Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Integration of LFP-second life batteries as a storage in a smart microgrid

ABSTRACT In recent years, there has been an increasing commitment to give batteries a second life, as they are being consumed for different uses and the recycling methods are not defined. This work aims to show how a storage system based on disused Lithium Iron Phosphate (LFP) batteries has been recovered and integrated into the CE.D.E.R- CIEMAT smart microgrid over a period of ten years during which the operation of the system has been affected. During the recovery process, the cells have been classified according to their voltage, and a series of charge-discharge processes have been carried out on them at different voltages to determine their state of health and capacity. Once characterised, the system was assembled and commissioned with the appropriate cells. In addition, for the storage system, a Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) has been developed in Home Assistant for its integration into the CE.D.E.R.'s microgrid management system. This allows the microgrid to be managed more efficiently, storing surplus energy from distributed generation sources and discharging the stored energy during peak consumption periods to reduce peaks, reduce discharges to the distribution grid and reduce the cost of electricity bills.

RESUMEN Ante el aumento del consumo y producción de baterías para diferentes usos en los últimos años y la problemática actual en la definición de los métodos de reciclaje, se apuesta cada vez más por dar una segunda vida a las baterías. El propósito de este trabajo es mostrar cómo se ha realizado la recuperación e integración en la microrred inteligente del CE.D.E.R.-CIEMAT de un sistema de almacenamiento basado en baterías Litio Ferro-Fosfato (LFP) en desuso durante diez años en los que se ha visto afectada la operación del sistema. Durante el proceso de recuperación, se han clasificado las celdas en base a su tensión y se les ha realizado una serie de procesos de carga-descarga a diferentes tensiones para determinar el estado de salud y capacidad. Una vez caracterizadas, se ha procedido al montaje y puesta en marcha del sistema con las celdas adecuadas. Además, se ha desarrollado un Control Supervisor y Adquisición de Datos (SCADA) del sistema de almacenamiento en Home Assistant para su integración en el sistema de gestión de la microrred del CE.D.E.R.. Esto permite gestionar la microrred de forma más eficiente, almacenando los excedentes energéticos de las fuentes de generación distribuida y vertiendo la energía almacenada en periodos de máximo consumo con el objetivo de reducir los picos, reducir los vertidos a la red de distribución y disminuir el coste en la factura de la luz.

Seismic vulnerability assessment of bridges. The case of the Oran region, Algeria

ABSTRACT The recent devastating earthquakes have revealed that bridges are one of the most vulnerable components of transportation systems. These seismic events highlighted the need to mitigate the risk resulting from the failure of bridges. This study aims to consider the seismic risk of an extensive heritage of existing civil engineering structures proceeding with prioritization. This imposes the need to consider the design of a geographic information system (GIS) based on the analysis of the different components of risk: hazard, vulnerability, and risk. The assessment of the seismic vulnerability of bridges integrates the various structural and non-structural components of bridges, taking into account their specificities in Algeria. The application of this approach to the Oran region has resulted in the development of a tool using a database to process as much geolocated information as possible, thus contributing to more efficient crisis management, and making it possible to avoid bridge damage and failures that can result in loss of life and monetary losses. This tool could also be used for the inspection of bridges as well as the optimal prioritization of preventive and corrective measures necessary before a major earthquake hits the bridge network in the Oran Region.

RESUMEN Los devastadores terremotos recientes han revelado que los puentes son uno de los componentes más vulnerables de los sistemas de transporte. Estos eventos sísmicos destacaron la necesidad de mitigar el riesgo derivado de la falla de los puentes. Este estudio tiene como objetivo considerar el riesgo sísmico de un extenso patrimonio de estructuras de ingeniería civil existentes procediendo a la priorización. Esto impone la necesidad de considerar el diseño de un sistema de información geográfica (SIG) basado en el análisis de los diferentes componentes del riesgo: peligro, vulnerabilidad y riesgo La evaluación de la vulnerabilidad sísmica de los puentes integra los diversos componentes estructurales y no estructurales de los puentes, teniendo en cuenta sus especificidades en Argelia. La aplicación de este enfoque a la región de Orán ha dado como resultado el desarrollo de una herramienta que utiliza una base de datos para procesar la mayor cantidad posible de información geolocalizada, contribuyendo así a una gestión de crisis más eficiente y evitando daños en puentes y fallas que pueden resultar en pérdida de vidas y pérdidas monetarias. Esta herramienta también podría utilizarse para la inspección de puentes, así como para la priorización óptima de las medidas preventivas y correctivas necesarias antes de que un gran terremoto golpee la red de puentes en la región de Orán.

Valuating the IMERG precipitation satellite product to derive intensity-duration-frequency curves in Colombia

ABSTRACT This article explores the potentialities of the IMERG V06B FINAL product for estimating Intensity-Duration-Frequency curves in Colombia, using the in-situ data available for 110 rain gauges. From observed data for 76 of these stations, we validated the satellite IMERG precipitation data for the period 2001-2019, at daily, monthly, and annual resolutions. For 60 stations, better results were obtained for the monthly time aggregation, followed by the yearly and daily scales, suggesting that seasonality is the main rainfall characteristic captured by the product. Concerning the occurrence of daily precipitation, results indicate that both the probability of detection and the probability of false detection are high. In general terms, the comparison between intensities from existing IDF curves and those derived from IMERG showed underestimations of the rainfall intensities for the short durations studied (0.5 and 1 h), with mean relative errors in the range [-69%,+56%], and overestimations for the large durations of 2 and 6 h, with mean relative errors in the range [-61%,+171%]. Results also suggest that the IMERG product at this moment is not able to capture the daily rainfall distribution in most of the stations. Nevertheless, for almost 20% of the rain gauges, located mainly in the Amazon, Orinoco, and Pacific Regions, the analysis showed that the maximum intensities derived from IMERG are within +/-25% relative error, compared with the ones calculated using the traditional approach.

RESUMEN El artículo investiga las potencialidades del producto de precipitación satelital IMERG V06B FINAL para estimar intensidades de curvas intensidad-duración-frecuencia en Colombia, a partir de información de 110 estaciones. Utilizando datos para 76 de estas estaciones en el período 2001-2019, se validó el producto IMERG a nivel diario, mensual y anual. En 60 de estas estaciones se ha encontrado que el producto obtiene mejores resultados en la escala mensual, seguida de las escalas anual y diaria, lo cual indica que la estacionalidad es la principal característica de la lluvia adecuadamente capturada por el producto. En general, la comparación entre curvas IDF existentes y las derivadas a partir de IMERG mostró subestimaciones para las intensidades de precipitación correspondientes a las duraciones más cortas (0.5 y 1 h), con errores relativos medios en el rango [-69%, +56%], y sobreestimaciones para las duraciones más grandes de 2 y 6 h, con errores medios relativos en el rango [-61%, +171%]. Los resultados obtenidos sugieren que el producto IMERG en la actualidad no es capaz de capturar la distribución de la lluvia diaria en la mayoría de las estaciones. A pesar de esto, para cerca del 20% de las estaciones, ubicadas principalmente en las regiones Orinoquía, Amazonía y Pacífica, los análisis muestran que las intensidades máximas derivadas de IMERG se encuentran dentro de +/-25% de error relativo, en comparación con las deducidas utilizando el método tradicional.

Estimation of the degree of internal recirculation in Internal Combustion Engines

ABSTRACT: The concepts of residual gas and admission (or volumetric efficiency) coefficients are used exclusively by specialists in the field of piston internal combustion engines. However, it is preferable to apply the concepts of volume fractions of components of the working mixture consisting of air, fuel, residual, and recirculating gases, for the evaluation of filling. This simplifies and makes it more easy-to-grasp the influence of individual factors on the results of gas exchange processes. The proposed approach makes it possible to take into account the impact on the engine indicators of the molecular weight of the fuel used and the degree of external recirculation, as well as to reduce the number of independent variables. At the same time, the displacement coefficient A proposed by the author characterizes a decrease in filling when an engine with external mixing is switched to a gaseous fuel with a lower molecular weight. A change in the valve timing made it possible to produce an effect on the composition of the working mixture and, thereby, the environmental characteristics of the engine. In the case of external recirculation, it becomes necessary to estimate the summary fraction of neutral combustion products in the working mixture, on which all engine operation depended. This "overall degree of recirculation" can also be determined using the proposed approach.

RESUMEN: Las nociones de coeficientes de llenado y de gases residuales son utilizadas exclusivamente por especialistas en el campo de los motores de combustión interna de pistón. Sin embargo, se pueden utilizar las nociones técnicas generales y desde hace mucho tiempo conocidas de la termodinámica - es decir las fracciones de volumen de los componentes de la mezcla. Usándolos, es posible evaluar el llenado y la composición de la mezcla de trabajo que consiste en aire, combustible, gases residuales y de recirculación. En este caso, la fracción de gases residuales en el cilindro determina de forma única el grado de recirculación interna. Metodológicamente, el uso de fracciones no solo simplifica, sino que también hace que sea más fácil de interpretar y comprensible de analizar la influencia de factores individuales en los resultados de los procesos de intercambio de gases. Tal enfoque permite permite tener en cuenta la influencia del peso molecular del combustible utilizado, del grado de recirculación externa y la de la fracción total de productos de combustión neutros en la mezcla de trabajo en los índices de llenado y los de desempeño, así como reducir el número de variables independientes. Al mismo tiempo, el coeficiente de desplazamiento A propuesto por el autor caracteriza la disminución del llenado cuando el motor con formación de mezcla externa se transfiere a un combustible gaseoso con un peso molecular más bajo.

Chaotic intermittency with non-differentiable M(x) function

ABSTRACT One-dimensional maps showing chaotic intermittency with discontinuous reinjection probability density functions are studied. For these maps, the reinjection mechanism possesses two different processes.The M function methodology is applied to analyze the complete reinjection mechanism and to determine the discontinuous reinjection probability density function. In these maps the function M(x) is continuous and non-differentiable. Theoretical equations are found for the function M(x) and for the reinjection probability density function. Finally, the theoretical results are compared with numerical data finding high accuracy.

RESUMEN En este trabajo se estudian mapas unidimensionales que muestran intermitencia caótica con funciones de densidad de probabilidad de reinyección discontinuas. Para estos mapas, el mecanismo de reinyección posee dos procesos diferentes. Para analizar el mecanismo de reinyección completo y determinar la función de densidad de probabilidad de reinyección discontinua, se aplica la metodología de la función M. Dicha función es continua y no derivable. Se encuentran ecuaciones teóricas para la función M(x) y para la función de densidad de probabilidad de reinyección. Finalmente, los resultados teóricos se comparan con datos numéricos encontrándose una alta precisión entre ambos.

A comparative analysis of Cr(VI) reduction with Cu₂O, ZnO and Fe₂O₃ coatings grown by PEO

ABSTRACT Coatings on copper, zinc and stainless-steel substrates were fabricated using the plasma electrolytic oxidation (PEO) technique and their photocatalytic activity was evaluated in the reduction of Cr(VI), a highly toxic agent present in wastewater from industrial processes such as electroplating, manufacture of textile dyes, wood curing, and leather tanning. The concentration of hexavalent chromium in drinking water has been regulated to a maximum value established by national and international legislation of 0.05 ppm. The strategy of reduction to less toxic species such as Cr(III), followed by its precipitation in a basic medium, use several methods derived from chemistry, physics and biology for the treatment of water contaminated with this material. In the present work, some coatings of copper, zinc, and iron oxides were obtained over the corresponding metal sheets exposed to PEO, which were tested in a heterogeneous process of advanced oxidation with 1 ppm Cr(VI) solution under ultraviolet radiation. Thus, a reduction rate to Cr(III) close to 100 % in 60 min was obtained.

RESUMEN Se fabricaron recubrimientos sobre sustratos de cobre, zinc y acero inoxidable mediante la técnica de oxidación electrolítica con plasma (OEP) y se evaluó su actividad fotocatalítica en la reducción del Cr(VI), un agente altamente tóxico presente en las aguas residuales de procesos industriales como la galvanoplastia, la fabricación de tintes textiles, el curtido de la madera y el curtido del cuero. La concentración de cromo hexavalente en el agua potable se ha regulado hasta un valor máximo establecido por la legislación nacional e internacional de 0.05 ppm. La estrategia de reducción a especies menos tóxicas como el Cr(III), seguida de su precipitación en un medio básico fundamenta varios métodos de la química, la física y la biología para el tratamiento del agua contaminada con este material. En el presente trabajo, se obtuvieron recubrimientos de óxidos de cobre, zinc y hierro sobre las correspondientes láminas expuestas a OEP, que se ensayaron en un proceso heterogéneo de oxidación avanzada con una solución de 1 ppm de Cr(VI) bajo radiación ultravioleta. Así, se obtuvo una tasa de reducción a Cr(III) cercana al 100 % en 60 min.

Comparison of treatments for cellulose pulp from agro-industrial wastes from the Amazon region

ABSTRACT Agroindustrial waste (AIW) is a potential source of cellulose, which can be obtained through different treatments. In this study, we evaluated four delignification treatments (10% sodium hydroxide, 50% ethanol, distilled water, and 25% Mohr's salt) to obtain cellulose pulp from four Amazonian AIWs (banana peel, cassava peel, sugarcane bagasse, and rice husk). Our results showed that sodium hydroxide treatment had the highest lignin removal and increased cellulose content, while Mohr's salt treatment had the lowest cellulose yield and lignin removal. Banana peel and rice husk had the highest cellulose yield, while cassava peel had the lowest. Distilled water treatment at medium temperature had similar lignin removal and cellulose yield to the sodium hydroxide and ethanol treatments. Our findings suggest that AIWs have great potential as a source of cellulose and that these economical, simple, and eco-friendly treatments can be used to obtain high-purity cellulose from AIWs.

RESUMEN Los residuos agroindustriales (RAI) son una fuente potencial de celulosa, que puede obtenerse mediante diferentes tratamientos. En este estudio, evaluamos cuatro tratamientos de deslignificación (hidróxido de sodio al 10%, etanol al 50%, agua destilada y sal de Mohr al 25%) para obtener pulpa de celulosa a partir de cuatro RAI amazónicos (cáscara de banano, cáscara de yuca, bagazo de caña de azúcar y cascarilla de arroz). Los resultados muestran que el tratamiento con hidróxido de sodio tuvo la mayor remoción de lignina y aumentó el contenido de celulosa, mientras que el tratamiento con sal de Mohr tuvo el menor rendimiento de celulosa y remoción de lignina. La cáscara de plátano y la cáscara de arroz tuvieron el mayor rendimiento de celulosa, mientras que la cáscara de yuca tuvo el menor. El tratamiento con agua destilada a temperatura media tuvo una eliminación de lignina y un rendimiento de celulosa similares a los de los tratamientos con hidróxido de sodio y etanol. Nuestros resultados sugieren que los RAI tienen un gran potencial como fuente de celulosa y que estos tratamientos económicos, sencillos y ecológicos pueden utilizarse para obtener celulosa de gran pureza a partir de RAI.

Experimental and numerical investigation of flat plate fins and inline strip fins heat sinks

ABSTRACT The flow and heat transfer characteristics of two analogous heat sinks were obtained from laboratory experiments and compared to each other and to numerical simulations. One contained continuous straight fins, and the other inline strip fins, both cooled by forced airflow parallel to their base. The average airflow velocity in the interfin channels ranged from 4 to 20 m/s, corresponding to Reynolds numbers from 810 to 3,800. The measurements indicated that despite its smaller heat exchange area, the strip fins heat sink convective coefficient was larger enough to obtain a thermal resistance smaller than that of the continuous fins. Numerical simulations were performed to compare their results with the experiments. Two distinct fin treatments were used: one considered fins with no thickness, isothermal with the fins base temperature. The other considered the fins thickness and perfect thermal contact with the heat sink base. The Nusselt number simulation results for the continuous fins agreed within 3% with the measurements, but larger deviations were observed for the strip fins heat sink.

RESUMEN Las características de flujo y transferencia de calor de dos disipadores de calor análogos se obtuvieron a partir de experimentos de laboratorio y se compararon entre sí y con simulaciones numéricas. Uno contenía aletas rectas continuas y el otro, aletas de tira en línea, ambas enfriadas por un flujo de aire forzado paralelo a su base. La velocidad promedio del flujo de aire en los canales entre aletas osciló entre 4 y 20 m/s, lo que corresponde a números de Reynolds de 810 a 3800. Las mediciones indicaron que a pesar de su menor área de intercambio de calor, el coeficiente de convección del disipador de calor de las aletas de tira era lo suficientemente grande como para obtener una resistencia térmica menor que la de las aletas continuas. Se realizaron simulaciones numéricas para comparar sus resultados con los experimentos. Se utilizaron dos tratamientos distintos para las aletas: uno consideró aletas sin espesor, isotérmicas con la temperatura base de las aletas. El otro consideró el grosor de las aletas y un perfecto contacto térmico con la base del disipador de calor. Los resultados de la simulación del número de Nusselt para las aletas continuas coincidieron en un 3% con las medidas, pero se observaron desviaciones mayores para el disipador de calor de las aletas en tira.

Flaw recognition in reinforced concrete bridges using infrared thermography: A case study

ABSTRACT Infrared thermography is a non-destructive test that is increasingly used in the inspection of existing buildings, bridges, and civil works. However, its practice is limited due to the influence of environmental conditions on the results of the test. The present study aims to evaluate the methodology of the test through the inspection of existing reinforced concrete bridges in Recife, Brazil. This city presents different environmental conditions from those reported in the literature, a high ambient temperature and relative humidity. The study comprises the inspection of five bridges in two days, analyzing their superstructure and infrastructure separately. The results show that flaw recognition is possible through the temperature gradient between imperfect and intact regions. Thus, variation in temperature greater than 0.3 °C allows awareness of the problem. The results behavior is different based on the bridge section inspected. The defects in the bridge superstructure are presented as positive thermal gradients. On the other hand, bridge infrastructure’s deficiencies are shown as negative thermal gradients. Although the technique presents several advantages for the inspection, the results must be analyzed in detail to avoid false detections, which may compromise the correct diagnosis of the bridge structures.

RESUMEN La termografía infrarroja es una prueba no destructiva que se utiliza cada vez más en la inspección de edificios, puentes y obras civiles existentes. Sin embargo, su práctica es limitada, debido a la influencia de las condiciones ambientales en los resultados de la prueba. El presente estudio tiene como objetivo evaluar la metodología de la termografía infrarroja a través de la inspección de puentes existentes de hormigón armado en Recife, Brasil. Esta ciudad presenta condiciones ambientales diferentes a las reportadas en la literatura, una elevada temperatura ambiental y humedad relativa. El estudio comprende la inspección de cinco puentes en dos días, analizando por separado su superestructura e infraestructura. Los resultados muestran que el reconocimiento de defectos es posible a través del gradiente de temperatura entre regiones imperfectas y regiones intactas. Por lo tanto, una variación de temperatura superior a 0.3 °C permite conocer el problema. El comportamiento de los resultados es diferente según la sección de puente inspeccionada. Los defectos en la superestructura del puente se presentan como gradientes térmicos positivos. Por otro lado, las deficiencias de la infraestructura del puente se mostraron como gradientes térmicos negativos. Aunque la técnica presenta varias ventajas para la inspección, los resultados deben analizarse en detalle para evitar detecciones falsas, lo que puede comprometer el diagnóstico correcto de las estructuras del puente.

Estimation of methane emissions from reservoirs for hydroelectric generation in Costa Rica

ABSTRACT Greenhouse gas emissions are related to non-renewable sources. For this reason, the methodological guide for the estimation of methane and carbon dioxide emissions in flooded lands was published in 2006 by the Intergovernmental Panel on Climate Change. Since 2016, several studies have been carried out in temperate and tropical zones reservoirs. Costa Rica is a Central American country known for its large hydroelectric resources and its highly renewable electricity generation matrix. This work represents the first study for 11 of 24 hydroelectric plants managed by the Costa Rican Electricity Institute. Methane emissions, energy density and emission factors for electricity generation are determined. Furthermore, a static mathematical model is used to determine these factors with little input data. It is estimated that the greatest contribution to methane emissions corresponds to the Arenal reservoir, which has the largest surface area and the lowest energy density.

RESUMEN Las emisiones de gases de efecto invernadero están relacionadas con fuentes no renovables; sin embargo, la guía metodológica para la estimación de las emisiones de metano y dióxido de carbono en terrenos inundados fue publicada en el año 2006 por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático. Diez años después, se han realizado varios estudios sobre la estimación de gas metano en yacimientos ubicados en zonas templadas y tropicales. Costa Rica es un país centroamericano conocido por sus grandes recursos hidroeléctricos y su matriz de generación eléctrica altamente renovable. Este trabajo es el primer estudio, para 11 de los 24 embalses hidroeléctricos gestionados por el Instituto Costarricense de Electricidad, donde se determinan las emisiones de metano, la densidad energética y los factores de emisión para la generación de electricidad. Se utiliza un modelo matemático estático para determinar estos factores con escasos datos de entrada, estimando que el mayor aporte en emisiones de metano corresponde al embalse del Arenal, que es el de mayor superficie y el de menor densidad energética.