Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

A new reaction rate constant for char combustion- formulation

Este artículo muestra el desarrollo y la formulación de un nuevo modelo del coeficiente cinético para la combustión de carbonizado procedentes de carbones pulverizados. La velocidad de reacción química se consideró una función de la reactividad intrínseca del carbón y de la masa del combustible, para un orden de reacción n. La ecuación de la constante cinética de combustión del carbonizado se obtuvo por análisis dimensional usando el método de Rayleigh. Esta ecuación es novedosa, adimensional y muestra la dependencia de la constante de reacción química sobre parámetros del carbón tales como la composición maceral y mineral; los parámetros del carbonizado como el área superficial específica y la densidad aparente; el tiempo de desvolatilización, la temperatura y la energía de activación. La constante de reacción de la combustión del carbonizado tiene consistencia dimensional y se describe por tres nómeros adimensionales, los cuales tienen significado físico o químico.

This paper shows the development and formulation of a new reaction rate constant of combustion for pulverized coal. The chemical reaction rate was considered as a function of coal intrinsic reactivity and fuel mass for a reaction order n. The equation for reaction rate constant was developed by dimensional analysis using the Rayleigh method. This equation is new, dimensionless and shows the dependency of the chemical reactivity on coal parameters such as maceral and mineral composition; char parameters, including specify surface area and apparent density, devolatilization time, temperature, and activation energy. The reaction rate constant model presents dimensional consistency and it is described by three dimensionless numbers having physical or chemical significance.

Evaluation of different sources of carbon and nitrogen in the production of rennet from Mucor miehei

Se estudió la cinética de producción de biomasa y de renina a partir del moho Mucor miehei, utilizando medios de cultivo con sustratos alternativos como fuente de carbono y de nitrógeno, que favorecieran la actividad enzimática. Inicialmente se realizó un tamizaje para determinar la viabilidad de cada uno de los subproductos utilizados y a partir de estos resultados se evaluaron los efectos cruzados de las mejores fuentes de carbono y nitrógeno sobre la productividad enzimática, mediante un diseño experimental factorial 22; lo cual permitió proponer un medio de cultivo alternativo viable para la producción de renina a nivel industrial. Las fermentaciones se realizaron en un reactor por lotes a escala laboratorio, temperatura de 37 ºC, pH inicial entre 6,3 -6,5, y agitación de 250 rpm. Finalmente, se establecieron como mejores medios de cultivo los que tenían suero de leche tanto como fuente de carbono y nitrógeno (medio 1) y suero de leche como fuente de carbono y harina de maíz como fuente de nitrógeno (medio 2), en los cuales se lograron fuerzas de cuajo (FC) máximas de 1.333,704 a las 90 h y de 1.069,71 FC a las 85 h, respectivamente.

The kinetics of biomass production and rennet from fungi Mucor miehei using culture media with alternative substrates as a source of carbon and nitrogen was studied in order to improve the enzymatic activity. An initial screening was performed in order to select the feasibility of each by-product and from these results the crossed effects of the best sources of carbon and nitrogen over enzymatic productivity were evaluated through an experimental factorial 22 design. It allowed us to propose an alternative culture media viable for the rennet production at industrial scale. The fermentations were carried out in a laboratory batch reactor, at 37° C, pH between 6.3-6.5 and 250 rpm. The best culture media was established as that which contained whey both as a source of carbon and nitrogen (media 1) and whey as a source of carbon and corn flour as a source of nitrogen (media 2). Maximum Rennet strength achieved (FC) was 1333.704 at 90 h in media 1 and 1069.71 at 85 h in media 2.

Evaluation of hydrodynamic behavior as a tool to optimize anaerobic reactors of attached growth

Las condiciones de flujo no ideal en los reactores afectan su desempeño; las causas comunes son cortos circuitos, zonas muertas y recirculación interna por corrientes cinéticas y/o de densidad. En este estudio se optimizó el diseño de un filtro anaerobio a escala real que trata las aguas residuales del proceso de extracción de almidón de yuca, el cual presentaba problemas de represamiento y bajas eficiencias de remoción. La evaluación del comportamiento hidrodinámico inicial mostró la presencia de flujo dual (32% flujo pistón - FP y 37% mezcla completa - CM), zonas muertas (20%) y ausencia de cortos circuitos; adicionalmente, la modelación del reactor indicó un grado de dispersión elevado y un comportamiento tendiente a un reactor CM en serie de dos unidades. Con base en estos resultados, se implementaron dos modificaciones en el diseño del reactor: falso fondo y tubería perforada para evacuación de biogás, las cuales permitieron incrementar la fracción de FP (44%), reducir la fracción de zonas muertas (15%), disminuir el Índice de Dispersión (ID) e incrementar la tendencia del reactor a un CM en serie de tres unidades, lo que aumentó el tiempo de retención hidráulico (TRH) real de 9,6 a 10,2 horas (TRH teórico 12 horas) y las eficiencias teóricas de remoción de 73 a 78%.

The conditions of the non-ideal flow in reactors affect their performance; the common causes are short circuits, dead zones and internal recirculation by kinetics and/or density stream. In this study, the design of an anaerobic filter at full scale that treats cassava starch wastewater was optimized. It presented halt damming problems and low removal efficiencies. The initial hydrodynamic behavior showed the presence of dual flow (32% plug flow - PF and 37% mixed flow -MF), dead zones (20%) and absence of short circuits; additionally the modelling reactor indicated a high dispersion degree and tendency to a mixed reactor in series of two units. Based on these results, the following two modifications were implemented in the reactor design: false bottom and perforated pipe for biogas evacuation. This allowed to increase the PF fraction (44%), reduce the dead zones fraction (15%), decrease the dispersion index (DI) and increase the tendency of the reactor to MF in series of three units, which improved the real hydraulic retention time (HRT) from 9.6 to 10.2 h (HRT theoric 12 hours) and the theoric removal efficiencies from 73 to 78%.

Exergy diagnosis of the combustion process in a Diesel engine

En este trabajo se desarrolla un modelo de diagnóstico exergético de una zona y dos especies, y se aplica para caracterizar la operación de un motor diesel. El modelo permite estudiar el proceso en el interior del cilindro durante el período de válvulas cerradas y determinar cómo se distribuye la exergía y cuál es el potencial exergético de las pérdidas. La experimentación se realizó en un motor diesel de automoción turboalimentado, de inyección directa montado en un banco de ensayos, operando bajo diferentes grados de carga. El diagnostico de combustión se realizó a partir de la presión instantánea en la cámara de combustión y se midieron y controlaron las principales variables de funcionamiento del motor para garantizar estado estacionario. Se determinaron las irreversibilidades y la distribución de la exergía a lo largo del proceso, encontrando que la combustión es la principal fuente de irreversibilidades. Los resultados mostraron que al aumentar el grado de carga disminuye la destrucción de exergía, lo cual se traduce principalmente en un aumento de la exergía de los gases de escape. Adicionalmente se identificó el potencial de cogeneración del motor, mostrando diferencias significativas entre los resultados de primera y segunda ley.

In this work a singlezone and twospecies exergy diagnosis model is developed and applied for characterizing the operation of a diesel engine from a secondlaw standpoint. The model allows to study the incylinder process during the closedvalve period, and to determine how the exergy is distributed and what is the exergy potential of the losses. Experiments were carried out in a test bed equipped with an automotive, direct injection, turbocharged diesel engine operating at several loads. Combustion diagnosis was made from instantaneous incylinder pressure signal and the main operation parameters of the engine were measured in order to guarantee steady state. Irreversibilities and exergy distribution throughout the process were determined. It was found that combustion is the main source of irreversibilities. Results show that exergy destruction decreases as load increases, which mainly led to an increase in the exergy of exhaust gases. Additionally, the cogeneration potential of the engine was identified, exhibiting significant differences between first and secondlaw results.

Parametric analysis of the ionic concentrations effects in the behavior of the sinoatrial node

Se realizó un estudio de sensibilidad del funcionamiento del nodo sinusal debido al cambio de concentraciones iónicas presentes en él. Se partió del modelo matemático propuesto por H. Zhang, A. V. Holden y M.R. Boyett, el cual se simplificó mediante el uso de conceptos de diseño de experimentos. Se propusieron para el análisis ocho características que describen al potencial de acción generado por el nodo sinusal, tanto en células centrales como en células periféricas. El análisis de sensibilidad indica que las concentraciones iónicas de sodio y potasio deben ser controladas para mantener el normal desempeño del nodo. De otro lado, los cambios simulados en concentraciones de calcio, no producen efectos significativos sobre la operación del nodo. Finalmente, se desarrolló un modelo de superficie de respuesta como una simplificación del modelo original. Este modelo es potencialmente útil en el seguimiento en tiempo real, de las características de operación del nodo sinusal in vitro. Desde el punto de vista computacional y mediante la simplificación mencionada, se logró una disminución en el tiempo de procesamiento del modelo en una relación aproximada de 1 a 50.

A sensibility study on the effect of ionic concentrations in the behavior of the sinoatrial node was carried out. The study was based on the model proposed by H. Zhang, A. V. Holden and M.R. Boyett. It was simplified using concepts of experimental design. The study was developed on a set of eight characteristics that describe the action potential generated by the sinoatrial node, for both the central and peripheral cells. The sensibility analysis shows that the sodium and potassium ionic concentrations should be controlled to maintain the normal behavior of the node. On the other hand, the simulated changes in calcium concentrations do not produce significant effects on the node operation. Finally, a response surface model was developed as a simplification of the original model. This response surfaces simplified model may be used in the on-line estimation of the operation characteristics of the in vitro sinoatrial node. From the computational point of view, and using the simplification strategy described above, the processing model time was decreased as a 1 to 50 ratio.

Design of the Automatic System for an Electroplating Pilot Plant: Part I: Hierarchical Petri Nets Model

Se presenta la descripción del diseño y automatización de una planta piloto para la electro-deposición de níquel duro empleando corriente pulsante rectangular. Para la automatización de dicho proceso se describen y emplean las redes de Petri (PN), partiendo desde su forma más básica y justificando el por qué del uso de niveles más altos de abstracción o extensiones de las mismas. Estos niveles incluyen las IPN (Redes de Petri Interpretadas), HPN (Redes de Petri jerárquicas) y, finalmente, como complemento a este artículo el uso de las HCPN (Redes de Petri Coloreadas Jerárquicas). Los resultados se ven reflejados en la reducción de la complejidad del modelo debido a las propiedades de modularización de las redes de más alto nivel.

The description of the design and automation of a hard nickel electroplating pilot plant using rectangular pulse current is presented. For the automation of this process the Petri nets (PN) are described and used, starting from their more basic form and justifying why to use higher levels of abstraction or extensions of the same ones. These levels include the IPN (Interpreted PN), HPN (Hierarchical PN) and, finally, as a complement to this article the use of the HCPN (Hierarchical Colored PN). The results are reflected in the reduction of the pattern complexity due to the properties of modularization of the nets of higher level.

Evaluation of the galvanic corrosion of high copper dental amalgams by means of electrochemical techniques

En este trabajo se evaluó la corrosión galvánica de tres amalgamas dentales de alto contenido de cobre, una nacional Nu Alloy®dp (New Stetic) y dos importadas Contour®TM (Kerr, USA) y GS-80® (SDI, Australia), interactuando galvánicamente y en un diseño in Vitro con los siguientes materiales metálicos de uso odontológico: Titanio CP, Ti-6Al-4V tipo COC®, IPS d.sign 15 (Ni-Cr-Mo) e IPS d.sign 91® (Au-Pd). Con la técnica electroquímica Amperometría de resistencia cero, se midió la evolución de las corrientes galvánicas en el tiempo. También se elaboraron curvas de polarización cíclicas para caracterizar electroquímicamente las amalgamas dentales y medidas del potencial a circuito abierto para analizar la nobleza o actividad de ellas en el medio de estudio. Los ensayos se realizaron por triplicado, en una celda de tres electrodos y utilizando como electrólito la solución fisiológica artificial de Ringer, desaireada y a 37 ± 1°C. De los resultados, se concluyó que en comparación a las amalgamas importadas, la amalgama nacional tiene la misma tendencia a sufrir corrosión galvánica bajo las condiciones de ensayo. Con el método estadístico ANOVA de una sola vía, se comprobó la similitud en el comportamiento electroquímico de las tres amalgamas dentales.

The galvanic interaction between three high copper dental amalgams with another four dental metallic materials, was evaluated. The dental amalgams were: a national Nu Alloy®dp (New Stetic) and two imported Contour®TM (Kerr, USA) and GS-80® (SDI, Australia). The dental metallic materials were: Titanium CP, Ti-6Al-4V type COC®, IPS d.sign 15® (Ni-Cr-Mo) and IPS d.sign 91® (Au-Pd). The evolution of the galvanic currents with time was measured using a Zero Resistance Ammeter equipment. The dental amalgams were characterized by means of Polarization Cyclical Measurements, and the evolution of the open circuit potentials of the dental amalgams allowed analyzing the nobility or activity of the amalgams in the test mean. The tests were done by triplicate in a three electrode cell and using the artificial physiological solution of Ringer as the electrolyte, the solution was deaerated at 37 ±1°C. Under the test conditions, it is concluded that the home amalgam has the same tendency to undergo galvanic corrosion as comparison to imported amalgams. Using statistical ANOVA method of a single via it was corroborated the same electrochemical behavior of dental amalgams.

**Wood Density in eucalyptus clones by X-Rays Densitometry**

En el Brasil y en diversos países se han verificado avances significativos en la silvicultura clonal intensiva con diferencias marcadas entre clones de especies e híbridos de eucalyptus en lo referente a los parámetros de crecimiento y desarrollo. Al mismo tiempo, en los últimos años, se introdujo el concepto de uso múltiplo del leño de los árboles con la utilización de la madera como fuente de celulosa y papel, madera sólida y otras aplicaciones como estrategia de aumento de la rentabilidad del emprendimiento forestal. El presente trabajo tuvo como objetivo determinar el índice de uniformidad de la madera y la variación de la densidad en el sentido radial por densitometría de rayos X de árboles de 8 años de edad de clones de eucalyptus grandis y E. grandis x urophylla, buscando posibilitar la optimización de su uso. Por sus características silviculturales se seleccionaron los 5 mejores clones de la especie e híbrido de las plantaciones clonales localizadas en el municipio de San Miguel de Arcanjo-SP de la Cia Suzano de Celulosa y Papel. Se caracterizaron 3 modelos de variación radial de la densidad y la formación de 3 tipos de madera (juvenil, de transición y adulta); el valor medio de densidad aparente de la madera en los clones fue de 0,46 y 0,54 g/cm³, para el eucalyptus grandis y E. grandis x urophylla, respectivamente.

In Brazil, as in many other countries significant advances have been verified in intensive clonal silviculture with remarkable differences on parameters of growth and development between species clones and hybrids of eucalyptus. At the same time, during recent years the concept of multiple uses of tree logs to increase the yield of the forest enterprise as cellulose and paper and solid wood has been introduced. The present paper studies the wood uniformity index and radial variability of density using x-rays densitometry of 8 year clones eucalyptus grandis and E. grandis x urophylla in order to optimize their use. This experiment was performent at Suzano Cellulose and Paper Company Clone Plantation in San Miguel de Arcanjo-SP-Brazil. The best five clones of the species and hybrid by their silviculture characteristics were selected. Three models of radial density variation were found and the formation of three different types of wood were characterized (youthful, of transition and adult); the average value of wood apparent density in clones was 0.46 and 0.54 g/cm³ for eucalyptus grandis and E. grandis x urophylla, respectively.

k-NN based regression strategy used to estimate the fault distance in radial power systems

En este artículo se presenta una estrategia de regresión para estimación de la distancia de falla en sistemas de potencia radiales, empleando la técnica de los k-Vecinos más cercanos (k-NN). Esta propuesta de localización de fallas utiliza las medidas de la componente fundamental de tensión y de corriente disponibles en la subestación, no depende del modelo del sistema de potencia y se adapta a las características particulares de los sistemas radiales. El localizador de fallas se prueba en un sistema de distribución, donde se obtienen errores promedio inferiores al 3%, a diferentes distancias y resistencias de falla.

A regression strategy based on k nearest neighbors (k-NN) to estimate the fault distance in radial power systems is proposed. This fault location approach uses measurements of the fundamental components of voltage and current measured at the power substation. In addition, the approach is not constrained by the power system modeling and it is easily adaptable to the special characteristics of radial systems. The proposed fault locator is tested in a power distribution system and the obtained mean error is lower than 3%, by considering all fault types, several faulted nodes and fault resistances.

Oscillation Control in a Synchronous Machine using a Neural based PSS

This paper presents the methodological design and the laboratory test of neural net based power system stabilizer (PSS). The architecture of the proposed PSS uses two neural networks, one neural based controller which is used to generate a supplementary control signal to the excitation system, and an additional neural net used to improve the performance of the neural based controller. In order to guarantee the correct operation of the proposed PSS, it is trained by using data obtained from several machine operating conditions and a variety of disturbances. The effectiveness is demonstrated by testing the proposed approach in a real synchronous machine in a laboratory facility.

En este artículo se presenta el diseño y la prueba en laboratorio de un estabilizador de potencia (PSS), basado en redes neuronales. La arquitectura propuesta del PSS utiliza dos redes neuronales, la primera es un controlador que efectúa un control suplementario del sistema de excitación, y una segunda red utilizada para mejorar el desempeño del controlador anterior. Para garantizar la correcta operación del PSS propuesto, éste ha sido entrenado utilizando datos obtenidos a partir de varias condiciones de operación de la máquina, y una amplia variedad de disturbios. La efectividad del método propuesto se confirma a partir de los resultados de las pruebas con máquinas síncronas utilizadas en laboratorio

A Novel Routing Algorithm for Vehicular Ad Hoc Networks

This article examines the importance of wireless ad hoc networks and the Location Routing Algorithm with ClusterBased Flooding (LORACBF) for intervehicular communication in the context of optimizing traffic flow and increasing motorway safety. The LORACBF routing algorithm is discussed and simulated in detail, considering a motorway environment with its associated high mobility. First, for smallscale networks, our proposed simulation model is validated with the results of a test bed. Then, for largescale networks we use simulations to compare our model with both the Ad Hoc OnDemand Distance Vector (AODV) and Dynamic Source Routing (DSR) algorithms. We use a microscopic traffic model, developed in OPNET, to ascertain the mobility of 250 vehicles on a motorway. Finally, we apply LORACBF in a vehicular test bed.

Este trabajo examina la importancia de las redes inalámbricas ad hoc y el algoritmo de enrutamiento con inundación basada en grupos (LORACBF) para la comunicación intervehicular con la finalidad de optimizar el flujo de tráfico e incrementar la seguridad en las autopistas. Se discute el algoritmo de enrutamiento LORACBF y se presentan los resultados de simulaciones realizadas en OPNET de una autopista con alta movilidad vehicular. Primero, el modelo de simulación propuesto se valida a pequeña escala con resultados experimentales. Posteriormente, se emplean simulaciones de nuestro modelo comparándolos con Ad Hoc OnDemand Distance Vector (AODV) y Dynamic Source Routing (DSR). Finalmente, se emplea un modelo de tráfico microscópico desarrollado en OPNET para simular la movilidad de 250 vehículos en una autopista y se aplica el algoritmo de enrutamiento LORACBF en un escenario vehicular.

Solution for the hydrothermal dispatch problem using Monte Carlo simulation and interior point

El despacho hidrotérmico determina la relación adecuada entre la generación hidráulica y la generación térmica de tal forma que el costo operativo sea óptimo durante el período de planeamiento, cumpliendo con las restricciones de generación, transmisión y demanda; además, establece el uso racional y eficiente de los recursos energéticos de los sistemas eléctricos de potencia. En muchos casos el problema del despacho hidrotérmico es simplificado para encontrar una solución en un tiempo computacionalmente razonable. Entre las principales simplificaciones se encuentran: linealizar las funciones de costo de las plantas térmicas, eliminar las restricciones de la red de tal forma que el despacho se realice a nodo único y considerar la demanda y el caudal de forma determinística. En este articulo se presenta un método de solución al problema del despacho hidrotérmico mediante las técnicas de punto interior y simulación de Monte Carlo, el modelo propuesto considera las curvas de costo de las plantas térmicas, las restricciones de la red, la incertidumbre en el pronóstico de la demanda y la aleatoriedad en las afluencias lo cual permite obtener distribuciones de probabilidad en las variables de salida del problema (función de costos, potencias generadas, etc).

Hydrothermal dispatch establishes the suitable relation between hydraulic and thermal generation with optimal operative cost in a planning period, according to generation, transmission and load restrictions; moreover, it establishes the rational and efficient use of the energetic resources in the power electric systems. Normally the hydrothermal dispatch problem has been simplified to find a solution with a reasonable computational time. The principal simplifications have been: to fit lineally the thermal functions cost, to eliminate the network restrictions, to dispatch in a unique node and to consider the load and reservoir flow in a deterministic way. This paper presents a methodology which solves the hydrothermal dispatch problem using interior point method and Monte Carlo simulation, the proposed model considers the thermal cost curves, the network restrictions and the stochastic forecasting of load and reservoirs flow, allowing to obtain probability distributions of the output variables (cost function, output power, etc).

Data networking evolution: Toward an alloptical communications platform

Este artículo presenta una introducción a las redes de comunicaciones ópticas, para lo cual se describe la evolución que están experimentando dichas redes a fin de soportar las futuras demandas en el transporte de tráfico IP. Esta evolución se debe en gran parte al desarrollo de dispositivos que permiten el procesamiento de señales en el domino óptico. De la misma forma se presenta un modelo de router de conmutación de paquetes ópticos basado en el paradigma de intercambio de etiqueta con capacidad de conmutación de paquetes IP a 10 Gb/s. Por otra parte, se ha incorporado en el router la capacidad de procesar paquetes de tamaño variable y se comprueba experimentalmente sus prestaciones.

An introduction to optical networks in which the evolution undergone by such networks is presented in order to manage the future demand on the transport of IP traffic is described. This evolution has been boosted by the deployment of all optical devices featuring all optical processing capabilities. Similarly, an all optical packet router is presented based on the label swapping paradigm with the ability to route and forward IP packets at 10 Gb/s. The proposed router is able to process variable length packets and its performance is experimentally verified.

Regional diagnostic of inventory management in the productiondistribution industry

La brecha creciente entre la investigación y la práctica de la gestión de inventarios genera la necesidad de crear mecanismos de acercamiento, de modo que desde la investigación se ofrezcan alternativas de mejoramiento para gestionar la complejidad de los inventarios en cadenas de suministro. Este artículo presenta un diagnóstico de la gestión de inventarios de producto terminado, producto en proceso y materias primas, realizado con las medianas empresas del Valle de Aburrá, Colombia, en los sectores de alimentos, fármacos, plásticos y textiles. Los resultados evidencian las oportunidades de mejoramiento y confirman la necesidad de llevar las metodologías teóricas propias de la ingeniería a una aplicación más real que permita involucrar la dinámica de las cadenas de suministro regionales.

The growing gap between inventorycontrol research and practice evidences the need to create approaching mechanisms, so alternatives for improvement could be offered from research, in order to manage the complexity of inventories in supply chains. This paper presents a diagnostic of the inventory management of final products, work in process and raw materials, developed with the medium companies of the Valle of Aburrá, Colombia, in the foods, pharmaceutical, plastic and apparel sectors. Results evidence opportunities of improvement and confirm the need of taking the engineering methodologies to a more realistic implementation, that allows to involve the dynamics of the regional supply chains.

Characteristics of vehicle routing for food distribution in Aburras Valley

Este artículo reúne los hallazgos de un estudio que caracteriza las decisiones de enrutamiento de las compañías de alimentos del Valle de Aburrá. Se consideran el tipo de decisiones que afrontan, las restricciones especiales que tienen, los objetivos que persiguen, las herramientas que manejan, y las ventajas y desventajas de los métodos que utilizan actualmente. Finalmente, se identifican las oportunidades que existen para mejorar la distribución en dichas compañías.

This paper reports the results of a survey of vehicle routing decisions of food industries located in Aburras Valle (Colombia). The survey includes the elements of the vehicle routing process: type of decisions, special constraints, goals, tools, advantages and disadvantages of the methods currently in use. Finally, some opportunities to improve the distribution process are identified.