Maestría en Ingeniería Mecánica

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    Optimización paramétrica de una turbina eólica de eje vertical de álabes rectos para el Cañón del Chicamocha
    (Universidad Industrial de Santander, 2024-02-12) Rosero Ariza, Juan Diego; Chacón Velasco, Jorge Luis; García Rodríguez, Luis Fernando; Jaramillo Ibarra, Julián Ernesto; Romero, Carlos Alberto
    La microgeneración de energía a través de turbinas eólicas de eje vertical para bajas velocidades de viento en el departamento de Santander, Colombia, específicamente en el cañón del Chicamocha es viable. Sin embargo, existen diversos factores para el desarrollo de una turbina en la región, como lo son, la tipología de la turbina, solidez, relaciones de aspecto, perfil aerodinámico, longitud de cuerda, entre otros. En primer lugar, se desarrolla un algoritmo en el software MATLAB R2021a, en el cual se ingresan las variables físicas de la región tales como densidad, velocidad de viento y las variables de la turbina como el número de álabes, potencia deseada y ángulo de ataque deseado. El algoritmo tiene una serie de restricciones donde se tiene en cuenta la solidez de la turbina, la longitud de la cuerda y la relación de aspecto altura/diámetro. Una vez finalizado el algoritmo se procede a probar la optimización mediante la dinámica de fluidos computacional (CFD), con el fin de predecir el desempeño que tendrá la turbina en operación. Para esto, es necesario conocer las condiciones de contorno adecuadas para llevar a cabo la simulación, la discretización de la malla y modelos de turbulencia a utilizar. Con base en lo mencionado anteriormente, se realiza un análisis en ANSYS FLUENT de las optimizaciones generadas por el algoritmo con el cual se obtuvo el coeficiente de sustentación (Cl) y el coeficiente de arrastre (Cd), con los cuales fue posible calcular el coeficiente de potencia de cada turbina, con el cual se eligió la opción que tenga mejor rendimiento en la región de interés.
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    Metodología para el ajuste y validación del modelo numérico de un rotor de Jeffcott, mediante el uso de funciones de respuesta en frecuencia (FRF)
    (Universidad Industrial de Santander, 2023-11-20) Morales Hernández, Brian Farid; Sánchez Acevedo, Heller Guillermo; Quiroga Méndez, Jabid Eduardo; Moreno Contreras, Gonzalo Guillermo
    El presente trabajo de investigación desarrolla una metodología orientada al ajuste y validación del modelo numérico de rotores flexibles, con énfasis en aquellos soportados en cojinetes con características anisotrópicas. La metodología de ajuste se fundamenta en la implementación de un algoritmo de optimización híbrido. Este algoritmo combina las capacidades de un Algoritmo Genético (GA) y un algoritmo de Búsqueda de Patrones (PS). La correlación numérico-experimental de la respuesta del rotor en desplazamiento se realiza utilizando el Criterio de Confianza de Respuesta en Frecuencia (FRAC). Los resultados obtenidos permiten validar el modelo numérico del rotor y evidencian la funcionalidad de la metodología de ajuste. Se muestra que factores como la dinámica de los cojinetes hidrodinámicos y su influencia en el rotor dificultan el proceso de ajuste y generan un costo computacional elevado. Con el modelo numérico ajustado, se analiza el comportamiento dinámico del rotor. Se pone énfasis en las formas modales o formas de deflexión, la variación de las frecuencias naturales en función de la velocidad de rotación y la estabilidad del sistema.
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    Control tolerante a fallos en una suspensión semiactiva
    (Universidad Industrial de Santander, 2023-11-15) Rueda Villanoba, Sergio Alberto; Borrás Pinilla, Carlos; Ardila Gómez, Sergio Andrés; Hazbón Álvarez, Omar
    El objetivo del trabajo de investigación descrito en este documento fue modelar y simular un control de tolerancia a fallas, basado redes neuronales, para compensar fugas de fluido en los cilindros en un sistema de suspensión magnetoreológica. Este sistema se basó en el modelo dinámico de medio automóvil, que se compone de la carrocería del vehículo (masa suspendida) conectada por el sistema de suspensión magnetoreológica a las dos ruedas laterales (masa no suspendida). Este modelo se representa como un modelo no lineal de cuatro estados. El módulo de detección de fallas y aislamiento se basa en algoritmos de generación de residuos. Se utiliza una transformación de onda para determinar las características de los residuos de las señales de aceleración del modelo durante la falla, estos datos se usarán para entrenar una red neuronal que diagnosticará la falla. El control tolerante a fallas constará de otra red neuronal, que usando los parámetros de falla modificará los parámetros de control y de este modo compensará la falla utilizando el amortiguador sano restante. El rendimiento de la estructura propuesta de la FTC se demuestra a través de la simulación. Los resultados muestran que el sistema de control podría reducir el efecto de la falla parcial del amortiguador magnetorreológico y así mantener el confort del pasajero.
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    Integridad estructural del rotor de una turbina eólica de eje vertical hecho de material bio-compuesto
    (Universidad Industrial de Santander, 2021-11-14) Castro Bermúdez, Juan Dayal; Pertuz Comas, Alberto; León, Juan Sebastián; Martínez, Manuel del Jesús; Narváez Tobar, Carlos Alberto
    La búsqueda de soluciones energéticas sostenibles ha llevado a la exploración de nuevos materiales para la construcción de las palas de aerogeneradores. Esta investigación se adentra en la caracterización mecánica y el análisis estructural de un material bio-compuesto compuesto por fibras de fique y resina epoxi a base de biopolímeros (Biopoxy 36) para su potencial aplicación en las palas del rotor de un aerogenerador de eje vertical (VAWT, por sus siglas en inglés). Se emplearon técnicas de laminación manual y laminado al vacío para lograr fracciones de volumen de fibra óptimas. Se llevan a cabo caracterizaciones estáticas a bio-compuestos con fibras de fique, jute y lino. El compuesto jute-biopoxy se descartó por sus propiedades mecánicas y el lino se usó como fibra de referencia. Se realizó caracterización dinámica al compuesto fique-biopoxy, obteniendo la curva deformación-vida y facilitando la identificación de límites de fatiga adecuados. Se empleó el método de elementos finitos (FEM, por sus siglas en inglés) para analizar el comportamiento estructural del álabe del aerogenerador de material bio-compuesto. Se incorporan modelos isotrópicos y anisótropos, evaluando la orientación de las capas y la posición de las costillas internas para mejorar la rigidez y reducir las concentraciones de sefuerzo. Los modelos computacionales se validan mediante pruebas de flexión y correlación digital de imágenes logrando diferencias de 0.68% entre los modelos experimental y numérico. Los resultados revelan mejoras significativas en las propiedades mecánicas logradas mediante la integración de fibras de fique y lino. Mejoras en el módulo de Young del 27.0% y 43.7%, respectivamente, validan el éxito del proceso de fabricación. El comportamiento de fatiga del bio-compuesto se analiza de manera exhaustiva, encontrando valores para la ecuación de Coffin-Manson de σ_f^'=12.1, ε_f^'=0.020, b=-0.804 y c=-0.054. El análisis de la integridad estructural confirma la idoneidad de la pala del VAWT rediseñada, mostrando un factor de seguridad de 2.01 en comparación con la resistencia última, con vida infinita respecto a las deformaciones encontradas.
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    Evaluación termo-económica del aprovechamiento de los residuos sólidos en la Universidad Industrial de Santander
    (Universidad Industrial de Santander, 2023-11-05) Ortiz Ochoa, Fabio Andrés; Rueda Ordóñez, Yesid Javier; Avellaneda Vargas, Fredy Augusto; Jaramillo Ibarra, Julián Ernesto; Sánchez Torres, Viviana
    Este trabajo estudia la viabilidad de utilizar como biomasa a los Residuos Sólidos Urbanos (RSU), específicamente los residuos orgánicos, para ser utilizados en un tratamiento térmico que busca su posterior valorización energética. Se utilizó como modelo de estudio a la Universidad Industrial de Santander (UIS) y se trabajó con los residuos allí generados. Se realizó el pretratamiento de las muestras según recomendaciones obtenidas en la literatura, y se estableció la torrefacción como el tratamiento térmico a utilizar para la valorización de los residuos. Este proceso térmico se realizó a temperaturas de 240, 270 y 300 °C mediante una rampa de calentamiento de 10 °C/min, y se establecieron tiempos de residencia de 40, 50 y 60 minutos para las tres temperaturas. Se evaluó el poder calorífico obtenido del material torrefactado, y con base en la literatura de estudios similares, se estableció el procedimiento más conveniente para el planteamiento del modelo de una planta piloto. Entonces, con base en el modelo propuesto se realizó un análisis económico y se estableció su viabilidad para una posible implementación industrial. Finalmente, a través del análisis energético se obtuvieron poderes caloríficos superiores entre 16.54 y 19.98 MJ/kg y mediante el análisis económico se obtuvo $1.30 US como el valor requerido para la producción de 1kg de pellets de material torrefactado, se concluye entonces que los RSU orgánicos, son un recurso potencial de energía térmica, y una posible solución al uso de los rellenos sanitarios.
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    Estudio de los parámetros termodinámicos para el diseño y construcción de un sistema de almacenamiento de hidrógeno usando metales de transición
    (Universidad Industrial de Santander, 2023-08-14) Arenas Pérez, Juan Manuel; González Estrada, Octavio Andrés; Martínez Amariz, Alejandro David; Bellón Monsalve, Daniela; Hazbón Álvarez, Omar
    Debido a la necesidad de investigar materiales con la propiedad de almacenar hidrógeno, se fabricó un dispositivo con capacidad de hacer experimentos de absorción y desorción de hidrógeno mediante hidruros metálicos. El sistema posee un rango de operación de 25°C - 400°C de temperatura y 1 bar - 65 bar de presión, permite almacenar y visualizar los valores de la presión y temperatura en tiempo real durante todo el proceso de formación del hidruro. El presente trabajo muestra el proceso de diseño del dispositivo, la síntesis de los hidruros metálicos TiHx, Vx Hx y el estudio de sus parámetros termodinámicos en el proceso de absorción de hidrógeno en estado sólido. Se realizó el proceso de molienda en el molino planetario (Retch PM100) con el objetivo de sintetizar la aleación metálica Tix Vx Crx y realizar su posterior hidruración. La aleación no pudo ser obtenida. Sin embargo, el polvo metálico resultante fue caracterizado mediante el método de difracción de rayos X previa, y posteriormente, al proceso de hidruración. Se realizó un segundo análisis para polvo de titanio puro bajo diferentes tiempos de molienda con el propósito de determinar su influencia en la cinética de la reacción durante los procesos de activación e hidruración. Las muestras fueron caracterizadas por medio de la técnica de difracción de rayos X, y como proceso complementario, se realizó microscopía electrónica de barrido para identificar cambios en la morfología, tamaño de partículas o aglomerado del polvo. Se obtuvieron los hidruros metálicos TiH2, Ti2 H, V2 H y β-V2 H y se logró determinar las propiedades termodinámicas de la reacción en cada muestra, así como la influencia directa entre el tiempo de molienda en la cinética de la reacción y la cuantificación del hidrógeno absorbido.
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    Análisis de ciclo de vida y análisis exergético de ciclo de vida basados en la metodología de las normas ISO 14040-44 para la bio-planta piloto de aceites esenciales y extracto vegetal proyectada en el marco del programa Bio-Reto XXI 15:50
    (Universidad Industrial de Santander, 2023-08-09) Mantilla Álvarez, Nicolás Andrés; Jaramillo Ibarra, Julián Ernesto; Rueda Ordóñez, Yesid Javier; Holguín, Aída Luz
    Partiendo de que la extracción de aceites esenciales ha tomado repercusión considerable en industrias trascendentales para la economía, resulta indispensable la investigación en este tema, apuntando a tener ciclos de producción sostenibles ambiental y energéticamente. Específicamente, como respuesta a esta necesidad, en el programa BioReto XXI 15:50 se proyectó e instaló una planta piloto de producción de aceites esenciales, denominada Biofábrica. En concreto, este trabajo se dedicó a la aplicación de un ACV, utilizando los métodos sugeridos por ILCD para las categorías de calentamiento global, agotamiento abiótico fósil y demanda de exergía acumulada, complementados por balances exergéticos, mediante lo cual fue posible comparar el desempeño ambiental y energético de la línea de producción de Biofábrica frente a una línea de referencia basada en tecnologías convencionales. Los resultados mostraron que en Biofábrica se consigue una reducción del impacto en las categorías de calentamiento global y agotamiento abiótico de 34% y 54% respectivamente; mientras tanto, para la demanda exergética acumulada se halló un aumento del 11%, debido a mayor consumo eléctrico por la adición de más equipos. Empero, la realización del análisis exergético de los procesos de planta mostró que, a pesar de lo anterior, la pérdida de exergía en Biofábrica es un 31% menor a la del escenario de referencia, cosa que se traduce también en una reducción en costos de producción desde un punto de vista termoeconómico. Lo anterior, se logra mediante los principios de aprovechamiento integral de recursos, que se manifiestan al utilizar material vegetal como combustible y aprovechar el potencial térmico de los gases de combustión que, de otro modo, serían desechados.
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    Sistema tolerante a falla aplicado en la transmisión de potencia de un robot móvil
    (Universidad Industrial de Santander, 2023-07-20) González Robles, William Ricardo; Borrás Pinilla, Carlos; Hazbón Álvarez, Omar; Pinto Hernández, William
    Este artículo presenta el modelo matemático aproximado de la dinámica de un robot móvil de dirección deslizante (WMR) de seis ruedas accionado independientemente con motores DC de imanes permanentes (PMDC), utilizado para entrenar la red neuronal de un sistema tolerante a fallas, y asimismo, se proporciona resultados de simulación para detectar, analizar, aislar y compensar la falla eléctrica del PMDC para controlar el movimiento lineal del WMR. Asimismo, se analiza el comportamiento del sistema tolerante a fallas aplicado al modelo dinámico del movimiento lineal de un robot móvil de dirección deslizante de seis ruedas asumiendo un terreno plano, sin superficie inclinada y sin deslizamiento en la rueda, basado en un modelo matemático aproximado de la dinámica de la dinámica de WMR y la implementación de sistemas tolerantes a fallas basados en redes neuronales que se utilizan para detectar, analizar, aislar y compensar PMDC defectuosos con pérdida de control de energía eléctrica (apagado total) y sin bloqueo mecánico en el eje del PMDC. El objetivo de los sistemas tolerantes a fallas implementados es detectar la falla de pérdida de control de energía eléctrica en cualquiera de los seis PMDC del robot y diagnosticarla lo antes posible, seguido del aislamiento y compensación de fallas, aumentando o disminuyendo la potencia impulsada por el resto PMDC funcionales para mantener el movimiento lineal de WMR. Para probar el rendimiento del sistema propuesto, se simularon diferentes escenarios de pérdida de energía eléctrica para evaluar la eficacia del control en comparación con un robot de movimiento lineal dinámico con un PMDC sin fallas utilizado como referencia. El sistema tolerante a fallas basado en redes neuronales propuesto se puede usar en un robot que trabaja en un sitio remoto o en una misión en un entorno peligroso, donde la falla no puede ser reparada o compensada de inmediato por el personal técnico, por lo que la industria necesita que el robot autónomo pueda tolerar y compensar su falla por sí mismo y pueda seguir haciendo la tarea con un desempeño degradado hasta que el técnico pueda reparar la falla del equipo.
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    Diseño y modelamiento computacional de una tobera aeroespacial tipo plug en condiciones de presión atmosférica decreciente
    (Universidad Industrial de Santander, 2023-05-19) Lizcano Ruiz, Henry; Martínez, Manuel del Jesús; Rodrígez Ferreira, Julián Gustavo; Fuentes, David Alfredo; Jaramillo, Julián Ernesto
    Las toberas son dispositivos que permiten aprovechar la energía mecánica de los gases en expansión, una clase de tobera es la Plug o aerospike, cuyo rendimiento para alta presión atmosférica es mejor en comparación con los otros tipos de tobera en términos de empuje. Si la tobera Plug pudiera mantener su empuje mientras asciende a través de la atmósfera, es decir, mientras la presión atmosférica está disminuyendo, sería una alternativa diferente a la tobera de campana tradicional. Para tal fin se diseña y modela computacionalmente una tobera plug que opere en condiciones de presión atmosférica decreciente. Usando el modelo de turbulencia Menter SST k-ω se simula numéricamente el flujo en una tobera plug, con parámetros geométricos preestablecidos y se analiza el efecto del truncamiento sobre la misma. De esta forma se evaluará el desempeño de la tobera plug, a partir del empuje entregado por la tobera con diferentes grados de truncamiento, así como en condiciones de presión atmosférica decreciente. A partir del diseño de la geometría de la tobera plug y usando el software de CFD ANSYS FLUENT para modelar el flujo supersónico con las respectivas condiciones de frontera cómo presión y temperatura en la cámara de combustión, se evalúa el empuje desarrollado por la tobera plug.
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    Sistema de deteccion disgnostico y tolerancia a fallas en un servoactuador hidraulico
    (Universidad Industrial de Santander, 2019) Ortiz Beleño, Juan Felipe; Borras Pinilla, Carlos
    Con el fin de promover la investigación y construcción de conocimiento en Sistemas de Mantenimiento Predictivo se llevó a cabo una metodología basada en control lineal, no lineal y redes neuronales artificiales para el desarrollo de un sistema de detección, diagnostico y tolerancia a fallas en un servoactuador hidráulico. Con base en el sistema físico, se planteó un modelo matemático para diseñar los algoritmos de control lineal y no lineal (PID, LQR, LQG) buscando lograr un control de posición tolerante a fallas por ruido, realizando simulaciones y pruebas reales con la mesa sísmica uniaxial del laboratorio de Sistemas Dinámicos. Se implementó un sistema de bypass para simular cinco condiciones de fallas por fugas internas en el interior del pistón de un servoactuador hidráulico (0 %), 25 %,50 %,75 % y 100 %). Se tomaron datos de posición para señales seno y cuadrada de frecuencia 0.2Hz, 1Hz y 5Hz para posteriormente realizar el debido procesamiento de señales y extracción de características, obteniendo una matriz de características y de objetivos. Con estas matrices se construyeron tres arquitecturas de red neuronal (adaptativa lineal, perceptron multicapa de una capa oculta y perceptron multicapa de dos capas ocultas) con el fin de obtener un sistema capaz de detectar y clasificar estas fallas por fugas internas. La metodología y los algoritmos desarrollados presentaron resultados satisfactorios en términos de tolerancia a falla al obtener una reducción del error en casi un 40 %, así como la correcta detección, clasificación de las fallas con una presición del 95 %.
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    Sistema de control optimo para una mesa sismica uniaxial
    (Universidad Industrial de Santander, 2019) Sarmiento Ramos, Jose Luis; Borras Pinilla, Carlos; Villamizar Mejia, Rodolfo
    El presente proyecto de investigación presenta el modelado dinámico y matemático, la identificación de sistema, y el diseño e implementación de cuatro sistemas de control basados en la formulación LQR para la mesa sísmica hidráulica uniaxial del grupo de investigación DICBoT de la Universidad Industrial de Santander. El modelo dinámico y matemático fue obtenido usando ecuaciones diferenciales basadas en la teoría de la hidráulica y las leyes físicas, y sus parámetros desconocidos fueron estimados usando el método grey-box model identification cuando el sistema fue excitado con una señal chirp. Se diseñó un sistema de control para el seguimiento de señales sísmicas de aceleración y desplazamiento compuesto por un generador de comando, un sistema de realimentación y un observador. Se investigaron cuatro sistemas de realimentación basados en la formulación LQR: la adaptación del regulador lineal cuadrático (LQR) para servosistemas, el control lineal cuadrático integral (LQI), el seguidor lineal cuadrático (LQT) y una variación del LQT, llamada en este trabajo LQTβ. Los sistemas de control propuestos fueron implementados en la mesa sísmica del grupo de investigación DICBOT y evaluados en términos de reproducción de la aceleración y el desplazamiento, repetibilidad de la aceleración y desplazamiento, y consumo de energía; los resultados fueron contrastados con un control PID convencional.
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    Analisis, diseño y simulacion de un control robusto para un robot paralelo de 3 grados de libertad / katherin duarte baron ; director carlos borras pinilla
    (Universidad Industrial de Santander, 2019) Duarte Baron, Katherin; Borras Pinilla, Carlos
    Los robots paralelos se han incursionado en la industria con el paso del tiempo, siendo una de sus múltiples aplicaciones, la simulación del movimiento en el sector automotriz. De acuerdo con la historia, la configuración de la plataforma que se conoce actualmente como plataforma Stewart realmente corresponde a la plataforma planteada por Gough para el ensayo de neumáticos, sin embargo, fue el artículo publicado por Stewart el que tuvo gran impacto en la robótica paralela, ya que a pesar de que la arquitectura planteada por él no ha tenido aplicación práctica, el análisis cinemático y de movimiento planteados, la aplicación propuesta y la descripción de la estructura de Gough, se hicieron populares y abrieron las puertas al estudio de este tipo de estructuras. Desde esa época hasta la fecha se han establecido parámetros para determinar las diversas configuraciones y clasificar los robots paralelos. El objetivo de este trabajo es simular la cinemática, la dinámica de un robot paralelo de tres grados de libertad y desarrollar una estrategia de control robusto, para lo cual se realiza una búsqueda de la información relacionada con robots paralelos, de manera general, empezando con las diversas configuraciones de acuerdo con la aplicación de cada uno. Así mismo, se investiga sobre análisis cinemáticos y dinámicos que sirven de base para establecer el modelo matemático del robot, por otra parte se estudian las diferentes estrategias de control utilizadas en algunas de estas plataformas y las que mejor desempeño han mostrado en robots seriales, de forma que se proponen las leyes de control a diseñar.En cuanto al modelo matemático, primero se hace el análisis de movilidad, luego el cinemático y a diferencia de los robots seriales, en los que se realiza primero la cinemática directa y a partir de ésta la cinemática inversa, en los robots paralelos, se debe realizar primero la inversa y encontrar las longitudes de los actuadores para una posición y orientación determinadas de la plataforma móvil. Luego se puede encontrar la cinemática directa, ya que para hallarla, es necesario utilizar un método numérico. Una vez halladas las expresiones de la cinemática, se procede a determinar los términos de la ecuación dinámica característica de cualquier robot paralelo, para lo cual se pueden emplear diversos métodos, así como se hace en los robots seriales, tales como Newton - Euler, Euler - Lagrange, el principio de trabajos virtuales, entre otros. En el desarrollo del libro se muestra el planteamiento usando el método de Newton - Euler y el de Euler - Lagrange, para efectos de la simulación, se implementan las ecuaciones de Euler - Lagrange, ya que el tiempo de cómputo es menor. Después de conocer la dinámica se plantean diversas estrategias de control con el fin de comparar el desempeño entre ellas y analizar cuál presenta un mejor desempeño ante diversas trayectorias deseadas. Por último se realizan las simulaciones correspondientes al modelo matemático y al control, se analizan los resultados, concluyendo y se proponen trabajos futuros.
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    Dispositivo de microfiltración para el aislamiento de células tumorales circulantes (MEMS)-(CTS’S)
    (Universidad Industrial de Santander, 2022-11-18) González Díaz, Alan Javier; Borrás Pinilla, Carlos; Díaz, Pedro José; López Mejía, Omar; Sánchez Suárez, Clara Inés
    Este documento propone el diseño y simulación de un dispositivo microfiltro para la captura de células cancerígenas o "células tumorales circulantes" (CTC), motivado por apoyar métodos de prevención y tratamiento contra el cáncer, contribuyendo a la línea de investigación en el campo de los microsistemas. o sistemas microelectromecánicos (MEMS), en el campo de la mecánica de fluidos y la mecánica de fluidos computacional (CFD), el objetivo de la propuesta es el diseño de un dispositivo para separar células cancerosas del fluido sanguíneo, con una eficiencia superior al 70%. Para la caracterización de células cancerígenas, glóbulos blancos y rojos se definen las propiedades mecánicas de la membrana celular y la viscosidad de cada tipo según la literatura. Luego sometemos cada célula a una deformación midiendo la presión crítica, comparada y validada con modelos de micropipetas y simulaciones de celdas a través de microfiltros. Con los modelos de células establecidos, se diseña el dispositivo de filtración mediante una variación del caudal y geometría, se selecciona la mejor condición hidrodinámica que genere el comportamiento favorable de la clasificación celular, la primera etapa realiza un filtrado de (CTCs), en la segunda etapa se filtran las células (WBCs-RBCs). Para las simulaciones se genera la malla en dos dimensiones utilizando elementos cuadrilaterales y el método VOF de fracción de volumen utilizando (FLUENT ANSYS). Para el diseño final del microfiltro, en la bifurcación, las células cancerígenas evaluadas con diámetros entre (D=14-20μm) y viscosidades establecidas entre (μ=20-200Pa∙s) se logra una separación del fluido principal con eficiencia mayor a e>90%, Los vórtices generados en los canales laterales mantienen la pureza de la muestra evitando el desplazamiento lateral de las RBC y WBC y siguiendo la corriente principal generando pureza de 99.99%.
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    Control lineal con mapeo de retardos de un sistema dinámico inestable y subactuado
    (Universidad Industrial de Santander, 2022) Esteban Villegas, Helio Sneyder; Borrás Pinilla, Carlos; Olgac, Nejat; Sierra Bueno, Daniel; Correa Cely, Carlos Rodrigo; Villamizar Mejía, Rodolfo
    Este documento busca utilizar el método “Delay Scheduling” para aumentar la robustez de los controladores clásicos para manejar un valor de retardo significativo en el prototipo Pendubot, resolviendo el problema del control robusto, que consiste en que las técnicas de control avanzadas requieren una alta capacidad de cómputo y reducen ¨setting times¨. El primer paso fue el modelado matemático del Pendubot considerando el amortiguamiento en los enlaces. Usando las ecuaciones no lineales, un proceso de ajuste de caja gris obtuvo un mejor ajuste promedio del 89%. El paso de diseño de control lineal sintoniza un controlador PID, LQR y H∞ para la posición de equilibrio inestable del Pendubot. Estos controladores han sido seleccionados porque no incluyen un estimador de estado. Esta característica fue crucial porque la Programación de retrasos y el Predictor-Observador eran técnicas de compensación de retrasos. Para encontrar el valor de retardo crítico de retardo para cada controlador base, el CTCR (tratamiento de grupo raíz característico)
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    Análisis térmico del sistema de evaporación-condensación para el tratamiento de aguas residuales avícolas
    (Universidad Industrial de Santander, 2022-09-17) Rey Benavides, Daniela Juliana; Jaramillo Ibarra, Julián Ernesto; Gelves Arocha, Omar Armando; Fuentes Díaz, David Alfredo; Prat, Sonia Lucía
    La energía eléctrica y el agua potable son de vital importancia para el desarrollo de la sociedad, el exponencial crecimiento poblacional disminuye la disponibilidad de recursos no renovables como los combustibles fósiles y el agua potable. Al tiempo, el sector industrial demanda cada vez más una mayor cantidad de bienes y servicios como grandes cantidades de energía y agua: para el año 2050 se pronostica que el aumento del uso del agua de un 10% respecto a la actual. Hoy más de 2.000 millones de personas viven en países que sufren una fuerte escasez de agua, aproximadamente 4.000 millones de personas padecen una grave escasez de este recurso durante al menos un mes al año, esto seguirá aumentando a medida que crezca la demanda y se intensifiquen los efectos del cambio climático. En este trabajo se analizan los procesos térmicos de los sistemas de evaporación al vacío para tratamiento de aguas residuales avícolas. Se desarrolla un modelo matemático que permite dimensionar cuatro configuraciones de sistemas de evaporación al vacío de aguas residuales, compuestos por intercambiadores de calor como precalentadores, evaporadores y condensadores. Se tiene en cuenta la transferencia de calor de los intercambiadores debido a la forma como se establecen los flujos de agua residual, vapor de calentamiento, agua de enfriamiento y refrigerante R134a. El modelo matemático fue implementado en el software para simulación de sistemas térmicos TRNSYS, en donde cada intercambiador corresponde a un módulo creado y luego se conectaron entre sí conformando cada una de las configuraciones del sistema que se presentan en este trabajo. Como resultado se obtuvieron las dimensiones finales de los intercambiadores de calor y sistemas de bombeo de cada una de las configuraciones, según los requerimientos para tratar agua proveniente de una planta de beneficio avícola y se establece el requerimiento energético de cada uno de éstas y su respectiva comparación.
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    Evaluación de producción energética a partir de la gasificación de residuos de semillas de sacha inchi
    (Universidad Industrial de Santander, 2022-09-07) Solano Pérez, Andrés Fabián; Rueda Ordóñez, Yesid Javier; Castellanos Olarte, Javier Mauricio; Jaramillo Ibarra, Julián Ernesto
    La gasificación de biomasa representa nuevas oportunidades para producir energía eléctrica, beneficiando especialmente a sectores no conectados a la red y el cuidado del medio ambiente. Se ha simulado un modelo de equilibrio termoquímico del proceso de gasificación utilizando Aspen Plus ® para un gasificador de lecho fijo que trabaja con biomasa y utiliza aire como agente gasificador. El modelo busca predecir la composición del gas productor producido a partir de la gasificación de biomasa, identificar su potencial energético y caracterizar la eficiencia del proceso en términos de eficiencia de conversión de carbono (CCE) y eficiencia de gas frío (CGE). Para validar el modelo, se analizaron experimentalmente muestras de cáscara de arroz, paja de arroz y su mezcla en un gasificador a escala de laboratorio. Para completar la validación del modelo, también se utilizan en este estudio datos experimentales de seis biomasas diferentes, ampliamente disponibles en la literatura: mazorca de maíz (CC), cáscara de arroz (RH), tallos de algodón (CT), cáscara de nuez (WS), bagazo de caña de azúcar (SB) y tallos de café (CS). La comparación entre el modelo y los datos experimentales muestra una gran aproximación. En esta investigación se presenta un análisis exergético y exergoeconómico para un sistema de producción de energía eléctrica de 35 kW de capacidad a través de la gasificación de residuos de Sachi inchi (Plukenetia volubilis L.) producidos en el departamento de Santander, Colombia. La simulación del sistema se desarrolló en Aspen plus, donde el flujo másico, energético, y exergético se registra para cada línea de transporte de gas y sólidos, a partir de las condiciones del gasificador, cámaras de combustión del motor de gas, intercambiadores de calor, entre otros, así como la composición del combustible sólido. Los resultados de la simulación de la gasificación muestran que una razón de equivalencia igual a 0,25 es el valor óptimo para la generación de syngas con poder calorífico inferior de 6,126 MJ/kg, eficiencia de conversión de carbono del 100% y eficiencia de gas frío de 73,5%. Se efectuó una comparación exergética entre dos tecnologías las cuales producen energía eléctrica alimentadas por residuos del Sacha inchi biomasa combustible, una de ellas por medio de gasificación, y la otra con la combustión directa de la biomasa. Los resultados muestran que las eficiencias exergéticas son notablemente mayores para el sistema con gasificación integrada, principalmente porque la naturaleza del proceso de combustión directa es más irreversible que la gasificación. Asimismo, queda evidenciado que el consumo de combustible y aire es mucho mayor dentro del sistema de combustión directa, y por lo tanto es productor de más gases de combustión que contaminan el medio ambiente.
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    Desarrollo de una metodología de Análisis Modal Operacional (OMA), para determinar los rangos de estabilidad dinámica de un rotor flexible tipo Jeffcott con velocidad variable, basada en las técnicas en el dominio del tiempo NExT y ERA
    (Universidad Industrial de Santander, 2022-09-07) Nova Agudelo, Fabián Rodolfo; Sánchez Acevedo, Heller Guillermo; Flórez Serrano, Elkin Gregorio; Quiroga Méndez, Jabid Eduardo
    La presente tesis de maestría describe el desarrollo e implementación de dos técnicas de Análisis Modal Operacional (OMA, Operational Modal Analysis) en el dominio del tiempo NExT-ERA, para la identificación de los parámetros modales de un banco de ensayos de un rotor flexible tipo Jeffcott a escala de laboratorio. Estos parámetros modales son usados como base comparativa experimental para validar los resultados del desarrollo de un modelo numérico del rotor que identifica los rangos de velocidades críticas y de inestabilidad dinámica del sistema. La tesis se presenta como una extrapolación de OMA, que es usualmente desarrollado en la identificación de frecuencias naturales de estructuras civiles, a una herramienta de contrastación y validación de resultados de modelos numéricos de sistemas rotodinámicos.
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    Desarrollo de un modelo músculo-esquelético de la mano para agarre tipo pinza (Pad to Pad Pinch)
    (Universidad Industrial de Santander, 2022-07-06) Chaparro Hernández, Daniel; Villegas Bermúdez, Diego; González Estrada, Octavio; Jiménez Moreno, Robinson
    Debido a que el agarre tipo pinza, exactamente la variedad PpPinch ha demostrado ser de vital importancia para la realización de actividades uni o bi-manuales y el de mayor uso en términos porcentuales su estudio se hace necesario para comprender las cargas (fuerzas y momentos) generados por la ejecución de este movimiento y así relacionar dichos resultados con la incidencia de desórdenes músculo-esqueléticos (MSDs) en ámbitos laborales y de actividades repetitivas efectuadas incorrectamente. Para mejorar el conocimiento de este tipo de agarre se desarrolló un modelo músculo esquelético de miembro superior que se compone de 28 unidades músculo-tendinales, 9 articulaciones y 12 grados de libertad (DOF) para cuantificar las fuerzas y momentos dados durante el agarre PpPinch, las unidades musculares fueron modeladas mediante un pseudo-modelo usado previamente en la literatura especializada. Datos de cinemática del movimiento, fuerzas de agarre y activación muscular mediante EMG superficial en 6 unidades músculo-tendinales fueron tomados y usados como entradas en el modelo planteado el cual se resolvió mediante planteamiento inverso y optimización estática. Se obtuvieron valores de fuerzas músculo-tendinales, articulares y momentos articulares; en las primeras comparadas con los datos EMG se dieron RMPSE máximos de 57.1% para una única unidad; en lo referente a las fuerzas y momentos articulares se denota aumento en dirección distal-proximal en todos los dedos. Los datos presentados en este estudio contribuyen en el campo de la ergonomía y aclaran el riesgo en incidencia de MSDs como la osteoartritis en articulaciones de la mano para agarre PpPinch.
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    Chimeneas solares como alternativa de ventilación natural en Bucaramanga
    (Universidad Industrial de Santander, 2022-05-16) Ardila Sánchez, Omar Andrés; Quiroga Méndez, Jabid Eduardo; Muñoz Maldonado, Yecid Alfonso; Rueda Ordóñez, Yesid Javier
    En el presente trabajo de investigación se propuso y desarrolló una metodología para calcular el con- fort térmico obtenido al usar la chimenea solar como un medio de ventilación natural en la ciudad de Bucaramanga (7◦07′07′ N, 73◦06′58′′ O). Inicialmente, se implementó un modelo teórico para estimar la irradiancia solar incidente en las paredes del recinto y en el captador de la chimenea solar. Seguidamente, fue desarrollado y programado en el software MATLAB® un modelo teórico en estado estable para predecir el flujo de aire inducido por la chimenea solar, basado en modelos reportados por la literatura especializada. Se tuvo en cuenta el cálculo de las cargas térmicas del recinto usando el método de Series Temporales Radiantes (RTSM). Posteriormente, se construyó un modelo numérico tridimensional en estado estable para hacer un estudio paramétrico y determinar la geometría más conveniente para la ubicación geográfica de estudio. Se usó el software comercial ANSYS-FLUENT® para resolver las ecuaciones gober- nantes del modelo numérico y se validaron los resultados obtenidos con un banco experimental a escala el cual simuló un recinto cúbico con una chimenea solar adosada. Finalmente, se evaluó el confort térmico para el día promedio de cada mes de acuerdo al método adaptativo de la Norma AISI/ASHRAE-55 2017. Los resultados obtenidos mostraron que la metodología propuesta fue efectiva para determinar el confort térmico obtenido con la chimenea solar. Además, se encontró que una chimenea solar de 4 metros de longitud, con una inclinación de 55◦ adosada a un recinto de 27 metros cúbicos ubicado en Bucaramanga, puede proporcionar confort térmico según los términos definidos en la Norma AISI/ASHRAE-55 2017, sin que haya una afectación significativa en los costos de construcción.
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    Análisis dinámico y control de un brazo robótico de tres grados de libertad usado para fines de rehabilitación en medicina
    (Universidad Industrial de Santander, 2022-03-30) Grandas Franco, Jean Carlo; Borrás Pinilla, Carlos; Duarte Gualdrón, César Antonio; Carreño Zagarra, Jose Jorge
    El uso de brazos robóticos para la rehabilitación pasiva de pacientes que han sufrido una apoplejía ha ido ganando relevancia, teniendo en cuenta que puede ayudar al personal médico a realizar sus tareas adecuadamente. Sin embargo, cuando se trata de controlar este tipo de dispositivos, normalmente hay que lidiar con las no linealidades resultantes del modelo matemático de los brazos robóticos, como es el caso de un brazo articulado de tres grados de libertad (3DoF). Además, al tratar a pacientes reales, hay que tener en cuenta las incertidumbres y limitaciones eventuales, así como la reducción adecuada de las señales de error. Para el caso de estudio, se implementaron dos estrategias de control: PID y Control de Modo Deslizante. Para ambos casos, se implementó la planta no lineal como sistema a controlar, aunque para el PID no es obligatorio un modelo matemático. Para el SMC, en cambio, este no es el caso, pero proporciona una señal de control robusta que es capaz de operar incluso en presencia de ruido blanco, ya que se añadió un filtro de Kalman extendido. El modelo matemático del brazo robótico 3DOF se derivó de la formulación de Euler-Lagrange, que se basa en ecuaciones de energía. Para ambas estrategias de control, el sistema se implementó en Simulink. Aunque ambas muestran un alto rendimiento en términos de tiempo de establecimiento, el SMC ofrece los mejores resultados en términos de costes de energía, que pueden ser fácilmente establecidos con una combinación de la estrategia de control LQG. Dado que la compensación de peso se consideró para el diseño de la planta "brazo robótico", el control podría aplicarse para un prototipo de robot real y es escalable en términos de parámetros físicos y de las fuerzas de compensación requeridas.