Facultad de Ciencias e Ingeniería

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    Modelado y simulación de los parámetros respiratorios en pacientes con la COVID-19 bajo ventilación mecánica
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-08-28) Llanos Juárez, Luis Antonio; Cuisano Egúsquiza, Julio César
    En este trabajo de tesis se proponen dos modelos matemáticos que representan al sistema respiratorio ventilado mecánicamente. Uno en forma de un circuito eléctrico y otro en forma de un sistema de movimiento libre amortiguado (elástico-resistivo), ambos con una complejidad más simple en comparación a los presentados por otros autores en años pasados. Con nuestros conocimientos de ingeniería, se desarrolló una ecuación diferencial lineal de primer orden para cada uno de estos modelos y, utilizando el software MATLAB, obtuvimos resultados gráficos para analizar los parámetros respiratorios involucrados en la ventilación mecánica para pacientes con dificultades respiratorias inducidas por la COVID-19, contrastándolos con estudios realizados en los últimos 15 años. Asimismo, se realizó un contraste entre el desarrollo y resultado de las simulaciones del modelado en MATLAB de Al-Naggar (2015) con el modelado elaborado en la presente tesis. Desarrollando el modelo matemático basado en un circuito eléctrico en serie, se emplearon conceptos de la Ley de Kirchhoff y de la Ley de Ohm, debido a sus componentes eléctricos representan a las variables respiratorias más importantes para la ventilación mecánica. De igual manera, en el desarrollo del modelo matemático basado en un sistema de movimiento libre amortiguado, cuyos componentes principales son un plato móvil conectado a un resorte dentro de un contenedor en donde circula el aire, considerado como gas ideal para aplicación de la Teoría de Boltzmann y ecuaciones de cinemática. Se investigaron las metodologías de protección pulmonar para pacientes con la COVID-19 con el fin de establecer criterios para los parámetros respiratorios involucrados en el sistema respiratorio con ventilación mecánica para pacientes con insuficiencia respiratoria. Se introdujeron valores permitidos según la literatura médica a los parámetros predefinidos inicialmente, como la presión que suministra el ventilador (Pv(t)), la “PEEP”, la resistencia al paso del flujo respiratorio (R) y la “compliance” (C). Finalmente, se obtuvieron resultados gráficos de las tres simulaciones realizadas. Estos describen el comportamiento de la presión del flujo de gas que circula por el sistema respiratorio ventilado del paciente (P(t)), el comportamiento de la presión pleural al momento de la ventilación mecánica (Pmusc(t)), el comportamiento del volumen del gas que ocupan ambos pulmones (Vi(t)) y el comportamiento del flujo de aire respiratorio (V̇ (t) ). El rango de valores obtenidos al simular el comportamiento de estas variables está dentro de los criterios establecidos en concordancia con la literatura médica y se contrastaron con los resultados gráficos obtenidos por modelos más complejos investigados previamente. Además, se compararon los resultados gráficos de la simulación del modelado elaborado por Al-Naggar (2015) y de la simulación realizada del modelado sintetizado en la presente tesis, observándose un alto grado de aproximación de los valores de ingreso y de salida, los cuales se mantienen dentro de los parámetros válidos de la literatura médica, y una gran similitud en la forma de las curvas graficadas mediante MATLAB.
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    Estimación de los factores de emisión de gases contaminantes emitidos por cinco vehículos livianos a gasolina que transitan en Lima Metropolitana
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-07-09) Chávez Quispe, Piero Alexandro; Cuisano Egúsquiza, Julio César
    En el presente trabajo de tesis se realizó el análisis de los datos de las concentraciones de los gases de escape obtenidos mediante la experimentación en cinco vehículos livianos de gasolina diferentes modelos y año de fabricación. Se realizó las gráficas para analizar los consumos de combustible, aire para la combustión e índices de emisiones de gases de escape: CO2, CO, HC, NOx. Los vehículos bajo estudio fueron instrumentados. Un sistema de adquisición de datos permitió el registro en tiempo real de todas las variables de manera instantánea del consumo de aire, combustible y las concentraciones de los gases contaminantes. La velocidad del vehículo y las condiciones ambientales fueron obtenidas mediante el sistema GPS y un sensor de temperatura y humedad. Asimismo, se utilizó el dispositivo OBDLINK MX+ para conectarse a la unidad de control electrónico (ECU), a través del puerto OBD con el fin de obtener los datos medidos y calculados para el vehículo de estudio por la computadora del vehículo en estudio. Se elaboró un procedimiento para efectuar una campaña experimental, en diferentes vías de Lima Metropolitana. Se realizó, en promedio, 4 recorridos diferentes y aleatorios por vehículo al día en varias semanas. En total se registraron aproximadamente más de 10 variables durante más de 50000s en los cinco vehículos. Los factores de emisión contaminantes (g/km), para cada vehículo, fueron calculados y representados en gráficos y tablas. Se realizó el comparativo del factor de emisión de CO2 en g/km entre el estudio experimental y el resultado del OBDLINK MX+. Además, se realizó la comparativa del factor de emisión de CO2, en g/km, entre el modelo COPERT y el análisis experimental. Los resultados obtenidos de las pruebas realizadas presentan las concentraciones en porcentaje de los gases de combustión, los cuales fueron calculados como factores de emisión en g/km. Gracias a esto podemos observar cómo operan los vehículos en la actualidad, debido a que una mala quema de combustible o un mal funcionamiento del motor pueden producir mayor cantidad de hidrocarburos no quemado. Este documento presenta los comparativos y resultados de cinco vehículos en vías de Lima Metropolitana.
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    Análisis exergético de los efectos de la restricción parcial del aire de admisión e incremento de la temperatura de la mezcla aire - gas natural en un motor diésel funcionando en modo diésel/gas
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-21) Cieza Casamayor, Carlos Enrique; Cuisano Egúsquiza, Julio César
    Estudios energéticos revelan que el rendimiento de los motores de combustión interna (MCIA) disminuye con el incremento de altitud de operación; asimismo, es relevante destacar que el Perú importa grandes volúmenes de combustibles líquidos, cuyo precio se establece en mercados internaciones. Por lo expuesto, resulta importante buscar métodos que mejoren el desempeño de los MCIA en condiciones de elevación, así como promover el estudio de combustibles alternativos a los derivados del petróleo que brinden mayor seguridad energética al país. Con la finalidad de encontrar los procesos de mayor desaprovechamiento energético de los MCIA, se plantea el presente trabajo de tesis. La investigación tiene como objetivo realizar el análisis exergético de un motor Diesel en operación diesel - gas natural (D/GN), simulando condiciones de altitud en laboratorio mediante la restricción parcial del aire de admisión al motor (D/GN+RA), sumado al efecto de incremento de temperatura de mezcla aire - gas natural (D/GN+RA+T), sometido a dos velocidades de giro (1500 rpm y 2000 rpm) y tres niveles de carga (40 Nm, 80 Nm y 120 Nm). Los resultados del estudio comprenden el cálculo de las exergías de ingreso al sistema, calor transferido, gases de escape, irreversibilidades, eficiencia exergética y rendimiento exergético. Además, se determina y cuantifica la causa de las irreversibilidades, las cuales se han dividido en tres: pérdidas por fricción, deficiencias en el proceso de combustión y exergía no contabilizada. El estudio concluye que el modo de operación diesel presenta mejor eficiencia exergética que los modos diesel – gas natural; de la misma manera, es el modo que presenta menores pérdidas por irreversibilidades. Por otro lado, se determina que el modo de operación D/GN+RA+T muestra los mejores resultados exergéticos de los modos bicombustible.
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    Metodología experimental para identificar oportunidades de mejora de la eficiencia energética en el proceso de molienda del mineral de cobre utilizando un molino de bolas de 0,5 HP
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-07-13) Leyton Arce, Juan José; Cuisano Egúsquiza, Julio César
    El presente trabajo de tesis propone una metodología experimental para mejorar la eficiencia energética en el proceso de molienda en batch de mineral de cobre en un molino de 0,5 HP. Para esta propuesta se realizaron ensayos en el molino de bolas del laboratorio de mineralurgia ubicado en la sección de Ingeniería de Minas de la Pontificia Universidad Católica del Perú, en el cual se tuvieron que realizar mejoras con el objetivo de cumplir con el alcance del presente trabajo de tesis. En primer lugar, se obtuvo de las fuentes bibliográficas que algunos de los factores que influyen en el proceso de molienda son: la velocidad de giro del molino y el porcentaje de solidos en la pulpa mineral. De acuerdo con esto, se optó por variar estos dos factores operacionales para poder cuantificar la influencia de los mismos en dos respuestas: (i) porcentaje pasante de la malla 200 y (ii) energía eléctrica consumida a lo largo de todo el ensayo. Cada factor fue evaluado en 3 niveles de acuerdo con la recomendación de la bibliografía. Por un lado, para la velocidad de giro se analizaron los tres niveles de velocidad de giro (56, 70 y 84 RPM). Por otro lado, los niveles del porcentaje de solidos en la pulpa fueron 56%, 66% y 76%. En segundo lugar, para el análisis de los resultados se llevó al cambo una división de los análisis, gráfico y estadístico mediante el DOE factorial. Esta división fue considerada la más apropiada por la naturaleza de las variables monitoreadas. Finalmente, se verificó que los rangos de operación recomendados por las fuentes bibliográficas y las utilizadas en los ensayos se corresponden. Permitiendo de esta manera recomendar un punto óptimo de funcionamiento para este molino de 0,5 HP cuando el molino gira a una velocidad de 56 RPM y con una concentración de solidos en la pulpa del 66%.
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    Diseño de sistema de freno regenerativo para bicicleta impulsada por motor eléctrico de 500 W
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-02-21) Vilcahuamán Hinostroza, Luis André; Cuisano Egúsquiza, Julio César
    El presente trabajo de tesis tuvo como objetivo el diseñar un sistema de freno regenerativo para bicicleta, el cual permite recuperar energía de la acción de frenado por medio de un motor eléctrico. En primer lugar, se revisaron artículos relacionados con el desarrollo de frenos regenerativos en bicicletas, así como ciclos de conducción de bicicletas en zonas urbanas. Luego, se establecieron las ecuaciones y modelos matemáticos del conjunto bicicleta y motor eléctrico, los cuales permitieron definir y analizar su comportamiento dinámico. Se usó la metodología de diseño basada en las normas DIN VDI 2221 y 2225 para desarrollar un proyecto óptimo del sistema de freno regenerativo. Se determinaron los parámetros característicos del sistema propuesto y, utilizando las ecuaciones definidas para su comportamiento dinámico, se evaluó su comportamiento en distintas condiciones de frenado mediante simulación numérica en Simulink de MATLAB. Los resultados indican que es posible recuperar hasta 1.32 kJ frenando desde 25 km/h hasta 8 km/h en 11.25 segundos, con un torque de freno constante de 10.8 Nm y considerando una superficie sin pendiente. Finalmente, se desarrolló un proyecto definitivo con la selección de los componentes principales del sistema: motor eléctrico, batería, elementos de electrónica de potencia, y módulo de control. Se desarrolló la programación del módulo de control, los planos de detalle, y una estimación de costos del proyecto, resultando en un total aproximado de USD 5,476.
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    Evaluación experimental de los efectos de la variación del porcentaje de sólidos en la alimentación de un proceso de molienda de cobre sobre factores energéticos y mineralógicos, en una planta piloto a escala de laboratorio
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-09-01) Pando Malca, Alexander Germán; Cuisano Egúsquiza, Julio César
    Este trabajo aborda un análisis experimental de los factores energéticos y mineralógicos en un proceso de molienda de cobre respecto a variaciones en las condiciones de operación. Para ello, se implementó una planta piloto a escala de laboratorio en la que se realizaron experimentos con diferentes porcentajes de sólidos en la alimentación del circuito. Esta planta fue establecida en el laboratorio de Mineralurgia de la PUCP. La metodología se desarrolló para evaluar 3 niveles de porcentaje de sólidos y su influencia en los factores de consumo energético del molino de bolas, tamaño y tasa de producto y Work Index de Operación. Se realizaron estudios preliminares para caracterizar el mineral a moler y se siguió la metodología del Diseño de Experimentos (DOE) para el desarrollo de los ensayos. Tras la recopilación de data y muestras, se procesaron los resultados tanto de manera gráfica como estadística, siguiendo el análisis de varianza propuesto por el DOE. Los resultados mostraron que al disminuir el porcentaje de sólidos de 75% a 66% se puede lograr una disminución en el consumo de energía del molino y un aumento en la tasa del producto; aunque, en contraparte, también un aumento en el tamaño de partículas del producto. La interacción de estos 3 parámetros, relacionados por medio del Work Index de Operación, dio como conclusión que en ambas réplicas el menor Work Index de Operación fue a la concentración de sólidos de 66%; mientras que para la de 70%, fue la mayor. Por otro lado, los resultados fueron comparados con referencias bibliográficas y se verificaron comportamientos similares. Así como, al comparar con el estándar de laboratorio hallado mediante el método de Bond, se reveló que el circuito puede continuar siendo optimizado. El documento concluye en que, si se realiza un compromiso entre bajo consumo energético, pero un mayor tamaño de producto; en una molienda húmeda, de cobrecalcopirita, en circuito cerrado y flujo continuo, evaluado en este estudio, se identificaría como la opción a recomendar el porcentaje de sólidos de 66%.
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    Análisis energético de una válvula de aguja sónica para un sistema de suministro de gas natural con el fin de alimentar un grupo electrógeno diesel de 375 kVA
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-08-12) Teran Rojas, Alex Dennis; Cuisano Egúsquiza, Julio César
    La presente tesis aborda el análisis energético de una válvula de aguja para el control de flujo en condiciones sónicas, con la finalidad de inyectar gas natural en un grupo electrógeno de 375 kVA. Para ello, se implementó un banco de ensayos en las instalaciones del Laboratorio de Energía de la Pontificia Universidad Católica del Perú, con la finalidad de registrar las propiedades del flujo a diferentes condiciones de operación de la válvula. Se realizó la calibración de la válvula utilizando un sistema de aire comprimido, para un rango de 0,25 a 5,0 factores de vuelta de la aguja (apertura) y para presiones manométricas de suministro de 1 a 8 bar. En estos ensayos se analizó el comportamiento del flujo en el estado de estancamiento y en el estado crítico a través de la válvula. Asimismo, se determinó el coeficiente de descarga de la válvula, el cual relaciona el flujo másico real (medido) con el flujo másico ideal (teórico). Los resultados obtenidos muestran que el rango óptimo de operación de la válvula corresponde a valores de la fracción de vuelta entre 1 y 1,75; y para presiones manométricas entre 3 a 8 bar. Debido a que, en esas condiciones de operación, el valor del coeficiente de descarga varía en el rango de 0,78 y 0,97. Por otro lado, con los resultados obtenidos se realizó la calibración de la válvula para su futura instalación en un sistema de inyección de suministro de gas natural para un grupo electrógeno de 375 kVA. Los cálculos indican que el número de válvulas que debe conformar el sistema depende directamente de la presión de suministro, ya que cuando la presión es cada vez menor, el porcentaje de sustitución alcanzable es mayor y se requiere de una mayor cantidad de válvulas para atender el requerimiento de flujo de gas.
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    Análisis de la relación entre la Potencia Específica Vehicular y las emisiones en un vehículo liviano que opera con dos composiciones de gasolina - etanol
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-03-03) Rondón Villanueva, Andrea Estefanía; Cuisano Egúsquiza, Julio César
    En la actualidad la ciudad de Lima Metropolitana cuenta con cinco estaciones de monitoreo de la calidad de aire; sin embargo, los valores que se obtienen en determinados momentos se encuentran por encima de los valores que se consideran saludables. La principal causa de esto es el tránsito vehicular; ya que, el 60% de la contaminación en esta ciudad proviene del parque automotor. Además, al consultar la literatura y las regulaciones existentes en el país, se ha notado que no existe un control práctico sobre las emisiones de los vehículos importados. De momento, la normativa indica que para importar un vehículo nuevo se debe presentar una Declaración Aduanera de Mercancías; la cual, debe incluir el número de homologación del vehículo a importar. Dicho número certifica las características base del vehículo que ingresa al país, incluyendo las emisiones de contaminantes. Sin embargo, al realizar una medición en ruta de las emisiones en un vehículo liviano, se encontró que los valores son superiores a los límites establecidos por la legislación actual, la cual está basada en las recomendaciones de la Organización Mundial de la Salud. Asimismo, cabe mencionar que la documentación del vehículo se encontraba vigente y este había pasado el control anual. Entonces se identificó que, uno de los puntos que explicaría las discrepancias entre la Declaración Jurada y las mediciones experimentales es que, los valores de la declaración son tomados a partir de ensayos realizados en ciclos de conducción que no reflejan la realidad del tránsito vehicular de la cuidad de Lima. Por otro lado, uno de los parámetros utilizados en la caracterización de la relación entre el transito vehicular y las emisiones es la Potencia Específica Vehicular (VSP). Este parámetro fue propuesto por Jiménez-Palacios en 1999 y, de acuerdo al autor, permite realizar la comparación entre las emisiones de distintos vehículos y ciclos de conducción. Además, engloba otros factores asociados al comportamiento del vehículo. En este trabajo, dicho parámetro fue utilizado para realizar la comparación entre los ensayos realizados para dos composiciones gasolina-etanol. Esto con dos objetivos; en primer lugar, evaluar el comportamiento del VSP para el ensayo realizado en la cuidad de Lima Metropolitana y; en segundo lugar, para evaluar la diferencia en el uso de dichas mezclas gasolina-etanol. iv Finalmente, a partir de los cálculos realizados se llegó a la conclusión de que el VSP es un parámetro que puede ser utilizado para caracterizar el transito en la ciudad de Lima; dado que, los resultados obtenidos son consecuentes con la experiencia del manejo en esta ciudad; y, el comportamiento del VSP es consistente con lo encontrado en la literatura. En cuanto a la evaluación de las composiciones gasolina-etanol, se notó que la concentración de CO2, CO, HC, NOx, no presenta una variación importante entre ambos combustibles. Por otro lado, el uso de los flujos másicos permite establecer una relación entre ambas variables. Sin embargo, se requiere que la investigación continúe para otras concentraciones gasolina-etanol para determinar si el aumento en la concentración de etanol tiene un mayor impacto en el flujo de emisiones.
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    Metodología para estudiar el proceso de la combustión en un motor diésel a través de la señal de presión al interior de un cilindro
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-12-10) Flores Alva, Freddy Renzo; Cuisano Egúsquiza, Julio César
    El presente documento expone una metodología para estudiar el proceso de la combustión a través de la señal de presión al interior de un cilindro (pcil), procesada digitalmente, registrada en un motor Diesel - de aplicación industrial - instalado en un banco de pruebas. La señal de presión se obtuvo a través de un sensor piezoeléctrico que registró varios ciclos termodinámicos para cada ensayo realizado a distintos regímenes de giro y diferentes grados de carga (desde la condición de vacío hasta plena carga) identificando los puntos de funcionamiento más estables y más inestables del motor bajo ensayo. En el documento se mencionan las consideraciones necesarias, propuestas por otros investigadores, para la adecuada medición de la señal de pcil y su respectivo procesamiento. Basados en los distintos estudios, se propone una metodología para el procesamiento de la señal de pcil con la finalidad de eliminar el error aleatorio y sistemático presente en la señal de presión; este objetivo se logró a través del promediado y filtrado de una muestra definida de ciclos termodinámicos. Para la etapa del promediado se aplicaron conceptos de estadística inferencial para definir la precisión de la muestra de los datos adquiridos. La etapa del filtrado redujo el ruido alojado en alta frecuencia obteniendo como resultado una menor variabilidad en la señal de pcil. La principal motivación del presente trabajo experimental consistió en obtener la caracterización del fenómeno de la combustión a través de la evolución de la curva de tasa del calor liberado. Los resultados del procesamiento de la señal muestran consistencia con los estudios experimentales de otros autores y proyecta la posibilidad futura de emplearse para el análisis de la combustión y de los parámetros indicados utilizando combustibles alternativos, con el fin de emplear diversas estrategias de control para evaluar el rendimiento térmico del motor y la generación de productos de la combustión al medio ambiente a distintas condiciones de operación.
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    Evaluación experimental del uso de gas natural en un motor diesel aplicado a la generación eléctrica bajo condiciones atmosféricas a nivel del mar
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-11-28) Ramos Rosales, Leonardo Steve; Cuisano Egúsquiza, Julio César
    En estos últimos años, se ha incrementado la búsqueda de nuevas alternativas energéticas para hacer frente a la demanda de combustible, en generación eléctrica y demás aplicaciones. Por tal motivo, se vienen estudiando distintos tipos de combustibles alternativos, y a su vez, las diferentes formas de su uso en motores de combustión interna. En el presente trabajo de tesis, se evaluó los efectos de la sustitución parcial del combustible diesel por el gas natural sobre el rendimiento y emisiones contaminantes de un motor Diesel aplicado a la generación eléctrica. Para ello se implementó un banco de pruebas capaz de registrar las variables asociadas al funcionamiento del grupo electrógeno y se realizaron algunas modificaciones en el motor para suministrar gas natural en la línea de admisión del aire. Además, se diseñó un banco resistivo para variar la carga impuesta al motor. La metodología de las pruebas experimentales consistió en evaluar 6 niveles de carga y en cada una de ellos se analizó el funcionamiento en el modo Diesel original y en el modo diesel/gas natural. Para este último se definió 4 distintos niveles de consumo de gas natural. Luego de las pruebas realizadas se encontró que para todos los niveles de carga, se logró reemplazar más del 80% del consumo de diesel por gas natural; en estos niveles de sustitución y en cargas altas el rendimiento del grupo electrógeno permaneció prácticamente constante. Por otra parte, las emisiones de NOx se redujeron para todos los niveles de carga cuando se alcanzaron los máximos niveles de sustitución de diesel por gas natural; sin embargo existe un aumento en las emisiones de HC y CO, especialmente cuando se aplicaron bajos niveles de carga eléctrica.