Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Modelling of induction motor inter-turn faults for diagnostics studies

En este trabajo se presenta la implementación en Matlab del modelo del motor de inducción para realizar estudios de cortocircuitos entre espiras del estator. Para este propósito se usan los bloques del Simulink y los parámetros requeridos por el modelo son obtenidos a partir de la norma IEEE112. Se presentan los resultados teóricos, se muestra la aplicación del modelo en la determinación de la corriente de secuencia negativa como indicador de falla y se describen los resultados de la aplicación experimental a un motor de inducción de 2 Hp el cual se ha acondicionado para realizar corto entre espiras. Se concluye el buen desempeño del modelo al permitir obtener con precisión variables indicativas de fallas en el devanado estatórico de un motor de inducción.

The implementation in Simulink of an induction motor model to study inter-turn short circuits on the stator winding is presented in this paper. The theoretical results are presented. The main parameters of the motor are determined and the experimental results in a 2 Hp induction motors which have been prepared to make for inter-turn short circuits are described.

Inter-turn shortcircuit analysis in an induction machine by finit elements method

En este artículo se realiza el análisis del par y la impedancia de secuencia inversa con la evolución de una falla de cortocircuito entre espiras de un devanado estatórico de un motor de inducción tipo jaula de ardilla de 3HP, 220V.

The torque and sequence negative impedance analysis with the evolution of short-circuit turns of the stator phase winding in a 3HP induction machine is performed in the present paper.

CFD Numerical simulations of Francis turbines

In this paper the description of the internal flow in a Francis turbine is addressed from a numerical point of view. The simulation methodology depends on the objectives. On the one hand, steady simulations are able to provide the hill chart of the turbine and energetic losses in its components. On the other hand, unsteady simulations are required to investigate the fluctuating pressure dynamics and the rotor-stator interaction. Both strategies are applied in this paper to a working Francis turbine in Colombia. The employed CFD package is ANSYS-CFX v. 11. The obtained results are in good agreement with the in site experiments, especially for the characteristic curve.

En este artículo se aborda la simulación numérica del flujo en el interior de una turbina Francis. La metodología a seguir para la simulación del flujo en una turbina Francis depende de los objetivos perseguidos: mientras que para determinar la curva característica y las pérdidas de energía en los diferentes componentes basta una aproximación estacionaria, para investigar las interacciones rotor - estator o las fluctuaciones de presión en el rodete se requiere realizar un cálculo transitorio. Ambas estrategias se presentan en este artículo aplicadas a una turbina Francis en explotación en Colombia. La simulación se realiza por medio del paquete computacional Ansys CFX v. 11. Los resultados de la simulación comparan satisfactoriamente con las medidas experimentales realizadas sobre la máquina, especialmente en el caso de la curva característica.

Analysis of a system of storage heat thermal using magnesium chloride hexahydrate

Se simuló el comportamiento del cloruro de magnesio hexahidratado (MgCl2*6H2O) como almacenador de energía térmica, que posee una temperatura de transición de fase de 117ºC; lo que lo convierte en un material con gran potencial en el área de las aplicaciones de mediana temperatura (aplicaciones industriales). Se desarrolló una simulación CFD usando el software FLUENT para describir la fusión/solidificación de la sal hidratada. Se observó el efecto del uso de aletas y las fuerzas boyantes producidas por los efectos gravitacionales.

It was analyzed the behavior of hexahydrate magnesium chloride (MgCl2*6H2O) as a thermal energy storage, which has a phase transition temperature of 117ºC and is becoming a material with great potential in the application of medium temperature (industrial applications). It was developed a simulation using the CFD software FLUENT to describe the melting/solidification of the hydrated salt. It was observed the effect of the use of fins and buoyant forces produced by gravitational effects.

Multiobjective analysis to an energy system

Se presenta una metodología reciente para optimización de un sistema energético complejo introduciendo factores externos, basada en el desarrollo de fronteras Pareto -óptimas a partir de algoritmos evolutivos multiobjetivos (AEMO) empleados en la resolución de problemas energéticos reales de optimización no lineal. Se incluyen objetivos: termo-económico, tecnológico y ambiental, a los cuales se les asigna un peso para evaluar la función de aptitud, formada por una suma de promedios de cada objetivo. El sistema energético complejo está formado por un ciclo combinado (subsistema I) y un gasificador (subsistema II). El desempeño de los pesos en cada objetivo se modela por reglas heurísticas, mientras que las modificaciones de las variables de decisión se basan en aplicaciones aleatorias. La metodología expuesta, permite evaluar funciones objetivo formadas por costos del combustible, costos variables de operación y costos de mantenimiento, los cuales están incluidos en la ecuación de capital de inversión. Las metas en la optimización del sistema global son minimizar los costos del producto, minimizar los residuos de la combustión y maximizar la eficiencia exergética.

An optimization methodology for complex energy system introducing external factors based on the newly developed Pareto-based multiobjective evolutionary algorithms (MOEA) used for solving a real-world power systems multiobjective nonlinear optimization problem is presented. The thermoeconomic, technology and environment objectives are included in this methodology and weights are assigned to each objective for evaluating the fitness and average sum. The complex energy system is integrated by a combined-cycle power plant (subsystem I) and a gasifier (subsystem II).

Use of the information gathered during I/M programs to estimate emissions from gasoline vehicles

Currently, most of the vehicular emissions inventories developed for large cities are based on the emissions factors developed by the US EPA. Trying to use the US EPA MOBILE tool, the local environmental authorities concentrate their efforts in modifying those emissions factors to take care of the particular characteristics of each city. However, there is still a need for a methodology based on experimental tests to improve the accuracy of the emission inventories developed for large cities. To address this need, the present work proposes a methodology to improve the accuracy of the vehicular emissions inventory using the information gathered during the inspection and maintenance (I/M) programs where the emissions of 100% of the vehicular fleet is evaluated using the ASM 5015, ASM 2525 or similar type of tests. Experimental work on road and on a chassis dynamometer was developed to explore the feasibility of implementing such methodology for the case of the constant speed mode of operation in a particular type of car. Preliminary results show that the proposed methodology has the potential to be implemented for the case of constant speed mode of operation.

Actualmente, la mayoría de los inventarios de emisiones realizados para los grandes centros urbanos están basados en los factores de emisión recomendados por la US EPA. Buscando usar la herramienta MOBILE de esta agencia, las autoridades ambientales concentran su esfuerzo en modificar esos factores de emisión para que tomen en cuenta las características particulares de cada ciudad. Sin embargo, aun permanece la necesidad de una metodología que basada en datos experimentales mejore la precisión de los inventarios de emisiones realizados para los grandes centros urbanos. Para atender esta necesidad, el presente trabajo propone una metodología que se basa en la información recolectada en los programas de inspección y mantenimiento (I/M) donde el 100% de la flota vehicular es evaluada usando los protocolo de pruebas ASM 5015, ASM 2525 o similares. Se realizó trabajo experimental en pista y sobre dinamómetro de chasis para explorar la posibilidad de implementar la metodología propuesta para el caso de un vehículo operando a condiciones de estado estable. Los resultados experimentales muestran que la metodología propuesta tiene el potencial de ser implementada para el caso de velocidad constante.

Evaluation of nitrogen oxide emissions and smoke opacity in a HSDI diesel engine fuelled with palm oil biodiesel

In this paper, an experimental study evaluating engine performance, nitrogen oxide emissions (NOx) and smoke opacity of a HSDI (high speed direct injection) diesel engine fuelled with neat palm oil biodiesel (POB) is presented. Tests were performed in a bench-mounted automotive diesel engine operating under steady state conditions. Conventional diesel fuel was taken as base line or reference fuel. Results show that at full-load operation POB led to a power output decrease between 10% and 17% and an effective specific fuel consumption increase between 14% and 22%. At full-load and low engine speeds an increase of 20% in NOx emissions was measured. However, at the same torque rating and high engine speeds a 6% decrease in such emissions was obtained. At partial-load, NOx emissions always increased using POB, this effect being more pronounced at low speeds. On the other hand, smoke opacity significantly decreased (between 40% and 80%) regardless of engine load. According to the experimental results POB fuelling reduced engine power output, increased fuel consumption, increased slightly efficiency, always decreased smoke opacity, and reduced or increased NOx emissions depending on the engine operation mode.

En este artículo se presenta un estudio experimental evaluando las prestaciones mecánicas, las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y la opacidad de humos de un motor diesel de alta velocidad e inyección directa operando con biodiesel de palma puro. Las pruebas se llevaron a cabo en un motor de automoción montado en un banco de ensayos y operando bajo condiciones estacionarias. Como línea base o combustible de referencia se tomó combustible diesel convencional. Los resultados indican que la utilización del biodiesel de palma, operando el motor a condiciones de plena carga, condujo a una disminución de potencia entre 10% y 17% y a un aumento en el consumo de combustible entre 14% y 22%. A plena carga y bajos regímenes de giro se midió un incremento en los óxidos de nitrógeno en torno a 20%. Sin embargo, bajo las mismas condiciones de carga y altas velocidades del motor se obtuvo una disminución del 6%. A carga parcial siempre se obtuvieron incrementos en las emisiones de NOx al usar biodiesel de palma, siendo más pronunciado el efecto a bajo régimen de giro. Por su parte, la opacidad de humos disminuyó significativamente (entre 40% y 80%) independiente del grado de carga. De acuerdo con los resultados experimentales, el uso del biodiesel de aceite puro de palma disminuyó la potencia entregada por el motor, aumentó el consumo de combustible, incrementó ligeramente la eficiencia, disminuyó siempre la opacidad de humos, y disminuyó o aumentó las emisiones de óxidos de nitrógeno dependiendo del modo de operación del motor.

Dynamic and energy behavior of a bus fuelled with natural gas

En este artículo se calculó la potencia teórica requerida por un vehículo para cuatro casos de funcionamiento (2 velocidades y dos pendientes diferentes) con la ayuda de la dinámica longitudinal. Mediciones experimentales del consumo instantáneo de combustible, en conjunto con las potencias teóricas permitieron hallar la eficiencia energética global de un bus con motor a gas natural. Al aumentar la pendiente de la carretera o aumentar la velocidad del bus, la eficiencia energética global se incrementó. La variación de la pendiente de 0 a 7% hizo cambiar la eficiencia de 25,4 a 27,6% mientras que el cambio de velocidad de 15 a 40 km/h hizo que la eficiencia pasara de 25,9 a 27,1%. Para los rangos seleccionados de velocidad y pendiente, la eficiencia presentó un incremento al aumentar velocidad y pendiente, siendo un poco mayor con la pendiente.

In this paper the theoretical power of a vehicle under four operating conditions was calculated using longitudinal dynamics. Experimental measurements were carried out in order to find the specific fuel consumption under those operating conditions, in such a way that the global energy efficiency was obtained for a bus provided with natural gas engine. When the slope was changed from 0 to 7%, the efficiency varied from 25.4 to 27.6%; while the velocity change from 15 to 40 km/h, produced a change of 25.9 to 27.1% in energy efficiency. Both, velocity and slope produced an increase in energy efficiency when moved from low to high values. The slope has higher effect on efficiency than velocity.

Production of crude palm oil biodiesel by heterogeneous catalysis

Se estudió la producción de biodiesel de aceite crudo de palma mediante el uso de catalizadores heterogéneos ácidos y básicos para las etapas de preesterificación y transesterificación respectivamente. La pre-esterificación es necesaria para aceites con una acidez superior al 4% de ácidos grasos libres, ya que se evitan los problemas asociados con la formación de jabones. En ambas reacciones las variables analizadas fueron el tipo de catalizador, la temperatura y el tiempo. Se analizó la conversión del aceite a metilésteres usando cromatografía gaseosa y la estabilidad de los catalizadores mediante su reutilización. En la etapa de pre-esterificación se encontró que catalizadores ácidos del tipo resinas de poliestireno sulfonadas presentan conversiones superiores al 87% estabilidad para la esterificación de los ácidos grasos libres. Para la transesterificación se estudiaron como catalizadores heterogéneos, el carbonato de potasio libre y soportado en una matriz polimérica, obteniéndose con ambos conversiones superiores a 95 % de biodiesel; con el uso del soporte polimérico se disminuyó la velocidad de disolución de carbonato de potasio, permitiendo su reutilización hasta 10 reutilizaciones.

The production of crude palm oil biodiesel was studied by using acid and basic heterogeneous catalysts by pre-esterification and transesterification steps, respectively. Pre-esterification step is necessary for high free fatty acid content oils because problems associated with soap formation are avoided. In both reactions the variables analyzed were catalyst type, temperature and time. Conversion of oil to methyl ester was analyzed using gas chromatography and the stability of catalysts by means of reutilization. In the pre-esterification step it was found that acid catalysts type sulfonated polystyrene resin show high conversion and stability for the esterification of free fatty acids. Heterogeneous catalysts both free and supported in a polymeric matrix potassium carbonate were studied for transesterification. High conversions to biodiesel were obtained. Using the polymeric matrix decreased the potassium carbonate dissolution rate, allowing its reutilization.

Energy and exergy analysis of ethanol production process from banana fruit

Una alternativa para la producción de etanol, consiste en el aprovechamiento de residuos vegetales, como los excedentes de la producción de banano, que en Colombia alcanzan 2.400.000 t/año entre: banano de rechazo y material lignocelulósico. En este trabajo se analiza el comportamiento energético y exergético al escalar el proceso desarrollado a nivel de laboratorio a una planta de producción que utilice el banano para la producción de etanol, involucrando: cultivo y transporte del material vegetal, hidrólisis del banano, fermentación de los azúcares, destilación del etanol y planta de utilidades. Adicionalmente, se obtiene indicadores en base energética y exergética para evaluar el proceso. Los resultados de la evaluación muestran que el proceso de obtención de etanol a partir de la fruta del banano presenta un balance energético positivo pero se podrían realizar algunas modificaciones buscando aumentar la eficiencia exergética del proceso.

An alternative for ethanol production, is the use of vegetable waste, such as excess of banana production, that are evaluated in 2,400,000 t/year, which includes: residual banana fruit and lignocellulosic material. This paper analyzes the energetic and exergetic behavior to carry the process developed at laboratory scale to a plant processing of banana for the ethanol production, involving: growing and transport of the vegetable material, hydrolysis of banana fruit, sugar fermentation, ethanol distillation and utility plant. Finally, energy and exergy indicators are obtained. The results show a positive energy balance when banana fruit is used for ethanol production, but some process modification must be done looking for improving the exergetic efficiency in ethanol production.

Fluidized bed rice husk combustion experiments for the production of silica-rich ash

A fin de contribuir con la valorización de residuos agrícolas que presentan dificultades de disposición, la utilización de energéticos renovables y la obtención de formas de energía más limpias y amigables con el medio ambiente, se investigó la combustión de cascarilla de arroz en un reactor de lecho fluidizado burbujeante y atmosférico. La metodología consistió en evaluar la influencia de altos excesos de aire, en la obtención de gases calientes y ceniza con altos contenidos de sílice en estado amorfo. Excesos de aire en el rango de 40% al 125%, mostraron que los valores cercanos al límite inferior establecido (40%) favorecieron temperaturas superiores a 700ºC en el interior del reactor, dando origen a mayores eficiencias de conversión de la cascarilla, pero disminuyendo el potencial amorfo de la sílice contenida en la ceniza. Comportamiento contrario fue evidenciado en el límite superior del exceso de aire. Las concentraciones de los gases del proceso mostraron relativa variabilidad para cada condición de operación. Para el caso del CO, se reportaron emisiones promedio de 200 ppm (en una base seca del 11% de O2), para los excesos de aire comprendidos entre 40% y 82,5%.

Aiming to contribute with the valorization of agricultural wastes that present disposal problems and the use of renewable energy sources, was researched the rice husk combustion in atmospheric bubbling fluidized bed reactor. The methodology was to evaluate the air excess influence in the flue gases and the ash characteristics. It was determined the gases composition (CO, CO2 and NOx) and characterized the ash generated (XRD, XRF). 40% excess air promotes temperatures inside the reactor around 700ºC with higher conversion efficiencies, but declining the amorphous silica potential of the ash. Contrary behavior was evidenced at 128% excess air. The flue gases showed relative variability for each operating condition. In the CO case, an average concentration of 200 ppm was found (on a dry basis of 11% O2) for air excess between 40% and 82,5%.

Chlorothalonil photodegradation study using Fenton and photocathalysis techniques with titanium dioxide by means of solar radiation

Para el diseño de sistemas de tratamiento de afluentes residuales se requiere determinar el tiempo de degradación de los contaminantes a escala y con dicha información se puede calcular el tiempo de residencia del agua en el tratamiento seleccionado. En los sistemas de tratamiento con colectores solares, el tiempo de fotodegradación del contaminante dependerá de la intensidad de radiación solar, la cual varía con la hora del día y las condiciones ambientales. En el presente trabajo mediante un colector solar se evaluó la fotodegradación del plaguicida Clorotalonilo con dióxido de titanio y con el reactivo de Fenton, respectivamente, realizándose los ensayos en la ciudad de Medellín (6º latitud norte y 1570 metros sobre el nivel del mar, msnm). El 95% de la degradación del Clorotalonilo se alcanzó con 500 mg/l de TiO2 y 1,0 mg/l de persulfato de sodio en 4 horas de irradiación solar, con una energía acumulada de 15,1 kJ/l. Igual porcentaje se alcanzó con 10 mg/l de ión Férrico en 18 horas de irradiación solar con una energía acumulada de 38 kJ/l. La cinética de degradación fue de primer orden con ambas técnicas de tratamiento, pero con el dióxido de titanio se obtuvo una mayor constante de degradación y un mayor grado de mineralización (80%) que con el foto-Fenton (72%). La mineralización de los compuestos orgánicos (Clorotalonilo y subproductos de degradación) se comprobó por la desaparición del carbono orgánico total (COT) y la formación de cloruros y nitratos. Se detectaron 6 productos de degradación que a pesar de su baja concentración pueden ser los responsables de la alta toxicidad del efluente final en los bioensayos con Dapnhia pulex.

For the design of wastewater treatment systems it is required to determine the degradation time of the pollutants to scale, and with said information the residence time of the water in the selected treatment can be calculated. In treatment systems with solar collectors, the photodegradation time of the pollutant will depend on the intensity of the solar radiation, which varies with the time of day, and the environmental conditions. In this research work the photodegradation of the pesticide Chlorothalonil with titanium dioxide and with Fenton reactive, respectively, was evaluated using a solar collector. The experiments were carried out in the city of Medellín (6º North latitude, 1570 meters above sea level, m.s.l.). 95% of the Chlorothalonil degradation was reached with 500 mg/l TiO2 and 1,0 mg/l sodium persulfate in 4 h of solar irradiation, with an accumulated energy of 15,1 kJ/l. The same percentage was reached with 10 mg/l ferric ion in 18 hours of solar irradiation with an accumulated energy of 38 kJ/l. The degradation kinetics was first order with both treatment techniques, but a higher degradation constant and a higher mineralization degree (80%) was obtained with titanium dioxide compared with photofenton (72%). The organic compounds mineralization (Chlorothalonil and degradation subproducts) was verified by the disappearance of the total organic carbon (TOC) and the chlorides and nitrates formation. Six degradation products were detected, and in spite of their low concentration, they can be responsible of the high toxicity of the final effluent in the bioassays with Dapnhia pulex.