Ingeniería Mecánica

Design simulation and construction of an evaporator coil in the Colombian sugar cane industry

En este trabajo se realizó el diseño, la construcción y simulación de un serpentín evaporador para una industria mediana panelera, ubicada en Colombia. El propósito del diseño fue mejorar la geometría del serpentín existente para disminuir tiempo de evaporación del jugo de caña, y consecuentemente el uso de combustible en el proceso. El modelo de termo-transferencia consideró correlaciones para obtener el coeficiente de transferencia de calor del jugo. Adicionalmente se incluyeron aspectos relacionados con el área mínima de intercambio, número de tubos y pasos del serpentín. La simulación permitió, a partir del campo de temperaturas, identificar la geometría más adecuada para la construcción del mismo evitando puntos fríos y de condensación. Los resultados experimentales y de simulación indicaron menor tiempo de evaporación con presiones de vapor inferiores a las que opera el sistema original, lo que se ve reflejado en la disminución del consumo de bagazo durante la generación de vapor.

This paper describes the design, construction and numerical simulation of a coil for the evaporation process of the juice of sugar cane process in Colombia. The purpose of this design is to improve the geometry of the existing coil to decrease the evaporation time and consequently the use of fuel. The heat transfer model includes an empirical correlation for obtaining the cane juice heat convection coefficient. In addition, aspects related to the minimum exchange area, the number of tubes and the steps of the coil were included. Using the temperature field obtained from the numerical simulation, we identify the most suitable geometry for the construction of the coil. The simulation and the experimental evaluation in field results show that lower evaporation times are achieved at lower vapor pressures than the original system, which is reflected in the reduction of bagasse consumption during steam generation.

Pretreatments of residual cooking fats for biodiesel production

Fue estudiado el pretratamiento de grasa residual de cocción de alimentos de alto índice de acidez con el fin de utilizarla como materia prima en la producción de biodiesel.. Fueron estudiados tres métodos para el pre-tratamiento de la grasa: la esterificación de ácidos grasos libres, la neutralización de ácidos grasos libres y el exceso de catalizador en la reacción de transesterificación. En la obtención del biodiesel se usó la reacción de transesterificación alcalina con etanol anhidro como reactivo y NaOH. como catalizador. Como conclusión, se produjo el biocombustible a partir de las grasas tratadas por los tres métodos estudiados, la presencia de los ésteres etílicos característicos del biodiesel fue comprobada por cromatografía gaseosa.

It was studied the pre-treatment of residual fat cooking food of high acidity index in order to use it as raw material in the production of biodiesel. Three methods were studied for pre-treatment of fat: esterification of free fatty acids, neutralization of free fatty acids and excess catalyst in transesterification reaction. In biodiesel production, alkaline transesterification reaction was used with anhydrous ethanol as the reagent and NaOH as catalyst. As a conclusion, the biofuel was produced from the fats treated by the three methods studied; the presence of the ethyl esters characteristic of the biodiesel was verified by gas chromatography.

Performance study of mild steel drilling with carbide uncoated tools with and without cutting fluids

Este trabajo presentó un estudio comparativo del desempeño en el taladrado con brocas helicoidales no revestidas en la confección de piezas perforadas de acero de bajo contenido de carbono. Fue usado como criterio de fin de vida el colapso final de la herramienta. Se contabilizó el número de agujeros fabricados usando dos tipos diferentes de fluidos de corte. Los resultados obtenidos apuntan a una pequeña diferencia entre los rendimientos de la operación para ambos medios de lubrirefrigeración. Esta constatación es importantísima en ambientes productivos debido a que la diferencia de costo entre ambos fluidos está en el orden de 1:10.

This paper presented a comparative study of performance in drilling with uncoated twist drills in the manufacture of mild steel parts. Using the final collapse of the tool as the criteria of end of life, the numbers of manufactured holes using two different types of cutting fluids were compared. The results point to a slight difference between the yields for both lubrirefrigeration media. This finding is important in production environments if one have in mind that the cost difference between the two fluids is in the order of 1:10.

Simulation of Sxx stresses in successive scratch cycles on a coated system

El principal objetivo de este estudio se centró en analizar por elementos finitos el efecto que tiene la repetición de varios ciclos de rayado en el mismo surco sobre la superficie de un sistema recubierto, en el comportamiento del esfuerzo normal Sxx. Para esto, se desarrolló un modelo de simulación que reproduce el contacto y deslizamiento de una partícula rígida sobre la superficie de un sistema recubierto y que permite la imposición de esfuerzos residuales, aumento de carga de contacto y aumento del coeficiente de fricción. Los resultados demuestran que el valor de esfuerzo obtenido en la superficie puede sobrepasar el valor de resistencia del recubrimiento en el primer ciclo de rayado, así como demuestran el papel protector que tienen los esfuerzos residuales en el recubrimiento.

The main objective of this study is to analyze by finite elements simulation, the effect in the normal stress Sxx behavior, due the several scratching cycles development in the same groove at the surface of a coated system. For this reason, a simulation model was development to reproducing the contact and slip of a rigid particle on the surface of a coated system, allowing the imposition of residual stresses, increase of contact load and increase of the coefficient of friction. The results demonstrate the protective role of the residual stresses in the coating, and demonstrate the importance of the increase of the normal load and the friction coefficient, which lead to obtain high level stresses along the scratch test.

Multiobjective optimization of an automatic submerged arc-welding process of JIS 3116 steel

En este artículo se logró el uso de un diseño ortogonal para la optimización multiobjetivo del proceso de soldadura bajo arco sumergido del acero JIS 3116, empleando el método de algoritmos genéticos. Se seleccionaron como variables independientes los regímenes del proceso: voltaje, intensidad de la corriente y velocidad de la soldadura. Además se tuvieron en cuenta los parámetros geométricos de la unión soldada como restricciones de la optimización. Como funciones objetivos del proceso fueron seleccionados: el coeficiente de depósito y la dilución. Los resultados obtenidos fueron representados gráficamente en la frontera de Pareto y consecuentemente analizados, con el fin de seleccionar la solución adecuada para diferentes preferencias del proceso, permitiendo la comparación con parámetros empleados antes de la optimización.

This paper reports the use of an orthogonal array for multi-objective optimization of the submerged arc welding process of JIS 3116 steel, by usingthe genetic algorithm based-method. Three process parameters were selected as independent variables: arc voltage, current intensity and welding speed. In addition, the geometric parameters of the welded joint were considered as constraints of the optimization problem. Two objective functions were selected: the deposition rate and dilution. Finally, the obtained outcomes were arranged in graphical form (Paretos front) and analyzed to make the proper decision for different process preferences, allowing the comparison with the parameters used before the optimization task.

Posynomial fitting combiding Particle Swarm and Nonlinear Programming Methods

El desempeño de los métodos determinísticos de programación no-lineal es altamente sensible de la selección de la aproximación inicial, en particular cuando se trata de la obtención de un óptimo global, como es requerido en el ajuste posinomial. El presente trabajo tuvo como objetivo, generar la aproximación inicial a través de la metaheurística enjambre de partículas, para mejorar el desempeño de los métodos de programación no-lineal en el ajuste posinomial. A partir de pruebas no paramétricas que se realizaron para la comparación de los resultados obtenidos en los problemas considerados, se observó que las diferencias existentes entre los resultados del ajuste posinomial, con y sin la aplicación de la propuesta de mejora, son significativas. Además, se constató que la metodología de mejora desarrollada permite obtener un buen desempeño de los métodos de programación no-lineal en el ajuste posinomial, lo que redunda en la obtención de modelos posinomiales de calidad.

The performance of deterministic methods of nonlinear programming is highly sensitive to the selection of the initial approximation, particularly when it comes to obtaining an overall optimum, as required in the posyinomial fitting. The present work aimed to generate the initial approximation through of particle swarm metaheuristic, to improve the performance of non-linear programming methods in posyinomial fitting. From the non-parametric tests performed for the comparison of the results obtained in the considered problems, it was observed that the differences between the results of the posyinomial fitting, with and without the application of the improvement proposal, are significant. In addition, it was found that the improvement methodology developed allows to obtain a good performance of the non-linear programming methods in the posynomial fitting, which results in the obtaining of quality posynomial models.

Comparative study of the power consumption in two different configurations of medium-length slurry pumping systems

The hydraulic transport of slurries by means of piping systems is characterized by an elevated power consumption. This study investigates the relationships among the four variables that define the slurry transportation system: length L and diameter D of system and granulometry D50 and concentration Cv of iron ore with aiming to minimize the power requirements. A thermodynamic energetic indicator I, was computed via numerical simulation. Optimization of the computational effort was carried out by using the 2k factorial design. The results show that all variables are significant on the indicator I, with pipe length having the greatest amplitude of variation in the response. The second order interactions indicates that only two combinations are correlated, namely the granulometry and length and diameter and length. Trough the statistical approach, predictive models have been obtained. The results allow designers to identify which of the analysed pipeline system layouts represents the minimum power requirement.

El transporte hidráulico de relaves por medio de sistemas de tuberías se caracteriza por un elevado consumo de energía. El presente trabajo investiga la relación entre las variables que definen el sistema de transporte de relaves: la longitud L y el diámetro de la tubería D del sistema y la granulometría D50 y la concentración volumétrica Cv del mineral de hierro con el objetivo de minimizar los requerimientos de consumo de energía. Un indicador termodinámico I fue calculado mediante simulación numérica. La optimización del esfuerzo computacional se realizó a través de un diseño factorial 2k. Los resultados muestran que los cuatro factores estudiados son significativos en el indicador I, siendo L la que presenta mayor amplitud de variación en la respuesta. La interacción de segunda orden, indicó que sólo dos combinaciones de variables están correlacionadas, D50 y L y D y L. A través de esta técnica estadística, modelos predictivos pueden ser obtenidos. Los resultados permiten a los diseñadores identificar cuál de los esquemas analizados presenta el requerimiento mínimo de energía.

Carbon materials for syngas conditioning and tar removal

En el marco del contexto energético mundial actual, el desarrollo de procesos y tecnologías para la producción de energía a partir de fuentes alternativas y renovables, es una prioridad. La gasificación, se presenta en este sentido como un proceso de especial interés, ya que permite la transformación de diversos tipos de biomasa en gases combustibles. El principal inconveniente que se presenta, es el hecho de que los gases producidos tienen altos contenidos de alquitranes, que deben ser eliminados antes de ser usados en motores de combustión o turbinas. El presente trabajo busca desarrollar un análisis de la situación actual de los métodos de remoción de alquitranes haciendo énfasis en el uso de diferentes tipos de materiales carbonosos.

Within the framework of worldwide energy context, the development of technologies and processes for energy production form renewable and non-conventional sources is a priority. According to this, gasification is an interesting process that converts different kinds of organic materials in fuel gases. The main issue related with this process is the fact that the producer gas contains also contaminants and tars that are undesirable for the gas usage in internal combustion motors or turbines. The present work aims to analyze the actual state of the existing methods to remove tars form gasification fuel gases, emphasizing the use of different kinds of carbon materials.