Ingeniería Energética

EDITORIAL

Diseño de ánodo y tobera de una antorcha universal de plasma para proyectar hidroxiapatita

La importancia de mejorar la calidad de vida a personas de la tercera edad, así como a las afectadas por accidentes, hizo que la comunidad científica internacional se volcara a la búsqueda de soluciones en esta dirección. Con la intención de alcanzar mejores resultados en el proceso de proyección de la hidroxiapatitaHAP-200, de origen cubano, utilizada para el recubrimiento de prótesis médicas, se presentó una metodología para el rediseño del ánodo y la tobera de una antorcha de plasma universal. Ésta permitió, a través de consideraciones apoyadas en la eficiencia térmica de este dispositivo, la Teoría de la Termodinámica, la de los Fluidos, las experiencias, acumuladas anteriormente sobre otros diseños, realizados a este dispositivo y la valoración económica, realizar, el estudio de las características proyectivas de ésta, sino, y la no adquisición de este tipo de equipo por importación, permitiendo, además, un ahorro considerable, desde este puno de vista.

The importance of improving the live quality to the person of thirds age and, those affecting by accident, made that the international scientific community worked to fine out the solution in that direction and try to help the peoples. In order to improve better projection results to the Cuban original hidroxiapatitaHAP- 200, employed in recovering medical devise, used in invalid persons, was presenting the methodology for redesign of the anode and the nozzle of the universal plasma torch. This was established through the considerations of the Thermal Efficiency of this equipment, the Thermodynamic, the Flues Theories, the gartered experiences, about others designs, made to this before and the economical evaluation. It allows not only the study of its projective characteristics and, also, do not acquire this by the importation, guarantying, by this way, to save money, from this point of view.

Solución de las integrales de Carson mediante series de potencia

The problem ofelectromagnetic waves propagation inoverhead transmissionlines has apparently not been solved in a sound manner yet. While the problemdoes not have anexact analyticalsolutionwhen considering the presence of the actual surface of theearth, its approximate solutionintroducingtheoreticalsimplificationsis of formidable practical interest. Using quasi-static approximations Carson obtained integral equations to calculate the electromagnetic field due to a horizontal current carrying wire which is above a lossy ground plane. Carsonhimselfproposedthe first solutionto theseexpressions using power series expansions which does not possess uniform convergence andsincethen there have beenefforts toget a bettersolution. In this sense two clear approaches have been essentially followed. The first one consists on modifying the integrand in such a way that an analytic solution can be obtained. The second one is based on using numerical integration schemes.

El problema de la propagación de ondas electromagnéticas en líneas de transmisión aéreas aún no ha sido resuelto de manera definitiva. Si bien el problema no posee una solución analítica exacta cuando se considera la presencia de la superficie real de la tierra, su solución aproximada, introduciendo simplificaciones teóricas es de gran interés práctico. Usando aproximaciones cuasi-estáticas, en 1926 Carson obtuvo ecuaciones integrales para el cálculo del campo electromagnético generado por la corriente de un conductor horizontal sobre un plano de tierra imperfecto. La primera solución la propone el mismo Carson utilizando expansiones en series, las cuales no poseen convergencia uniforme y desde entonces se han hecho esfuerzos por tener una mejor aproximación. Se han seguido dos enfoques claros, el primero consiste en introducir modificaciones en el integrando de manera que sea posible obtener una solución analítica. El segundo, se basa en la utilización de métodos de integración numérica.

Desempeño y emisiones de un motor de combustión interna concombustible dual Diesel-Gas natural

Muchos de los problemas reportados para los sistemas duales diesel- gas natural ocurren por mala dosificación del gas. Por esta razón se adaptó un sistema de alimentación dual con inyección electrónica de gas natural a un motor de combustión interna encendido por compresión. Se plantea un diseño experimental controlando el dosado de gas natural. Como resultado se obtiene un análisis comparativo entre los valores de desempeño y emisiones desde la operación Diesel y Diesel-Gas natural. A partir de este análisis es posible observar que el desempeño del motor no se ve afectado por la operación del motor bajo el esquema Dual Diesel-GN, es decir que el motor funcionando bajo modo dual puede sostener las cargas solicitadas al motor. También se observa que la eficiencia volumétrica mejora bajo todas las condiciones de operación dual y las emisiones son mejores sólo cuando el motor trabaja a altas cargas.

Many of the problems reported for dual diesel-natural gas systems occur due to poor gas dosage. For this reason a natural gas electronic injection feeding system was adapted to a compression ignitios internal combustion engine. An experimental design controlling the natural gas dosage is considered. As a result a comparative analysis between performance and emissions from the Diesel-and diesel-Natural Gas operation is obtained. From this analysis it is possible to see that engine performance is not affected by operation of the engine under the dual mode, i.e. the motor running under dual mode can support the loads applied to the engine. It is also observed that the volumetric efficiency improves under all conditions of operation and emissions from the dual mode of operation are better only when working at high engine loads.

Análisis energético de un sistema híbrido de producción de frío

El artículo presenta los resultados del análisis energético de un sistema híbrido de climatización en los hoteles cubanos. Se efectuó el cálculo de una instalación de climatización por absorción asistido con energía solar, interconectada en serie con un sistema de compresión de vapor existente. El procedimiento de cálculo se desarrolló bajo los principios termodinámicos que rigen esta tecnología y con la ayuda de herramientas matemáticas. Se emplearon metodologías de cálculo como el método de las curvas f-chart para la contribución solar. Se utilizó información estadística de datos meteorológicos y energéticos de un caso de estudio en el Hotel Gran Caribe Jagua de la provincia de Cienfuegos, Cuba. Los resultados demuestran que la utilización de estos sistemas, complementando el sistema centralizado de climatización por agua helada (chiller), constituye una alternativa para reducir el consumo de energía eléctrica y el posible impacto ambiental directo e indirecto.

The article presents the results of the energy analysis of a hybrid air conditioning system in Cuban hotels. Calculating an air conditioning system for solar assisted interconnected in series with a compression system under existing steam thermodynamic principles' governing this technology and the help of mathematical tools absorption was made. Calculation methodologies as the method of curves f -chart for solar contribution were employed, using statistical weather data and energy data of the case study Gran Caribe Jagua of Cienfuegos, Cuba. The results demonstrate that the use of these systems, complementing the central chilled water for air conditioning (chiller) system is an alternative to reduce energy consumption and the potential direct and indirect environmental impact.

Diseño de un sistema para el aprovechamiento integral de la cáscara de arroz

El presente trabajo tiene como objetivo realizar el diseño de un horno que permitirá la combustión controlada de la cáscara de arroz para obtener una ceniza con propiedades puzolánicas; el cual es un producto demandado para la elaboración de materiales refractarios y como adición reactiva en los hormigones de altas prestaciones. El estudio estará centrado en la CPA productora de arroz "Eulalio García", donde se pretende aprovechar la energía térmica de los gases de la combustión en distintos procesos agroindustriales. Los resultados muestran que la dimensión volumétrica de la cámara de combustión será de 0,72×0,72×1,06 m, mientras que la altura y el diámetro de la chimenea serán de 6,40 m y 0,42 m, respectivamente. El coeficiente de exceso de aire será de 1,55 y el volumen de aire a suministrar 4,34 m³/kgCA. La eficiencia del horno se estimó en 86,63 % y el calor útil en 10 585,74 kJ/kgCA.

The present paper aims to make the design of a furnace that allow controlled burning of rice husk for obtain a pozzolanic ash, which is a product demanded for the production of refractory materials and as an reactive addition in high performance concretes. The study will focus on CPA "Eulalio Garcia", which aims to exploit the thermal energy from the combustion gases in different agro-industrial processes. The results show that the volumetric dimension of the combustion chamber will be 0,72 × 0,72 × 1,06 m, while the height and diameter of the stack will be of 6,40 m and 0,42 m, respectively. The excess air ratio will be 1,55 and the volume of air to provide 4,34 m³/kgCA. Furnace efficiency was estimated to be 86,63 % and useful heat in 10 585,74 kJ/KgCA.

Implementación de modelos de control de los SVC en el programa PSX

Los dispositivos de compensación estática de reactivo (SVC) han adquirido auge en las aplicaciones a los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP). El SVC, también conocido como compensador estático de reactivo, es un equipamiento eléctrico usado para brindar una compensación de energía reactiva de rápida acción en redes de transmisión de electricidad de alto voltaje. Estos dispositivos brindan soluciones a problemas de estabilidad y control de la tensión de forma rápida y eficiente además son una alternativa para superar situaciones de transporte de energía eléctrica y calidad de suministro. Muchos de los software desarrollados a nivel mundial para el análisis de la operación de los SEP´s incluyen en sus estudios la modelación de los compensadores estáticos para evaluar su comportamiento ante averías o para realizar estudios de diseño y ubicación. En este artículo se describen los modelos implementados en el Paquete de programas PSX, usado por el Despacho Nacional de Cargas (DNC).

The devices of static compensation of reactive (SVC) have acquired prosperity in the applications to Electric Power Systems (SEP). The SVC, also known as reactive power static compensator, is used for offering a compensation of reactive power of fast action in high-voltage transmission grids. These devices offer solutions to problems of stability and control of the tension of fast and efficient form, and they are an alternative to surpass transmission situations of electric power and supplying quality between another one. Many of them software developed worldwide for the analysis of the operation of the SEPs include in his studies the modelation of the static compensators to evaluate your behavior in front of contingences or to accomplish designing studies and position. In this work the models implemented in the programs PSX themselves, used for Loads National Center (DNC).

Motores sincrónicos de reluctancia controlados con variadores de frecuencia: una aplicación para ahorrar energía

Se presenta un estudio sobre aplicaciones de los motores sincrónicos de reluctancia (MSR) controlados por accionamientos de frecuencia variable (AFV), que posibilitan el ahorro de energía. Se realizó una comparación entre las características constructivas de los MSR y los motores asincrónicos de jaula (MA), evaluando las ventajas y limitaciones que aquellos presentan. Una ventaja notable del MSR es que las pérdidas en el rotor se eliminan prácticamente. Una comparación experimental evidenció que para igual momento, el MSR presenta una mayor eficiencia; y que para igual incremento de temperatura, con las mismas dimensiones IEC, se logra más potencia. Por comparaciones entre datos de un fabricante, se demostró las ventajas de utilizar, con el mismo AFV y para cargas centrífugas, un MSR de mayor clase de eficiencia que la de un MA. Un análisis económico con técnicas de descuento, evidenció una atractiva recuperación de la inversión cuando se opera todo el año.

A study on applications of synchronous reluctance motor (SynRM) controlled by variable frequency drives (VFD) for energy saving is presented. A comparison between the basic construction elements of the SynRM and the squirrel cage induction motor (IM) is carried out, evaluating advantages and disadvantages. A nearly complete elimination of rotor losses is a significant asset of the SynRM. An experimental comparison showed that at the same torque, the SynRM presents a higher efficiency than the IM; and that at the same temperature rise, more power is obtained with the same IEC frame for both motor types. Comparing data from a manufacturer, the advantages of using, with the same VFD and for centrifugal loads, a higher efficiency class SynRM than that of a lower efficiency IM was demonstrated. An economical study using discount techniques, made evident an attractive pay back when operating all year around.

Ajuste de Estabilizadores de Potencia en generadores utilizando el paquete Power Systems Analysis Toolbox PSAT

La regulación de la tensión es el modo más elemental de control de los Sistemas Eléctricos de Potencia que mejora la estabilidad y la estabilidad transitoria. La introducción de reguladores de tensión muy rápidos facilita la capacidad del sistema de generar acciones que conserven su estabilidad (incremento del torque sincronizante). No obstante, estos dispositivos disminuyen el amortiguamiento del sistema. La forma más económica de mejorar el amortiguamiento de las oscilaciones mecánicas de las unidades generadoras se logra con la adición de un control suplementario agregado en el sistema de excitación, que se conoce como estabilizador de potencia (PSS, por sus siglas en inglés Power System Stabilizer). En el presente trabajo se utilizan las posibilidades del paquete PSAT para seleccionar la mejor ubicación y ajustar PSS en un sistema longitudinal sencillo de dos áreas, similar al caso del Sistema Eléctrico de la República de Cuba.

Normally, voltage regulation is the primary mode of control, which improves voltage and transient stability. The introduction of generator´s fast voltage regulators improves Electrical Power Systems ability to generate synchronizing torque to maintain stability. These control devices have a negative effect in damping system oscillations. Supplementary control in generator's voltage regulators (PSS) is the most economic solution to improve system damping. This supplementary control is obtained using power system dampers. PSAT abilities are used in order to obtain setting of this supplementary control in a simple longitudinal two areas system, similar to Cuban Electric Power System.

Procedimiento para la operación de un microsistema de grupos electrógenos diesel en situaciones excepcionales

En el presente trabajo se realiza una simulación de la operación del microsistema de los Grupos Electrógenos Diesel de los municipios Moa y Sagua de Tánamo en la provincia de Holguín, Cuba ante situaciones excepcionales. El método propuesto parte de la caracterización del Sistema Eléctrico de Potencia local y de la fundamentación del trabajo de los Grupos Electrógenos Diesel en régimen ISLA. Con la ayuda del Microsoft Excel se realiza un estudio del comportamiento de la demanda. Se evalúa la forma de operación del microsistema para el mes de mayor demanda en el día donde se alcanzó el máximo valor absoluto de la misma, como si actuara ante una situación excepcional con la posible desconexión del Sistema Electroenergético Nacional. Se propone un procedimiento para la toma de decisiones sobre la operación del microsistema en situaciones excepcionales y se realiza una simulación utilizando el Método Simplex de programación lineal.

This work presents a simulation of the operation of a microgrid of Diesel Generating Group in the Moa and Sagua of Tanamo municipalities (Holguin, Cuba) in some exceptional situation. The method proposed starts with the characterization of local electric power system and the foundation of the Diesel Generating Group in ISLA regimen. A study of the electric energy request behavior was make with the Microsoft Excel. It is evaluated the operation form of the microgrid for the day where the maximum absolute value of electric energy request was attained in the month with its greater value, as if it act in any exceptional situation moment disconnected of the national electric system. A procedure for the making decision on the operation of the microgrid facing exceptional situation is proposed and it is a simulation comes true utilizing programming linear method.

Impacto ecológico de los Intercambiadores de calor de tubo y coraza

Los intercambiadores de calor de tubo y coraza son de los equipos más importantes en la industria. Su diseño termodinámico se basa en el coeficiente global de transferencia de calor y la caída de presión total. En 2007 se estableció una nueva propiedad termodinámica denominada "Entransía", que expresa la capacidad de un cuerpo de transferir calor. A la pérdida de esa capacidad se le denomina "Disipación de Entransía". Para evaluar el impacto ecológico de las máquinas térmicas, Angulo-Brown creó en 1991 la llamada función ecológica. En el presente trabajo se combinó la disipación de entransía con la función ecológica y se creó una nueva expresión para evaluar el impacto ambiental de los intercambiadores de calor. Se realizó además la optimización muti-objetivo de estos equipos. Fueron utilizadas como funciones objetivo la función ecológica y el costo. Para realizar la optimización se utilizó el método de los Algoritmos Genéticos.

Shell and tube heat exchangers are ones the most important equipment in the industry. Their thermodynamic design is based on the global heat transference coefficient and the pressure drop. In 2007 was settled a new thermodynamic property denominated "Entransy", which expresses the capacity of a body to transfer heat. The loss of this capacity is denominated "Entransy Dissipation". For evaluating the ecological impact of thermal machines, Angulo-Brown created in 1991 the "ecological function". In this paper the"entransy dissipation" and the ecological function were combined and a new expression for evaluating the ecological impact of shell and tube heat exchangers was created. A multi-objective optimization of this equipment wasalso realized. The ecological function and the cost wereused as objective functions. For carry out the optimization the method of the Genetic Algorithms was used.

Análisis y optimización de una celda de combustible de membrana de intercambio protónico

En el presente trabajo se realizó la modelación tridimensional y estacionaria de una celda de combustible de intercambio protónico empleando técnicas de modelación de dinámica de fluidos computacional, específicamente el software ANSYS FLUENT 14.5. El modelo fue comparado con datos experimentales y con resultados de otro modelo. Se analizaron los parámetros de operación del dispositivo presión y temperatura, sentido de los flujos, porosidad de los electrodos, humidificación de los gases y concentración de oxígeno. Se optimizó el diseño de la celda teniendo en cuenta las dimensiones de los canales y el espesor de la membrana. Se analizó el rendimiento de la celda funcionando con la membrana SPEEK (por sus siglas en inglés). Para realizar este estudio fue necesario modificar la expresión que describe la conductividad iónica. Se encontró que el rendimiento del dispositivo tiene gran sensibilidad a la variación de los parámetros termodinámicos y la composición de los gases.

This paper proposes a three-dimensional, non-isothermal and steady-state model of Proton Exchange Membrane Fuel Cell using Computational Fluid Dynamic techniques, specifically ANSYS FLUENT 14.5. It's considered multicomponent diffusion and two-phasic flow. The model was compared with experimental published data and with another model. The operation parameters: reactants pressure and temperature, gases flow direction, gas diffusion layer and catalyst layer porosity, reactants humidification and oxygen concentration are analyzed. The model allows the fuel cell design optimization taking in consideration the channels dimensions, the channels length and the membrane thickness. Furthermore, fuel cell performance is analyzed working with SPEEK membrane, an alternative electrolyte to Nafion. In order to carry on membrane material study, it's necessary to modify the expression that describes the electrolyte ionic conductivity. It's found that the device performance has got a great sensibility to pressure, temperature, reactant humidification and oxygen concentration variations.