Luis
The efficient use of energy is a major issue nowadays. Environmental and economic purposes push various investigations to focus on the performances of energy systems and equipment. In the context of the coming energy transition, Heat, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) systems will certainly take an increasing and worldwide importance. In this work, energy and exergy analysis are used to assess the performances of each component of an air treatment station. Results of energy and exergy analysis for each process are presented. The most important result is that simple heating and cooling processes with deshumidification have the worst exergy efficiencies; and that both processes represent almost all the exergy losses of the studied HVAC system.
Estimación de la potencia nominal y tiempo total de descarga nominal de sistemas industriales de aire comprimido operando como CAES con presiones de almacenamiento menores a 9 bar(a) y volúmenes de tanque de almacenamiento entre 0,11 y 8,92 m3
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-05-26) Vidal Coral, Rafael Jesus; Chirinos García, Luis Ricardo
El presente trabajo, toma a los sistemas de aire comprimido industrial, con sus respectivas características, como base para posibles sistemas de almacenamiento de aire comprimido o compressed air energy storage (CAES, por sus siglas en inglés), los cuales, se caracterizan por sus parámetros nominales: tiempo total de descarga nominal y potencia nominal. Las características del aire comprimido industrial consideradas para el presente trabajo son: presiones de almacenamiento menores o iguales a 8 bar(g), y volúmenes de almacenamiento individual entre 0,11 a 8,92 m3. Los resultados permiten conocer a qué clasificación dentro de los sistemas CAES de menor escala (S-CAES o micro-CAES), pertenecerían los sistemas CAES basados en la industria del aire comprimido, y, por otro lado, permiten conocer el posible aprovechamiento, basado en la estimación de los parámetros nominales. Estos parámetros, se encuentran en función de la presión en el tanque, la temperatura en el tanque, y el flujo másico, que ocurren durante el proceso de descarga. Para poder determinar estos parámetros nominales, se implementó un banco de ensayos que permitió realizar las experiencias de descarga de un tanque de almacenamiento de aire comprimido de 1 m3, operando a 14 condiciones de ensayo, basadas en la combinación de presiones iniciales de almacenamiento de 8, 7, 4 y 2 bar(g) con diámetros característicos de la restricción de 4, 3, 2 y 1 mm, sin considerar las combinaciones de: 8 bar(g) 1 mm, ni 7 bar(g) 1 mm. De modo que, se generó la data experimental que abarcó distintas características de descarga. Luego, en la condición que se obtendría la mayor potencia (4 mm – 8 bar(g)), se determina que el modelo de Ardanuy (n=k), es el más representativo de los 6 evaluados, considerando el RMSE y el error relativo de las variables presión en el tanque y tiempo total de descarga, respectivamente. El modelo presenta errores relativos máximos entre 20-25% para la presión en el tanque, 35-45% para la temperatura en el tanque, y 30- 100% para el flujo másico, y, además, RMSE iguales a 18,80 kPa, 71,18 K, y 4,95 kg/h, respectivamente. Además, presenta errores relativos asociados al tiempo total de descarga, mínimo, máximo y promedio, iguales a 3,57%, 35,60% y 16%, respectivamente. Las estimaciones de los parámetros nominales, se realizan en base al modelo más representativo, a la información disponible en la literatura acerca de los procesos de generación de potencia (procesos de expansión), y a sistemas CAES planteados (individual, serie y paralelo), considerando las características del aire comprimido industrial. Los resultados establecen que, sería posible implementar sistemas CAES en base al aire comprimido industrial y a los sistemas planteados, que alcancen potencias nominales de hasta 9300 W, pero con duraciones menores a 1 hora, y, por otro lado, sistemas que alcancen tiempos totales de descarga nominales cercanos a las 3 horas, pero, con potencias nominales mucho menores a 7,5 kW. Para aquellos sistemas que considera 0,97 m3 de almacenamiento, volumen similar al del banco de ensayos, se estima que, podría obtenerse potencias nominales entre 10 a 185 W, asociadas a tiempos totales de descarga nominales en el rango de 590 a 1770 s. Por otro lado, se estima que podría obtenerse 9200 W como potencia máxima asociada a un tiempo total de descarga nominal menor a 25 s. Además, para los sistemas que consideran hasta 4 tanques en serie, se determina que, generarían entre 440 a 590 W, con tiempos totales de descarga nominales de 400 s. Finalmente, se destaca que, el factor limitante de los sistemas planteados es la presión de almacenamiento, considerada como máximo 9 bar(a), para una presión atmosférica de 1 bar, y que ninguno de los sistemas planteados pertenecería a la definición de sistemas S-CAES, pero sí, a la de micro-CAES.
Estimación del consumo de combustible de ómnibus interprovinciales por el método de análisis de regresión lineal múltiple basado en parámetros operacionales y estilos de conducción en la ruta Lima - Trujillo
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-04-04) Gamboa Gonzáles, Willy Alexander; Cuisano Egusquiza, Julio Cesar
El sector transporte es el mayor consumidor de combustibles líquidos en el Perú (41.8% de la energía final neta) contribuyendo con 21,047.88 GgCO2eq que representan el 10.25% de gases de efecto invernadero presentes en el ambiente (MINAM, 2019). En el caso específico del transporte interprovincial de pasajeros, el combustible representa una parte importante de sus costos de operación (de 30% a 40%) según Pineda et al. (2021). Esta investigación propone una metodología para desarrollar un modelo de consumo de combustible óptimo que se utilice por empresas de transportes para desplegar sus propios planes de control y gestión de costos. Para lograr este propósito se identificaron los factores (variables regresoras1) que afectan significativamente al consumo de combustible en la operación de tres ómnibus de transporte de pasajeros. Los coeficientes de las variables regresoras se estimaron utilizando el método de regresión lineal múltiple utilizando el software Rstudio2 constituyendo una herramienta de gestión muy significativa para reducir el consumo de combustible y la emisión de gases de efecto invernadero. Conociendo la influencia de estas variables regresoras en el consumo de combustible, el estudio permitiría a las empresas de transporte enfocarse en aquellas variables conductuales y operativas de mayor contribución, para rediseñar sus estrategias de conducción y mejorar los índices energéticos y ambientales. Los datos para desarrollar el modelo de regresión lineal múltiple tienen un carácter no determinista y estocástico con presencia de variables discretas y continuas que se recogieron manualmente (pesaje del ómnibus), aplicativos de previsiones meteorológicas (Windfinder), sistema de diagnóstico a bordo (OBD II) y sistema de satélites de navegación global (GNSS). Los datos obtenidos a través del OBD II y GNSS se transmitieron a través del módulo telemático (Teltonika FMB630); pues de investigaciones precedentes se reconoció que era la forma más efectiva y económica para obtener información. El modelo matemático obtenido por regresión lineal múltiple permitió cuantificar la influencia de cada una de las variables y estimar que las mejores condiciones conductuales y operacionales consiguen ahorros de hasta 5.76 galones por viaje en la ruta Trujillo – Lima, acumulando al año 2047.09 galones por año/bus. Sí esta mejora se consiguiera en el 25% de la flota vehicular matriculada en el Perú entre el 2010 y 2018 se alcanzaría un ahorro de combustible de 878,201.69 galones y una reducción de 9´348,688 Kg CO2eq al año. La flota de ómnibus matriculados en el Perú del 2010 en adelante, son tecnológicamente aptas para el control y uso de la inercia y reducción de la inyección de combustible electrónicamente.
Estimación del consumo de combustible y emisiones de co2 de un motor a gasolina de 130 hp mediante técnicas de Machine Learning
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-07-16) Huancapaza Machuca, José; Cuisano Egúsquiza, Julio César
En el presente trabajo se estima el consumo de gasolina y las emisiones de CO2 en un motor vehicular de 130 HP, instalado en un banco de pruebas, usando técnicas de aprendizaje automático (Machine Learning). Para obtener datos de los parámetros de funcionamiento del motor, se realizaron pruebas en condiciones estacionarias de carga (torque) y régimen de giro del cigüeñal; se registraron las lecturas de sensores originalmente instalados en el motor, mediante un scanner conectado al puerto OBD2 del módulo de control electrónico del motor. Además, se instalaron equipos de laboratorio para registrar otras variables necesarias para el estudio. Con los datos disponibles, se utilizaron tres técnicas de Machine Learning: Regresión Múltiple, Máquina de Soporte Vectorial y Redes Neuronales. En la aplicación de los modelos se utilizaron datos en grupos, separados de la siguiente forma: 90% para el desarrollo de los modelos y 10 % para la prueba de los modelos. Adicionalmente, para los modelos de Máquina de Soporte Vectorial y de Redes Neuronales se realizó otra partición de los datos: 75% para entrenamiento, 15% para validación, y 15% para el test. Durante el proceso se evaluaron los datos sin estandarización y, posteriormente, estandarizados en el rango de 0 a 1; este último paso buscó asegurar la convergencia del modelo. Las variables estudiadas fueron las siguientes: i) 5 predictoras o variables independientes (presión absoluta en el colector de admisión, temperatura del aire en el colector de admisión, régimen de giro, flujo másico de aire de v admisión al motor y el torque efectivo); ii) 2 variables objetivo o dependientes (emisiones de CO2 y consumo de gasolina). Los resultados del presente trabajo de tesis muestran que el mejor método, y con menos intervención, es el de Redes Neuronales. Para la estimación del flujo másico instantáneo del CO2 se obtuvo un error máximo de 7.85%, siendo que el error obtenido para el 75% de los resultados corresponde a 0.10%. Para la estimación del consumo másico de gasolina, se obtuvo un error máximo de 9.72%, pero, en este caso, el 75% de los resultados tienen un error de 0.67%.
Estudio de la aplicación de un sistema de climatización con rueda desecante en la selva del Perú
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-08-13) Mendoza Acosta, José Raúl; Jiménez Ugarte, Fernando Octavio
Los sistemas de climatización por desecantes han surgido como alternativas eco amigables en comparación a los equipos de aire acondicionado tradicionales. Estos sistemas se caracterizan por utilizar desecantes (sólidos o líquidos) que mediante la adsorción retiran humedad del aire. Adicionalmente, pueden emplear fuentes de energía residual o renovable como la solar. No obstante, en la actualidad hay una limitante en el desempeño del sistema al generar bajos valores de COP. Por ello, se desarrolló un estudio de la aplicación de estos sistemas alternativos a una región tropical del Perú, como es Iquitos. En primer lugar, se investigó el estado del arte de los sistemas HVAC basados en desecantes y se identificó los parámetros más relevantes en la operación de la rueda desecante. Seguidamente, se determinó las condiciones ambientales a evaluar, así como las de confort térmico, y se propuso dos arreglos posibles para dichas características. Estos arreglos son sistemas de doble etapa debido a la alta temperatura y humedad presente en la región tropical peruana. Posteriormente, se realizó simulaciones de los arreglos propuestos a diferentes niveles de temperatura de regeneración, y se determinó que el sistema TSDCS-V basado en el ciclo Pennington es el óptimo para la región de Iquitos. El análisis fue en base, principalmente, al coeficiente de desempeño (COP) logrado. Finalmente, se evaluó la propuesta final en un caso estudio comparándolo a una unidad convencional de aire acondicionado. Los resultados demostraron que, desde la perspectiva energética, los sistemas tradicionales son más eficientes puesto que los alternativos presentan aún limitantes tecnológicas. Además, desde la perspectiva ambiental se comprobó que se puede reducir la huella de carbono si ambos sistemas trabajan en conjunto. Incluso, si se empleara fuentes de calor residual o solar para la regeneración, se reduciría considerablemente el consumo energético y, por ende, las emisiones de CO2.
Estudio de la fibra de ichu incorporada como aislante térmico a un sistema de construcción en seco para su uso en envolventes de viviendas rurales ubicadas en zonas climáticas frías del Perú
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-04-04) Chea Gonzales, Felix Martin; Barrantes Peña, Enrique José
La presente investigación propone incorporar la fibra natural de Ichu como aislante térmico en el sistema de construcción en seco (drywall). Su uso mitigaría la pérdida de calor de envolventes en viviendas de zonas climáticas frías del Perú. Esta investigación recopila datos sobre la conductividad térmica de un emparedado de fibrocemento con conglomerado de Ichu y además los compara con los obtenidos paralelamente de muestras con otro aislante térmico para la obtención de resultados relativos. El objetivo es recomendar un sistema estandarizado que incorpore recursos naturales. Es una investigación aplicada, experimental, cuantitativa y comparativa que analiza las cualidades del Ichu y su relación con otros materiales utilizados. Se ejecutó el procedimiento planificado de ensayos en laboratorio con un equipo de placa caliente que permitió determinar la cualidad de aislante térmico del material compuesto por fibrocemento y conglomerado de fibra de ichu; fueron un total de 45 mediciones que arrojaron el valor promedio de conductividad térmica ƛ = 0.1078 W/m. K con una precisión de +/- 5%, paralelamente se realizaron el mismo número de mediciones para los especímenes con lana de vidrio como aislante obteniéndose el valor promedio de conductividad térmica ƛ = 0.0848 W/m K. También se calculó también el coeficiente de conductividad térmica de los rellenos obteniendo ƛ = 0.0943 W/m. K para el conglomerado de Ichu y 0.0729 W/m. K para la lana de vidrio. Estos resultados descriptivos de la adaptación de las teorías de la transferencia de calor a la situación particular de los emparedados propuestos en el estudio, permiten sugerir una equivalencia funcional entre ellos al igualar sus resistencias térmicas mediante la variación del espesor del relleno, basados en la correlación teórica producto de la aplicación de la ecuación de conductividad térmica de la de ley Fourier, estas equivalencias se plantean cuantitativamente para un rango de anchos comerciales y usuales en el sector de la construcción. Además, se evaluaron en este trabajo aspectos de impacto ambiental, eficiencia energética y costos económicos que favorecieron a la propuesta con Ichu.
Estudio de la optimización de un prototipo de generador de oxígeno PSA, en el contexto de la pandemia del Covid19
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-09-29) Busquets Elliot, Carlos Alfredo; Jiménez Ugarte, Fernando Octavio
Se realizó un estudio de la forma de operación de los equipos generadores de oxígeno por proceso PSA, aplicables a concentradores de oxígeno medicinales, tanto en el diseño tradicional, como las nuevas tendencias en investigación. Se identificó que los parámetros técnicamente viables de modificar correspondían a 4 de entre 17 evaluados. Tras el diseño y construcción de un prototipo de pruebas acorde a la necesidad, y bajo las exigencias de trabajo durante la pandemia del Covid19; limitaciones en actividades como movilidad, compras locales, importaciones, presupuesto, y un periodo de entrega de pocas semanas, los 4 parámetros evaluados; tipo de zeolita, presión de base de la columna, tiempos del ciclo y orificio de regeneración. fueron tratados de forma preexperimental y aleatoria a fin de determinar su orden de influencia en el sistema. Posteriormente, fueron modificados en virtud de su grado de influencia en el sistema, a fin de determinar un punto “óptimo”, el cual finalmente fue analizado de forma más rigurosa estadísticamente. Se determinó que, si bien solo fue posible alcanzar la meta de producción en un 70 %, bajo las condiciones de diseño y operación especificadas, se pudo lograr un factor de aprovechamiento del adsorbente de aproximadamente 356 lb de adsorbente por tonelada de oxígeno con 82 % de pureza al día. El documento se divide en cuatro capítulos. El primero, correspondiente a la investigación del estudio de la tecnología. El segundo capítulo aborda las tareas de diseño del prototipo para pruebas, finalizado en una sección de planos. El tercer capítulo, aborda la problemática de la manufactura, así como la metodología experimental a aplicar y la instrumentación requerida. Finalmente, el cuarto capítulo, aborda la parte netamente experimental de toma y tratamiento de datos.
Evaluación experimental y modelado termodinámico del proceso de combustión de un motor diesel de aplicación industrial
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-04-30) Alvarez Marín, Jorge; Cuisano Egúsquiza, Julio César
El presente trabajo analiza el comportamiento de un motor estacionario de cuatro tiempos del ciclo Diesel, para lo cual se consideró tres regímenes de giro del motor (1000, 1500 y 2000 RPM) y para cada régimen de giro se varió tres veces la carga (40, 80 y 120 N-m). En dichas condiciones de funcionamiento se analizaron los parámetros de desempeño del motor, las curvas de presión dentro del cilindro en función de ángulo de giro del cigüeñal, la liberación de calor producida por la quema del combustible y el intercambio de calor a través de las paredes del cilindro. El estudio abarca la parte experimental y la parte del modelado termodinámico cerodimensional. En la parte experimental se realizaron mediciones con el objetivo de recolectar informaciones sobre la presión al interior del cilindro, el flujo de combustible, las temperaturas y presiones de los fluidos del motor y la emisión de gases contaminantes; con excepción de los contaminantes, los datos sirvieron como datos iniciales para la implementación del modelo cero-dimensional y a su vez de referente para poder hacer la validación del modelo. En la parte del modelado, fue necesario el uso de datos correspondientes a la geometría del motor, datos de operación del motor, datos de tiempos de combustión y datos del combustible utilizado. Por ser el modelo de tipo cero-dimensional, no fue posible validar los datos de emisión de contaminantes, pero si los fenómenos físicos como el calor liberado durante la combustión y el intercambio de calor entre los gases y la pared del cilindro. La presión se predice mediante la aplicación de la ley de gas ideal y la primera ley empleada en la liberación de calor, modelada con una función dupla de Wiebe. Los resultados experimentales y del modelado de la presente tesis se presentan de forma gráfica, superponiendo las curvas de liberación de calor y variación de presión al interior del cilindro en las distintas condiciones de operación del motor, comparando así el porcentaje de aproximación entre las curvas teóricas y las experimentales. También se representan, numérica y gráficamente, parámetros de importancia como el retraso al autoencendido, los tiempos de duración de la combustión, la presión sin combustión y la temperatura de los gases en el cilindro.
Evaluación térmica de la construcción por capas de una presa de concreto usando el método de volúmenes finitos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-08-31) Ponce Segovia, Roger Iván; Blanco Alvarez, Armando José
El uso de herramientas computacionales como softwares numéricos tienen un gran impacto en el sector de la construcción, debido a que mediante su correcto uso es posible predecir y analizar fenómenos físicos que pueden ocasionar daños estructurales, eliminando o limitando su repercusión en una obra. En este trabajo se ha desarrollado un caso particular de un fenómeno físico que se presenta en la construcción por capas o bloques de concreto en presas de centrales hidroeléctricas, fenómenos como las altas temperaturas producidas por la hidratación del concreto a tempranas edades, que pueden ocasionar fisuras. Todos los trabajos desarrollados hasta el momento, por diferentes autores, en la simulación térmica de presas de concreto, han utilizado softwares o creados algoritmos basados en el método de elementos finitos (como se detalla en la sección 2.2). Por otro lado, el método de volúmenes finitos es una opción que se puede emplear debido a su fácil implementación y rápido calculo. Además, también existen una gran diversidad de softwares en el mercado basados con este método (softwares de dinámica de fluidos computacional). Debido a la falta de información e investigación en el desarrollo de algoritmos usando el método de volúmenes finitos aplicados en la construcción de presas de concreto y la dificultad de hacer simulaciones son softwares comerciales, se optó por desarrollar en este trabajo un modelo numérico que permita obtener resultados fiables en la simulación de una presa en 2D. El modelo numérico implementado será capaz reducir los tiempos de pre-proceso en comparación con los softwares comerciales. Mientras que en los softwares comerciales se necesitan modificar, por ejemplo, la fuente de calor o las temperaturas iniciales en cada bloque, en el código se cambia solo una variable para todos los bloques a la vez. La intención de este trabajo es ser un punto de partida para futuras investigaciones que atañen en la construcción y operación de presas. El objetivo de este trabajo es construir un modelo numérico que permita calcular y visualizar la distribución de temperaturas al interior de la presa a lo largo del tiempo usando el método de volúmenes finitos. Para lograr este objetivo se ha seguido la siguiente metodología; en la primera etapa se define el modelo físico de Jaafar et al. (2006) de una presa en 2D, luego se define el modelo matemático de la ecuación de calor y por último se define el modelo numérico discretizando el modelo matemático. En la segunda etapa se implementa el modelo numérico definido en la etapa anterior para un caso en 1D en régimen transitorio, con una fuente de calor constante; además se desarrolla una simulación mediante ANSYS CFX, con ambos softwares se verifica el algoritmo construido, del cual se obtuvieron resultados similares al experimento de Saab (2013). En la tercera etapa con el algoritmo implementado y verificado para el caso 1D, se procede a construir el modelo en 2D de la presa usando MATLAB y considerando una fuente de calor variable (generada por el calor de hidratación del concreto) y posteriormente simulando en ANSYS CFX, bajo las mismas condiciones, comparando los resultados obtenidos con los de Jaafar et al. (2006) y Croppi et al. (2014). En la cuarta etapa de hace una evaluación de fisuras en cada bloque de la presa, así mismo se analiza la distribución térmica al interior de la presa considerando la transferencia de calor por convección, que no fue tomada en cuenta en los trabajos desarrollados por Jaafar et al. (2006) y Croppi et al. (2014). De todo ello, se concluye que el método de volúmenes finitos otorga fiabilidad en los resultados, que son comparables con el método de elementos finitos. Además, para el caso de la presa analizada se demuestra la existencia de fisuras localizadas que se deben en gran medida a las temperaturas ambientales variables a lo largo del tiempo que son impuestas como condición inicial del modelo numérico. También el considerar la transferencia de calor por convección mejora el comportamiento térmico de la presa teniendo temperaturas menores y reduciendo la generación de fisuras en la presa. Finalmente se puede mencionar que, con este trabajo, usando el método de volúmenes finitos, se pueden continuar otros casos de estudio, como, por ejemplo; implementar un modelo en 3D de la presa o calcular los efectos térmicos del llenado de agua del rio para la operación de la central hidroeléctrica. La presa una vez construida entrará en contacto con la superficie de la presa aguas arriba, este choque térmico (agua de rio generalmente a bajas temperaturas y el concreto con temperaturas aun elevadas luego de finalizada la construcción) genera gradientes térmicos que también pueden generar fisuras y cambiar la distribución de temperaturas al interior de la presa. Este estudio puede ayudar a mejorar el proceso de operación de la presa posterior a su construcción.
Exergy optimization of HVAC with air recirculation
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-08-04) Chacón Chauca, Justo Antonio; Vaudrey, Alexandre Lucien Victor; Chirinos García, Luis Ricardo
In the next pages, an energetic and exergetic analysis of one specific Heat, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) system, using air recirculation, will be detailed. Different operating conditions will be presented and the ones of least exergy destruction will be highlighted and analyzed. Both the first and second law of thermodynamics are used to understand and describe these phenomena through a specific performance criterion called Duty Specific Exergy Consumption1, noted DSExC in the rest. The main results presented in this document have been published in a peer-reviewed French journal dedicated to HVAC systems, see (Chacon Chauca, Quintanilla Munoz, & Vaudrey, 2019).
Modelamiento numérico basado en el método de elementos finitos (FEM) de procesos de transporte de pulpas minerales en tuberías circulares horizontales
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-06-27) Peralta Ventocilla, Sergio Pedro; Celis Pérez, César
El desarrollo de una herramienta computacional basada en el método de elementos finitos (FEM) para modelar numéricamente el proceso de transporte de pulpas minerales en tuberías circulares horizontales es el tema principal en este trabajo. Las pulpas minerales son consideradas aquí como un fluido monofásico con propiedades reológicas de fluidos no Newtonianos. La herramienta computacional es implementada siguiendo un paradigma de programación orientada a objetos, usando C++ como lenguaje de programación principal, y una metodología de descomposición de dominio para su paralelización. La referida herramienta es validada realizando simulaciones numéricas de múltiples casos de estudio involucrando flujos de fluidos Newtonianos y no Newtonianos. En esta etapa de validación, errores máximos de 3% en tuberías circulares horizontales transportando pulpas minerales reales son obtenidos. Luego de ser validada, la herramienta computacional es utilizada para estudiar parámetros importantes en el diseño de sistemas de transporte de pulpas minerales. Más específicamente, parámetros relativos a la viscosidad, grado de concentración de partículas, velocidad de la fase continua y caída de presión son particularmente analizados. El principal aporte de este trabajo es el desarrollo de una nueva herramienta computacional basada en FEM para modelar adecuadamente flujos viscosos no Newtonianos, permitiendo resolver problemas prácticos de diseño de tuberías circulares horizontales transportando pulpas minerales reales. Además, comparado con otros enfoques paralelos reportados en la literatura, el utilizado aquí es relativamente fácil de implementar en herramientas de dinámica de fluidos computacional. Así, otra de las contribuciones de este trabajo es el desarrollo de un algoritmo en paralelo adecuado para herramientas basadas en FEM que modelen pulpas minerales. Finalmente, otra de las contribuciones de este trabajo está asociada con el estudio numérico por primera vez de pulpas minerales reales recientemente caracterizadas en la literatura.
Numerical modeling of a transient state evaporator using object-oriented programming
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-06-20) Cárdenas Cabezas, Jian Eduardo; Barrantes Peña, Enrique José
This work presents the dynamic modeling of a refrigeration machine evaporator that uses CO2 (R744) as refrigerant fluid, for the cooling down of a liquid water stream, as required for instance by buildings air handling units. The main goal of such a work is to accurately model the transient evolution of the evaporator outlet superheat, which is one of the main parameters to control, due to its importance in refrigeration systems. A high value of superheat temperature reduces the performance of the system, while a low or null value can generate the suction of liquid which damages the compressor. The theory of moving boundaries [19] with grouped parameters has been used for so. This method allows a precise resolution with a low numerical weight. In this method, the evaporator is divided into only two regions: the two phase region and superheated steam region, in which the energy conservation and mass conservation equations are solved. By using only two control volumes, the number of equations to be solved is smaller, thus reducing the calculation time. The ultimate aim of this work is to serve as a mathematical model usable for the design of efficient refrigeration system controllers, which are one of the most practical ways to improve the performance of these machines. The results of a numerical analysis and of a sensitivity analysis, regarding to the influence of the heat convection coefficient of the two phase region, are also presented. For this sensitivity analysis, the maximum and minimum values available in the literature, see reference [7], have been used. According to this study, the convective coefficient ofCO2 varies from 8000 to 12000 W ·m−2 ·K−1. From this sensitivity analysis, it is observed that, despite the previously mentioned uncertainty about the convective coefficient value, the latter is not influential on the rest of the calculations and on parameters such as internal pressure, length of the two-phase lengths or superheat value. This is due to the fact that the thermal resistance of the liquid hot fluid is much higher than the cold fluid in the phase change region, the global heat transfer coefficient is thus more influenced by the hot fluid thermal resistance. A maximum error of 3 percent is finally estimated in the determination of the transient superheat temperature.
Pronóstico de pérdidas por flujo de dispersión en la tapa del transformador eléctrico
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-10-05) Mendez Giron, Jorge Luis; Moreno Alamo, Ana Cecilia
El presente trabajo describe la generación de pérdidas en la plancha de fierro, por inducción de campo magnético, ante conductores energizados que atraviesan la plancha. Para detallar el fenómeno se utilizó formulación matemática, simulación numérica y experimentación. Para cada metodología se utilizó distintos escenarios de conductores energizados a distintas corrientes eléctricas (1000 A, 1500 A, 2000 A, 2500 A y 3000 A). Primero, se analizó una plancha de fierro, cuyo resultado mostró que solo las pérdidas por acoplamiento magnético, si no son controladas, afectan a la eficiencia del transformador, además, por experimentación se evidenció la generación de puntos calientes. Segundo, se analizó la mitigación de estas pérdidas con un inserto de acero inoxidable AISI 304, lo cual provocó que las pérdidas no se incrementen; por lo tanto, la eficiencia no se ve afectada. Además, producto de la mitigación de pérdidas, se verificó por prueba la eliminación de puntos calientes. Los resultados a distintas corrientes (1000 A, 1500 A, 2000 A, 2500 A y 3000 A) son presentados en gráficas que muestran los resultados en las distintas metodologías.