Ingeniería e Investigación

Protocolo para monitorear la gobernabilidad del agua con base en indicadores para cuencas rurales

ABSTRACT The use of quality indicators guarantees the accurate monitoring of sustainability processes around the world. This work proposes a protocol to detail the indicators that make up the rural basin management index (GWI) in order to assess the degree of water management in a predominantly rural basin or region. The methodology contemplates the development of indicators to evaluate performance and its monitoring over time as the basis for planning. This research is based on the in situ evaluation of four municipalities within the department of Boyacá, Colombia, where there is a lack of a culture regarding the long-term planning and management of water and environmental resources. Water availability is the most sensitive factor in this context. This study raises the need for the use of monitoring systems in sustainability processes at the level of rural basins, as a result of the findings of four study cases, where processes with a low level of sustainability were evidenced.

RESUMEN El uso de indicadores de calidad garantiza el seguimiento preciso de los procesos de sostenibilidad en el mundo. Este trabajo propone un protocolo para detallar los indicadores que componen el índice de gestión de cuencas rurales (IGG) con el fin de evaluar el grado de gestión del agua en una cuenca o región predominantemente rural. La metodología contempla el desarrollo de indicadores para evaluar el desempeño y su seguimiento en el tiempo como base para la planificación. Esta investigación se basa en la evaluación in situ de cuatro municipios del departamento de Boyacá, Colombia, donde hay ausencia de cultura de planificación y gestión a largo plazo de los recursos hídricos y ambientales. La disponibilidad del agua es el factor más sensible en este contexto. Este estudio plantea la necesidad del uso de sistemas de monitoreo en procesos de sostenibilidad a nivel de cuencas rurales, a raíz de lo encontrado en cuatro casos de estudio, donde se evidenciaron procesos con un bajo nivel de sostenibilidad.

Influencia del solvente en la extracción de compuestos fenólicos de la borra de café mediante lixiviación Soxhlet

ABSTRACT In this study, phenolic compounds were extracted from the essential oil of coffee grounds originated in the coffee industry in the city of Guayaquil, Ecuador. The selected method was Soxhlet leaching, with three types of solvents (methanol, ethanol, and hexane), in its conventional form (solid-liquid), with two polar solvents and one nonpolar solvent, and in four extraction periods (30, 60, 90, and 120 minutes). The highest phenolic concentration and the best associative capacity were obtained with ethanol as the solvent for extraction, while the use of methanol yielded the second-best results. The extraction performance regarding the coffee grounds oil obtained higher results when using methanol, but close values were obtained with ethanol. Methanolic extracts obtained from coffee grounds can cause the formation of undesirable substances and be responsible for the methanolysis of gallic depsides. Therefore, the solvent-assisted technique depends on the selectivity and affinity of the compounds, according to their polar covalent character, the molecular geometry of the solvent, its relationship with its dielectric constant, and the null generation of unwanted reactions during extraction.

RESUMEN En este estudio se realizó extracción de compuestos fenólicos a partir del aceite esencial de la borra de café originada en la industria cafetalera de la ciudad de Guayaquil, Ecuador. El método seleccionado fue la lixiviación Soxhlet, con tres tipos de solventes (metanol, etanol y hexano), en forma convencional (sólido-líquido), con dos solventes de carácter polar y un solvente apolar y en cuatro tiempos de extracción (30, 60, 90 y 120 minutos). La mayor concentración fenólica y la mejor capacidad asociativa se obtuvieron con etanol como disolvente de extracción, seguido por el uso del metanol. El rendimiento de extracción del aceite de borra obtuvo mayores resultados al emplear metanol, pero se obtuvieron valores cercanos con el etanol. Los extractos metanólicos obtenidos de la borra de café pueden causar la formación de sustancias no deseables y ser los responsables de la metanólisis de los dépsidos gálicos. Por lo tanto, la técnica asistida por solventes depende de la selectividad y afinidad de los compuestos de acuerdo con su carácter covalente polar, la geometría molecular del solvente, su relación con su constante dieléctrica y la nula generación de reacciones indeseadas durante la extracción.

Evaluación de la bio-estabilidad de la Elodea (Egeria densa) y la cáscara de naranja como bio-adsorbentes de Pb (II) y Cr (III) en solución

ABSTRACT A variety of plant-based materials can be used in innovative methods to treat water pollution through bio-adsorption. This work evaluated, under lab conditions, the presence of native microorganisms in orange peel (OP) and elodea (Egeria densa, ELO), the aerobic degradation and biostability of the bio-adsorbents, and the contribution of microorganisms to the bio-adsorption of Pb (II) and Cr (III). The microbial characterization and biostability of OP and ELO were conducted using 2 g of dried bio-adsorbent and a solution of the metallic ions at 450 mg/L. ELO had a larger number of bacteria, fungi, and yeast than OP. After 2 hours of contact with a 450 mg/L Pb (II) and Cr (III) solution, this value decreased by 80-86% in both bio-adsorbents. After 25 days, the microorganisms showed adaptation to the Pb (II) and Cr (III) concentrations. According to the bio-degradation test, OP had a stability of over 7,01 months, while that of ELO was 2,61 months, with a CO2 value of 1 439,9 mg after 46 days of incubation. The microorganisms tolerated a high metal concentration, but they did not contribute significantly to Cr (III) bio-adsorption in ELO. The microorganisms present in the adsorbents affect the stability of the materials, as the bio-adsorbents provide a nutrient-rich substrate. OP had higher bio-stability and could be used in pilot tests for the treatment of metal-polluted water.

RESUMEN Diversos materiales de origen vegetal pueden utilizarse en métodos innovadores para tratar la contaminación del agua mediante la bioadsorción. Este trabajo evaluó, en condiciones de laboratorio, la presencia de microorganismos nativos en la cáscara de naranja (CN) y elodea (Egeria densa, ELO), la degradación aeróbica, la bioestabilidad de los bioadsorbentes y la contribución de los microorganismos en la bioadsorción de Pb (II) y Cr (III). La caracterización microbiana y la estabilidad de CN y ELO se determinaron con 2 g de bioadsorbente seco y una solución de los iones metálicos a una concentración de 450 mg/L. ELO presentó un mayor número de bacterias, hongos y levaduras que CN. Después de 2 horas de contacto con una solución de 450 mg/L de Pb (II) y Cr (III), este valor disminuyó en 80-86% en ambos bioadsorbentes. A los 25 días, los microorganismos mostraron adaptación a las concentraciones de Pb (II) y Cr (III). Según el ensayo de biodegradación, CN presentó una estabilidad de más de 7,01 meses, mientras que la de ELO fue de 2,61 meses, con un valor de CO2 de 1 439,9 mg a los 46 días de incubación. Los microorganismos toleraron una alta concentración de los metales, pero no contribuyeron significativamente a la bioadsorción del Cr (III) en ELO. Los microorganismos presentes en los adsorbentes afectan a la estabilidad de los materiales, ya que los bioadsorbentes proporcionan un sustrato rico en nutrientes. CN presentó una mayor bioestabilidad y puede ser utilizada en pruebas piloto para el tratamiento de aguas contaminadas con metales.

Obtención de biodiésel a partir de grasa extraída de residuos sólidos producidos en la etapa de descarnado en la fabricación de cuero

ABSTRACT Tallow is produced in leather manufacturing, particularly in the fleshing stage. It contains large amounts of fat, which, in most industrial plants, pollutes water and soil due to poor disposal. In order to take advantage of this solid waste, chemical processes have been applied to transform the fats extracted from tallow into biodiesel. In this work, an extraction technique involving non-polar solvents pressurized at 15 psi. With gasoline, a 51,0% fat recovery was obtained. The quality of the extracted fat was determined by analyzing density, viscosity, melting point, moisture, acidity, and acidity, peroxides, saponification, and iodine indices. Biodiesel was obtained via transesterification reactions with methanol and sodium hydroxide. The content of methyl esters produced in the reaction was characterized by means of gas chromatography coupled with mass spectrometry, where the methyl esters of palmitic and oleic fatty acids were identified as major components.

RESUMEN El sebo se produce en la fabricación de cuero, particularmente en la etapa de descarnado, y contiene grandes cantidades de grasa que, en la mayoría de las plantas industriales, contaminan el agua y el suelo debido a la mala eliminación. Para aprovechar este recurso se han aplicado procesos químicos para transformar las grasas extraídas del sebo en biodiesel. En este trabajo se aplicó una técnica de extracción con disolventes apolares presurizados a 15 psi. Con gasolina se obtuvo una recuperación de grasa del 51,0 %. La calidad de la grasa extraída se determinó analizando densidad, viscosidad, punto de fusión, humedad, acidez e índices de acidez, peróxidos, saponificación y yodo. El biodiesel se obtuvo mediante reacciones de transesterificación con metanol e hidróxido de sodio. El contenido de los ésteres metílicos producidos en la reacción se caracterizó mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas, donde se identificaron los ésteres metílicos de los ácidos grasos palmítico y oleico como componentes principales.

Prueba HFFB y análisis de vibraciones eólicas en una estructura de transformadores de 1 000 kV

ABSTRACT In order to propose a complete, wind-resistant design method for ultra-high voltage (UHV) transformer frames, the wind-induced vibration characteristics of a 1 000 kV transformer frame (TF1000) were studied using a high-frequency force balance (HFFB) test. Five section models and one whole model of the TF1000 were designed and constructed using 3D printing, and these were evaluated in a wind tunnel by means of HFFB tests for multiple loading scenarios. The finite element method (FEM) was used on the test data to analyze the wind-induced vibration on the TF1000. The results demonstrate that the shape factor of the TF1000 is significantly affected by the flow field type and solidity ratio; the minimum value occurs when the wind direction is between 30 and 45°. Moreover, all the shape factor values obtained by the test are larger than those established by the Chinese code. The wind-induced vibration analysis indicates that the most unfavorable wind direction for the TF1000 is approximately 60°, with a wind-induced vibration coefficient between 1,7 and 3,9.

RESUMEN Para proponer un método completo y resistente al viento para estructuras de transformadores de tensión ultra alta (UHV), se estudiaron las propiedades de vibración eólica de una estructura de transformadores de alta presión de 1 000 kV (TF1000) mediante una prueba de equilibrio de fuerzas de alta frecuencia (HFFB). Se diseñaron y elaboraron cinco modelos de sección y un modelo integral para el TF1000 utilizando impresión 3D y se evaluaron en un túnel de viento mediante pruebas HFFB para varios escenarios de carga. Se utilizó el método de los elementos finitos (FEM) en los datos de prueba para analizar la vibración eólica en el TF1000. Los resultados demuestran que los factores de forma del TF1000 se ven significativamente afectados por el tipo de campo de flujo y la relación de solidez; el valor más bajo ocurre cuando la dirección del viento está entre 30 y 45°. Además, todos los factores de forma obtenidos en la prueba fueron superiores a los valores prescritos en el código chino. El análisis de las vibraciones eólicas indica que la dirección del viento más desfavorable para el TF1000 es aproximadamente 60°, con un coeficiente de vibración eólica entre 1,7 y 3,9.

Comparación entre un diseño estructural colombiano tradicional y el uso de disipadores de energía de tipo viscoso (año 2021)

ABSTRACT This paper compares a traditional Colombian structural design to the same structure with viscous-type energy dampers, considering both structural behavior and construction costs. To this effect, a building was designed: first, in accordance with the Colombian Seismic-Resistant Construction Regulations (NSR-10); and then according to the recommendations of American Society of Civil Engineers (ASCE, 2017) with regard to damping systems. Finally, the quantities and construction costs were calculated. As a result, an unconventional structure was obtained which was more expensive than a traditionally designed building. Still, said structure had less cross-sections, stresses, and displacements. The above demonstrates that, while the initial cost of this method may be higher, the extra cost can be offset when an earthquake occurs, as the building has better earthquake resistance.

RESUMEN Este trabajo compara un diseño estructural convencional colombiano frente a la misma estructura con disipadores de energía de tipo viscoso, considerando tanto el comportamiento estructural como el costo de construcción. Para ello se diseñó una edificación: en primera instancia, bajo los parámetros del Reglamento Colombiano de Construcción Sismorresistente (NSR-10); y luego cumpliendo con las recomendaciones de la American Society of Civil Engineering (ASCE, 2017) con respecto a sistemas de disipación. Por último, se calcularon las cantidades y los costos de construcción. Como resultado, se obtuvo una estructura más costosa que una edificación diseñada convencionalmente. De todas maneras, dicha estructura tenía menos secciones transversales, esfuerzos y desplazamientos. Lo anterior evidenció que, aunque el costo inicial de este método es más alto, el costo adicional puede ser compensado en el momento en que se presenta un sismo, pues la edificación es más sismorresistente.

Modelado y control de redes de ventilación de minas subterráneas de pequeña escala

ABSTRACT This paper presents a nonlinear model and a control strategy to regulate airflow in small-scale underground mine ventilation networks. In underground ventilation control systems, a sensor and an actuator for each branch are usually considered. However, in small-scale underground mines, it is too expensive to have automatic doors for controlling the airflow in each tunnel, as well as to install flow and gas sensors in each branch. In order to regulate airflow in small-scale underground ventilation networks, the number of sensors and actuators is regarded as a limitation for practical installation. This work presents an alternative modeling of the network, with direct control of the airflow in each tunnel, by varying the speed of the fans available on the external surface of the mine. A state space model is presented, and a linear quadratic controller with integral action and a state estimator is designed. To validate the model and the controller, a network ventilation system for a small-scale mine with nine branches (tunnels) and two actuators (fans) is presented.

RESUMEN Este artículo presenta un modelado no lineal y una estrategia para el control del flujo de aire en redes de ventilación de minas subterráneas de pequena escala. Para los sistemas de control de ventilación subterranea usualmente se consideran un sensor y un actuador en cada rama. Sin embargo, en las minas subterráneas de pequena escala, es muy costoso colocar puertas automáticas para controlar el flujo de aire en cada ránel, asi como instalar sensores de flujo y gas en cada rama. Con el fin de regular el flujo de aire en redes de ventilación subterranea de pequena escala, se considera el número de sensores y actuadores como una limitante para la instalación práctica. Este trabajo presenta una alternativa para el modelado de la red, con control directo del flujo de aire en cada ránel, a traves de la variación de velocidad de los ventiladores disponibles en la superficie externa de la mina. Se presenta un modelo de espacio de estado y se diseña un controlador cuadrático lineal con acción integral y un estimador de estado. Para validar el modelo y el controlador, se presenta un sistema de red de ventilación para una mina de pequena escala con nueve ramas (tuneles) y dos actuadores (ventiladores).

Vehículos eléctricos y el uso de modelos de proyección de demanda: un mapeo sistemático de estudios

ABSTRACT In today's world, electric vehicles have become a real solution to the problem of pollution caused by petrol and diesel-powered vehicles. However, incorporating them successfully into the global vehicle park poses new challenges. Some of these challenges have to do with meeting the electricity demand, providing the physical installations for charging, and the size and capacity of the electric grid required to deliver the necessary supply. Solving these new problems requires determining or projecting the electrical and/or physical requirements involved, but there is no single model or methodology to do this, nor any single document which summarizes the existing information. To address this situation, this work presents the result of a systematic mapping study that seeks to provide organized information about the (mathematical) models for the demand arising from electric vehicles, as well as to answer a series of questions posed for this research. The results obtained show that there is a wide variety of models used to determine demand requirements -of either physical or electrical elements- in which mathematical modelling and operations research tools are normally used. Other results indicate that demand models are mainly focused on the electrical requirements rather than on physical ones, and that, in most cases, the type of vehicle for which the demand is studied is not mentioned.

RESUMEN En la actualidad, los vehículos eléctricos se han convertido en una alternativa real al problema de contaminación ocasionado por los vehículos a gasolina y diésel. Sin embargo, su incorporación exitosa al parque automotriz global implica nuevos desafíos. Algunos de estos desafíos tienen que ver con satisfacer la demanda de electricidad, suministrar las instalaciones físicas necesarias para la carga y el tamaño y capacidad de la red eléctrica para aportar el suministro requerido. Para resolver estos nuevos problemas, es necesario determinar o proyectar los requerimientos eléctricos y/o físicos implicados, pero no existe un único modelo o metodología para ello, como tampoco un único documento que resuma la información existente. En atención a esto, este documento presenta el resultado de un mapeo sistemático de estudios que busca entregar información organizada sobre los modelos (matemáticos) de demanda de vehículos eléctricos, como también dar respuesta a un conjunto de interrogantes planteadas para la investigación. Los resultados obtenidos muestran que existe una amplia variedad de modelos utilizados para determinar los requerimientos de demanda -ya sea de elementos físicos o eléctricos- donde normalmente se utilizan el modelamiento matemático y las herramientas de investigación de operaciones. Otros resultados indican que los modelos de demanda se centran principalmente en los requerimientos eléctricos por encima de los físicos, y que, en la mayoría de los casos, no se menciona el tipo de vehículo sobre el que se estudia la demanda.

La absorción de radiofrecuencia como nuevo indicador de la concentración en soluciones acuosas de sacarosa

ABSTRACT Microwave-based methods have been used for years to monitor processes, tests, and substance mixtures. Solutions must preserve sample integrity and avoid time-consuming procedures to scale inline industrial applications and promote on-field tests. Today, testing procedures use portable, cost-effective devices operating on wide frequency ranges to perform low-power, wide-band microwave dielectric spectroscopy. This paper describes a proof of concept using SDR technology to match all these requirements. A prototype was tested for measuring sucrose-in-water solutions at different concentrations, which resulted in a novel concentration indicator based on radiofrequency absorbance. This application is critical for in-line monitoring and on-field testing in the food and beverage industries. The proposed method delivered robust, replicable, and reliable results. High levels of significance (> 99%) were achieved in statistical tests in the frequency range of 4 125 to 4 410 MHz. The indicator was shown to be sensitive to concentrations below those reported in the literature and could be easily integrated into non-destructive early chemical evaluation for food quality and production monitoring or into on-field testing devices, to name some applications.

RESUMEN Los métodos basados en microondas se han utilizado durante años para monitorizar procesos, pruebas y mezclas de sustancias. Estas soluciones buscan preservar la integridad de las muestras y evitar procedimientos lentos para escalar aplicaciones industriales en línea y promover pruebas en campo. Actualmente, los procedimientos de prueba emplean dispositivos portátiles y económicos que operan en amplios rangos de frecuencia para realizar espectroscopia dieléctrica de microondas de baja potencia y banda ancha. Este artículo describe una prueba de concepto que emplea la tecnología SDR para cumplir con todos estos requisitos. Se evaluó un prototipo para la medición de soluciones de sacarosa en agua a diferentes concentraciones, lo cual derivó en un nuevo indicador de concentración basado en la absorbancia por radiofrecuencia. Esta aplicación es crucial para la monitorización en línea y la realización de pruebas en campo en la industria alimentaria y de bebidas. El método propuesto aportó resultados robustos, replicables y confiables. Se alcanzaron altos niveles de significancia (> 99 %) en las pruebas estadísticas en el rango de 4 125 a 4 410 MHz. Este indicador demostró ser sensible a concentraciones inferiores a las reportadas en la literatura y podría integrarse fácilmente en la evaluación química temprana no destructiva de la calidad de los alimentos y el control de la producción, o incluso en dispositivos de prueba en campo, por nombrar algunas aplicaciones.

Estudio del comportamiento inverso de Hall-Petch en aluminio nanocristalino usando dinámica molecular

ABSTRACT This work investigates the mechanical behavior of nanocrystalline aluminum, with special focus on deformation mechanisms, using molecular dynamics simulations with an interatomic potential parameterized by the authors. To this end, four nanocrystalline samples with grain sizes ranging from 8,2 to 14,2 nm were constructed, each with a volume of 15 x 15 x 20 nm3. As expected, the data from the tensile tests at a strain rate of 1,0 x 109 s-1 showed an inverse Hall-Petch relationship. The work hardening behavior revealed no significant gain in mechanical strength. The dislocation analysis indicated that perfect dislocation density decreases during tensile testing, while the Shockley partials increase. Grain boundary-mediated plasticity was evidenced with atomic diffusion along grain boundaries, as well as by grain rotation. Thus, it is concluded that the conventional plastic deformation mechanisms of metals are not preponderant for nanocrystalline aluminum.

ABSTRACT En este trabajo se evalúa el comportamiento mecánico del aluminio nanocristalino, con especial atención a los mecanismos de deformación, utilizando simulaciones de dinamica molecular mediante un potencial interatomico parametrizado por los autores. Para este fin, se construyeron cuatro muestras nanocristalinas con tamaños de grano que oscilaban entre 8,2 y 14,2 nm, cada una con un volumen de 15 x 15 x 20 nm3. Como se esperaba, los datos de los ensayos de tracción con tasa de deformación de 1,0 x 109 s-1 mostraron una clara relación inversa de Hall-Petch. El comportamiento de endurecimiento por trabajo mecánico no revelo una ganancia significativa de resistencia mecánica. El analisis de las dislocaciones indico que las dislocaciones perfectas disminuyen durante los ensayos de traccion, mientras que los parciales de Shockley aumentan. Se evidencio la plasticidad del material con la difusión atomica a lo largo de los limites de grano, así como por la rotación de los granos. De este modo, se concluye que los mecanismos convencionales de deformación plastica de los metales convencionales no son preponderantes para el aluminio nanocristalino.

Recuperación acuosa de zinc y plomo a partir de cenizas volantes de carbón de una planta termoeléctrica colombiana

ABSTRACT A hydrometallurgical treatment under ambient conditions was proposed in order to eliminate and recover the lead and zinc contained in a sample of thermal coal fly ash used to produce energy. By using leaching solutions with conventional inorganic acids (HCl, HNO3, and H2SO4), ferric chloride, and sodium citrate, more than 90% zinc and approximately 40% lead were obtained. The most favorable leaching conditions were set at 0,5 M, with a pH value of 8 for citrate. Two leaching stages were necessary to optimize metal recovery: the first with nitric acid for zinc extraction and the second one with citrate for the lead. The sulfur phases of the metals limited a complete metal extraction.

RESUMEN Se propuso un tratamiento hidrometalúrgico en condiciones ambientales para eliminar y recuperar el plomo y zinc contenidos en una muestra de cenizas volantes de carbón térmico que se utiliza para producir energía. Mediante el uso de soluciones de lixiviación con ácidos inorgánicos convencionales (HCl, HNO3 y H2SO4), cloruro férrico y citrato de sodio, se obtuvo más del 90 % de zinc y aproximadamente el 40 % de plomo. Las condiciones de lixiviación más favorables se establecieron en 0,5 M y un valor pH de 8 para el citrato. Fueron necesarias dos etapas de lixiviación para optimizar la recuperación de metales: la primera con ácido nítrico para la extracción de zinc y la segunda con citrato para el plomo. Las fases de azufre de los metales limitaron una completa extracción de metales.

Desarrollo de un nuevo método de síntesis de nanofluidos de alúmina a base de sal HITEC

ABSTRACT This study presents a new two-step method to synthesize molten salt-based nanofluids by replacing water with butanol and using an Emax high-energy mill to ensure good stability and homogeneity. Commercial HITEC molten salt was selected as the base fluid, and alumina nanoparticles (nominal size of 5,1 nm) were used as an additive in three different proportions: 0,5, 1,0, and 1,5 wt.%. The specific heat capacity was evaluated through two different methods: differential scanning calorimetry (DSC) and modulated differential scanning calorimetry (MDSC). According to the evaluation by MDSC, an increment of up to 4,27% in the specific heat capacity was achieved with 1,0 wt.% of alumina nanoparticles in comparison with the raw salt, without affecting the melting point and thermal stability of the salt. This behavior may be related to the good distribution of the nanoparticles in the salt. However, no significant improvement in the specific heat capacity of the nanofluid was observed when the standard DSC method was applied. This behavior may be due to the different sensitivities of the two methods to small changes in the sample, with MDSC being the more sensitive technique, as it establishes the contribution of the two phases that make up the nanofluid: the molten salt as the base fluid and the solid nanoparticles. Similarly, the heating rate used in each of the techniques can influence the sensitivity with regard to determining changes in nanofluids.

RESUMEN Este estudio presenta un nuevo método de dos pasos para sintetizar nanofluidos a base de sales fundidas reemplazando el agua por butanol y utilizando un molino de alta energía Emax para garantizar una buena estabilidad y homogeneidad. Se seleccionó la sal fundida comercial HITEC como fluido base y se utilizaron nanopartículas de alúmina (tamaño nominal de 5,1 nm) como aditivo en tres proporciones diferentes: 0,5, 1,0 y 1,5 % en peso. La capacidad calorífica específica se evaluó mediante dos métodos diferentes: calorimetría diferencial de barrido (DSC) y calorimetría diferencial de barrido modulada (MDSC). Según la evaluación por MDSC, se logró un incremento de hasta 4,27 % en la capacidad calorífica específica con 1,0 % en peso de nanopartículas de alúmina en comparación con la sal pura, sin afectar el punto de fusión y estabilidad térmica de la sal. Este comportamiento puede estar relacionado con la buena distribución de las nanopartículas en la sal. Sin embargo, no se observó una mejora significativa en la capacidad calorífica específica del nanofluido cuando se aplicó el método estándar de DSC. Este comportamiento puede deberse a las diferentes sensibilidades de los dos métodos a pequeños cambios en la muestra, siendo MDSC la técnica más sensible, ya que establece el aporte de las dos fases que componen el nanofluido: la sal fundida como fluido base y las nanopartículas sólidas. Del mismo modo, la velocidad de calentamiento utilizada en cada una de las técnicas puede influir en la sensibilidad para determinar cambios en los nanofluidos.

Análisis y discusión de los efectos del acople de dos vías en el flujo turbulento de un canal cargado con partículas

ABSTRACT This paper studies the turbulence modification caused by the presence of solid particles in fully developed channel flow by means of the point particle Direct Numerical Simulations (DNS) approach. Inertial particles much smaller than the smallest vortical flow structures are considered, maintaining a volume fraction of the order 10-4, where inter-particle collisions are rare and have nearly no influence on flow development. To avoid concurrent effects that could mask the analysis of fluid-turbulence interaction, gravity is not included in the study, and particle-smooth wall collisions are modelled as ideal reflections. The alteration of fluid turbulence dynamics by the particles is illustrated and discussed, providing an overview of the fluid-particle interaction phenomena occurring at both microscopic and macroscopic flow levels. Finally, the relation of such phenomena with drag-reducing effects by particles is demonstrated.

RESUMEN Este artículo estudia la modificación de la turbulencia de la fase portadora debido a la presencia de partículas sólidas en un flujo en canal totalmente desarrollado utilizando la aproximación de Simulación Numérica Directa (DNS) con partículas puntuales. Las partículas inerciales consideradas son mucho más pequeñas que la menor de las estructuras vorticales turbulentas, manteniendo una fracción volumétrica del orden de 10-4, en la cual las colisiones entre partículas son esporádicas y apenas tienen influencia en el desarrollo del flujo. Con el fin de evitar efectos simultáneos que puedan enmascarar el análisis de la interacción fluido-partícula, no se incluyen los efectos gravitatorios en el estudio, y las colisiones partícula-pared lisa se modelan como reflexiones ideales. Se ilustra y discute la alteración de la dinámica turbulenta del fluido por parte de las partículas, proporcionando un panorama de los fenómenos de interacción fluido-partícula a nivel microscópico y macroscópico. Finalmente, se muestra la relación de los fenómenos descritos con los efectos de reducción de arrastre causados por las partículas en el flujo en canal.

Efectos de cambios en las condiciones de operación en la precisión y la exactitud del microanálisis químico sin patrones de acero inoxidable por MEB-EDE

ABSTRACT It is a customary practice to carry out standardless elemental microanalysis by energy dispersive spectroscopy (EDS) under the very same operational conditions as those used for scanning electron microscope (SEM) imaging. In this article, EDS experiments were carried out with stainless steel (SS), varying the EDS testing operating conditions. The results showed that, if X-ray spectra are acquired under operating conditions that are very dissimilar to those optimized for microanalysis, both the detectability limit of minor species (Si, Mo, and Mn) and the uncertainty in the concentration of major alloying elements (Cr and Ni) are noticeably impaired. It was observed that, by improving the signal-to-noise (S-to-N) ratio (i.e., by increasing the accelerating voltage, beam intensity, and total acquisition time, or when the working distance is optimized), the precision of the elemental concentration increases, but the accuracy is only marginally affected. For the major alloying elements, 25% of the measurements showed a percent discrepancy higher than three times the standard deviation, which is inconsistent with a normal statistical distribution.

RESUMEN Es común que el microanálisis químico por espectroscopia por dispersión de energía (EDE) se realice en las mismas condiciones en las usadas para la adquisición de imágenes mediante el microscopio electrónico de barrido (MEB). En este artículo se realizaron experimentos de EDE sobre acero inoxidable, variando las condiciones de operación. Los resultados mostraron que, cuando se adquieren espectros de rayos X bajo condiciones de operación muy disímiles de aquellas optimizadas para el microanálisis, tanto la detectabilidad de las especies minoritarias (Si, Mo y MN) como la incertidumbre en la concentración de los principales elementos de aleación (Cr y Ni) se ven notoriamente afectadas. Se observó que, al mejorar la relación señal a ruido (S-R) (i.e., aumentando el voltaje de aceleración, la intensidad del haz y el tiempo de adquisición total, o cuando se optimiza la distancia de trabajo), aumenta la precisión en la concentración elemental, pero la exactitud se ve afectada solo de manera marginal. Para los elementos de aleación principales (Cr y Ni), 25% de las medidas presentaron discrepancias porcentuales mayores a tres veces la desviación estándar, lo cual no es consistente con una distribución estadística normal.

Estimación de la conductividad eléctrica del tejido humano en la terapia de hipertermia por radiofrecuencia

ABSTRACT The use of mathematical models to study complex systems such as physical and biological phenomena allows understanding their behavior, specifically regarding variables and parameters that are difficult to obtain. Additionally, studying optimization techniques has made it possible to approximate the characteristics of these systems by correlating numerical simulations and experimentation. Radiofrequency hyperthermia therapy for cancer treatment is currently under consideration for future medical applications. However, some of its properties are complex to measure, which could prevent their control. This is the case of electrical conductivity, which depends on the induction frequency and the tissue characteristics. In this paper, radiofrequency hyperthermia therapy was simulated via the finite element method. Then, an estimation of the electrical conductivity involved in the treatment was performed using the particle swarm optimization method. The execution time and the difference between the estimated parameter and the exact value were evaluated and compared with those obtained using the Levenberg-Marquardt method. The results indicate a significant agreement between the estimated and exact values in three different cases. The Levenberg-Marquardt method has a difference of 0,1942% and a performance time of 22 minutes, whereas the particle swarm optimization method has a difference of 0,0967% and a performance time of 327 minutes. The latter performs better in terms of parameter value estimation, whereas the former has better computational times. These techniques may help medical doctors to prescribe treatment protocols and may open the possibility of devising control strategies for hyperthermia therapy as a cancer treatment.

RESUMEN El uso de modelos matemáticos para el estudio de sistemas complejos como los fenómenos físicos y biológicos permite comprender su comportamiento, específicamente con respecto a variables y parámetros difíciles de obtener. Adicionalmente, el estudio de técnicas de optimización ha permitido aproximar las características de estos sistemas por medio de la correlación de simulaciones numéricas y la experimentación. La terapia de hipertermia por radiofrecuencia para el tratamiento del cáncer está actualmente en consideración para su futura aplicación médica. Sin embargo, algunas de sus propiedades son difíciles de medir, lo cual impediría su control. Este es el caso de la conductividad eléctrica, que depende de la frecuencia de inducción y de las características del tejido. En este artículo se simuló la terapia de hipertermia por radiofrecuencia mediante el método de elementos finitos. Luego se realizó una estimación de la conductividad eléctrica en el tratamiento mediante el método de optimización por enjambres de partículas. Se evaluaron el tiempo de ejecución y la diferencia del valor estimado con respecto al valor exacto, y se compararon sus valores estimados con los obtenidos mediante el método de Levenberg-Marquardt. Los resultados indican una concordancia significativa entre los valores estimados y los exactos en tres casos diferentes. El método de Levenberg-Marquardt tiene una diferencia de 0,1942% y un tiempo de ejecución de 22 minutos, mientras que el método de optimización de enjambres de partículas tiene una diferencia de 0,0967% y un tiempo de ejecución de 327 minutos. Este último tiene un mejor rendimiento en términos de estimación del valor de los parámetros, mientras que el otro tiene un mejor tiempo de ejecución computacional. Estas técnicas podrían ayudar a los médicos a prescribir protocolos de tratamiento y abrir la posibilidad de diseñar estrategias de control para la terapia de hipertermia como tratamiento para el cáncer.