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Revista de
Aplicaciones de la
Ingeniería
Volumen
3, Nú
mero
8 – Julio –
Sep
tiembre -201
6
ECORFAN®
ISSN 2410-3454
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- Research Gate
- REBID
- Mendeley
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Revista de Aplicaciones de la
Ingeniería, Volumen 3, Número 8, de
Julio a Septiembre -2016, es una
revista editada mensualmente por
ECORFAN-Bolivia. Loa 1179, Cd.
Sucre. Chuquisaca, Bolivia. WEB:
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Editora en Jefe: RAMOS-
ESCAMILLA, María. PhD, Co-
Editor: IGLESIAS-SUAREZ,
Fernando. ISSN-En línea: 2410-3454
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actualización de este número de la
Unidad de Informática ECORFAN.
ESCAMILLA-BOUCHÁN, Imelda.
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actualizado al 30 de Septiembre 2016.
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Presentación
ECORFAN, es una revista de investigación que pública artículos en las áreas de: Aplicaciones de la
Ingenieria.
En Pro de la Investigación, Enseñando, y Entrenando los recursos humanos comprometidos con la
Ciencia. El contenido de los artículos y opiniones que aparecen en cada número son de los autores y no
necesariamente la opinión del Editor en Jefe.
Como primer articulo está Diseño e implementación de metodología para la elaboración de
diagnósticos energéticos por SIFUENTES, David, MARTÍNEZ, Estrella y BERUMEN, Giovanni con
adscripción en la Universidad Tecnológica de Durango, como siguiente artículo está Prototipo de un
Sistema Fotovoltaico Autónomo por MOLINA-GARCÍA, Moisés y MELCHOR-HERNANDEZ,
César, como siguiente artículo está Estrategias de Mantenimiento por FERNÁNDEZ, Tomás,
MIRANDA, Francisco y ROCHA Elpidio, como siguiente artículo está Control de un proceso de
acondicionamiento de aire mediante Plc y pantalla HMI por MIRANDA, Francisco, ROCHA, Elpidio
y FERNÁNDEZ, Tomás, como siguiente artículo está Reconstrucción Robusta de Imágenes
Multiespectrales de Percepción Remota en GPUs por RAMÍREZ-ZAPATA, Rodrigo, CASTILLO-
ATOCHE, Alejandro, MORENO-SABIDO, Mario, BLANCO-VALDEZ, Magnolia, como siguiente
artículo está Tablero para prácticas de Termografía Infrarroja por ESTRADA, Francisco y
FERNANDEZ, Luis, como siguiente artículo está Diseño de un convertidor de potencia eléctrico para
obtener menos pérdidas de energía por AUSTRIA, León, NORIEGA, Raymundo, CANALES, Benito
y RUIZ, Luis, como siguiente artículo está Diseño e implementación de una tarjeta de control para un
actuador lineal de una impregnadora de papel por GIRÓN-REYES, Jesús, SÁNCHEZ-LÓPEZ,
Héctor, ROJAS-OLMEDO, Israel y HERNÁNDEZ-GONZÁLEZ, Daniel, como siguiente artículo está
Sistema de Gestión de demanda eléctrica basada en la Web por MORENO-DZUL, Julio, ÁLVAREZ-
IBARRA, Maricela, SILVA-DZIB, Ismael y ARCEO-DÍAZ, Rocío con adscripción en la Universidad
Tecnológica de Cancún, como siguiente artículo está Gestión de Mantenimiento Centrado en
Confiabilidad en el área de laboratorios de una Institución de Educación Superior por FORNES-
RIVERA, René, OCHOA-ESPINOZA, Luis, CANO-CARRASCO, Adolfo y GONZÁLEZ-
VALENZUELA, Elizabeth con adscripción en el Instituto Tecnológico de Sonora, como siguiente
artículo está Metodología para el aprovechamiento de la iluminación natural en los edificios y la
cuantificación de sus beneficios energéticos por HERNÁNDEZ-HERNÁNDEZ, Alberto y
MORILLÓN-GÁLVEZ, David con adscripción en la Universidad Nacional Autónoma de México.
Como siguiente artículo está Eficiencia en la producción de energía de un panel fotovoltaico a
diferente inclinación en Nuevo Vallarta, Nayarit por FLETES, Noé, PAREDES, César y DIBENE,
Luis con adscripción en la Universidad Tecnológica de Bahia de Banderas, como siguiente artículo está
Efectos del polvo en el desempeño de un arreglo fotovoltaico instalado en un clima costero por
FLETES, DIBENE-ARRIOLA, Luis, PAREDES-VÁZQUEZ, César y MESSINA-LÓPEZ, como
siguiente artículo está Simulación numérica de un intercambiador de calor terrestre vertical tipo “U”
usando condiciones de frontera de zona costera por COLORADO-GARRIDO, Darío, ANTONIO-
GONZÁLEZ, Vicente, SILVA-AGUILAR, Oscar y HERRERA-ROMERO, J.Vidal con adscripción en
la Universidad Veracruzana, como siguiente artículo está Análisis Termográfico y Propuesta de
Mejoras para la Eficiencia Energética del Edificio de Docencia #1 por MAYORQUIN-ROBLES,
Jesús, MEDINA-MUÑOZ, Luis, RODRÍGUEZ-SENDAY, José y VILLALVAZO-LAUREANO,
Efraín, como siguiente artículo está Tabique aislante sustentable por CRUZ-CAMARGO, Pedro y
DOMÍNGUEZ-NORIEGA, Alonso.
.
Contenido
Artículo Página
Diseño e implementación de metodología para la elaboración de diagnósticos
energéticos
SIFUENTES, David, MARTÍNEZ, Estrella y BERUMEN, Giovanni.
1-8
Prototipo de un Sistema Fotovoltaico Autónomo
MOLINA-GARCÍA, Moisés y MELCHOR-HERNÁNDEZ, César.
9-18
Estrategias de Mantenimiento FERNÁNDEZ, Tomás, MIRANDA, Francisco y ROCHA Elpidio.
19-27
Control de un proceso de acondicionamiento de aire mediante Plc y pantalla HMI
MIRANDA, Francisco, ROCHA, Elpidio y FERNÁNDEZ, Tomás.
28-34
Reconstrucción Robusta de Imágenes Multiespectrales de Percepción Remota en
GPUs
RAMÍREZ-ZAPATA, Rodrigo, CASTILLO-ATOCHE, Alejandro, MORENO-
SABIDO, Mario, BLANCO-VALDEZ, Magnolia.
35-43
Tablero para prácticas de Termografía Infrarroja
ESTRADA, Francisco y FERNÁNDEZ, Luis.
44-50
Diseño de un convertidor de potencia eléctrico para obtener menos pérdidas de
energía
AUSTRIA, León, NORIEGA, Raymundo, CANALES, Benito y RUIZ, Luis.
51-59
Diseño e implementación de una tarjeta de control para un actuador lineal de una
impregnadora de papel
GIRÓN-REYES, Jesús, SÁNCHEZ-LÓPEZ, Héctor, ROJAS-OLMEDO, Israel y
HERNÁNDEZ-GONZÁLEZ, Daniel.
60-64
Sistema de Gestión de demanda eléctrica basada en la Web
MORENO-DZUL, Julio, ÁLVAREZ-IBARRA, Maricela, SILVA-DZIB, Ismael y
ARCEO-DÍAZ, Rocío.
65-76
Gestión de Mantenimiento Centrado en Confiabilidad en el área de laboratorios
de una Institución de Educación Superior
FORNÉS-RIVERA, René, OCHOA-ESPINOZA, Luis, CANO-CARRASCO, Adolfo
y GONZÁLEZ-VALENZUELA, Elizabeth.
77-86
Metodología para el aprovechamiento de la iluminación natural en los edificios y
la cuantificación de sus beneficios energéticos
HERNÁNDEZ-HERNÁNDEZ, Alberto y MORILLÓN-GÁLVEZ, David.
87-98
Eficiencia en la producción de energía de un panel fotovoltaico a diferente
inclinación en Nuevo Vallarta, Nayarit
FLETES, Noé, PAREDES, César y DIBENE, Luis.
99-103
Efectos del polvo en el desempeño de un arreglo fotovoltaico instalado en un clima
costero
DIBENE-ARRIOLA, Luis, PAREDES-VÁZQUEZ, César y MESSINA-LÓPEZ,
Víctor.
104-113
Simulación numérica de un intercambiador de calor terrestre vertical tipo “U”
usando condiciones de frontera de zona costera
COLORADO-GARRIDO, Darío, ANTONIO-GONZÁLEZ, Vicente, SILVA-
AGUILAR, Oscar y HERRERA-ROMERO, J.Vidal
114-122
Análisis Termográfico y Propuesta de Mejoras para la Eficiencia Energética del
Edificio de Docencia #1
MAYORQUIN-ROBLES, Jesús, MEDINA-MUÑOZ, Luis, RODRÍGUEZ-SENDAY,
José y VILLALVAZO-LAUREANO, Efraín.
123-129
Tabique aislante sustentable
CRUZ-CAMARGO, Pedro y DOMINGUEZ-NORIEGA, Alonso.
130-138
Instrucciones para Autores
Formato de Originalidad
Formato de Autorización
1
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No8 1-8
Diseño e implementación de metodología para la elaboración de diagnósticos
energéticos
SIFUENTES, David†*, MARTÍNEZ, Estrella y BERUMEN, Giovanni.
Universidad Tecnológica de Durango, Carretera Durango-Mezquital Km 4.5, Gabino Santillán, 34308 Durango, Dgo.,
México
Recibido Julio 4, 2016; Aceptado Agosto 4, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
El presente documento describe el diseño e
implementación de una metodología para elaborar
diagnósticos energéticos eléctricos. La secuencia a seguir
para realizar un correcto estudio energético es iniciar con
un diagnóstico tipo uno y de ser necesario continuar con
el tipo dos y/o tres, lo que no es del todo claro, son los
pasos a seguir dentro de cada uno de estos. Para el diseño
se realizó un análisis de la literatura, sistemas de gestión
de la energía y normativa. La metodología denominada
DESMB consta de dos etapas, dos diagramas de flujo que
explican los pasos a seguir y 14 formatos que son
evidencia del diagnóstico energético (DE). La
implementación se realizó en un sistema eléctrico (SE)
comercial tarifa 2, tras la aplicación de la etapa uno se
obtuvieron 10 problemas, mismos que dieron pie a la
realización de la etapa dos donde se realizaron
mediciones por un periodo de 10 días, la información
obtenida en esta etapa permitió determinar dos áreas de
oportunidad: instalación eléctrica e iluminación. El
DESMB sistematizó y estandarizó las actividades a
realizar dentro del SE respaldado por una serie de
evidencias documentadas que facilitaron la identificación
de áreas potenciales de ahorro energético y económico.
Diagnóstico Energético, Eficiencia Energética,
DESMG
Abstract
The current document describes the design and
implementation of a methodology to elaborate electrical
energy diagnostics. The sequence to perform a correct
energy study is to initiate with a diagnostic type one and
if necessary, continue with types two and/or three. What
is not entirely clear, are the steps to follow in each of
them. For the design, it has been made a literature
analysis, energy management systems and policy. The
methodology named DESMB consists in two phases, two
flowcharts that explain the steps to follow and 14 formats
that are evidence of energy diagnostic (ED). The
implementation was made in a rate 2 commercial electric
system (ES) rate 2. After the application of phase one, 10
problems were obtained, which led to the performance of
phase two, where measurements were made for a 10 days
period. The information obtained on this phase allowed
to determinate two opportunity fields: electric installation
and illumination. The DESMB made possible to
systematize and standardize the activities to execute in
the ES and they have been documented as evidence that
facilitate the identification of potential saving areas of
energy and cost.
Energy Diagnostics, Energy efficiency, DESMG
Citación: SIFUENTES, David, MARTÍNEZ, Estrella y BERUMEN, Giovanni. Diseño e implementación de metodología
para la elaboración de diagnósticos energéticos. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 1-8
___________________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________
* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
ISSN-2410-3454
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SIFUENTES, David, MARTÍNEZ, Estrella y BERUMEN, Giovanni. Diseño e
implementación de metodología para la elaboración de diagnósticos energéticos.
Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016
2
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No8 1-8
Introducción
Para la mayoría del sector productivo el ahorro
de la energía en todas sus manifestaciones, es
una meta de suma importancia dentro del
desarrollo de la misma.
En Centro América la producción por
unidad de energía (índice energético), es alto
comparado contra los respectivos valores de los
países industrializados, el mejorar estos índices
depende del uso eficiente de la energía en los
procesos de producción (FIDE, 2010).
Dentro de las diversas manifestaciones
de la energía sin duda alguna la electricidad es
de las más utilizadas, actualmente existen
diversas estrategias y mecanismos para
conseguir el tan preciado ahorro de energía
eléctrica, tales como: la implementación de
sistemas de generación de energía eléctrica
distintos a los convencionales como la
cogeneración proveniente de energía térmica
residual del proceso mismo, la instalación de
sistemas de energía renovables aislados o
interconectados a la red y en los últimos años
los sistemas de gestión de la energía como el
ISO 50001.
Sea cual sea la actividad que se desee
implementar para tener un ahorro de energía es
necesario identificar y caracterizar el estado
actual del sistema eléctrico, esto se realiza a
través de un diagnostico energético (DE).
El DE es la parte medular de cualquier
proyecto de ahorro y eficiencia energética (EE),
ya que permitirá identificar áreas con y sin
problemas, zonas de peligro o cierto riesgo y
áreas de oportunidad para generar potenciales
ahorros, así como determinar las mejoras en las
instalaciones eléctricas y procesos.
La tipología de los DE se encuentra
dividida de acuerdo al grado de complejidad y
profundidad del análisis del sistema eléctrico,
existen tres tipos de diagnósticos: el diagnóstico
energético de primer grado o nivel uno (DEN 1)
que es básicamente una recolección preliminar
de información a través de una inspección
visual y/o entrevistas con los encargados de
diversas áreas con la finalidad de identificar
fuentes evidentes de algún posible
mejoramiento en el uso de la energía; el
diagnóstico energético de segundo grado o
nivel dos (DEN 2) es continuación del DEN 1,
en este diagnóstico se analizan a profundidad
los flujos de energía a través de mediciones con
equipo básico (multímetros, luxómetros, etc.) e
implica la inversión de tiempo y dinero; y
finalmente el diagnóstico energético de tercer
grado o nivel tres (DEN 3) consiste en un
análisis exhaustivo de las condiciones de
operación y el diseño de la instalación,
mediante el uso de equipo especializado de
medición y control, en estos diagnósticos, es
común el uso de técnicas de simulación de
procesos, se requiere mayor cantidad de tiempo
para realizarlo (CONUEE, 2016).
Es claro que la secuencia a seguir para
realizar un correcto estudio energético es iniciar
con un diagnóstico tipo uno y de ser necesario
continuar con el tipo dos y/o tres, pero, lo que
no es del todo claro son los pasos a seguir
dentro de cada uno de los diagnósticos, ¿qué
observo y qué pregunto en el DEN 1?, dentro
del DEN 2: ¿qué mido?, ¿dónde lo mido?,
¿cuánto tiempo lo mido?, así mismo surge otro
cuestionamiento aún más complejo, ¿cómo
determino el pasar de un diagnóstico a otro?, es
decir, en base a qué determino si el proyecto de
eficiencia energética está sólidamente
sustentado con solo un DEN 1 o si es necesario
realizar un DEN 2 o si se requiere invertir una
cantidad mayor de tiempo y dinero en un DEN
3.
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SIFUENTES, David, MARTÍNEZ, Estrella y BERUMEN, Giovanni. Diseño e
implementación de metodología para la elaboración de diagnósticos energéticos.
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3
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No8 1-8
Si bien, la respuesta a cada uno de estos
cuestionamientos puede depender de la pericia,
experiencia, dominio de la normatividad y
conocimientos sobre tópicos de energía de cada
especialista, es necesario seguir un camino que
facilite el tránsito hacia la identificación de
áreas de oportunidad de ahorro energético y
económico.
La presente investigación tiene como
objetivo diseñar una metodología para la
elaboración de diagnósticos energéticos con
énfasis en tópicos eléctricos para implementarla
en un sistema productivo. El artículo se
encuentra dividido en tres secciones:
antecedentes; donde se realiza una revisión de
la literatura existente sobre el tema de
diagnósticos energéticos, desarrollo; en el cuál
se explica a detalle la forma en la que se
estructuró la metodología denominada DESMB
y finalmente los resultados obtenidos tras la
implementación de la metodología en un
sistema productivo con tarifa 2.
Antecedentes
Proyectos de Eficiencia Energética (EE), ahorro
de energía, uso eficiente de la energía existen al
por mayor y la manera de realizarlos es
igualmente basta, algunos de ellos no dejan en
claro la forma en la que se determinó el área de
oportunidad de ahorro y otros siguen una
metodología determinada.
En el artículo denominado “Análisis de
la eficiencia energética de la industria española
y su potencial de ahorro” pretende conseguir
dos objetivos, el primero de ellos es obtener las
demandas condicionadas de los factores que
participan en el proceso productivo de las
empresas, para posteriormente calcular para
cada factor las distintas medidas de eficiencia
económica, centrando el análisis en el uso
óptimo de los factores energéticos (Aranda,
Scarpellini, & Feijoó, 2003).
El segundo objetivo es la realización de
Diagnósticos Energéticos (DE) a las empresas,
el cual sigue una metodología dividida en cinco
fases:
- Selección de sectores y subsectores
objeto de estudio.
-
- Selección de entidades a analizar dentro
de dichos sectores y subsectores.
- Medidas a analizar en cada entidad
estudiada.
- Modo de relación de los diagnósticos a
dichas entidades.
- Extrapolación de los resultados de los
diagnósticos del sector industrial.
Los resultados obtenidos para el
segundo objetivo fueron la detección de áreas
de oportunidad en ahorro térmico y eléctrico en
tres sectores: metal, químico y agroalimentario
(Aranda, Scarpellini, & Feijoó, 2003).
Por otra parte, Morato (2009) presenta
su artículo “Reducción de gasto energético
eléctrico usando seis sigma” en el cual ilustra
un ejemplo de aplicación de la metodología
Seis Sigma en los modelos de gestión
energética para la Reducción de Gasto
Energético Eléctrico en un parque industrial.
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implementación de metodología para la elaboración de diagnósticos energéticos.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No8 1-8
Dentro de este artículo se explica la
manera de aplicar la metodología de solución
de problemas DMAMC: Definir, medir,
analizar, mejorar y controlar. Dentro de la etapa
de Definición el proyecto se enfoca desde la
ecuación básica para resolver problemas desde
Seis Sigma: Y= f(x), donde Y es la variable
dependiente y X la variable independiente, para
el caso del proyecto energético Y es el consumo
(kw/h) y las variables independientes fueron
declaradas mediante diferentes discusiones del
equipo de trabajo definiendo las siguientes:
motores, factor de potencia, iluminación,
aplicaciones térmicas, sistemas de distribución
y manejo operacional (Orozco, 2009).
El artículo “Desarrollo de un estudio
energético en el sistema de aguas de la empresa
CEMONOSA” expone un estudio energético
con la intención de identificar las áreas de
oportunidad para el ahorro de energía eléctrica
y emprender acciones de control. En este
artículo se presenta una metodología para
elaborar un DE que se sustenta en la estructura
seguida en los proyectos de ahorro de energía,
misma que contempla implícitamente
metodologías básicas en la elaboración de
proyectos de inversión, que incluyen
planeación, organización, dirección y control.
Los pasos a seguir dentro de esta
metodología son los siguientes (Cázares, A., &
Ybarra, 2005):
1. Planificación del diagnóstico
2. Recopilación y revisión de datos
3. Complementar trabajo preparatorio
4. Trabajo de campo y mediciones
5. Sistematización y análisis de datos
6. Identificación y análisis de
oportunidades y medidas de ahorro de
energía
7. Elaboración de conclusiones con el
personal de la empresa
8. Elaboración del informe definitivo
(Cázares, A., & Ybarra, 2005).
En el mismo tenor se presenta el artículo
“Desarrollo e implementación de estrategias
enfocadas a la disminución del consumo de
energía eléctrica en una empresa cervecera”
muestra el desarrollo e implementación de las
principales estrategias de uso eficiente de
energía eléctrica en una industria cervecera,
como resultado de la realización de un DE, la
metodología propuesta consta básicamente de
dos etapas: en primer lugar se identificaron los
principales equipos consumidores de energía
eléctrica en la planta y posteriormente se
desarrollaron soluciones técnico-
económicamente viables para eficientar el uso
de energía eléctrica, (Caravantes, López,
Velázquez, & López, 2005).
La metodología propuesta en este
estudio es la siguiente:
1. Recolección de información básica e
inventario general de las instalaciones.
2. Elaborar balances de energía.
3. Determinar la incidencia del consumo
de energía de cada equipo o grupo de
equipos en el consumo de energía total
y por lo tanto en el costo total.
4. Obtener índices de consumo de energía.
5. Determinar los potenciales de ahorro de
energía por equipos, áreas o centros de
costos, mediante una evaluación técnica
detallada en los diferentes campos.
6. Identificar las medidas apropiadas de
ahorro de energía.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No8 1-8
7. Evaluación de los ahorros de energía en
términos de costos (Caravantes, López,
Velázquez, & López, 2005).
El aspecto normativo en nuestro país
está representado por la Secretaria de Energía
(SENER) a través de la Comisión Nacional para
el uso Eficiente de la Energía (CONUEE),
misma que en su manual para la
implementación de un Sistema de Gestión de la
Energía (SGEN) plasma una metodología para
lograr la mejora continua del desempeño
energético en las organizaciones en una forma
costo efectiva (Abel Hernández Pineda, 2014).
La metodología para el diseño e
implementación de un SGEN propone ocho
etapas que se muestran en la figura 1.
Figura 1 Etapas para el diseño e implementación de
SGEN (Abel Hernández Pineda, 2014)
Dentro de la etapa 2 “Evaluar el
desempeño energético” se considera los usos
que se dan a la energía, la forma en que se
consume, la intensidad energética y las medidas
disponibles para fomentar la eficiencia y el
ahorro de energía, es decir, el diagnóstico
energético.
Por otra parte, la normativa europea
UNE 216501 de Auditoria Energética que tiene
como objetivos: obtener un conocimiento fiable
del consumo energético, identificar y
caracterizar los factores que afectan al consumo
de energía y detectar y evaluar las distintas
oportunidades de ahorro y su repercusión en
costo energético, propone una metodología que
consiste en (Sánchez, 2010):
1. Generalidades
2. Estado de las instalaciones.
a. Análisis de los suministros
energéticos.
b. Análisis de los procesos de
producción.
c. Análisis de las tecnologías
horizontales y servicios.
d. Medición y recogida de datos.
3. Realización de una contabilidad
energética.
4. Análisis de propuestas de mejora.
a. Desarrollo de mejoras.
b. Concatenación de mejoras.
c. Recomendaciones y buenas
prácticas.
Dicha norma tiene una relación directa y
antecesora de otra norma la UNE-EN16001
SGE, la siguiente figura la muestra:
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implementación de metodología para la elaboración de diagnósticos energéticos.
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6
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
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Figura 2 Relación entre la UNE 216501 y UNE-
EN16001 (Sánchez, 2010).
Desarrollo
Como se analizó en el apartado anterior los
estudios energéticos están conformados por una
serie de pasos secuenciados, este proyecto se
enfoca solo en una parte que consideramos
primordial para lograr el ahorro energético, el
DE.
Un DE correctamente realizado
permitirá en primera instancia caracterizar el
sistema eléctrico (SE) y posteriormente
determinar los problemas que se convertirán en
un área de oportunidad, a continuación, se
analizarán las posibles soluciones y al
implementarlas se determinará el ahorro
energético y económico obtenidos, la figura 3
muestra un esquema de lo que consideramos un
proyecto de ahorro energético.
Figura 3 Esquema de proyecto de ahorro energético
(Elaboración propia).
Metodología DESMB para elaboración de
Diagnósticos Energéticos
La metodología DESMB se realizó cubriendo
los diversos lineamientos marcados por
organismos como la CONUEE y SENER y
teniendo como base las siguientes Normas
Oficiales Mexicanas (NOM):
Figura 4 Normas involucradas en Metodología DESMB
(Elaboración propia).
La metodología está organizada por tres
etapas estructuradas por diagramas de flujo
(DF) que permiten al estudiante seguir una
secuencia de actividades y 14 formatos que
brindarán al estudiante evidencia y veracidad a
los resultados.
DESMB
NOM-001-SEDE-2012
NOM-007-ENER-2014
NOM-025-STPS-2012
IEC 61000-430
ISSN-2410-3454
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SIFUENTES, David, MARTÍNEZ, Estrella y BERUMEN, Giovanni. Diseño e
implementación de metodología para la elaboración de diagnósticos energéticos.
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7
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No8 1-8
La primera etapa que representa un
tiempo de dos días aproximadamente,
corresponde al DEN 1 mismo que tiene ocho
formatos que llevan al estudiante a la una
caracterización general del SE y de sus
consumos a través de una inspección visual,
posteriormente al analizar la información se
determina el problema que presenta la
instalación o se decide si se pasa a la etapa 2.
De seguir la segunda alternativa (DEN
2) se realiza en un tiempo de 10 a 15 días,
consta de un DF y seis formatos, dentro de esta
etapa se realizarán mediciones de las variables
encontradas en la etapa 1 y estas dependerán de
la instrumentación que se tenga. Al analizar la
información se determina si se tienen
argumentos para declarar un problema o decidir
realizar un DEN 3, mismo que se realiza de
igual manera que el DEN 2 pero con una
duración de 30 a 90 días de análisis. La figura 5
y 6 muestra los DF de cada etapa.
Figura 5 Diagrama de flujo etapa 1 metodología
DESMB (Elaboración propia).
Figura 6 Diagrama de flujo etapa 2 metodología
DESMB (Elaboración propia).
Resultados
Para determinar los resultados de la
metodología DESMB se entregó a un grupo de
alumnos del quinto cuatrimestre de la
especialidad de Energías Renovables para su
implementación dentro de un proyecto de
ahorro energético en un sistema eléctrico de una
Rectificadora.
Tras la aplicación de la etapa 1 el equipo
obtuvo 10 problemas al analizar esta
información el equipo decidió pasar a la etapa 2
de la metodología y realizar mediciones de
parámetros eléctricos por un periodo de 10 días.
“En el diagnostico se pudo observar que la
instalación eléctrica de la rectificadora no está
en buenas condiciones, ni tampoco es segura
debido a que máquinas se presentan sin clavijas
de conexión, no existen empalmes en los
gabinetes principales, el alumbrado no cumple
con la normatividad vigente.
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Para esto se llevará a cabo un
diagnostico 2 con el fin de encontrar el
problema específico que el local presenta.”
Al analizar la información obtenida en la etapa
2 el equipo estuvo en condiciones de declarar el
problema a solventar mismo que se centraba en
dos puntos relevantes: instalación eléctrica e
iluminación.
Conclusiones
La implementación de la metodología
proporcionó al estudiante una vereda clara
sobre las actividades que debería de realizar
dentro del SE, generó en el estudiante un
sentimiento de seguridad ya que sus propuestas
y aseveraciones se encontraban respaldadas por
una serie de evidencias documentadas en 14
formatos mismos que a la postre le servirían
para la elaboración de su informe técnico.
Referencias
Hernández, A., G. E. (2014). Manual para la
Implementación de un Sistema de Gestión de la
Energía. México. D.F.: CONUEE / GIZ.
Aranda, A., Scarpellini, S., & Feijoó, M.
(2003). Análisis de la eficiencia energética de
la industria española y su potencial de ahorro.
Economía Industrial, 11-24.
Caravantes, G. D., López, J. H., Velázquez, R.
L., & López, A. A. (2005). Desarrollo e
implementación de estrategias enfocadas a la
disminución del consumo de energía eléctrica
en una empresa cervecera. Impulso, Revista de
Electrónica, Eléctrica y Sistemas
Computacionales, 60-67.
Cázares, F. G., A., E. R., & Ybarra, J. J. (2005).
Desarrollo de un estudio energético en el
sistema de aguas de la empresa CEMONOSA.
Impulso, Revista de Electrónica, Eléctrica y
Sistemas Computacionales, 34-42.
CONUEE, C. N. (1 de Marzo de 2016).
CONUEE. Obtenido de www.conuee.gob.mx
FIDE, F. p. (2010). Curso-Taller Promotores
de Ahorro y Eficiencia de Energía Eléctrica.
Guatemala: Secretaría de Energía.
Orozco, J. S. (2009). Reducción de gasto
energético eléctrico usando seis sigma.
Producción + Limpia, 90-102.
Sánchez, J. M. (2010). La Norma UNE-216501
de Auditoria Energética. Requisitos y
experiencias. España.
9
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 9-18
Prototipo de un Sistema Fotovoltaico Autónomo
MOLINA-GARCÍA, Moisés†* y MELCHOR-HERNÁNDEZ, César.
Recibido Julio 8, 2016; Aceptado Septiembre 14, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
La energía solar está constituida por la fracción de
luz que emite el sol y que es interceptada por la
tierra en su superficie, dentro de los tipos de forma
de energía se encuentra la solar fotovoltaica, la cual
se considera energía limpia. En el presente artículo
se muestra la construcción de un prototipo de un
sistema fotovoltaico autónomo para la generación
de energía eléctrica, el cual consta de una estructura
soporte para el panel solar con un ángulo de
inclinación para que pueda recibir de mejor manera
los rayos del sol, un controlador de carga el cual
tiene como función principal de prevenir descargas
y sobrecargas de la bateria, además de tener
diferentes funciones para el control de horas de
encendido de algún aparato electrico; en este caso
lámparas de iluminación, una bateria recargable de
12 Volts que permite almacenar la energía que se
genera por medio de los rayos del sol a través del
panel solar, y por último un inversor de corriente el
cual se encarga de adecuar las características de la
energía demandada a corriente alterna para
diferentes aplicaciones.
Energías Renovables, Energía Solar, Panel Solar,
Sistema Fotovoltaico, Sistema de Iluminación,
Prototipo
Abstract
Solar energy is made by the fraction of light that sun
emits and that is intercepted by the earth’s surface,
among the types of energy it is found the solar
photovoltaic, which is considered clean energy. In
this article it is shown the construction of a
prototype of an autonomus photovoltaic system for
the production of electric energy, which consists of
a support structure for the solar panel with an
inclination angule so it can better receive sun rays, a
charge controller which works mainly to prevent
discharges and overcharges from the battery,
besides having different functions for lighting
control, a rechargeable 12 volts battery that allows
to save the energy that is generated by sun rays
through the solar panel, and a power inverter that is
risponsable of adapting the characteristics of the
requested energy for different aplications.
Renewable Energy, Solar Energym Solar Panel,
Photovoltaic System, Lighting System, Prototype
___________________________________________________________________________________________________
Citación: MOLINA-GARCÍA, Moisés y MELCHOR-HERNÁNDEZ, César. Prototipo de un Sistema Fotovoltaico
Autónomo. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 9-18
________________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________
* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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César. Prototipo de un Sistema Fotovoltaico Autónomo.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 9-18
Introducción
La energía solar está constituida por la fracción
de luz que emite el sol y que es interceptada en
su superficie, por lo que se encuentra
condicionada por factores de tipo astronómico y
geográfico (posición relativa sol – tierra y lugar
donde este ubicado el sistema) así como de tipo
climatológico.
La denominada energía solar
fotovoltaica en la cual se centra esta
investigación y que consiste en el
aprovechamiento de la radiación solar incidente
sobre celdas fotovoltaicas, capaces de convertir
la luz solar recibida en energía eléctrica, es una
alternativa viable al uso de combustibles fosiles
para la producción de electricidad debido a que
no generan ningún tipo de residuo
contaminante.
Los sistemas fotovoltaicos son
asccesibles para todo tipo de público, son de
fácil instalación, sencillos de manejar y
requieren de muy poco mantenimiento, con una
vida útil de aproximadamente 15 años. A
diferencia de otro tipo de energías renovables,
como por ejemplo, la energía hidráulica o
eólica, donde es necesario que haya ciertas
características en el medio ambiente como son
cuerpos de agua o corrientes de aire, la energía
solar se encuentra en todas partes y en cualquier
época del año.
Con los sistemas fotovoltaicos siempre
se tiene energía debido a los rayos del sol, al
menos que exista una falla del equipo, la
energía puede ser utilizada sin pagar alguna
cuota; en cambio con los sistemas
interconectados a la red en ocasiones se carece
de energía por las inclemencias del tiempo o
por fallas técnicas y se debe pagar a una
empresa generadora por utilizar la energía
Efecto fotovoltaico
Las celdas solares convierten directamente la
luz solar en electricidad, debido al efecto
fotovoltaico. La luz está compuesta de fotones
con diferentes energías, cuando un fotón con
energía suficiente choca con un átomo de algún
material, por ejemplo el silicio, el átomo
absorbe la energía del fotón y un electrón del
material queda en un estado excitado por la
energía absorbida, lo que permite en algunos
casos, que se mueva libremente. Si en lugar de
uno son varios los electrones que circulan
libremente, puede producirse una corriente
eléctrica bajo ciertas condiciones y por lo tanto,
generarse electricidad a partir de energía solar.
Sistema fotovoltaico
Figura 1 Diagrama eléctrico de sistema fotovoltaico.
En el sistema el panel fotovoltaico recibe la luz
solar, la cual mediante el efecto fotovoltaico
convierte en energía eléctrica. El controlador de
carga, alimentado por el panel, regula el voltaje
de carga en las baterías protegiéndolas de
sobrecargas o sobredescargas y así su tiempo de
vida es mayor; además de controlar los tiempos
de consumo. Las baterías, a su vez, alimentan al
inversor, el cual convierte el voltaje de 12 volts
de corriente directa (CD) proporcionado por las
baterías a 127 volts de corriente alterna (CA).
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Desarrollo
En el ITSH se están desarrollando proyectos de
ahorro de energía, debido a que se cuenta con la
norma del sistema de gestión ambiental ISO
14001:2004, en el área de sistemas
fotovoltaicos, se esta trabajando para poder ser
instalados en algunas áreas del plantel. Se están
desarrollando prototipos con el fin de realiar
análisis para poder conocer como se comportan
y poder tener un conocimiento para poder ser
instalados a escala mayor.
Componentes del sistema fotovoltaico
1. Celda fotovoltaica.
El componente principal para cualquier sistema
fotovoltaico es el generador, que recibe el
nombre de celda fotovoltaica. Esta se
caracteriza por convertir directamente en
energía eléctrica los fotones provenientes de la
luz solar. Su funcionamiento se basa en el
“efecto fotovoltaico”.
Figura 2 Partes que conforman el prototipo fotovoltaico.
Una celda fotovoltaica se comporta
como un diodo; la parte expuesta a la radiación
solar es la terminal N, y la parte situada en la
zona sombría es la terminal P. Las terminales
de conexión de la célula se hallan sobre cada
una de estas partes del diodo; la cara
correspondiente a la zona P se encuentra
completamente cubierta (no debe recibir rayos
solares), mientras que en la zona N el
metalizado tiene forma de peine, a fin de que la
radiación solar llegue al semiconductor.
Figura 3 Estructura de una celda fotovoltaica. [1]
Cálculo del ángulo de inclinación de la celda
fotovoltaica
La inclinación de la superficie óptima ( ) de
un panel fotovoltaico se relaciona con la altitud
(Ф) del sitio donde pretende ser ubicado.
La ecuación es la siguiente:
(1)
Resultando de esta ecuación la
inclinación ideal para el panel fotovoltaico
según el lugar donde piense ser instalado.
Control de carga
La función básica de este dispositivo es
prevenir descargas y sobrecargas de la batería.
Se emplea además para proteger las cargas en
condiciones extremas de operación y brindar
información al usuario. La función de
regulación de carga idealmente debe depender
directamente del estado de carga en la batería.
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El controlador empleado atiende el
voltaje de la batería
Ten
sió
n d
e b
ater
ía (
vo
ltio
s)
Zona no recomendada Fin de carga
Reposición
de carga
Reconexión,
de consumo
Desconexión
,de consumo
Zona no recomendada
Tiempo (días)
Figura 4 Variación del voltaje de una batería con un
controlador de carga. [2]
Las características esenciales del
controlador de carga son:
1. El voltaje de desconexión de las
cargas de consumos. Corresponde al valor de
carga de la batería por debajo del cual se
interrumpe el suministro de electricidad a los
consumos. En este caso 11.1V.
El voltaje final de carga. Es el valor de
la tensión de la batería por encima del cual se
interrumpe la conexión entre el panel
fotovoltaico y la batería o se reduce
gradualmente la corriente media entregada por
el panel fotovoltaico. En este caso 12.6V.
El panel frontal del controlador que se utiliza
cuenta con 3 LED que indican su
funcionamiento, un display LED de 7
segmentos y los tornillos para hacer las
conexiones de los cables.
Figura 5 Vista frontal del controlador de carga.
Los 3 LED indican cómo se encuentra
funcionando el controlador. De izquierda a
derecha se muestran el estado del panel
fotovoltaico, el estado de la batería y el estado
de la carga conectada.
Sistema Acción
Panel fotovoltaico
Verde encendido, cuando el
panel carga las baterías.
Verde parpadeando, cuando el
sistema tiene un sobre voltaje.
Batería
Verde encendido, cuando el
nivel de la batería es el
correcto.
Verde parpadeando lento,
cuando la batería está llena.
Amarillo encendido, cuando
el nivel de la batería es
bajo.
Rojo encendido, cuando la
batería se desconecta.
Cargas
Verde encendido, cuando la
salida está conectada.
Rojo parpadeando lento,
cuando está sobrecargada.
Rojo parpadeando, cuando la
carga está cortocircuitado.
Tabla 1 Indicador LED del controlador de carga. [3]
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Figura 6 Vista frontal del controlador de carga.
En la figura 6 se aprecian los LED del
panel fotovoltaico y la batería encendidos.
Figura 7 Vista frontal del controlador de carga.
En la figura 7, se aprecian los LED de la
batería y las cargas, encendidos.
El display LED muestra las opciones de
control de luz del controlador de carga.
Número Modo Opción
Número 0 Número 0 Día y noche, luz siempre
encendida
Número 1 Número 1 Luz encendida por la
noche durante 1 horas
Número 2 Número 2 Luz encendida por la
noche durante 2 horas
Número 3 Número 3 Luz encendida por la
noche durante 3 horas
Número 4 Número 4 Luz encendida por la
noche durante 4 horas
Número 5 Número 5 Luz encendida por la
noche durante 5 horas
Número 6 Número 6 Luz encendida por la
noche durante 6 horas
Número 7 Número 7 Luz encendida por la
noche durante 7 horas
Número 8 Número 8 Luz encendida por la
noche durante 8 horas
Número 9 Número 9 Luz encendida por la
noche durante 9 horas
Número 10 Número 0 Luz encendida por la
noche durante 10 horas
Número 11 Número 1 Luz encendida por la
noche durante 11 horas
Número 12 Número 2 Luz encendida por la
noche durante 12 horas
Número 13 Número 3 Luz encendida por la
noche durante 13 horas
Número 14 Número 4 Luz encendida por la
noche durante 14 horas
Número 15 Número 5 Luz encendida por la
noche durante 15 horas
Número 16 Número 6 Luz apagada
Número 17
Número 7
Modo de prueba. Luz
encendida cuando no se
detecta luz. Luz apagada
cuando se detecta luz
Tabla 2 Opciones de control de luz. [3]
3. Sistema de almacenamiento.
Está formado por un conjunto de
baterías, generalmente de plomo-ácido. Estos
son dispositivos capaces de transformar la
energía química en energía eléctrica.
Almacenan la energía eléctrica generada
durante las horas de radiación, para su
utilización posterior en los momentos de baja o
nula insolación.
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Una de las características más
importante de un batería en una instalación
fotovoltaica es el ciclado. El ciclado diario se
refiere a que la batería se carga en el día y se
descarga en la noche. Superpuesto a este ciclo
diario está el ciclo estacional que se asocia a
periodos de reducida incidencia de radiación.
Estos ciclos conjuntamente con otros
parámetros de operación como temperatura
ambiente, corriente, inciden sobre la vida útil de
la batería y sus requisitos de mantenimiento.
Los principales parámetros que definen
el funcionamiento de una batería en un sistema
fotovoltaico son:
1. El máximo valor de corriente que puede
entregar a una carga fija, en forma continua,
durante un número específico de horas de
descarga.
2. Capacidad de almacenamiento de energía.
3. Profundidad de descarga máxima
4. La vida útil.
Los parámetros utilizados en la prueba
son corriente y tiempo, la capacidad de la
batería se define en Amperes-hora (Ah). A
partir de este valor puede determinarse la
corriente máxima para un determinado régimen
de descarga.
La bateria utilizada en el proyecto es de
la marca RITAR® modelo RT1270, cuyas
características principales son:
Celdas por unidad 6
Voltaje por unidad 12 V
Capacidad 7Ah
Peso Aprox. 2.0 Kg
Corriente máxima de
descarga
70 A (5 seg)
Resistencia interna Aprox. 30mΩ
Rango normal de
temperatura
25°C ±5°C
Voltaje en fase de carga 13.7-13.9 VDC a 25°C
Corriente máxima
recomendada de carga
2.1 A
Autodescarga >3% por mes a 25°C
Terminal Faston Tab 187 (F1)/
Faston Tab 250 (F2)
Material del contenedor A.B.S. (UL94-HB),
Resistencia UL94-V2
Tabla 3 Características de la batería RT1270.
Figura 8 Batería RITAR modelo RT1270.
Con una potencia consumida de 30
Watts, se puede apreciar la siguiente gráfica de
descarga de la batería en un lapso de 60
minutos. Se utilizó un multímetro marca Truper
modelo MUT-33, que midiendo tensión en
corriente directa tiene una precisión de ±0.8%,
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y la medición de voltaje era realizada cada 5
minutos.
Gráfico 1 Rendimiento de la carga en la batería.
Se puede apreciar que la descarga de la
batería se realiza de forma lineal si la potencia
requerida es constante.
4. Inversor de corriente
Su función es adecuar las características
de la energía generada a las demandadas por las
aplicaciones de la instalación. Un sistema de
conmutación electrónico, llamado inversor,
transforma la corriente continua de las baterías
(12V) en corriente alterna que es utilizada en
los hogares (120V-60Hz)
.
Las principales características que deben
considerarse para la selección del inversor son:
1. La tensión de entrada.
2. Máxima potencia que puede manejar.
3. Margen de sobrecarga permisible.
4. Potencia, tensión y forma de la onda de la
salida
5. Frecuencia de trabajo y máximo error de
frecuencia.
6. Eficiencia de transformación (generalmente
cercana al 85%).
Para seleccionar el inversor, es
necesario saber que en el mercado se pueden
encontrar inversores de onda sinusoidal pura
(PWM) y de onda sinusoidal modificada
(MSW).
Figura 9 Diferencia entre una onda sinusoidal pura y
onda sinusoidal modificada.
Los inversores de onda sinusoidal
modificada (MSW) pueden alimentar a la
mayoría de electrodomésticos actuales, sin
embargo, pueden ocasionar problemas a
aparatos con cargas inductivas, como son los
motores. Los inversores de onda sinusoidal
pura (PWM), imitan la forma de onda que
provee la red eléctrica y en consecuencia es la
mejor opción al alimentar los equipos eléctricos
y electrónicos actuales.
El inversor utilizado es un Xtron® PI-
200 de onda sinusoidal modificada (MSW) de
200W de potencia continua. Se decidió
implementar este por a su reducido costo,
tamaño y debido a que sus características
eléctricas son las indicadas para el sistema.
12,25
12,18
12,16
12,13
12,1
12,07
12,05
12,01
11,98
11,94
11,91
11,87
11,6
11,8
12
12,2
12,4
0 10 20 30 40 50 60
Vo
ltaj
e
Tiempo (minutos)
Línea de descarga
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Figura 10 Inversor Xtron® PI-200. [4]
Cantidad de contactos
120 VCA
2
Tensión de entrada 12 VDC (11
VDC~15VDC)
Tensión de salida 115-120 VCA
Potencia continua 200 W
Pico de potencia 400 W
Frecuencia de salida 50 Hz-60 Hz +/-3 Hz
Corriente en espera <0.5 A
Eficacia >85%
Fusible 25 A (tipo clavija)
Tabla 4 Característcias eléctricas de inversor PI-200. [4]
Marca Xtron
Modelo PI-200
Conector de alimentación Plug encendedor
Jack encendedor
(caimanes rojo y
negro)
Material Metálico
Color Negro
Dimensiones 12.8 cm x 13.2 cm x 5.2
cm
Tabla 5 Característcias físicas de inversor PI-200. [4]
Algunas de las ventajas de los sitemas
fotovoltaicos son: bajos costos operacionales,
se requiere poco mantenimiento, beneficios
ambientales al no quemar combustibles,
modularidad se puede cambiar de lugar o
agrandar, se puede programar a las
caracteristcias del usuario y bajos costos de
construcción en cuanto a cableado y en lugares
lejanos no se necesita de contratos con
empresas generadoras de energía.
Metodología
Diseño del prototipo
Se realiza una maqueta simulando la
iluminación interna de 3 hogares por medio de
leds conectados en un arreglo con apagador
individual alimentados directamente del control
de carga.
Figura 11 Vista frontal de los hogares que se simulan.
Figura 12 Vista superior de uno de los hogares que se
simulan.
Para la batería y el inversor se utiliza
cable calibre 14, que tiene una ampacidad de 25
A. Para el cableado de los led es utilizado cable
calibre 22 con una ampacidad de 5 A.
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Figura 13 Vista frontal del prototipo.
Resultados
Las pruebas fueron realizadas a las 14:20 horas.
El controlador de carga está en un modo
de operación en el cual cuando detecta luz solar
desconecta las cargas, lo que quiere decir que
desconecta el inversor y el voltaje de salida es
cero. Mientras que cuando se corta el
suministro de luz solar, de inmediato vuelve a
encender al inversor y este trabaja
proporcionando 127 VCA.
Figura 2 Incidencia de luz sobre la celda.
En la Figura 14 se observa que al incidir
luz solar sobre la celda, el inversor se encuentra
desconectado; no se registra ningún voltaje.
Figura 3 Generación de voltaje.
Con los datos obtenidos se demuestra
que el sistema si entra en función. En el
momento que el controlador detecta que no hay
luz solar (en la noche), alimenta al inversor; en
la figura 15 se aprecian 120V de corriente
alterna. Una vez programado con el controlador
se tendrá la iluminación necesaria por parte de
los leds en el tiempo requerido.
Agradecimientos
Al Instituto Tecnológico Superior de Huatusco
por prestar sus instalaciones y el material
necesario para la realización del prototipo. Al
Ing. Francisco Javier Fuentes Ramos encargado
de laboratorio. Al Ing. Axel Pipper Rios, por
apoyar en la redacción. Al Ing. Omar Bello
Cruz y el Ing. Jesús Arturo Vázquez Trujillo
por la donación del equipo.
Conclusiones
Se puede apreciar que con la potencia utilizada
de 30 Watts que es la generada por el panel el
tiempo de descarga del sistema es adecuado,
considerando que un foco tipo LED consume
comunmente 9 Watts de potencia,
aproximadamente se pueden conectar 3 focos y
tienen un rendimiento de más de una hora con
la carga completa de la batería.
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El sistema puede ser mejorado si se
utiliza una batería de mayor capacidad de
almacenaje, lo cual prolongaría el tiempo útil
de los leds. Así también incrementar la
potencia del inversor que se desea utilizar para
que de esta forma se pueda alimentar más leds a
la vez.
Referencias
Díaz, T., & Carmona, G. (s.f.). Técnico en
Instalaciones Eléctricas y Automáticas. Mc
Graw-Hill.
Soluciones Energéticas S.A. (05 de 01 de 2002).
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Solar Charge Controller, pág. 4.
19
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Septiembre 2016 Vol.3 No.8 19-27
Estrategias de Mantenimiento
FERNÁNDEZ, Tomás†*, MIRANDA, Francisco y ROCHA Elpidio.
Recibido Julio 21, 2016; Aceptado Septiembre 13, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
El siglo 21 tendrá muchas necesidades para la
administración de los equipos, una estrategia será de
sostenimiento para la conservación de los equipos y
las funciones de los mismos. El manejo de un
equipo y el cuidado de las medidas del
mantenimiento, o el restablecimiento de las
condiciones de operación evitan las consecuencias o
fallas y asegura la capacidad productiva del equipo.
En las industrias de generación de energía y
petroleras, la tendencia que existe es la de reducir a
un 35% los costos de operación en el mantenimiento
y el desfavorable impacto del tiempo perdido que se
multiplica por 300%. La supervivencia de estas
operaciones encaminadas al mantenimiento, está
pensadas hacia el siglo XXI.Titulo
Mantenimiento, Industrias de generación,
Administración de los equipos
Abstract
Maintenance means keeping equipment running or
restoring it to operating condition. However, the 21
st century will usher in a broader need for
equipment management, a cradleto-grave strategy to
preserve equipment functions, avoid the
consequences of failure and ensure the productive
capacity of equipment.
Profitable future operations will have reduced the
35% of operating costs typically spent on
maintenance and the unfavorable impact of
downtime that often multiplied these costs by 300%.
They will survive those operations that tried to carry
outdated “maintenance” thinking beyond the XXI
Century.
Maintenance, Industries Generation,
administration of equipment
___________________________________________________________________________________________________
Citación: FERNÁNDEZ, Tomás, MIRANDA, Francisco y ROCHA Elpidio. Estrategias de Mantenimiento. Revista de
Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 19-27
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*Correspondencia al Autor:( Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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Elpidio. Estrategias de Mantenimiento. Revista de
Aplicaciones de la Ingeniería 2016
20
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 19-27
Introducción
El objetivo de este trabajo es aportar ideas y
plantear como se llevara a cabo en la industria
azucarera las estrategias de mantenimiento,asi
como los pasos para ser aplicados en una
mejora continua , las etapas del ciclo de vida de
los equipos para asi formar un mantenimiento
competitivo,también las estrategias que se
pueden aplicar y llevar a cabo en lo referente al
mantenimiento Las operaciones de
sobrevivencia deberán aplicarse a las modernas
técnicas de la administración, y a las
tecnologías actuales y que además se requiere
que el personal este capacitado para darle
solución a las necesidades del equipo.
Los gerentes del futuro tendrán que usar la
administración de mantenimiento de los
equipos como una parte integral de una
estrategia de producción total.
Desarrollo
Este trabajo se basa en trabajos practicos
realizados en ingenios azucareros en donde se
implemento y se lleva a cabo, hasta la fecha
siguen implementandandose estas estrategias de
mantenimiento ya que es un trabajo de largo de
plazo y en la cual se tiene que llevar a cabo el
cambio de cultura en el personal operativo y de
mantenimiento y esto es muy complejo llevarlo
a buen termino. No hace mucho, en el pasado,
los héroes locales en las industrias fue‚ el
capataz, encargado del mantenimiento. Él era el
encargado de las operaciones del
mantenimiento y de los desastres ocurridos, y
también era el encargado del arranque de los
equipos. Estos factores ocasionaban que las
omisiones cuando ocurrían desastres nunca
fueran cuestionadas. Los gerentes disponían de
poco tiempo como el mantenimiento se
ejecutaba. Frecuentemente había intensas
presiones para aumentar la producción.
Ellos escogían en lugar de tomar sus
oportunidades como un buen cuerpo de
material, no retiraban el exceso del equipo o
tenían una corta distancia de arranque, tomaban
acciones para usar recursos de mantenimiento
más efectivas.
Figura 1
Muchos gerentes designaban unidades
de negocios para controlar operaciones y
mantenimiento. Ellos a través de esto brindaban
un control hermético a las funciones del
mantenimiento, aquellos nuevos diseños de
unidades de negocios líderes gustaban de tener
personal de mantenimiento y manual. Pero ellos
encuentran la carga de actividades diversas,
como reconstruir componentes, etc.
Los líderes de las unidades de negocios son
también detenidos mirando las medidas de
aumento en la producción. A través de esto fue
poco lo que se improvisó para entender las
funciones que hacen que se trabaje
apropiadamente en el mantenimiento.
La experiencia que tomaron los gerentes
fue‚ una acción delegada. Pocos gerentes toman
acción directa para causar el mantenimiento
para una parte de su completo plan de
operación.
ETAPAS QUE FORMAN UN MANTENIMIENTO COMPETITIVO
LA ESTRATREGIA:
ASIGNAR RESPONSABILIDADES TRANSPARENTES YCLARAS POR
DEPARTAMENTO
MEJORA CONTINUA
SEGURIDAD AL
MEDIO AMBIENTE
CONTABILIDADCOMPRAS
ALMACEN
TALLERES
MANTENIMIENTOOPERACIONES
INGENIERÍA
•TENER LAS PARTES CORRECTAS.
•ENTREGA A TIEMPO.•OPERACIÓN Y UTILIZACIÓN
CORRECTA
•MEJORAR LAS OPERACIONES
EN PLANTA
•CUMPLIR CON LOS HORARIOS
DE MANTENIMIENTO
•MANTENER LA EFECTIVIDAD.
•SERVICIO ADECUADO.
•MEJORAR LA CALIDAD EN LOS
TRABAJOS
•EVITAR
COMPLICACIONES.
•CREAR RESGUARDOS.
•DISMINUIR LOS
IMPACTOS AL MEDIO
AMBIENTE.
•ADQUIRIR
BUENOS
MATERIALES.
•CONSEGUIR
PARTES DE
CALIDAD.
•NEGOCIAR
EXCELENTES
SERVICIOS POST-
VENTA.
•COORDINAR LAS
NECESIDADES DE
MANTENIMIENTO.
•CONTROLAR
PROYECTOS.
•HACER
MODIFICACIONES.
•MEJORAR LA CALIDAD DE LOS
TRABAJOS.
•TENER UN RESPONSABLE DEL
SERVICIO.
•COMPLETAR EL TRABAJO A
TIEMPO.
•DAR
INFORMACIÓN
REAL.
•GARANTIZAR
PRESICIÓN.
•ENTREGA A
TIEMPO.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 19-27
El hecho que el personal de
mantenimiento no puede realizar su trabajo sin
un soporte completo y cooperación tiene que
ser aparente por algún tiempo. Sin embargo la
acción positiva para el reconocimiento y
corregir la materia continuando para distinguir
el mantenimiento provechoso del futuro para el
resto.
Figura 2
Así, el aspecto más fundamental del
exitoso uso de los recursos del mantenimiento.
El mantenimiento solo no puede garantizar la
confianza en el equipo.
La experiencia tiene establecido que el
mantenimiento hace (tiene) un gran impacto en
el beneficio cuando todos los departamentos de
mantenimiento suministran un soporte
coordinado y causa que los gerentes de
mantenimiento sea de una manera
completamente responsables.
Un gran error de los operadores del
siglo XX fue‚ que asumen que el
mantenimiento fue‚ una fuerza solitaria,
asimismo capaz de garantizar la confiabilidad o
rentabilidad de los equipos.
Una gran lección para el siglo XXI es
que los operadores deben de asegurar los
niveles de control y tomar su reconocimiento, y
corregir los errores. El mantenimiento efectivo
requiere la participación de cada departamento
en el soporte de los gerentes para, cooperación
con y uso de los recursos de mantenimiento.
Pensar estrategias
Una estrategia para tener éxito es primero
edificar una planeación muy hábil, seguida de
ejecuciones efectivas. Los estrategas de
estrategias militares nunca entran en batalla
partiendo con sus reservas del campamento.
Aún tratándose del mantenimiento como una
fuerza única, el manejo en el siglo XX del
mantenimiento fue‚ parecido a una batalla
militar en una batalla sin reservas.
Por lo tanto, para que haya una
combinación de ganadores, los gerentes de
mantenimiento deben desplegar todas sus
fuerzas. Deben asegurar que cada departamento
contribuya para tener equipo de confianza en
cada fase del ciclo de vida del equipo.
Ciclo de vida de los equipos
Una estrategia de los gerentes de los equipos
primero admite que los equipos son obsoletos a
través de un ciclo de vida con soporte de
diferentes departamentos que requieren
asociarse con cada etapa.
Cada etapa en el ciclo de vida de los
equipos dicta una progresiva responsabilidad
para cada departamento que debe tener cada
uno un gerente.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
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Selección.- Determinación de los
equipos que mejor uso de conjuntos tenga y
requerimiento del comportamiento (desempeño)
contra precio, fácil de operar y mantenimiento,
reputación de calidad y soporte de refacciones.
Compra.- Realizar licitaciones para
obtener el mejor equipo.
Instalación.- Localizar los equipos en
servicio.
Pruebas.- Asegurarse que los equipos
reciban los requerimientos necesarios para su
uso.
Operación.- Operar los equipos durante
los procesos de operación.
Mantenimiento.- Conducir la reparación
y los gastos de mantenimiento.
Mantenimiento mayor (OVERHAUL).-
Restaurar el equipo con las especificaciones de
diseño originales.
Modificaciones.- Cambios en la
configuración de los equipos para producir un
mejor comportamiento o para corregir o
actualizar las características de operación.
Reemplazo.- Reemplazar con equipos
similares o mejores con iguales características
de comportamiento.
Responsabilidades del departamento.
Durante la etapa de operación del ciclo debido
del equipo fue puesto en servicio por
operadores y mantenido por mantenimiento.
Pero es menos obvio que el personal del
departamento estuvo entrenando nuevos
operadores y proporcionando alta o gran
experiencia en el entrenamiento a su personal
de mantenimiento.
Similarmente los datos de proceso están
guardándose en estadísticas de producción y
costos de operación, contadores y gerentes
están analizando la información, acciones
fiscales y decisiones de operación.
Normalmente, el almacén y los compradores
están suministrando partes y los talleres están
reparando los componentes.
Ejecución de las metas propuestas
La ejecución de las metas es establecida por los
gerentes para cada departamento cuando
encuentran colectividad, entonces:
- Asegurarse que el equipo tiene un
efectivo comportamiento
- Seguridad y correcta operación del
equipo.
- Garantizar un apropiado mantenimiento.
- Proporcionar material de calidad para el
mantenimiento.
Estas metas colocan a cada departamento en
el final de los modos de comportamiento. Esto
requiere que aquellos que establecen un
estándar demasiado alto para las metas
asignadas. Estas metas alientan a esforzarse
mutuamente.
- Comparar es no obtener la correcta
reserva a menos que el mantenimiento
proporcione otras cosas.
- Las operaciones no son operaciones
apropiadas del equipo a menos que las
historias de la reparación del
mantenimiento indiquen cero problemas
sin errores del operador.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
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Comportamiento de la evaluacion
A intervalos regulares, todos los gerentes de los
demás departamentos se reúnen para platicar
sobre las metas alcanzadas, la información
apropiada es usada para observar el
comportamiento de cada departamento.
- Las operaciones cumplen con el
calendario de mantenimiento en un 85%
del tiempo.
- El almacén tiene cero atrasos en su
stock.
- Las compras de los materiales están 24
horas antes de ser ocupados.
- Los planes de mantenimiento se
cumplen con un 65% mínimo.
La estrategia como un agente de cambio
La estrategia de los gerentes de equipos debe de
ser un cuadro de trabajo para cambiar la cultura
de la organización total hacia el mantenimiento,
muchos ven esto como un mal necesario.
Así, la estrategia deber también causar
fuerzas de trabajo total para ver el
mantenimiento como un plan de operaciones
total, y debe ser revisado las fuerzas de trabajo
y las responsabilidades para controlar y
trasmitir fuera del mantenimiento. Esto debe ser
un "cuando él corra tu mantente firme (fijo)"es
la mentalidad presente en algunas
organizaciones. La estrategia debe crear una
mejor apreciación de la importancia de la
estrategia de mantenimiento. Entonces, la
estrategia puede prenderles el foco a la gente en
nuevas ideas y responsabilidades en el equipo.
Se le tiene que dar a la gente entrenamiento
fresco acerca del mantenimiento, así ellos
podrán aplicar modernas técnicas y la
información para realizar y aplicar los
beneficios de las estrategias de un gerente de
mantenimiento.
"Diga adios a la cultura de la excusa en el
mantenimiento"
Cambiar la cultura.- Antes que cualquier
estrategia en el mantenimiento inicie las
actividades de este siglo hacia la cultura del
mantenimiento, debe ser corregida.
Los gerentes quienes ven el
mantenimiento como un costo, exponen
fracasos en el mejoramiento del esfuerzo por
sugerencias que la cultura del mantenimiento
(conocimiento, creencias, comportamiento),
preincluyen su aceptación de cambios
potenciales para beneficiarse. La
implementación exitosa de una estrategia de
gerentes de equipo debe reconocer que mejorar
el comportamiento del mantenimiento no es
comenzar y finalizar alternando la disposición
del mantenimiento únicamente hacia el cambio.
El éxito de la implementación debe de impactar
a la organización completa. La necesidad para
alterar la cultura debe de alcanzar y ascender en
las operaciones. Cada uno debe ajustar sus
pensamientos para visualizar el mantenimiento
como un camino de productividad,
mejoramiento, ejecuciones provechosas y
minimizar el tiempo perdido.
En el siglo XXI sé deber incluir una
cultura de organización total de mejoramiento
hacia las actividades que se llamarán
mantenimiento. Esto es un prerequisito para la
aplicación del éxito y en las estrategias de un
mejoramiento moderno.
Estrategias para alentar el equipo de trabajo
Reformando las responsabilidades en el
mantenimiento.- Una vez que la organización
acepto el mantenimiento como un elemento de
la estrategia de producción, la estrategia alienta
al alineamiento de responsabilidades.
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Los operadores de equipos visualizan,
checan, ajustan y corrigen mediante
diagnósticos, inspeccionan, calibran o cambian
componentes mayores.
La organización percibe y verifica que
la ingeniería rediseñe o modifique y compre
colaborando con mantenimiento, el almacén y
compras. En las plantas, los operadores
observan los equipos, para checar, ajustar,
limpiar y realizar reparaciones rápidas.
Implementar esfuerzos en el equipo de
trabajo
La implementación de la confiabilidad centrada
en el mantenimiento requiere de un gran
esfuerzo en el equipo de trabajo, especialistas
para operaciones y el mantenimiento. Las
operaciones identifican las funciones y los
estándares de comportamiento, el
mantenimiento debe de identificar los tipos de
fallas. Ambos colaboran en las consecuencias
de identificación de fallas.
Implementando el mantenimiento centrado
en la confianza (M.C.C.)
Es una procesión lógica de 8 pasos que
construyen o forman parte de las
responsabilidades de un departamento. La
implementación de los pasos incluye:
1. Selección del equipo más crítico más
crítico.
2. Identificar las funciones del equipo más
crítico.
3. Establecer límites de control para esas
maquinarias.
4. Determinar las características de
operación y los tipos de fallas.
Una falla potencial es una condición física
identificable que indica que el proceso de falla
ha incidido sobre la maquinaria, las fallas
típicas podrían ser:
a) Vibraciones señalando el inicio
determinado sobre la falla de
transmisión.
b) Indicando el inicio de la fatiga en la
maquinaria.
c) Partículas de metal en el sistema de
aceite indicando posibles fallas.
Una falla funcional es la facilidad a
encontrar el funcionamiento especificada un
estándar.
5 - Enumerando las consecuencias de las
fallas ¿Qué resulta si una falla
específica ocurre? Las consecuencias de
las fallas pueden alcanzar desde
inconveniencias hasta catástrofes. Sin
equipo confiable, la producción de
calidad y satisfacción del cliente son
metas difíciles. También se puede,
arriesgar al personal, crear peligros
ambientales y socavar la eficiencia de la
energía, por todas esas razones. Las
consecuencias de falla deben ser un
objeto primario de mantenimiento.
6 - Rango de las consecuencias de falla.
Porque el equipo ha incrementado la
complejidad, el número de caminos por
los que puede fallar se ha multiplicado.
Desde ahora las consecuencias de falla
deben ser clasificadas para guiar al
personal de mantenimiento en la toma
de acciones preventivas y correctivas.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
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7 -Usar técnicas efectivas de monitoreo.
Las fallas operacionales resultan en
pérdidas de producción más el costo de
reparación. Las fallas no operacionales
resultan solo en los costos de reparación.
En la maquinaria los aspectos más
importantes son evitar y reducir más
consecuencias de fallas operacionales y
de seguridad. Desde citar si los tipos más
competentes de técnicas de prevención y
corrección, tales como análisis de
vibración son usadas. Ellas pueden
detectar condiciones de deterioramiento
en el equipo con mayor exactitud y
confiabilidad que el ser humano. Estas
técnicas detectan fallas ocultas que el ser
humano no puede encontrar a menos que
ellos prueben un mecanismo de control y
este no responda.Con la habilidad de
técnicas más efectivas y rentables de
condiciones de monitoreo, las
condiciones del equipo pueden ser mas
exactamente monitoreadas. Esto le
permite a una unidad permanecer en
servicio si de esta se continúa conociendo
su funcionamiento estándar antes que
reemplazar el componente al primer signo
de falla potencial. Esta aproximación al
rendimiento alarga la vida de las
componentes y unidades.
8.- Establecer un plan de mantenimiento
completo, basado en las secuencias de
fallas, un programa de mantenimiento es
aplicado, resultando las condiciones de
las técnicas de monitoreo. Esta
identificación de fallas potenciales
(empezando la falla) exactamente y
rápidamente excluye su deterioramiento
funcional a niveles de falla funcionales.
El más efectivo programa de
mantenimiento es construido sobre la
implementación de pasos.
Entendimiento del progreso de fallas del
equipo
Proceso de falla.-
Los componentes de un equipo mecánico están
sujetos a uso, corrosión y fatiga. Como la
deterioración incrementa; la rentabilidad del
equipo decrementa a menos que se les detecten
y corrijan, El deterioro; de componentes se
incremente hasta que el equipo falla. Las fallas
son condiciones insatisfactorias que deben ser
consideradas en el contexto del uso del equipo.
Una decisión del funcionamiento estándar que
es insatisfactoria para el uso del equipo
construiría una falla. Pero la diferencia entre
insatisfactorio y satisfactorio depende del tipo
de equipo y las operaciones ambientales.
Tradicionalmente, el mantenimiento ha
observado, detectado y corregido fallas. Esto se
ha dado por inspección y servicios a intervalos
fijos. Entonces anticipándose a la vejez de
cualquier componente que este probable a
fallar, mantenimiento los ha reemplazado y
realiza revisiones a determinados tiempos. Esta
rutina a menudo no ha tenido presencia sobre
las condiciones actuales del equipo. Esto se
hace hasta el fin de un determinado periodo.
Sin embargo muchas fallas no son
probables ha ocurrir por envejecimiento en un
equipo, desde ahora los programas de
mantenimiento no deberán de ser obsoletos
están basados en servicios periódicos de
reemplazo, o chequeo de componentes. En
realidad las evaluaciones pueden reintroducir
algunos de los factores que causan la falla por
"Mortalidad Infantil" del equipo.
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Las condiciones del mantenimiento
actual están basadas en el monitoreo cuidadoso
en las condiciones del equipo corriente.
Esto es siempre a menor costo y más
efectivo que el reemplazo y examinación a
intervalos fijos a lo largo del ciclo de vida del
equipo.
El tiempo Basado del chequeo en la
filosofía del mantenimiento pone menor
atención a como los componentes fallan y las
consecuencias por falla. Hay una suposición de
que los componentes se desgastan y llegan a
ser menos confiables, como el incremento de la
vejez por operación hasta aquí el
mantenimiento en la maquinaria, ha prohibido
restaurar condiciones de equipo a uno "como
nuevo " por reemplazo periódico de
componentes o examinaron de la unidad. Así en
acciones el mantenimiento ha pasado por alto
los mismos procesos de falla y las cuestiones de
que constituyen una falla. Esta omisión ha dado
a un proceso de mantenimiento de estas
perdidas de tiempo y menor producción antes
que una basado sobre un rango amplio de
consecuencias por las que falla un equipo. Esto
ayuda a explicar porque hay mucho, énfasis
sobre conocer el objetivo de la producción y
así una pequeña atención al mantenimiento.
Hasta aquí la confiabilidad centrada de
mantenimiento nos recuerda que esas
consecuencias afectan a todas las cosas de
confiabilidad y aprovechamiento y ellas
demandan más atención que la que ellas
reciben.
Edad de confiabilidad: La confiabilidad
es la probabilidad de que el equipo sobreviva a
un periodo definido de operaciones bajo
condiciones específicas de operación y sin
fallas. Desde ahora la unidad de un
componente tiene un pequeño sentido a menos
que una probabilidad de sobrevivencia esta
asociada con este.
La vida del componente (tiempo
promedio entre fallas) o razones de fallas, son
útiles en presupuesto para tareas de
mantenimiento, establecidas para intervalos
apropiados.
El buen éxito de un programa de
mantenimiento, puede solamente ser juzgado en
términos de cómo éste prevendrá las
consecuencias de seguridad u operacionales por
fallas de un equipo.
Con estos modelos de fallas las
operaciones de maquinaria requieren que el
mantenimiento debe responder a necesidades
reales por que muchos modelos de falla no
exhiben pronunciados periodos de desgaste, el
mantenimiento responsable debe ser apuntado
primeramente a detectar las fallas potenciales o
fallas escondidas, principalmente a fallas
funcionales.
Desde ahora los responsables del
mantenimiento también deben incluir, remover
y reemplazar componentes mayores en un
límite específico de edad pero solamente que la
condición exacta es confirmada con inspección,
examinando y monitoreando condiciones,
simplemente nunca al final de un periodo
predeterminado.
Esto realmente explica por que más
operaciones acortadas que tienen instituido
una ingeniería de mantenimiento se empeñan a
aplicar mas efectivamente y manejar las
diversas responsabilidades de mantenimiento,
que equipos modernos requieren la tradicional
inspección física deben ser silenciosos
combinado con técnicas productivas modernas
semejante a un examen de ultrasonido.
Cualquiera de las responsabilidades, puede ser
solamente fijadas para perfeccionar a un equipo
confiable.
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Técnicas de condiciones de monitoreo y
aplicaciones.- Las condiciones de monitoreo
son constituidas sobre las fallas que dan algún
tipo de advertencia a la cual ellas pueden
ocurrir (fallas potenciales). Esta es la indicación
física de una falla funcional (el equipo no puede
encontrar sus especificaciones de
funcionamiento estándar) esta en el proceso de
ocurrir.
Las técnicas de condiciones de
monitoreo pueden obtenerse al precisar
evidencia de que una falla esta ocurriendo. Las
técnicas de condiciones de monitoreo basadas
usadas para determinar fallas potenciales son
llamadas tareas sobre condición.
Obtención y reporte de fallas.- Personal
de mantenimiento y operación tienen
importantes roles en la detección y reporte de
fallas, operadores de equipo observan la
operación dinámica del equipo en su ambiente
normal. Ellos son testigos de que ocurran fallas
funcionales cuando el equipo falla durante su
uso. En adición, ellos experimentan los
resultados de una falla escondida cuando los
controles fallan a la respuesta. Los operadores
de quipos son los más probables a reportar más
de las fallas por que ellos están sobre o cerca
del equipo durante el cambio. Desde ahora las
iniciativas de los operadores en el reporte del
problema o en el funcionamiento limitado de
mantenimiento pueden significar el
perfeccionamiento completamente y el
funcionamiento del equipo. Esto refuerza el
tema de soporte mutuo de las estrategias de
mantenimiento del equipo.
La habilidad de los operadores para
determinar inevitablemente fallas es una ayuda
adicional para advertencias de dispositivos e
instrumentos. Esto incluye computadoras que
monitorean cientos de diversos sistemas de
equipos, que realizan sus funciones. Personal de
operación y mantenimiento son una idea
complementaria en la detección de fallas.
Los operadores identifican fallas
funcionales y fallas ocultas cuando los
controles no responden. Personal de
mantenimiento detectan fallas potenciales y
fallas ocultas usando condiciones de técnicas de
monitoreo.
Conclusiones
La aplicación de estas estrategias de
Mantenimiento mencionadas anteriormente de
este trabajo están siendo llevadas a cabo en el
ingenio azucarero de san Miguelito en el estado
de Veracruz, todo el desarrollo anterior ha
establecido que el mantenimiento debe ser una
parte integral de las estrategias de producción.
El Siglo XXI debe construirse sobre esto. El
equipo en el siglo XXI será más confiable y
más completo. Nuevas estrategias y
procedimientos serán requeridos para realizar
confiabilidad potencial y convertirla en algo
provechoso además operaciones provechosas
serán esas que tienen usando una estrategia de
manejo de un equipo para evocar nuevos
procedimientos para aplicar técnicas modernas
de manejo, asi como de mantenimiento.
Referencias
Me.smenet.org. (2016). Mining Engineering
Online. [Online] Available at:
http://me.smenet.org
Avallone, Eugene. (1959). Marks “Manual del
Ingeniero Mecánico”. McGraw Hill, 8ª edición
Lloyd E. Brownell, Edwin H. Young. (1959). Process Equipment Design: Vessel Design Edit.
Addison-Wesley, 2ª edición
28
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 28-34
Control de un proceso de acondicionamiento de aire mediante Plc y pantalla HMI
MIRANDA, Francisco†*, ROCHA, Elpidio y FERNÁNDEZ, Tomás.
Recibido Julio 26 2016; Aceptado Agosto 31, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
Hoy en día los PLC son más pequeños, y se
programan por el lenguaje escalera, y el lenguaje de
compuertas lógicas ha quedado atrás ya que el
lenguaje escalera da más facilidad de programar y
da herramientas que facilita la programación.En este
trabajo se presental la programación de este PLC y
de la pantalla táctil, se lleva a cabo mediante un
software en lenguaje escalera y en diseño de
imágenes este se transfiere mediante la interfaz de la
PC al PLC mediante un cable de comunicación de
tipo USB. Se puede entrelazar el lenguaje escalera
con el diseño que se llevo a cabo y se observa en la
pantalla táctil para realizar la simulación utilizando
iconos con movimiento e imágenes representativas
de cada elemento físico.
Plc´s, Display, Interfaz
Abstract
Now a days the plc are smaller, now most plc are
programmable by ladder code and the logic gate
language can’t keep up because ladder programing
gives easier programming and tools to ease
programing.The plc and touchscreen’s
programming is done by software build with the
ladder language and the image design gets
transferred through the pc’s interface to the plc with
an usb communication cable. The ladder
programming language can be interconnected with
the design shown in the touchscreen to perform the
simulacion icons with movement and representative
images of each physical element.
Plc´s, Display, Interface
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Citación: MIRANDA, Francisco, ROCHA, Elpidio y FERNÁNDEZ, Tomás. Control de un proceso de acondicionamiento
de aire mediante Plc y pantalla HMI. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 28-34
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Control de un proceso de acondicionamiento de aire mediante Plc y
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 28-34
Introducción
Actualmente las empresas en su búsqueda de
mayor producción y calidad en sus productos,
optan por automatizar, implementando la
utilización de un software y hardware (PLC), el
cual solo necesita ser programado con las
características de la instrumentación, instalada
en su proceso, para mantener la operación de la
maquinaria sin necesidad de intervención
humana. Por lo cual, como estudiantes de una
carrera de ingeniería, necesitamos
conocimientos básicos de manejo y
programación de un PLC.
En ocasiones dentro de una institución
no se cuenta con dichos equipos, pero si se
llegase a contar con alguno suelen ser modelos
que ya no son utilizados a nivel industrial, por
lo cual si se quisiera aprender sobre estos
equipos se debe buscar externamente, es decir,
mediante la contratación de cursos a empresas
ajenas a la institución.
En esta ocasión el Instituto Tecnológico
Nacional de México cuenta con un prototipo de
entrenamiento en el cual están instalados un
PLC y una pantalla táctil WEINTEK, los cuales
son modelos actuales, por lo cual mediante este
proyecto se busca aprender el manejo adecuado
y programación de dichos equipos, mediante la
simulación de control de un sistema de
ventilación.
Controlador lógico programable (plc)
Es un equipo que utiliza un software, con
lenguaje escalera, para programar el control de
operación de un equipo y/o proceso para que
trabaje de manera autónoma. Esto se puede
realizar apoyándose en instrumentos de
medición, ya sean analógicos o digitales,
dependiendo de las condiciones de trabajo de
dicho equipo y/o proceso.
El PLC cuenta con una capacidad de
almacenaje de datos, con los cuales se pueden
llevar a cabo operaciones dentro del plc, los
cuales si se desea pueden ser mostrados en la
pantalla WEINTEK.
Pantalla tactil Weintek.
Es un equipo que utiliza un software, mediante
el cual se puede diseñar un programa utilizando
imágenes e iconos, con los cuales se pueden
representar los cuerpos físicos de algún equipo
o proceso, además estas imágenes e iconos se
pueden entrelazar con el programa del PLC
para simular el funcionamiento del programa en
lenguaje escalera.
La simulación es posible ya que los
programas son cargados en un PLC y pantalla
WEINTEK, que se encuentran instalados en un
prototipo de entrenamiento, el cual cuenta con
ranuras de conexión que nos permiten la
utilización de equipos de medición, ya sean
analógicos o digitales, además de las ranuras
este prototipo cuenta con botones pulsadores,
de simple y doble efecto, y cuenta con
potenciómetros los cuales pueden simular la
entrada de datos, por si no se contara con
instrumentos de medición. La ventaja de utilizar
estos equipos es que, tanto el software del PLC
como de la pantalla táctil WEINTEK son
gratuitos, es decir, que no se necesita pagar por
códigos de activación de los softwares ya que
solo hay que descargarlos en las páginas
correspondientes de los equipos.
Equipo a contolar
El PLC y la pantalla WEINTEK serán
empleados para controlar una unidad de
ventilación, ya que actualmente opera mediante
el accionamiento manual, por ello al emplear
estos equipos se busca una operación
autónoma.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 28-34
Para llevar a cabo el control de paro y
arranque se utilizar un sensor térmico, con el
cual se identificara la temperatura a la que se
encuentra el área, para que mediante este
podamos establecer los parámetros de control y
así mantener el are a una temperatura de
confort.
Diseño del programa de para y arranque del
sistema de ventilación en el lenguaje escalera
Al usar un equipo de medición ya sea analógico
o digital, se debe declarar el tipo de voltaje con
el que estos trabajan para que el PLC pueda
identificar estos equipos, y así poder operar
entre estos rangos.
Para ello se utilizan los siguientes
diagramas de referencia.[5]
Figura 1 Curva del diagrama para utilización D9090.
En base a estos diagramas se lleva a
cabo la declaración de energía que recibirá el
PLC mediante el lenguaje escalera, esto se hace
tanto para las entradas como para las salidas.
La dirección o referencia D9090 cambiara de
acuerdo al tipo de voltaje que utilizaran las
entradas y salidas.[5]
Tabla1 Registro de datos especiales para funciones analógicas.
Siguiendo la tabla anterior podemos
utilizar la dirección adecuada para el voltaje
con el cual se trabajara.
Además para poder observar los valores
de operación de modo entendible en la pantalla,
se debe llevar acabo un a parametrizacion y
darle una dirección correspondiente para dicha
operación además de la dirección de
almacenaje, tal como se muestra a
continuación.[1]
Figura 2 Parametrizacion y declaración de entradas.
Una vez hecha la parametrizacion se
debe establecer los rangos de paro y arranque
del sistema de ventilación. Para ello se pueden
utilizar los signos de relación (>= y <=), esta
comparación se lleva a cabo mediante el
direccionamiento que se le asigna a cada dato,
por ejemplo en la función de la parametrizacion
las direcciones que contienen la letra D son
direcciones de registro de datos, por lo tanto
utilizaremos D3 que es el registro donde se
guarda el resultado de la división y será
comparado con una nueva dirección que será,
D130 para la temperatura de paro de la unidad
de ventilación y D131 para la temperatura de
arranque de la unidad de ventilación. Las
direcciones deben respetar un orden para poder
indicar el paro y arranque de la unidad de
ventilación. [1]
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Figura 3 Rasgos de para y arranque de la unidad de
ventilación
Como salidas fueron nombradas M10 y
M11 ya que dentro del lenguaje de
programación para este PLC entiende estas
direcciones, por lo cual al nombrar las salidas
podemos realizar el condicionamiento de para y
arranque de la unidad de ventilación.
Ahora bien para poner en
funcionamiento la unidad de ventilación debe
ser activado el ventilador, que se encarga de
introducir el aire del medio ambiente, enseguida
de ser activada la bomba de recirculación de
agua, esta agua es la encargada de proporcionar
el área de intercambio de calor tanto del
refrigerante como del aire, y por último será
activado el compresor, que es el encargado de
poner en funcionamiento el ciclo de
refrigeración de la unidad enfriadora.
Primero se realiza la condición de paro
y arranque del ventilador, para ello se coloca un
contacto normalmente abierto con enlace de
activación con M10 y un contacto normalmente
cerrado con M11, y una salida nombrada Y0
que será la que activara el ventilador. Por
último se colocara un enclavamiento para que el
ventilador no se desenergize hasta que se abra
el contacto normalmente cerrado, debido al
cumplimiento de la comparación.[1]
Figura 4 Control de para y arranque del ventilador.
Posteriormente de la activación de la
ventilación se debe activar la bomba, para ello
se colocara un contacto normalmente abierto
con enlace a Y0 para que se active al mismo
tiempo, como salida se nombrara Y1 para que
active la bomba. [1]
Figura 5 Activación de la bomba.
Debido que el compresor se debe activar
junto con el ventilador y la bomba, se coloca un
contacto normalmente abierto enlazado a Y1
para que se active al mismo tiempo y se coloca
una salida nombrada Y2 para activar el
compresor.[1]
Figura 6 Activación del compresor
Si se desea observar la temperatura del
agua que circula del evaporador a la unidad
manejadora de aire se debe llevar a cabo otra
parametrizacion y la activación de otra entrada
de datos.[1]
Figura 7 Termómetro para la temperatura del agua.
Pantalla táctil Weintek
Primero se debe seleccionar el modelo de la
pantalla que se ocupara, el modelo de la
pantalla que se ocupo fue una MT8000.[6]
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Figura 8 Ventana de administración de proyectos.
Después de haber seleccionado
EasyBuilder8000 se procederá a crear un nuevo
proyecto y seleccionar el tamaño de la pantalla
y el modo vista.[6]
Figura 9 Ventana de configuración de tamaño de
pantalla.
Posteriormente se debe configurar el
tipo de PLC con el que estará trabajando. [6]
Figura 10 Ventana de propiedades del dispositivo.
Una vez seleccionada la casilla OK se
abra agregado el tipo de PLC.[6]
Figura 11 Ventana de configuración del tipo de PLC.
Figura 12 Programa diseñado en EasyBuilder8000.
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En la imagen que se observa arriba está
representado el funcionamiento de la unidad de
ventilación, por lo cual las únicas imágenes que
se mueven son las barras, los círculos rojos
colocados al centro del ventilador, bomba y
compresor, además de los indicadores
numéricos.
En las figurass siguientes se muestra el
PLC que se utilizo, asi como la pantalla HMI
(táctil), los equipos mencionados anteriormente
fueron utilizados enla apliacacion real de este
trabajo
Figura 13. PLC y pantalla táctil
Figura 14 Sistema de acondicionamiento de aire
Aportación
Los elementos están entrelazados al lenguaje
escalera para poder visualizar el
funcionamiento del programa, por ejemplo los
círculos rojos cambian a color verde cuando son
activados y regresan al rojo cuando se
desactivan esto simula el paro y arranque de
cada elemento, los indicadores numéricos a la
izquierda de la barra superior están
configuradas para poder introducir el valor de
temperatura de paro y arranque, mientras que
los otros dos muestran la temperatura enviada
por el sensor térmico y el termómetro.
Las aportaciones de este trabajo son las
formas de explicar paso a paso la programación
en lenguaje escalera, asi como la manera de
desarrollar el proceso del sistema en la pantalla
táctil, que se asemeja a lo que ocurre
prácticamente en la realidad, asi como la
sencillez para manejar este tipo de equipos, de
esta manera los alumnos obtendrán nuevos
conocimientos en las aplicaciones con este PLC
y la pantalla HMI (Human Machine Interface).
Se considera una idea original la de este
trabajo ya que es difícil encontrar este equipo
en alguna otra institución de eduacion superior,
quizá en el ámbito industrial sea aplicable, ya
que este es un PLC y asi como su pantalla táctil
actualizados.
Se considera como principal fortaleza de
este articulo las practicas que se puedan realizar
en el laboratorio que servirán para obtener
experiencias practicas y reales de los alumnos
que participan en ellas, asi como, aprenderán la
programación del PLC y de la pantalla táctil, de
igual manera aprenderán a simular los procesos
reales similares a las practicas industriales.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
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Conclusiones
Al realizar un trabajo de esta manera como
estudiantes se puede aprender de manera
adecuada la programación y manejo de un PLC
ya que gracias al prototipo de entrenamiento se
puede interactuar de manera real con un PLC y
debido al diseño del mismo los programas que
se realizan son funcionales a nivel industrial, ya
que estos pueden ser cargados en un proceso
real.
Referencias
[1]Hardware Manual for VH Series PLC
[2] High Speed Processing Instructions
[3] Introduction to M, VB and VH Series PLC
[4] PLC Connection Guide
[5]C. VH-20AR Unit User Manual
[6] Easy Builder Installation and Startup Guide.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 35-43
Reconstrucción Robusta de Imágenes Multiespectrales de Percepción Remota en
GPUs
RAMÍREZ-ZAPATA, Rodrigo†*, CASTILLO-ATOCHE, Alejandro, MORENO-SABIDO, Mario,
BLANCO-VALDEZ, Magnolia.
Recibido Julio 25, 2016; Aceptado Septiembre 12, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
En este artículo se propone la utilización de técnicas de
regularización determinísticas para la reconstrucción
robusta de imágenes multiespectrales de percepción
remota (RS) en tiempo real. Debido a la alta resolución
espacial y espectral de las imágenes RS multiespectrales,
en este estudio se propone desarrollar una arquitectura
basada en técnicas de cómputo en paralelo para
implementar el algoritmo iterativo mínimos cuadrados
restringidos ponderados (WCLS) y obtener una óptima
reconstrucción de las imágenes de percepción remota en
Unidades de Procesamiento de Gráficos (GPUs). Este
procesamiento en paralelo se realiza utilizando múltiples
núcleos CUDA en conjunto de subrutinas de algebra
lineal optimizadas (cuBLAS) para acelerar el tiempo de
procesamiento. La principal contribución de este trabajo
consiste en la reconstrucción robusta WCLS adaptada
para imágenes multiespectrales en una arquitectura
paralela optimizada. Los resultados experimentales
muestran el rendimiento del procesamiento alcanzado en
el GPU, y se comparan con otras plataformas digitales de
alto desempeño.
Percepción Remota, Cómputo Paralelo, GPUs
Abstract
This article propose the use of regularization techniques
for remote sensing multispectral imagery in real time.
Due to high spatial and spectral resolution of remote
sensing imagery, this article proposes develop an
architecture base on parallel computing to implement the
Weighted Constrained Least Squares (WCLS) and
improve the quality of remote sensing imagery using
Graphical Processing Units (GPUs). This parallel
processing is performed using multiple cores CUDA
optimized set of linear algebra subroutines (cuBLAS) to
speed up the processing time. The main contribution of
this work is the reconstruction robust WCLS adapted to
multispectral images in a parallel architecture.
Experimental results show processing performance
achieved in the GPU, and compared with other high
performance digital platforms.
Remote Sensing, Parallel Computing, GPUs
___________________________________________________________________________________________________
Citación: RAMÍREZ-ZAPATA, Rodrigo, CASTILLO-ATOCHE, Alejandro, MORENO-SABIDO, Mario, BLANCO-
VALDEZ, Magnolia Reconstrucción Robusta de Imágenes Multiespectrales de Percepción Remota en GPUs. Revista de
Aplicaciones de la Ingenieria. 2016, 3-8: 35-43
___________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
*Correspondencia al Autor:(Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 35-43
Introducción
Percepción remota (PR) es una técnica que ha
evolucionado permitiendo que su aplicación sea
cada vez más evidente en las diferentes áreas de
conocimiento. Los arreglos de sensores multi-
escala en satélites que orbitan alrededor del
planeta permiten la adquisición de imágenes
multiespectrales de la superficie terrestre para
su posterior análisis y tratamiento. Esta técnica
obtiene información a distancia de objetos
ubicados en la superficie terrestre, mediante la
adquisición de las imágenes para su
interpretación y aplicación en los diferentes
campos del conocimiento (INEGI, 2006;
Trinder, 2014; Shaw & Hsiao-hua K. Burke,
2003). Con la aparición de los nuevos sensores
multi-escala, los cuales son capaces de generar
imágenes multiespectrales de super-resolución
y cubrir áreas geográficas de 680,000 Km2 por
día (Digitalglobe, 2016), es necesario plantear
una nueva estrategia para acelerar el
procesamiento del gran volumen de datos
proveniente de dichos sensores.
Adicionalmente, la complejidad
computacional y el tiempo de procesamiento de
las técnicas de regularización para el
mejoramiento de imágenes multiespectrales de
alta resolución han sido empleadas en
diferentes estudios en tiempo real (Shaw &
Hsiao-hua K. Burke, 2003; Hangye Liu ,
Yonghong Fan, Xueqing Deng, & Song Ji,
Parallel Processing Architecture of Remotely
Sensed Image Processing System Based on
Cluster, 2009), permitiendo mejoras de las
imágenes en ambientes de incertidumbre.
Para realizar el procesamiento en tiempo
real, existen diferentes plataformas que realizan
el procesamiento, por ejemplo, los Procesadores
Digitales de Señales (DSPs) (Qi Chang , Sun
Fuxiong, & Huang Tianshu, 2005),
computadoras personales de alto desempeño
(PCs) o arreglos de computadoras tambien
conocidos como clústers (Hangye Liu ,
Yonghong Fan, Xueqing Deng, & Song Ji,
Parallel Processing Architecture of Remotely
Sensed Image Processing System Based on
Cluster, 2009), son los más utilizados al
momento de procesar grandes volúmenes de
datos.
Los clústers de PCs permiten distribuir
el procesamiento en un arreglo de
computadoras y de esta manera obtener un
procesamiento distribuido logrando procesar
grandes volúmenes de datos y disminuir el
tiempo de procesamiento (Hangye Liu ,
Yonghong Fan, Xueqing Deng, & Song Ji,
Parallel Processing Architecture of Remotely
Sensed Image Processing System Based on
Cluster, 2009). Sin embargo, el principal
incoveniente de los clusters de computadoras es
su costo, ya que requieren de hardware
especializado para su implementación,
requiriendo configuraciones para que las PCs
puedan trabajar de manera conjunta. Otra
alternativa son los Arreglos de Compuertas
Programables en el Campo (FPGAs, por sus
siglas en inglés) ya que son dispositivos de bajo
consumo, utilizados para paralelizar el
procesamiento de manera eficiente. Sin
embargo, su puesta en marcha puede
representar un reto debido al tiempo requerido
para realizar co-diseños hardware/software
(Bernabe, Lopez, Plaza, Sarmiento, & Garcia
Rodriguez, 2011), (Castillo et all., 2009) para
su implementación.
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37
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 35-43
Por otra parte, las Unidades de
Procesamiento de Gráficos (GPUs, por sus
siglas en inglés) han logrado incrementar el
poder de procesamiento computacional
permitiendo sobrepasar a los esquemas
tradicionales con CPUs al realizar el
procesamiento en paralelo. El GPU NVIDIA
G200 con arquitectura Fermi, cuenta con 256
núcleos CUDA permitiendo llegar a picos de
300 Gigaflops de operaciones de punto flotante
por segundo, representando un 30% de mejora
en comparación del procesamiento con CPUs.
NVIDIA proporciona la plataforma CUDA que
permite desarrollar aplicaciones que
aprovechan el poder de cómputo en paralelo de
los GPUs de NVIDIA. CUDA es una extensión
del lenguaje de C que interactúa con el GPU
desde un lenguaje de alto nivel, acelerando el
desarrollo de las aplicaciones (Cook, 2012).
En este artículo se propone la
implementación robusta del algoritmo
determinístico mínimos cuadrados restringidos
ponderados (WCLS, por sus siglas en inglés)
para la reconstrucción de imágenes
multiespectrales obtenidas por el satélite
Landsat 7. La implementación propuesta utiliza
subrutinas de OpenCV para la carga de las
bandas de la imagen multiespectral, y
adicionalmente subrutinas de algebra lineal
cBLAS y cuBLAS para realizar operaciones
matriciales en el CPU y el GPU. La ejecución
de las implementaciones se realizaron en dos
estaciones de trabajo, la primera, con un CPU
Intel Xeon E5-2403 de cuatro núcleos con una
frecuencia de reloj de 1.8 GHz, 8 GB de
memoria RAM y un GPU NVIDIA Quadro
2000, con 192 núcleos CUDA y 1 GB de
memoria global. La segunda estación de trabajo
cuenta un procesador Intel Xenon E603 con
cuatro procesadores con una frecuencia de reloj
de 1.6 GHz con 24 GB de memora RAM y un
GPU de alto desempeño NVIDIA Tesla C2075,
con 448 núcleos CUDA, con 6 GB de memoria
global.
Finalmente, se presentan los resultados
experimentales realizando un análisis
comparativo del nivel de reconstrucción de las
imágenes multiespectrales y, del tiempo de
procesamiento demostrando el procesamiento
en tiempo real.
Técnicas de regularización
En esta sección se describe el modelo de un
sistema de percepción remota para la técnica de
regularización WCLS. Cada banda de la imagen
multiespectral de percepción remota se puede
modelar como: , donde
es el modelo del canal y n es el ruido, dentro
del dominio del espacio temporal ,
donde y = (t,p)T define los puntos tiempo(t)-
espacio(p) en . Los datos
definen la ecuación de observación
estocástica, que en su forma discreta vectorial
se puede escribir como sigue:
. (1)
En este trabajo la función representa
una matriz de dispersión (PSF, por sus siglas en
inglés) con un planteamiento no-paramétrico y,
la solución del problema inverso consiste en
obtener un operador que se aplique al vector
de datos , produciendo como resultado la
estimación de la señal/imagen de interés, esto
es:
). (2)
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
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Algoritmo de mínimos cuadrados
restringidos (CLS)
Considerando media cero con ruido aditivo
blanco Gaussiano al momento de la adquisición
de los datos de observación, los parámetros de
regularización se ajustan como la inversa de la
relación señal-ruido, y W es considerado como
el operador solución que permite la
reconstrucción robusta de la señal de entrada
(3)
Donde es igual a , siendo el
nivel de la escala de grises anterior al patrón del
espectro espacial, y es la intensidad del
ruido aditivo.
Algoritmo de mínimos cuadrados restringido
ponderado (WCLS)
En WCLS, se considera nuevamente una media
cero para el ruido aditivo y el manejo de
matrices de ponderación y , las cuales
tienen la función de suavizado permitiendo
converger a la función de costo de manera más
rápida y efectiva. En este caso, el estimador del
algoritmo WCLS se vuelve más robusto
. (4)
Implementación de CLS y WCLS en GPU
La implementación de los algoritmos CLS y
WCLS se desarrollaron con la técnica de co-
diseño HW/SW, es decir, se particionó la
imagen espacial espectralmente y, se
implementa el procesamiento tanto en el CPU
(host), como en el GPU (device).
En la Figura 4 se puede visualizar el
diagrama de flujo del procesamiento, el cual
inicia con la adquisición de la imágen
multiespectral asignada a la memoria del host,
donde se estima el proceso de distorsión
obteniendo una imagen sintética, la cual es
reconstruida utilizando los algortimos CLS y
WCLS.
Figura 4 Flujo de procesamiento.
El cálculo del estimador y el proceso de
reconstrucción/mejoramiento se realizan en el
GPU. En la Figura 5, se muestra el algoritmo de
reconstrucción WCLS, que requiere del cálculo
de la inversa de , para
posteriormente obtener el estimador y la
estimación ( ) de la imagen .
Para el cálculo del estimador y el
proceso de reconstrucción, se utilizan
subrutinas de la biblioteca de algebra lineal de
CUDA (cuBLAS, por sus siglas en inglés) la
cual es una versión de las subrutinas de algebra
lineal también conocidas como BLAS por sus
siglas en inglés, diseñada para su ejecución en
GPUs CUDA.
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Figura 5 Algoritmo de reconstrucción WCLS.
Cálculo del estimador
Las matrices toeplitz necesarias para generar
el cálculo del estimador , son generadas en el
host y posteriormente son asignadas a las
localidades de memoria del GPU, donde se
realiza el cálculo del estimador y el proceso de
reconstrucción. Como se puede observar en la
ecuación 3 y 4, es necesario el cálculo de la
inversa de la matriz aumentada de mínimos
cuadrados (LS, pos sus siglas en inglés).
Computacionalmente hablando, el cálculo de la
inversa de una matriz es una de las operaciones
más demandantes. Por tal motivo se propone el
uso de la técnica descomposición de LU por
bloque (Vasily Volkov & James W. Demmel,
2008; Emmanuel Agullo , y otros, 2011), para
incrementar el paralelismo y disminuir el
tiempo de procesamiento. Para el cálculo del
estimador, primero es necesario descomponer el
resultado de en dos matrices
triangulares , donde es una matriz
triangular donde todos sus elementos superiores
a la diagonal principal son cero y es una
matriz triangular en la cual todos sus elementos
inferiores a la diagonal principal son cero. Una
vez establecidas las matrices triangulares se
plantea un sistema de ecuaciones lineales, y
como resultado de la solución de dicho
conjunto de ecuaciones se obtiene la matriz
inversa deseada.
La solución del sistema de ecuaciones se
plantea de la siguiente manera: se resuelve el
sistema de ecuaciones , donde es la
matriz identidad de la misma dimensión de .
Posteriormente, se implementa el sistema de
ecuaciones ¸ donde es la matriz
inverza deseada.
En la Figura 6 se muestran los Kernels
utilizados para generar las matrices y ,
directamente en la memoria del GPU con el
objetivo de evitar la asignación de dichas
matrices de la memoria del host a la memoria
del GPU, ya que esto demanda más ciclos de
reloj, implicando un mayor tiempo de
procesamiento.
Figura 6 Kernel matrixMv y MatrixMu
Para encontrar la solución del sistema de
ecuaciones lineales se utiliza la rutina
cublasStrsm de la biblioteca cuBLAS. Como se
puede observar en la Figura 5, para el cálculo
del estimador es necesario realizar la
operación teniendo como resultado el
estimador , el cual será utilizado en el
proceso de recontrucción de la imagen
multiespectral.
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Proceso de reconstrucción
El proceso de reconstrucción se realiza
utilizando la rutina cublasSgemm que permite
realizar la operación matricial ,
donde , y son matrices de la misma
dimensión de , y las literales y son
escalares. La subrutina cublasSgemm es de
precisión simple y puede alcanzar picos de
2,500 Gflops al momento de realizar la
operación antes mencionada.
Operacionalmente hablando, el proceso de
reconstrucción consiste en la aplicación del
estimador a la matriz . Como resultado de
dicha operación se obtendrá la aproximación
deseada ( .
Análisis del desempeño
En esta sección se describe el análisis del
desempeño de las arquitecturas determinísticas
CLS y WCLS implementadas en el codiseño
CPU/GPU. El caso de estudio consiste de una
imagen multiespectral del estado de Yucatán,
adquirida en el año 2005 con una resolución de
847 x 1794 pixeles, capturada por el satélite
Landsat 7. Para determinar el nivel de
reconstrucción logrado después de la aplicación
de los algoritmos, se calculó la relación de
mejoramiento de la señal entrada-salida
(IOSNR, por sus siglas en inglés) para obtener
el nivel de reconstrucción/mejoramiento de la
imagen multiespectral, esto es:
, (5)
Donde es cada banda de la imagen
multiespectral que se encuentra degradada con
el modelo n; corresponde a la
escena original sin distorsión, y corresponde a
la aproximación o imagen reconstruida de .
Análisis de la calidad de la reconstrucción
En la Tabla 6 se pueden observar los resultados
experimentales obtenidos de los algoritmos
CLS y WCLS. Para el proceso de
reconstrucción de ambos algoritmos se
consideró una media cero, es decir, no se
contempló información a priori en el proceso de
reconstrucción. En los experimentos relizados
se emplearon como parámetros de
regularización para el algortimo CLS
y, y = 0.3I para WCLS. En la
Figura 4(a) se observa la imagen RGB
compuesta por las bandas 4, 3, y 2 de la
imagen multiespectral adquirida por arreglo
Landsat 7. En la Figura 4(a) se resalta de color
rojo la vegetación, de color azul cian las zonas
urbanas, y de color café claro a obscuro las
superfices de tierra o suelo. Lo anterior es
debido a que la longitud de onda de la banda 4
tiene un índice de reflectancia mayor para la
vegetación. Al momento de la combinación de
las bandas de la imagen multiespectral para
crear la imagen RGB (falsecolor) se resalta de
color rojo la vegetación.
Como se puede observar en la Figura
4(b), la imagen se encuentra distorsionada por
el modelo del canal. La imagen resultante del
proceso de reconstrucción aplicando el
algortimo CLS se puede observar en la Figura
4(c), y la imagen resultante del algoritmo
WCLS se puede observar en la Figura 4(d). El
algortimo CLS presenta resultados de
mejoramiento de hasta 1.98 dB de IOSNR y de
hasta 2.9 dB para el algoritmo WCLS. En la
Tabla 6 se puede observar el IOSNR de manera
individual para cada una de las bandas del
sensor Landsat 7 una vez aplicados los
algoritmos CLS y WCLS.
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IOSNR (dB)
Banda WCLS CLS
1
2
3
4
5
7
2.34
2.24
2.18
2.9
2.27
1.97
1.74
1.72
1.7
1.98
1.61
1.47
Tabla 6 Resultados experimentales
Análisis del tiempo de procesamiento
A continuación, se presentan los tiempos de
procesamiento para los algoritmos CLS y
WCLS, comparando el tiempo de ejecución del
cómputo en paralelo con GPUs y el
procesamiento con CPUs, únicamente. Para
medir el tiempo de procesamiento al momento
de aplicar los algoritmos se utilizó la función
clock_gettime() para capturar el momento
exacto del inicio del proceso de reconstrucción,
y el momento exacto en que esté finalizó. El
GPU utilizado para realizar los experimentos
fue el GPU Quadro 2000 con 192 núcleos
CUDA y 1 GB de memoria RAM con un ancho
de banda de 41.6 GB/s instalado en la estación
de trabajo 1. La segunda estación de trabajo
cuenta con un GPU de alto desempeño Tesla
C2075 con 448 núcles CUDA con ancho de
banda 144 GB/s.
Figura 7 Escena de prueba: a) falsecolor bandas 4, 3, 2;
b) falsecolor de la escena degrada; c) falsecolor escena
reconstruida aplicando CLS; d) falsecolor de la escena
reconstruida aplicando WCLS.
En el gráfico 1 se puede observar el
tiempo de procesamiento del algoritmo WCLS.
Es importante señalar que para la
implementación de los algoritmos se utilizaron
las subrutinas de algebra líneal CBLAS y
cuBLAS para realizar las operaciones
matriciales correspondientes de manera
eficiente. La aceleración resultante utilizando
técnicas de cómputo en paralelo con GPUs, en
comparación con CPUs al momento de aplicar
el algoritmo WCLS es de 13x utilizando el
GPU Quadro 2000; el tiempo de procesamiento
es de 22843.41 ms y de 1756.98 ms en el CPU
y GPU respectivamente. El algortimo CLS
alcanzó una aceleración de 16x utlizando el
GPU Tesla C2075, con un tiempo de 20879.38
ms y 1303.61 ms en el tiempo de
procesamiento en el CPU y GPU (Gráfico 2).
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Remota en GPUs. Revista de Aplicaciones de la Ingenieria. 2016
42
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 35-43
Gráfico 1 Tiempo de procesamiento del algoritmo
WCLS
Gráfico 2 Tiempo de procesamiento del algoritmo CLS
Conclusiones
El principal resultado de este estudio consiste
en el diseño de una arquitectura basada en
técnicas de cómputo en paralelo para
implementar el algoritmo WCLS en GPUs. Este
algoritmo obtiene una óptima reconstrucción de
imágenes multiespectrales de percepción
remota utilizando técnicas de regularización
determinísticas para la reconstrucción robusta
en aplicaciones en tiempo real. El análisis del
desempeño demostró la eficiencia de la
implementación a nivel de la reconstrucción de
la imagen, así como en la substancial reducción
del tiempo de procesamiento al implementar el
algoritmo en GPUs.
Referencias
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Remota en GPUs. Revista de Aplicaciones de la Ingenieria. 2016
43
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 35-43
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44
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 44-50
Tablero para prácticas de Termografía Infrarroja
ESTRADA, Francisco†* y FERNANDEZ, Luis.
Recibido Julio 8, 2016; Aceptado Septiembre 16, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
Entre los objetivos perseguidos con este artículo se
hallan los siguientes: a) introducir al alumno al
mundo de las técnicas predictivas; b) aplicar los
conocimientos de transferencia de calor así como
los conceptos de calor y temperatura; c) desarrollar
el sentido analítico del estudiante para poder
determinar las anomalías térmicas presentes y, d)
familiarizar al estudiante con el software utilizado
por distintos fabricantes para la elaboración de los
reportes. Se entiende entonces que con un tablero de
práctica de Termografía Infrarroja se contribuirá a
la preparación del estudiante, permitiéndole
introducirse al ámbito del ahorro de energía, del
comportamiento del calor, de los patrones térmicos
de funcionamiento de los distintos dispositivos
eléctricos y de control, así como de los criterios para
la evaluación de las anomalías térmicas.
Termografía, mantenimiento predictivo, tablero
de prácticas, cámara de imágenes térmicas
Abstract
Among the objectives of this article are the
following: a) to introduce students to the world of
predictive techniques; b) to apply knowledge of heat
transfer as well as the concepts of heat and
temperature; c) to develop the analytical sense of
the student in order to determine the thermal
anomalies and, d) to familiarize students with the
software used by different manufacturers for the
production of thermography reports.It was
understood that a board practice of Infrared
thermography will contribute to the preparation of
the student, allowing him to enter the field of energy
saving, behavior of heat, thermal patterns of
operation of various electrical and control devices,
as well the criteria for the evaluation of thermal
anomalies.
Thermography, predictive maintenance, board
of practices, thermal imaging camera
___________________________________________________________________________________________________
Citación: ESTRADA, Francisco y FERNANDEZ, Luis. Tablero para prácticas de Termografía Infrarroja. Revista de
Aplicaciones de la Ingenieria. 2016, 3-8: 44-50
___________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
*Correspondencia al Autor: (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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ESTRADA, Francisco y FERNANDEZ, Luis. Tablero para
prácticas de Termografía Infrarroja. Revista de Aplicaciones
de la Ingenieria. 2016
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 44-50
Introducción
El Mantenimiento Predictivo se ha convertido
herramienta indispensable para la gestión del
mantenimiento, buscando optimizar el
desempeño de maquinaria y procesos, siendo
un objetivo común el reducir costos de
operación y maximizar el margen de ganancias,
mediante el uso de técnicas predictivas tales
como Análisis de Vibraciones, Análisis por
Ultrasonido, Termografía y Análisis de Aceite.
Por esto, se vuelve prioritario a nivel industrial
que el personal tenga la preparación y los
criterios adecuados para poder diagnosticar
correctamente las anomalías o desviaciones que
sean halladas mediante la técnica que se esté
utilizando, de ahí la necesidad de que nuestros
estudiantes salgan con dicha competencia.
De acuerdo a la Guía de Termografía Infrarroja
(2011), de la Fundación de energía de la
comunidad de Madrid, la termografía infrarroja
es la técnica que permite medir temperaturas a
distancia y sin necesidad de contacto físico con
el objeto a estudiar, mediante la captación de la
radiación infrarroja del espectro
electromagnético, en las figuras 2 y 3 vemos la
aplicación de esta definición.
Lo que observamos en dichas figuras
son termogramas o imágenes radiométricas, las
cuales son imágenes térmicas que contienen
cálculos de las medidas de temperatura de todos
los puntos de la imagen (Guía de la
Termografía Infrarroja, 2011). Esto permite
detectar componentes eléctricos y mecánicos
con mayor temperatura que la de su operación
normal, indicando áreas de fallas inminentes o
áreas con excesiva pérdida de calor, que
usualmente son síntomas de averías El uso de
esta técnica, permite la reducción de los
tiempos de parada al minimizar la probabilidad
de fallas imprevistas o no programadas en
equipos e instalaciones.
Existen dos tipos principales de
termografía, de acuerdo con la Guía para
inspecciones infrarrojas del Infraspection
Institute (2000):
1. Termografía infrarroja cualitativa. Es la
práctica de reunir información acerca de
una estructura, sistema, objeto o proceso
por la observación de imágenes de
radiación infrarroja, y el registro y
presentación de esa información.
2. Termografía infrarroja cuantitativa. Es
la práctica de medición de temperaturas
de patrones observados de radiación
infrarroja.
De esta misma publicación tenemos
algunos puntos que marcan las
responsabilidades principales de un termógrafo,
entre ellas mencionaré las más acordes a este
proyecto, reforzando la importancia de este tipo
de prácticas:
1. Las inspecciones infrarrojas serán
desarrolladas cuando el ambiente y las
condiciones físicas tales como la
ganancia solar, el viento, humedad
superficial y atmosférica y la
transferencia de calor sean favorables
para reunir datos precisos.
2. El termógrafo infrarrojo tendrá
suficiente conocimiento de los
componentes, construcción y teoría de
los sistemas mecánicos y eléctricos para
los patrones de radiación observados.
3. El termógrafo infrarrojo usará equipo de
medición y/o imágenes térmicas con
capacidades suficientes para conocer los
requerimientos de inspección.
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prácticas de Termografía Infrarroja. Revista de Aplicaciones
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 44-50
4. El termógrafo infrarrojo será
acompañado por un asistente cualificado
que esté bien informado del equipo a
inspeccionar.
5. A menos que él/ ella sea un electricista
con licencia, ingeniero profesional o
tenga otras cualificaciones, el
termógrafo infrarrojo no desarrollará
alguna tarea que sea hecha por esas
personas normalmente. A menos que
sea calificado y autorizado por el
usuario final, el termógrafo infrarrojo:
a) No removerá o cambiará cubiertas o
abrirá tableros que contengan
equipamiento eléctrico o mecánico.
b) No realizará medición de cargas
eléctricas de equipos.
Dando entonces la introducción previa,
se presenta un tablero diseñado para realizar
prácticas, con las condiciones básicas del
entorno industrial eléctrico, lo cual inducirá al
estudiante hacia el área de las técnicas
predictivas y ensayos no destructivos,
reforzando los conceptos teóricos, mediante el
manejo de equipo y software especializado, en
el cual se puede manejar cargas monofásicas y
trifásicas, interruptores, fusibles (uno de ellos
habilitado para falla), cargas de iluminación que
muestren la eficiencia energética, resistencias
entre otros elementos característicos del ámbito
del mantenimiento eléctrico.
Los instrumentos básicos para el
correcto uso y desarrollo del tablero para
prácticas de Termografía infrarroja, así como
una cámara termográfica FLIR® T440 con las
siguientes especificaciones: resolución de IR de
320 X 440 pixeles (140800 lecturas
radiométricas), lente de 18 mm, configurada a
0.95 en emisividad como base. Ver Figura 1.
Figura 1
Arreglo del tablero
El tablero se diseñó de tal modo, que el alumno
pueda practicar y simular las condiciones
básicas de carga eléctrica utilizando equipo
termográfico. El tablero de prácticas consiste de
un circuito eléctrico de 220 V, el cual está
constituido por dos cajas de fusibles, una
“Principal” y otra de “Prueba”, ver Figura 4.
La primera caja es la “Principal” y está
constituida por tres fusibles de 30 A de la salida
de la caja “Principal”, se deriva la segunda caja
de fusibles, que es la de “Prueba”.
La segunda caja también está
conformada por tres fusibles de 30 A, pero cabe
destacar que las “láminas” de los fusibles
fueron preparadas para provocar su
calentamiento y así pudieran quemarse, es
decir, se creó una anomalía térmica.
De allí, se deriva una línea de 110 V, la
cual acciona un foco incandescente de 100 W y
cuenta con un contacto en el cual se conectará
la resistencia casera para calentar agua.
La línea “Neutra” y la “Tierra”, se
derivan de la Caja Principal. De la caja de
fusibles de “prueba”, continúan las 3 fases
hacia un contacto de 220 V trifásico, para así
poder conectar un equipo industrial, por
ejemplo un motor o una máquina para soldar.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 44-50
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Metodología de práctica
La metodología a utilizar con el tablero de
prácticas de termografía infrarroja se enlista a
continuación:
- Identificar las funciones básicas de una
cámara termográfica
- Identificar las fallas típicas de los
elementos básicos del entorno eléctrico
industrial, desde el enfoque térmico.
- Reconocer los patrones térmicos de los
distintos elementos
- Determinación de la criticidad del
evento a inspeccionar.
- Determinar las posibles soluciones al
hallazgo presentado.
El estudiante trabajará sus prácticas con
suficiente conocimiento teórico para poder
llegar a la determinación de un diagnóstico
certero a través de la interpretación de los
termogramas que obtenga en su inspección así
como la adecuada aplicación de los criterios
establecidos, según la industria en la que se esté
inspeccionando. Como referencia tenemos a
Tabla 1 en Anexos.
Resultados
Se obtienen los siguientes resultados de la
inspección del tablero y además del prototipo
de este artículo, el alumno dispone de mesas de
equipo rotativos para complementar con las
inspecciones mecánicas por termografía. A
partir de la Figura 5 a la Figura 10 veremos
termogramas que son resultado de los diversos
análisis realizados como prácticas de los
estudiantes.
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Figura 5
Figura 6
Figura 7
Figura 8
Figura 9
Figura 10
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Anexos
Acción Us
navy
Neta Nmac Nuclear Ces
Observación 10°
C –
24°
C
1ºC
–
3ºC
0,5°
C –
8°C
5ºC –
15ºC
14ºC
-
20ºC
1ºC
–
10ºC
Intermedia 25°
C –
39°
C
4ºC
–
15ºC
9° C
– 28°
C
16ºC –
35ºC
21ºC
-
60ºC
11ºC
–
20ºC
Crítica 40°
C –
69°
C
----- 29° C
– 56°
C
36ºC –
75ºC
21ºC
–
40ºC
Inmediata >
70°
C
>
15ºC
> 56°
C
> 75ºC >
61ºC
>
40ºC
Tabla 1
Agradecimientos
Agradecimientos principalmente a la
Universidad Tecnológica de Altamira por la
facilidad de las instalaciones, equipo
termográfico así como a los alumnos
participantes en el proyecto.
Conclusiones
Se entiende entonces que con un tablero de
práctica de Termografía Infrarroja se
contribuirá a la preparación del estudiante,
permitiéndole introducirse al ámbito del ahorro
de energía, del comportamiento del calor, de los
patrones térmicos de funcionamiento de los
distintos dispositivos eléctricos y de control, así
como de los criterios para la evaluación de las
anomalías térmicas.
Podemos concluir que el uso de esta
técnica está cobrando gran importancia debido
a su aplicación en diversos campos como la
oncología, subestaciones e instalaciones
eléctricas, en urgencias hospitalarias,
traumatología, entre otros además del
tradicional mantenimiento predictivo o ensayo
no destructivo, dando al estudiante varios
campos de inclusión al ámbito laboral con el
conocimiento adquirido de la termografía
infrarroja.
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de la Ingenieria. 2016
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 44-50
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T440 Datasheet, recuperado de
www.flir.com.mx, el 13 de septiembre del
2016.
Termogramas y fotografías del tablero son de
fuente propia.
51
Articulo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 51-59
Diseño de un convertidor de potencia eléctrico para obtener menos pérdidas de
energía
AUSTRIA, León†*, NORIEGA, Raymundo, CANALES, Benito y RUIZ, Luis.
Recibido Julio 6, 2016; Aceptado Septiembre 19, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
En este escrito se propone y se hace conciencia sobre la
importancia en el diseño eficaz de la topología del
convertidor como la selección de la mejor frecuencia de
conmutación y el cálculo de pérdidas de potencia de los
componentes electrónicos que se propongan para elevar
la eficiencia del mismo, con lo cual se convertirá en
mayor autonomía para el vehículo eléctrico producto de
la reducción del peso y el tamaño del modulo de potencia
que alimentará a sistema de tracción. Se da una
introducción al estado del arte y marco teórico en la
primera parte sobre las investigaciones encaminadas a
vehículos eléctricos. En el desarrollo se describen las
mejores topologías para convertidores de potencia,
aspectos importantes para la selección de la mejor
frecuencia de conmutación y por último como calcular
las pérdidas de potencia para los componentes
electrónicos y proponer los adecuados para un sistema
conmutación de potencia en particular.
Cálculo, conmutación, convertidor, diseño.
Abstract
In this paper is proposed and is awareness of the
importance in the effective design of the topology of the
converter as the selection of the best switching frequency
and the calculation of power loss of electronic
components that they intend to raise the efficiency of it,
whereupon it will become greater autonomy for electric
vehicle product of the reduction of the weight and size of
the module of power that will feed system of traction. An
introduction is given to the State of the art and theoretical
framework in the first part on research on electric
vehicles. Development describes the best topologies for
power converters, important aspects for the selection of
the best switching frequency and finally calculate the
losses of power for electronic components and propose
the suitable for a system power switching in particular.
Calculation, switching, converter, design.
___________________________________________________________________________________________________
Citación: AUSTRIA, León, NORIEGA, Raymundo, CANALES, Benito y RUIZ, Luis. Diseño de un convertidor de
potencia eléctrico para obtener menos pérdidas de energía, Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 51-59
___________________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________
* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: leó[email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
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RUIZ, Luis. Diseño de un convertidor de potencia eléctrico para
obtener menos pérdidas de energía, Revista de Aplicaciones de la
Ingeniería 2016
52
Articulo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 51-59
Introducción
La investigación sobre vehículos eléctricos
(VE) va creciendo a nivel mundial y se debe en
gran medida a razones de ahorro de
combustibles fósiles y la reducción de la
contaminación ambiental producidas por los
vehículos de combustión interna. Los orígenes
de la tracción eléctrica se remontan a mediados
del siglo XIX donde los desarrollos de los
vehículos de combustión interna iban a la par
de los eléctricos (AUSTRIA, 2008). La
investigación encaminada a VE se desarrollo
lentamente a partir de 1930, ya que no se
encontró solución satisfactoria en ese momento
al problema de almacenamiento de corriente
eléctrica que recae sobre los acumuladores
eléctricos, estos primeros poseían una baja
capacidad de energía y un nivel bajo de
autonomía aceptable (AUSTRIA, 2015). Sin
embargo durante el siglo XX hubo grandes
avances en la electrónica de potencia, hacia
finales de la década de 1940, se transformó la
industria electrónica con la introducción del
transistor, después mejorado en 1948 por la
invención del transistor de silicio y
posteriormente en 1956 el transistor de disparo
PNPN o tiristor (NASHELSKY, 1997). Luego a
comienzos de los años 80 se inventan los
transistores de potencia y los GTO, creándose
así los primeros inversores que eran capaces de
alimentar los grandes motores de inducción
desde una fuente de corriente continua. El
siguiente paso importante fue la invención de
los IGBT y los motores de imanes permanentes
contribuyendo al desarrollo de los sistemas de
tracción de los vehículos eléctricos
(NASHELSKY, 1997). Al final de la década de
los 90 aparecieron vehículos eléctricos
pequeños de una a dos plazas, hechos de fibra
de vidrio, termoplásticos o materiales
compuestos de más o menos 2.5 metros de
longitud y con peso de 290 – 600kg.
Con una demanda de energía entre 9 y
20kwh/100km. Desarrollando una velocidad
máxima entre 50 y 90km/h, y tenían un alcance
entre 30 y 90km dependiendo del patrón de
manejo (AUSTRIA, 2015). Actualmente los
vehículos eléctricos son grandes de dos plazas
con planta de potencia de 185kW, con una
transmisión eléctrica manual de 2 velocidades,
y recorren distancias hasta 400km antes de una
recarga de sus acumuladores como el coche
eléctrico TESLA (AUSTRIA, 2008). Hoy en
día algunos países como Japón tienen severas
restricciones de gasolina y tienen preocupación
por la contaminación ambiental por lo cual
buscan alternativas. La alternativa de la energía
eléctrica como fuente primaria de energía tanto
para los VE como para la industria, se ha hecho
muy interesante. En países desarrollados como
Alemania y EUA se han creado organismos y
centros de investigación sobre VE, baterías y
centros de carga. Además se ha tomado,
principalmente en los países desarrollados, una
actitud de fomento al uso de energías
renovables y no contaminantes (AUSTRIA,
2008).
Los vehículos eléctricos obtienen su
capacidad de movimiento por la energía
eléctrica liberada por las baterías, estas deberán
de tener una mayor energía específica, esta
energía es la cantidad de watts-hora de
electricidad que la batería ofrece por kilogramo
de masa para cierta tasa de descarga específica.
El sistema de generación y acumulación de la
energía eléctrica constituye el sistema básico
para mover un vehículo eléctrico. Los vehículos
eléctricos tienen un problema en este sentido ya
que existen baterías pesadas y de poca energía
específica que hacen baje su autonomía.
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RUIZ, Luis. Diseño de un convertidor de potencia eléctrico para
obtener menos pérdidas de energía, Revista de Aplicaciones de la
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53
Articulo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 51-59
La autonomía de las baterías de plomo
no es comparable con la de un tanque de
gasolina ya que llenar un tanque de combustible
tarda solo unos pocos minutos, mientras que la
recarga eléctrica tarda horas.
Si a esto le sumamos el ciclo de vida útil
de la batería y su costo, se tiene un serio
problema en el diseño de un VE y su aceptación
en el mercado. Los sistemas de recarga de los
VE pueden ser recargando la batería del mismo
vehículo o con el reemplazo de las baterías
descargadas. Ambos sistemas tienen
desventajas y todavía no está claro cuál es el
más práctico.
Los motores eléctricos presentan
ventajas con respecto al motor de combustión
interna como es: un amplio rango de par-motor
a baja velocidad, ahorro de energía y
transmisiones más ligeras y eficientes.
Abordando sobre el tema del ahorro de energía
se encuentra una ventaja importante de los
motores eléctricos ya que el 46% de la energía
liberada por las baterías sirve para mover el
vehículo, lo que indica una eficiencia entre 10-
30% superior del vehículo convencional con
motor de combustión interna donde se tiene que
el 18% de la energía del combustible es
utilizada para mover el vehículo, el resto sirve
para accionar el motor (AUSTRIA, 2015).
Los vehículos eléctricos tienen ventaja
por su baja emisión de contaminantes con
respecto de los de combustión interna, lo que
significa menos ozono en la atmósfera, claro
que esta ventaja dependerá de cómo se genere
la energía eléctrica y del grado al cual las
emisiones sean controladas en el centro de
carga que es una planta generadora de
electricidad necesaria para recargar los
acumuladores eléctricos (AUSTRIA, 2015).
Después de un pasado como actor
secundario, el VE se alza como gran favorito
para ocupar el trono de vehículo urbano. Las
grandes marcas apuestan por él, ya sea en forma
de vehículo eléctrico puro o hibrido, destinando
grandes cantidades de dinero a su investigación
y presentando prototipos con una prestaciones
que cada vez se acercan más a su claro
competidor.
Parece que la razón que nos impulsó a
abandonar el VE es la misma que ahora nos
lleva aceleradamente a él: el petróleo. A
grandes rasgos, la sociedad empieza a darse
cuenta de la necesidad de no depender de un
recurso finito. Los pronósticos no son
favorables a corto plazo y el mejor de los casos
es peor de lo esperado. Cambio climático,
calentamiento global, contaminación ambiental,
recursos limitados… sin duda todos estos
conceptos están íntimamente ligados a los
vehículos de combustión. Con unas normativas
sobre emisiones cada vez más restrictivas, los
ingenieros se enfrentan a retos tecnológicos a
priori inalcanzables (AUSTRIA, 2015).
Para poder diseñar e implementar el
equipo electrónico eficiente (convertidor de
potencia) que controle los flujos de corriente
eléctrica en el vehículo eléctrico, es importante
definir una topología de potencia adecuada para
la aplicación y deba ser capaz de transferir
energía desde y hacia las baterías en todo
momento, a una potencia máxima cercana a la
del motor, para así poder entregar (o recibir) en
ciertos momentos toda la potencia desde el
sistema. Muchos de estos convertidores de
potencia para VE en aplicaciones industriales,
es preciso el convertir un voltaje fijo de una
fuente de DC a un voltaje variable también en
DC. El convertidor, cambia de forma directa
una magnitud fija a otra DC variable.
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El equivalente al convertidor en AC es
el transformador. Un convertidor, de la misma
manera que lo hace un transformador, se puede
utilizar tanto como fuente de DC reductora
como elevadora (AUSTRIA, 2015).
Desarrollo
Un convertidor conmutado o convertidor de
potencia modo conmutado es un sistema
electrónico de potencia, que convierte un nivel
de energía eléctrica de entrada en otro nivel a la
salida de la carga, por acción de la conmutación
de los elementos electrónicos. El convertidor
conmutado de CD/CD mostrado en la Fig.1,
utiliza semiconductores como dispositivos de
control de la conmutación para la transferencia
de potencia en forma dinámica, en una fuente
de alimentación de corriente directa como
entrada conectándola y desconectándola a la
carga por algún periodo de tiempo
predeterminado. La aplicación para VE de este
convertidor conmutado es de regulador
elevador de voltaje controlado para
alimentación del inversor del motor. En
comparación de los convertidores lineales de
voltaje, o reguladores lineales de voltaje, las
fuentes de poder conmutadas tienen una alta
eficiencia en energía y una potencia alta.
Figura 1 Diagrama a bloques del convertidor de potencia
de CD/CD.
La selección de la topología del
convertidor. El convertidor conmutado consiste
en un número de elementos eléctricos pasivos y
de interruptores electrónicos para el almacenaje
de energía que estén conectados en una
topología tales que las acciones periódicas de la
conmutación de los interruptores controlan la
transferencia dinámica de la energía de la
entrada a la salida para producir una conversión
deseada del CD en la salida. Los elementos del
almacenaje (inductor y condensador), tienen
que ser conectados generalmente de una manera
tal que formen un filtro pasa bajos para entregar
un voltaje de baja frecuencia a la salida. Las
dos topologías fundamentales de convertidores
son el convertidor del buck (reductor) y el
convertidor del boost (elevador). La mayor
parte de las otras topologías derivadas del buck
o de las del boost son equivalentes en cuestión
topológica al del buck o al convertidor Boost
(AUSTRIA, 2015). Los convertidores
interleaved son el resultado de la conexión en
paralelo de convertidores conmutados. Estos
usualmente tienen algún tipo de filtro en la
salida. Los convertidores interleaved tienen
grandes ventajas sobre los convertidores
simples de potencia; una baja corriente de rizo
en la entrada y baja capacitancia de salida
(capacitor pequeño). Rápida respuesta al
transistor al cambio de carga (carga dinámica).
Y proporciona capacidad grande de potencia y
elevando a 90% la eficiencia de potencia
(AUSTRIA, 2008). Un convertidor interleaved
puede ser realizado por un manejador de fase de
salida de señales de control en cada convertidor
en paralelo, resultando en un incremento
efectivo en esta frecuencia de conmutación
(AUSTRIA, 2015). Esto es usado en
aplicaciones donde las cargas demandan un rizo
pequeño de la corriente de entrada (ver figura
2).
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Figura 2 Diagrama eléctrico del convertidor boost
interleaved de 2 celdas.
El voltaje de entrada Vs es común en
ambas celdas, como el capacitor de salida. Las
señales moduladas por ancho de pulso (PWM)
son pwm1 y pwm2, las cuales son desfasadas
180º una con respecto a otra (2π/n), donde n es
el número de convertidores en paralelo, en este
caso de n= 2.La corriente de entrada tiene un
rizo pequeño y es igual a la suma de las
corrientes de los inductores, IL1 + I L2 y están
desfasadas 180º (AUSTRIA, 2015).
Estas características en combinación con la
corriente de entrada continua lo hace ideal para
aplicaciones en fuentes para PC,
compensadores de factor de potencia y
convertidores para vehículos eléctricos
(AUSTRIA, 2015). La operación de este
convertidor puede ser dividido en cuatro
modos, dependiendo de la acción de
conmutación de los transistores (ver figura 3).
Figura 3 Pulsos modulados en ancho del ciclo útil pwm1
y pwm2 del convertidor.
Metodología
Para calcular la corriente del rizo de entrada
(ver figura 4) se necesita saber calcular el
incremento de 1LI y la corriente mínima del
rizo 1 minLI de cada una de las celdas (ambas son
iguales), a continuación se muestra en la
ecuación 1 el cálculo del incremento del rizo de
corriente en cada celda (AUSTRIA, 2015).
1 2
1 2
s sL L L
sw sw
V D V DI I I
f L f L
(1)
Donde:
LI ; Incremento del rizo de corriente en cada
celda (Amperios).
swf ; Es la frecuencia de conmutación del
convertidor (Hertz).
sV ;
Es el voltaje de alimentación (Voltios).
D; Porcentaje del ciclo de trabajo (Porcentaje
%).
L1 y 2; Valores de las inductancias (Henrys).
Figura 4 Señales del rizo de corriente de entrada y los
rizos de corriente en cada inductor.
La corriente mínima del rizo de entrada
minsI cuando los inductores son iguales (L1 =
L2) es igual a:
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min min0.5 2Ls L
t
II I
0.5 1
0.5
t
t
t
D D
D D
(2)
Donde minLI es corriente mínima de
cada celda.
La corriente máxima del rizo de entrada
cuando los inductores son iguales (L1=L2) es
igual a,
max max min0.5Ls L L
t
II D I I
0.5 1
0.5
t
t
t
D D
D D
(3)
Donde maxLI es corriente máxima de
cada celda. Al obtener la diferencia entre
maxsI y minsI se encuentra que sI ,
max mins s sI I I (4)
La selección de la frecuencia de
conmutación. Otro aspecto muy importante es
encontrar la mejor frecuencia de conmutación
para el convertidor propuesto que reúna las
siguientes cualidades:
- Valor del capacitor e inductor pequeño
ya que esto se convierte en menor
tamaño del componente ahorrando
espacio, peso y costo (ver Figura 5).
- Menores pérdidas de potencia que se
convierte en un disipador pequeño
ahorrando peso y tamaño (ver Figura 6).
Figura 5 Frecuencia vs. Inductancia y capacitancia del
convertidor.
Figura 6 Pérdidas de potencia del convertidor contra la
frecuencia de conmutación.
La selección de los transistores y diodos
que componen la etapa de potencia del
convertidor pueden ser calculados a partir del
voltaje de entrada, voltaje de salida, potencia de
salida, amplitud máxima del rizo corriente de
entrada, amplitud máxima del rizo voltaje de
salida y la frecuencia de conmutación. Esta
selección es muy importante para garantizar
que la pérdida de potencia sea la mínima
producto por el calentamiento de los
dispositivos debido a la acción de conmutación
y el manejo de las corrientes de rama.
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El ciclo útil de la señal de control puede
ser calculado a partir del voltaje de entrada y
salida.
a s
a
V VD
V
(5)
Donde aV es el voltaje de salda y sV es
el voltaje de entrada. La corriente de entrada
puede ser calculada a partir de la potencia de
entrada.
1
s as
s
P II
V D
(6)
Donde sP es la potencia de entrada. La
resistencia de carga se puede calcular como
sigue: 2
a
a
VR
P (7)
Donde aP es la potencia de salida.
Con los resultados anteriores podemos
seleccionar los interruptores de potencia, ya que
deben cumplir con los requerimientos del
sistema. Es importante realizar una
comparación de pérdidas de potencia entre
diversos componentes electrónicos y así obtener
transistores que tengan las menores pérdidas
totales debido por la acción de la conducción y
la conmutación del sistema de conversión. Con
la ecuación 8 se puede calcular:
transistor C swP P P (8)
Con la ecuación 9 podemos encontrar la
PC:
C Q DP P P (9)
PQ = Pérdidas por conducción.
PD = Pérdidas de conducción del diodo interno
del transistor.
Para encontrar PQ se calcula como el
promedio de la potencia instantánea:
0
1 DT
QP p t dtT
(10)
Donde P (t) es la potencia instantánea P
(t)=i2 (t) RDS (on).
Y para encontrar las pérdidas por
conmutación del transistor Psw se pueden
calcular con la ecuación 11.
sw on off swP E E f (11)
Donde onE
y offE
son las energías
pérdidas en cada tiempo y fsw es la frecuencia
conmutación.
Las pérdidas por conmutación son
causadas por la superposición de las formas de
onda de la corriente y el voltaje en el transistor
durante los instantes de incremento y
decremento de estas dos señales, como lo
muestra la figura 7. Durante los intervalos de
encendido ton y apagado toff la pérdida de
energía está dada por:
2
a aon on
V IE t (12)
2
a aoff off
V IE t (13)
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Figura 7 Tiempo contra voltaje de compuerta del mosfet
del convertidor.
Los tiempos de conmutación los
obtenemos de las hojas técnicas de los
dispositivos proporcionados por el fabricante.
Para encontrar las pedidas totales en el diodo se
necesita calcular la pérdida por recuperación
inversa (Prr) y la pérdida por conducción (PD) y
sumarlas. Con la ecuación 14 se puede calcular
las pérdidas por recuperación inversa
(AUSTRIA, 2015).
rr sw a a cr a rr DS onP f V I t V Q R (14)
Donde,
- fsw es la frecuencia de conmutación.
- RDS (on) es la resistencia entre sus
terminales en estado de conducción del
diodo.
- Va es el voltaje de salida.
- Ia es la corriente de carga.
- tcr es la tiempo de carga.
- Qrr es la máxima carga de
recuperación inversa.
Resultados
Con base a las recomendaciones que se dieron
en el desarrollo; se propuso el diseño de un
convertidor elevador de potencia con celdas en
paralelo (boost interleaved) como una de las
mejores estrategias para ser implementarlo en
un VE. Los cálculos se comprobaron en el
programa PSIM (software de simulación
numérica de circuitos electrónicos de potencia).
En la figura 8, se muestra el ejemplo del
convertidor boost interleaved propuesto.
Figura 8 Simulación en PSIM de un convertidor boost
interleaved propuesto.
En la figura 9, muestra las señales de voltaje
que entrega el programa de simulación donde se
puede observar el valor del voltaje de entrada y
salida con un sobre impulso y un rizo. Esta
respuesta se tomo a una frecuencia de conmutación
de 40kHz y un valor de ciclo útil de trabajo de 0.79
propuestos.
Figura 9 Voltaje de salida y entrada contra tiempo.
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Conclusiones
La selección de la mejor una topología del
convertidor, frecuencia de conmutación y
componentes electrónicos reducirán las
pérdidas de potencia del sistema de conversión
y elevarán la eficiencia del mismo, lo cual se
convertirá en mayor autonomía para el vehículo
eléctrico reduciendo el peso y tamaño del
modulo de potencia que alimentará a sistema de
tracción. Por tal motivo, es importante hacer
conciencia de que un diseño eficaz con un
estudio y cálculo preciso de los componentes
para poder transferir la mayoría de potencia de
los acumuladores a los motores del sistema de
tracción del vehículo y optimizar el manejo de
energía.
Referencias
AUSTRIA L, MURO B, (2008). Diseño y
control de un convertidor paralelo de potencia.
IPN México.
AUSTRIA L, NORIEGA R, CANALES B.
(2015). Investigaciones, estrategias y medios en
la práctica educativa, Importancia del diseño
eficaz del convertidor de potencia eléctrico en
el ahorro de energía y autonomía de un
vehículo eléctrico. Cenid. México. ISBN: 978-
607-8435-03-6.
NASHELSKY L. (1997). Electrónica: Teoría
de Circuitos. Prentice Hall.
60
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 60-64
Diseño e implementación de una tarjeta de control para un actuador lineal de una
impregnadora de papel
GIRÓN-REYES, Jesús†*, SÁNCHEZ-LÓPEZ, Héctor, ROJAS-OLMEDO, Israel y HERNÁNDEZ-
GONZÁLEZ, Daniel.
Recibido Julio 8, 2016; Aceptado Septiembre 14, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
El presente trabajo muestra el diseño, la
construcción y puesta en marcha del control para un
actuador lineal de una máquina impregnadora de
papel, la cual tiene la función de alinear papel
impregnado de resina mediante un actuador lineal.
El prototipo consta de una fuente de alimentación,
un sistema de modulación por ancho de pulso,
control de dirección y velocidad para que el sistema
opere en modo manual o automático. Por último, se
mencionan los resultados obtenidos después de
realizar la instalación del prototipo en la empresa
MASISA S.A de C.V.
Impregnadora de papel, actuador lineal, fuente
de alimentación lineal, sensores ultrasónicos y
optoelectrónicos
Abstract
This paper details the design, construction and test
of a linear actuator control to an impregnation of
paper machine, which has the function of aligning
resin impregnated paper by a linear actuator. The
prototype consists of a linear power supply, a
system of pulsewidth-modulated, direction and
speed control for the system to operate in manual or
automatic mode. Finally, the results obtained are
mentioned after performing of prototype installation
in the MASISA S.A. de C.V Company.
Impregnation of paper, linear actuator, linear
power supply, ultrasonic sensors and
optoelectronic
___________________________________________________________________________________________________
Citación: GIRÓN-REYES, Jesús, SÁNCHEZ-LÓPEZ, Héctor, ROJAS-OLMEDO, Israel y HERNÁNDEZ-GONZÁLEZ,
Daniel. Diseño e implementación de una tarjeta de control para un actuador lineal de una impregnadora de papel. Revista de
Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 60-64
___________________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________
* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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OLMEDO, Israel y HERNÁNDEZ-GONZÁLEZ, Daniel. Diseño e
implementación de una tarjeta de control para un actuador lineal de
una impregnadora de papel. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería
2016
61
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 60-64
Introducción
Durante el proceso de impregnación de resinas
en papel (IPR) en la empresa MASISA S. A. de
C.V. es necesario sustituir el control de
alineación del papel que se lleva a cabo
mediante sensores optoelectrónicos, ya que en
la mayoría sus lentes ópticos son transparentes
provocando que con el paso del tiempo el
sensor no detecte correctamente, debido a la
acumulación de resina en el mismo, que en un
determinado tiempo se seca obstruyendo la
detección, provocando fallas en el control de
alineación; para contrarrestar dicho
inconveniente se agregaron sensores
ultrasónicos para mejorar la detección que
particularmente utilizan las marcas ACCUE
WEB INC y FIFE. Por tal motivo, se propone
implementar un sistema de control electrónico
para un actuador lineal, a través de sensores
ultrasónicos y/o optoelectrónicos que controlan
la alineación del IPR (ver figura 1).
a) b)
c) d)
Figura 1 a) y b) Sensor optoelectrónico, c) Sensor
ultrasónico UCM-R40K1 (TX–RX) y d) Sensor
optoelectrónico ITR8102 (E–R).
Para llevar a cabo el control del
actuador lineal de la impregnadora de papel se
construyó una fuente de voltaje lineal, ésta se
encarga de suministrar el voltaje al actuador
lineal al mismo tiempo que lo protegerá contra
sobre corrientes, se implementó un sistema de
Modulación por Ancho de Pulso (PWM) para el
control velocidad y dirección del actuador.
Adicionalmente, se utilizaron sensores
ultrasónicos y optoelectrónicos para controlar la
alineación de forma manual o automática. El
diagrama a bloques del diseño del circuito
electrónico se muestra en la figura 2.
Figura 2 Diagrama a bloques del circuito electrónico.
Fuente de alimentación
Se construyó una fuente de alimentación lineal
empleando el regulador LM723 (ver figura 3),
que proporciona una salida regulable de 0 a 35
V [1]. El voltaje de salida se ajusta mediante el
TRIMPOT2. La fuente se diseñó con un
parámetro de protección de sobre corriente,
ajustable mediante el TRIMPOT1 en un
intervalo de 0 a 2 A, a partir del valor
establecido se protegerá la fuente
automáticamente limitando la corriente para
evitar daños al actuador lineal, en caso de una
sobre corriente se restablece la fuente al pulsar
el botón (SW1) [2] y [3].
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62
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 60-64
Figura 3 Fuente de voltaje lineal.
Control de velocidad y dirección
La velocidad del motor del actuador lineal, está
controlado por el PWM KA3525A y el control
de dirección del motor del actuador lineal se
realizó con el puente H L298N dado que es
necesario realizar el cambio del sentido de giro
del motor del actuador lineal; ya sea de modo
manual o automático, de acuerdo a las
condiciones que requiera el operador (ver figura
4), la función de los diodos es evitar que se
dañe el control de velocidad y dirección por la
fuerza contraelectromotriz que genera el motor.
Figura 4 Control de velocidad y dirección.
Control manual o automático
Para controlar con seguridad el movimiento del
rodillo aéreo del actuador lineal se
implementaron dos formas: manual y
automático, esto se logró empleando un
contacto normalmente abierto (NA), uno
cerrado (NC) y un SCR, que a su vez mandan la
señal al L298N para controlar la dirección.
El sistema manual o automático es
controlado por un relevador RL2 donde el
contacto NA es el modo automático; que da un
pulso de voltaje a la compuerta del SCR C106D
encargado de realizar el enclavamiento
electrónico, al oprimir el botón NC se activa el
modo manual interrumpiendo la alimentación
del SCR ocasionando que se desenclave; para
modo manual (ver figura 5). La detección del
IPR; en modo automatico, se lográ mediante el
sensor que activa el relevador RL1 donde el NA
es el sentido de entrada y el NC es el sentido de
salida del actuador lineal, en cada uno de sus
contacto está conectado un led bicolor (verde y
rojo) para indicar el sensor.
Figura 5 Control manual y automático.
Sensores ultrasónicos y optoelectrónico
Para el control de alineación deL IPR se
utilizaron dos sensores: ultrasónico transmisor-
receptor UCM-R40K1 (TX–RX) [2], y
optoelectrónico emisor-receptor ITR8102 (E–
R) [4] y [5]. Con el propósito de que el
operador pueda elegir el más apropiado para su
proceso (ver figura 6).
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63
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 60-64
El sensor ultrasónico está diseñado con
3 circuitos integrados, el CI (CD4046B) es un
PLL (lazo de seguimiento de fase) este CI se
empleó para poder retroalimentar la frecuencia
y la fase del sensor donde se definen los
márgenes de frecuencia en los que estará
mandando y recibiendo la señal ultrasónica, con
el CI (HD74LS14P) es un integrado con 6
compuertas lógicas inversoras trigger, el cual es
utilizado para invertir la señal y disminuir
ruido. Mediante el TL082C amplifica la señal
recibida del (RX) y la señal (TX) proveniente
del CD4046B. En el pin 1 del TL082C la señal
de salida es dirigida a un diodo 1N4148 que
realiza un disparo de voltaje en la base del
transistor BC542 para activar el relevador
(RL1).
Figura 6 Sensor ultrasónico y optoelectrónico.
El ajuste del intervalo de detección del
sensor ultrasónico se realizó con el
potenciómetro TRIMPOT5 junto con una
resistencia de compensación R28 de 22 KΩ
(ver figura 6), éstos manda una señal modulada
que está directamente conectada al Oscilador
Controlado por Voltaje (VCO) CD4046B que
es un lazo de seguimiento de fase [6], donde el
ajuste de frecuencia se realiza mediante la
resistencia R28 y el capacitor C13.
Tarjeta de control
En base a las diferentes etapas mostradas en las
figuras 2, 3, 4 y 5 se realizó la tarjeta de control
que se muestra en la figura 7 para el actuador
lineal de la impregnadora de papel.
Figura 7 Tarjeta de control para el actuador lineal de la
impregnadora de papel.
Resultados
La tarjeta de control se sometió a prueba, a un
total de 352 horas para verificar el desempeño
del diseño en la empresa MASISA S.A de C.V
en el área de impregnación (ver figura 8).
Figura 8 Prueba realizada en impregnadora #4.
Se realizaron pruebas en modo manual
con el objetivo de observar el ajuste del papel.
El sistema implementado detectó incluso el
papel transparente ajustando los sensores
ultrasónicos hasta un rango de 5 cm.
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64
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 60-64
En un ambiente de trabajo industrial con
exceso de temperatura ocasionado por el mismo
proceso de impregnación no afecto el
funcionamiento de la tarjeta electrónica del
control electrónico. El costo de manufactura es
un 80 % menor al costo de las marcas ACCUE
WEB y FIFE. Finalmente de acuerdo a la
supervisión de las áreas de mantenimiento e
instrumentación, se observó que el prototipo
operacional cumple con las características y
parámetros establecidos en el control
electrónico que requiere el proceso de
alineación de papel en comparación con las
marcas ACCUE WEB y FIFE.
Agradecimiento
H. J. Sánchez y J. Girón, agradecen el apoyo
económico brindado por el Programa de
Mejoramiento del Profesorado (PROMEP)
mediante la incorporación de nuevos PTC, carta
PROMEP/103.5/11/4403, de la misma forma
los autores agradecen a la Universidad
Tecnológica del Valle de Toluca así como a la
empresa MASISA S.A. de C.V. el desarrollo
del presente trabajo.
Conclusiones
La tarjeta de control construida permitio
verificar el correcto funcionamiento del diseño
en un ambiente industrial.
Los sensores ultrasónicos mejoraron el
alcance de detección hasta 5 cm con respecto a
los sensores optoelectronicos.
Los componentes comerciales
seleccionados en el diseño de la tarjeta son de
fácil acceso y permiten un rápido
mantenimiento con un ahorro hasta del 80 %
con respecto a las marcas ACCUE WEB y
FIFE.
Referencias
Brown M. (2001). Power Supply Cookbook.
USA: Newnes.
Brown M., (1990). Practical Switching Power
Supply Desing. Motorola. Series in Solid State
Electronics.
Parra, L. Orozco F. (1995). Fuentes de
alimentación reguladas y conmutadas. México
D.F.: BECANOR.
Malvino A. P. (2000). Principio de electrónica.
Ed. Mc. Graw Hill. 6ta edición. España.
Boresntein, H. R. Feng L. (1996). Where am I?
Sensors and Methods for Mobile Robot
Positioning. USA: J. Boresntein.
Muhammad H. R. (2011). Power Electronics
Handbook. USA: Elsevier.
65
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 65-76
Sistema de Gestión de demanda eléctrica basada en la Web
MORENO-DZUL, Julio†*, ÁLVAREZ-IBARRA, Maricela, SILVA-DZIB, Ismael y ARCEO-DÍAZ,
Rocío.
Universidad Tecnológica de Cancún, Carretera Cancún-Aeropuerto, Km. 11.5, Mz. 5, Lt 1, SM 299, 77565 Cancún, Q.R.,
México
Recibido Julio 7, 2016; Aceptado Septiembre 9, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
Se plantea una solución integral, innovadora y
tecnológica, acerca de la predicción y gestión inteligente
de la energía eléctrica, como la implementación de Redes
Neuronales Artificiales (RNA) para el aprendizaje de
patrones de comportamiento de la energía no lineal, la
implementación de software de control inteligente que
pueda ser la base de gestión de la energía a través de una
interfaz de comunicación con las RNA. Igualmente, este
proyecto busca a través de la implementación de técnicas
computacionales vanguardistas construir un ecosistema
multi-agente dotado de inteligencia artificial y
conocimientos de la tarifa horaria para servicio general
en media tensión, con demanda de 100 kW o más (tarifa
HM) y módulos de gestión de cargas eléctricas críticas,
pero que además a través del tiempo pueda ir
aprendiendo nuevos conocimientos del ecosistema
eléctrico y lo pueda aplicar en una gestión mejorada de la
demanda. En esta fase de pruebas se trabajó en el diseño
y construcción de dispositivos de hardware de medición,
control e instrumentación electrónica de bajo costo,
comandados por un sistema computacional distribuido
con arquitectura Web 2.0 de control y monitoreo. La
aplicación Web propuesta puede analizar el valor de
diferentes variables eléctricas y medioambientales, puede
calendarizar arranques y paros de equipos por medio de
la comunicación del sistema con un controlador
electrónico.
Demanda eléctrica, Redes neuronales artificiales
Abstract
The purpose of this investigation is to propose a
comprehensive, innovative and technological solution
about the intelligent prediction and management of
electrical energy, such as the implementation of Artificial
Neural Networks (ANN) used for detecting and learning
patterns of behavior of nonlinear energy, including the
deployment of intelligent software used to control energy
management via a communication interface with the
RNA. Furthermore, through the implementation of
innovative computational techniques, this project aspires
to develop a multi-agent endowed with artificial
intelligence and knowledge of the rate for service general
medium voltage with demand or 10 kW or more and
modules of managents of critical electrical loads.
Additionally, over time to learn new skills related to the
electrical ecosystem that can be applied in an improved
demand management. In this initial test phase, we have
been working on the design and construction of hardware
measurement devices, as well as low-cost controls and
electronic instrumentation regulated by a computer
system equipped with Web 2.0 architecture. The Web
application proposal can analyze the value of different
electrical and environmental variables, as well as
schedule equipment starts and stops through
communication with an electronic controller device.
Electricity demand, artificial neural networks
___________________________________________________________________________________________________
Citación: MORENO-DZUL, Julio, ÁLVAREZ-IBARRA, Maricela, SILVA-DZIB, Ismael y ARCEO-DÍAZ, Rocío.
Sistema de Gestión de demanda eléctrica basada en la Web. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 65-76
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* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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demanda eléctrica basada en la Web. Revista de Aplicaciones de la
Ingeniería 2016
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 65-76
Introducción
La Secretaría de energía en México plantea la
importancia de la gestión de la demanda
eléctrica con base en los múltiples beneficios
que traen tanto a los clientes como a los
proveedores de servicios, tales beneficios
como:
- Conocimiento de la estructura tarifaria del
personal operativo.
- Involucramiento del personal para conocer
todas las etapas del proceso.
- Crecimiento de la cultura del ahorro en la
organización.
- Disminución del cargo de la demanda
facturable en kW.
- Disminución del cargo por consumo kWh.
- Empresas más competitivas.
- Aumento de la vida útil de los equipos.
Por otro lado una gestión eficiente de la
demanda no solo trae beneficios para los
usuarios de la energía sino también a las
empresas suministradoras (Lascurain, 2012),
estos beneficios pueden ser:
- Reducir el requerimiento de demanda de
energía eléctrica en el horario punta,
generando la disminución de operación de
equipos de generación de energía eléctrica
basadas en combustibles no renovables en
el Sistema Eléctrico Nacional.
- Disminución de pérdidas en los conductores
en las rede de transmisión, y distribución.
- Aumento de la vida útil de los equipos.
- Diferir las inversiones en infraestructura.
A pesar de que existen diversos
mecanismos y que los métodos y la tecnología
para el control de la demanda eléctrica está en
constante avance, aún sigue teniendo un costo
elevado, además de que las soluciones
generales o internacionales pueden presentar
problemas como el desconocimiento de la tarifa
HM o la diferenciación entre los conceptos y
tiempos que se utilizan para el cobro de energía.
El proyecto planteado busca
implementar técnicas computacionales
vanguardistas para construir un ecosistema
multi-agente dotado de inteligencia artificial y
conocimientos de la tarifa HM.
Como se mencionó con anterioridad los
sistemas de gestión de energía de última
generación tienen un costo elevado de
adquisición para la gran mayoría de las PyMES
en México e incluso para algunas grandes
empresas, y aunque la inversión realizada para
adquirir estos equipos o sistemas está
completamente justificada por el ahorro
económico y el cuidado ambiental, existe una
enorme cantidad de empresas que no
consideran su adquisición debido al cuestiones
financieras.
Para demostrar la disminución en costos
que se piensa alcanzar se realizará la
comparación de un dispositivo fundamental
dentro un sistema de gestión de demanda, como
es una tarjeta de adquisición de datos.
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Ingeniería 2016
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 65-76
Por ejemplo el MDS NETio de la marca
General Electric empresa líder mundial en el
ramo energético es un dispositivo cuyo
fabricante describe como una solución
inalámbrica que provee comunicación a
distancia, permitiendo a los usuarios adquirir
datos de diferentes sensores como por ejemplo
de presión y flujo, pero que además puede
fungir como elemento de control; todo esto
gracias a sus puertos de entrada y salida tanto
analógicos como digitales. (GE General
Electric, 2016). Este dispositivo cuenta con
ocho puertos, dos entradas y dos salidas
digitales así como dos entradas y dos salidas
analógicas. El costo de este producto
directamente adquirido con los fabricantes es de
1,323.00 dolares americanos (USD) como se
puede observar en el sitio Web oficial del
fabricante. Una solución similar pero basada en
el SBC Beaglebone Black con la capacidad de
manejar hasta 65 pines de entrada/salida
digitales y 7 pines de entrada analógicos, con la
solución inalámbrica es posible fabricarla con
140 USD, con la flexibilidad de poder ejecutar
software creado en cualquier lenguaje de
programación soportado por el Sistema
Operativo GNU/Linux. (BeagleBone.org,
2016). Al comparar los números de soluciones
similares, se puede hablar de una relación de
costos de uno a diez. Es importante mencionar
que este proyecto no busca en una primera
etapa competir de manera directa con
tecnologías consolidadas en el mercado como
lo son los productos de marcas como GE o
Siemens, el objetivo es proveer a la industria
mexicana una alternativa de gestión inteligente
de demanda más económica que la existente en
el mercado, basada en componentes libres y que
brinden a los desarrolladores tener disponible
una plataforma base para la implementación de
nuevos elementos computacionales que
permitan una gestión más inteligente que
conlleve a mejores resultados.
La nueva Ley de la Industria Eléctrica
en México permite la inclusión de entes
particulares para la generación y distribución de
energía eléctrica, lo que propiciará la aparición
de entornos desagregados de manera parcial o
total por lo cual la predicción de la demanda
eléctrica se volverá fundamental, no solo para
las empresas, sino para los consumidores
finales, es por ello que el desarrollo de modelos
computacionales de inteligencia artificial que
permitan realizar una predicción de demanda a
corto plazo le dan un valor agregado importante
y fundamental al sistema de gestión propuesto
en este proyecto.
Marco teórico
Control de demanda de energía eléctrica.
La energía eléctrica es un bien
indispensable y de interés estratégico en la
economía de México, es por ello que es
importante, no solo tener la capacidad de
producir la energía necesaria sino que es
importante producir lo justo para evitar
desperdicios que solo impactarían
negativamente en el costo de la energía;
entonces la predicción de la demanda eléctrica
se vuelve fundamental para las empresas
generadoras y distribuidoras, pero también para
los consumidores quienes pueden ver afectados
sus costos de producción de manera
significativa si no tienen un cuidado adecuado
de la demanda facturable, según los parámetros
acordados en su contrato de servicio eléctrico.
(Barrero, 2004)
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 65-76
La demanda eléctrica con frecuencia
presenta comportamientos no lineales, por lo
cual suena lógico encontrar soluciones más
óptimas para el problema de predicción de la
demanda eléctrica a través de modelos no
lineales de entre los cuales sobresalen las
técnicas basadas en Redes Neuronales
Artificiales, las cuales debido a su capacidad de
generalización y sobre todo, la facilidad de
descubrir relaciones no lineales en entornos
complejos parecieran ideales para abordar el
problema de predicción de demanda. (Amjady,
2007)
En los modelos desarrollados de RNA e
híbridos utilizados en gestión de demanda
eléctrica se tienen los siguientes: (Villagarcía,
2008), (Alejandro, 2002)
- Modelos supervisados feedforward:
Backpropagation, Perceptrón Multicapa,
Red Neuronal Probabilística, Máquinas de
Soporte Vectorial, Maquinas de Soporte
Vectorial de Mínimos Cuadrados.
- Modelos supervisados feedback: Modelo
Elman.
- Modelos no supervisados: Mapas Auto
Organizados.
- Modelos Híbridos: Mapas Auto
Organizados con fuzzy-rough, Modelo de
Combinación Fuzzy Adaptativo, Función de
Base Radial.
La principal diferencia de las técnicas
no lineales frente a las lineales radica en que
aquéllas no emplean tiempo en disponer de un
modelo matemático claro de las dependencias
de los parámetros para explicar el problema de
la predicción de la demanda, en cambio, los
modelos lineales requieren de la definición
precisa de las ecuaciones que lo definen.
Lo que la totalidad de los modelos RNA
requerirán es la adecuada parametrización de
las variables de entrada al modelo, así como la
definición topológica de la red (número de
capas, neuronas en las mismas, funciones de
entrenamiento, etc.); no obstante, esto es un
trabajo sencillo y asumible (un script) si se
compara con la parametrización de las
funciones de los modelos lineales. No obstante,
si el sistema de predicción va acumulando
etapas en la predicción, con sucesivos modelos,
estos modelos adicionales, supondrán un coste
computacional adicional al modelo global, tanto
para la fase de aprendizaje global, como para la
fase de operación (predicción). (J. Wang, 2012)
Microcontroladores
Los microcontroladores están presentes en
muchos de los productos electrónicos que se
emplean en la vida cotidiana. Existe una gran
variedad de modelos existentes en el mercado y
una gran cantidad de aplicaciones posibles de
funcionamiento y en las arquitecturas de
muchos microcontroladores.
El microcontrolador Beaglebone es una
placa de computadora de hardware libre para el
desarrollo de software de OpenSource. Esta
placa funciona con OMAP3530 System-on-a-
chip. Fue desarrollada por un pequeño grupo de
ingenieros como una placa que podría ser usada
alrededor del mundo para enseñar las
capacidades del software y hardware libre. La
placa mide aproximadamente 75mm por 75 mm
y cuenta con todas las funcionalidades de una
computadora básica (S. F. Barrett, 2013), es
uno de los microcontroladores más potentes y
eficaces que existen en el mercado, gracias a su
capacidad de manejar sistemas operativos
embebidos.
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El Beaglebone Black es un modelo del
microcontrolador Beaglebone, esta placa al
igual que los demás modelos cuenta con el
OMAP3530 que incluye un CPU ARM Cortex-
A8, en el cual pueden ser instalados los
sistemas operativos Linux (cualquier
distribución), Minix, FreeBSD, OpenBSD,
RISC OS / Symbian, un DSP TMS320C64x+
para la decodificación acelerada de audio y
video y una GPU PowerVR SGX530 para el
renderizado en 2D y 3D. La salida de video está
provista de dos conexiones separadas S-Video y
HDMI. Igualmente cuenta con una entrada para
tarjetas SD/MMC con soporte SDIO, un puerto
USB On-The-Go, un conector serial RS-232,
una conexión JTAG y dos jacks de 3.5 mm para
entrada y salida de audio. El almacenamiento y
la memoria interna son provistos por un chip
PoP que incluye 256mb de memoria flash
NAND y 256mb de RAM. Usa arriba de 2W de
alimentación y puede ser alimentada por el
conector USB o por una fuente externa de 5V.
(McLaughlim, 2016)
Inteligencia Artificial
Una de las ramas más destacadas del campo
científico de la Inteligencia Artificial es la que
corresponde a las Redes Neuronales Artificiales
(RNAs). Las RNAs tratan de emular el
comportamiento del cerebro humano,
caracterizado por el aprendizaje a través de la
experiencia y la extracción de conocimiento
genérico a partir de un conjunto de datos. Esto
puede ser mediante la construcción física de
sistemas cuya arquitectura se aproxima a la
estructura de la red neuronal biológica. (R.
Flórez, 2008)
Metodología
El proyecto se centra en el desarrollo de la
aplicación Web 2.0 para el control y medición
de la energía eléctrica y la interfaz de
comunicación entre las cargas eléctricas y el
sistema, que comprende el microcontrolador y
las conexiones TCP.
La aplicación será capaz de realizar
lecturas y mediciones apoyada por el
microcontrolador Beaglebone black y
presentarlas mediante gráficas. Igualmente este
software debe de ser capaz de aprender las
tendencias del lugar donde se implemente para
que en un futuro pueda decidir de manera
autónoma. La aplicación tiene que almacenar
todos los datos recibidos en la base de datos,
para que el usuario pueda acceder a ellos
cuando lo desee. De la misma manera la
aplicación debe de tener la capacidad de
gestionar las cargas eléctricas mediante un
control de lazo cerrado y salida de potencia tipo
on/off en tiempo real, visualizar parámetros
eléctricos, ambientales y de proceso, generación
de alertas y capacidad de administrar los
propios usuarios.
Esta aplicación debe ser agradable, fácil
de usar y eficaz.
Se utilizó para el desarrollo del Sistema
en Tiempo Real el método llamado Hard Real-
Time Hierarchical Object Oriented Design, el
cual está enfocado a la construcción de los
sistemas críticos, ya que de no producir una
respuesta dentro de un intervalo de tiempo
prefijado pueden ocasionarse graves daños en
los procesos. (Wolfgang Nebel, 2003)
En HTR-HOOD se utilizó un proceso de
desarrollo iterativo.
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El diseño se realizó progresivamente a
través de la especificación de más
responsabilidades, mismas que definen las
propiedades del sistema con las que opera el
diseñador y que este no tiene la libertad de
cambiar.
En el proceso de refinamiento del
diseño, se transformaron las obligaciones
(aspectos del diseño que no están sujetas a
responsabilidades) y responsabilidades, a
menudo se encuentra sujeto a restricciones
impuestas por el entorno de ejecución, es decir
el conjunto de componentes de hardware y
software sobre el que se construye el sistema.
Se imponen restricciones de recursos como la
velocidad del procesador, el ancho de banda de
las comunicaciones y restricciones de los
mecanismos como la prioridad de las
interrupciones, la planificación de tareas y el
bloqueo de los datos, con esto se debe
proporcionar reconocimiento explícito de los
tipos de actividades/objetos que se pueden
encontrar y catalogar como críticos en la
construcción del Sistema Inteligente de
Gestión, como son:
1. Integración de los parámetros
apropiados de planificación de los procesos.
2. Definición explícita de los
requisitos temporales de cada objeto y
aplicación.
3. Definición de la importancia
relativa de cada objeto para el funcionamiento
correcto de la aplicación.
4. Facilidades para realizar el
análisis de la planificación del sistema.
El proceso de desarrollo iterativo constó
de las siguientes etapas: definición de
requisitos, diseño de la arquitectura física,
diseño detallado, codificación y cálculo de
tiempos de ejecución, pruebas y medida de
tiempos.
El diseño de la arquitectura lógica será
la fase destinada fundamentalmente a la
satisfacción de los requisitos funcionales. El
resultado de esta etapa será un conjunto de
objetos terminales.
En cuanto a la arquitectura física, se
tiene como objetivo:
1. Relacionar la arquitectura lógica
con los recursos de ejecución.
2. Asignar atributos temporales a
los objetos y asegurar el cumplimiento de los
requisitos no funcionales.
3. Análisis de plazos de respuesta.
4. Fiabilidad y seguridad.
En el diseño de la arquitectura física se
consideran principalmente cuatro actividades:
1. Asociación de los objetos
resultantes de la arquitectura lógica a los
recursos de hardware (procesadores)
disponibles.
2. Diseño de la red, debido a que se
está considerando un sistema distribuido, hay
que planificar la comunicación entre los
diferentes nodos (ordenadores de placa única,
microcontroladores, equipo de red), de forma
que el tiempo de retardo en las comunicaciones
esté acotado y sea aceptable para asegurar de no
causar problemas en la operación.
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3. Planificación de los procesadores.
Determinar la planificación, estática o dinámica
que asegure que todas las tareas del sistema
cumplan con los plazos establecidos.
4. Análisis de la fiabilidad: determinar si
es conveniente emplear técnicas de fallos, para
aumentar la fiabilidad del sistema.
El resultado del modelo físico es un
sistema de objetos terminarles con atributos
temporales.
Aunque la arquitectura física es un
refinamiento de la arquitectura lógica, el
desarrollo de ambas será iterativo y
concurrente.
Las pruebas del sistema de medición
tanto unitario como distribuido se realizaron
comparando los resultados medidos y
calculados con un equipo registrador trifásico
de parámetros eléctricos de voltaje, corriente,
demanda, consumo, factor de potencia,
frecuencia.
Las simulaciones de los modelos de red
neuronal se realizaron con Matlab en diferentes
escenarios, desde consumidores de tarifa HM
convencionales en la red, como en entornos
desagregados como pequeñas ciudades, plantas
industriales o grandes hoteles.
En cuanto a la estructura lógica, o la
aplicación se desarrollo bajo la metodología de
desarrollo de software Extreme-Programming,
que permite desarrollar la aplicación al mismo
tiempo del análisis y el diseño. Igualmente
permite detectar errores de cualquier fase del
desarrollo y corregirlos sin la necesidad de
volver a la fase. Gracias a esto se pudo ahorrar
tiempo en el desarrollo y se centro en las
pruebas.
Diseño del sistema
En la Figura 1 se muestra el caso de uso
general, que representa los módulos de la
aplicación y los accesos permitidos de cada
usuario.
Figura 1 Caso de uso general
En la Figura 2 se muestra el diagrama de
secuencia del proceso más importante de
comunicación entre la aplicación Web y el
microcontrolador.
Figura 2 Interfaz de comunicación
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En la Figura 3 se presenta el diagrama
de secuencia del proceso de generación de
alertas en el sistema.
Figura3 Generación de alertas
Codificación de la aplicación
La aplicación Web se desarrolló en su totalidad
con en el entorno integrado de desarrollo (IDE)
Eclipse Luna. Las interfaces gráficas fueron
desarrolladas con el lenguaje de etiquetado
XML y HTML. Se utilizó Javascript para
efectos visuales y CSS3 para el diseño y
personalización. Igualmente se utilizó para la
implementación de componentes enriquecidos
ZK Framework. Los procesos del sistema junto
con la funcionalidad y las conexiones fueron
desarrollados en el lenguaje de programación
Java. Para la base de datos se utilizó el gestor
MySQL y fue construida bajo un esquema de
mapeo ORM (Object-Relational Mapping) con
JPA y Hibernate. Esto permite mapear la base
de datos directamente desde la aplicación,
convirtiendo las entidades en tablas. Para la
seguridad de la aplicación se utilizó Spring
Security y Spring Framework. Igualmente el
proyecto fue gestionado a nivel de paquetería
por Maven.
Toda la aplicación fue desarrollada bajo
el patrón de diseño MVC (Modelo-Vista-
Controlado), esto permite un desarrollo más
organizado y rápido, además de que facilita el
mantenimiento y soporte de la aplicación. (Díaz
González, 2012)
Construcción de la interfaz de comunicación.
La construcción de la interfaz de comunicación
consistió en el desarrollo de una plataforma
cliente-servidor que sea capaz de comunicar en
tiempo real las cargas eléctricas con la
aplicación Web. Esta interfaz se desarrolló con
el microcontrolador Beaglebone Black con el
sistema operativo embebido Debian Jessie.
Igualmente en el microcontrolador se instaló la
clase TCP Server, la cual proveía y fungía
como puente de comunicación entre las cargas
eléctricas y la aplicación.
Pruebas e implementación.
Las pruebas estuvieron compuestas en dos
partes. La primera parte fueron las pruebas de
caja blanca, que se realizaron a la par de la
codificación de la aplicación. Estas consistieron
en ir detectando errores a la hora de compilar o
ejecutar la aplicación e ir corrigiéndolos.
La segunda parte consistió en las
pruebas de caja negra, en las cuales se hicieron
pruebas de estrés a la aplicación para saber el
número de conexiones entrantes y salientes que
permite. Igualmente se hicieron pruebas de
funcionamiento y conectividad para detectar
posibles bugs, ya sean de seguridad o de
codificación, que puedan poner en peligro la
integridad de la aplicación y la interfaz de
comunicación. Estas pruebas se hicieron con la
ayuda y soporte de herramientas como, Junit y
Selenium, las cuales nos facilitaron la detección
de posibles fallos gracias a su gran eficacia.
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La aplicación fue implementada en un
servidor Tomcat 8. El proyecto fue exportado
en un archivo war, y desde ahí se genera la
ejecución de la aplicación para poder ser
accedida.
Resultados obtenidos
1. Se obtuvo un análisis completo de los
requerimientos, variables de entrada y salida y
procesos de la aplicación con base al desarrollo
de software.
2. Se obtuvo una aplicación Web 2.0 para el
monitoreo y gestión de los parámetros
eléctricos y medioambientales con
compatibilidad de plataformas.
En la Figura 4 se muestra la pantalla de acceso
a la aplicación.
Figura 4 Acceso a la aplicación
En la Figura 5 se muestra la pantalla
principal de la aplicación en la cual se pueden
apreciar las mediciones en tiempo real del
motor seleccionado, igualmente de lado
derecho se puede apreciar el módulo de
arranque y paro y el variador de potencia. De
lado izquierdo, en la barra lateral, se puede
apreciar el botón de paro de emergencia.
Figura 5 Dashboard
En la Figura 6 se muestran las
mediciones graficadas de corriente y voltajes
del motor seleccionado.
Figura 6 Medición de corriente y voltaje
En la Figura 7 se muestra las
mediciones graficadas de los motores
monofásicos.
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Figura 7 Medición monofásica de motores
En la Figura 8 se muestra las
mediciones graficadas de los motores trifásicos.
Figura 8 Medicion trifásica de motores
3. Se obtuvo una base de datos compatible con
la aplicación Web para que pueda ser usada por
la misma.
4. Se obtuvieron mediciones de parámetros
eléctricos en tiempo real corriente RMS y
Voltaje RMS para sistemas monofásicos y
trifásicos de hasta 600 voltios (CAT IV) de
acuerdo al estándar IEC 61010.
En las Figuras 9 y 10 se muestran los
resultados de las mediciones RMS realizadas.
Figura 9 Medición 1
Figura 10 Medición 2
5. Se obtuvo un cálculo de potencias (activa,
reactiva, aparente) y factor de potencia.
6. Se obtuvo una calendarización de arranques
y paros de actuadores industriales según
programa operativo (diario, mensual, anual)
mediante la aplicación Web.
En la Figura 11 se muestra la
calendarización de arranques y eventos de
motores.
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Figura 11 Calendarización de arranques y eventos
7. Se obtuvo una generación de alertas en
tiempo real según mediciones o
funcionamientos anómalos de los equipos en la
red.
8. Se obtuvo una gestión autónoma de
arranques y paros según las predicciones
realizadas.
9. Se obtuvo la interfaz de comunicación entre
los motores y la aplicación con el Beaglebone
Black.
En la Figura 12 se muestran las pruebas
de la construcción de la interfaz de
comunicación en una protoboard.
Figura 12 Prueba en protoboard
En la Figura 13 se muestran las pruebas
de la interfaz de comunicación con el
Beaglebone Black.
Figura 13 Pruebas con Beaglebone Black
Conclusiones
Con el desarrollo de la aplicación Web se puede
gestionar y monitorear de manera inteligente el
uso de energía, también por medio del
aprendizaje de patrones se puede calcular la
demanda de energía eléctrica.
Se logró la construcción de la interfaz
de comunicación con un Beaglebone Black
fungiendo como servidor en un modelo TCP
cliente/servidor. También se logró el análisis,
diseño y desarrollo de la aplicación Web, con
los requerimientos estipulados. Igualmente se
lograron pruebas satisfactorias reales con
motores trifásicos y monofásicos.
El prototipo está en fase de pruebas y
adecuaciones para su implementación, sin
embargo falta más trabajo de investigación y
análisis de los patrones del comportamiento no
lineales de la energía eléctrica, diseño y
adecuación del modelo de predicciones, así
como pruebas con Beaglebone Black.
Posteriormente se debe realizar la
adecuación con cargas eléctricas variadas para
que se pueda liberar el prototipo, además de
incluir nuevas funciones en la aplicación Web
para que sea comercializable.
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77
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 77-86
Gestión de Mantenimiento Centrado en Confiabilidad en el área de laboratorios de
una Institución de Educación Superior
FORNÉS-RIVERA, René†*, OCHOA-ESPINOZA, Luis, CANO-CARRASCO, Adolfo y
GONZÁLEZ-VALENZUELA, Elizabeth.
Instituto Tecnológico de Sonora, 5 De Febrero 818 Sur, Centro, 85000 Cd Obregón, Son., México.
Recibido Julio 27, 2016; Aceptado Septiembre 30, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
El mantenimiento que espera a que se produzca la falla para
intervenir se traduce en pérdidas de producción, costos
elevados y disminución en ciclo de vida del activo. En la
Jefatura del Departamento de Laboratorios y Recursos
Audiovisuales de la institución de educación superior, se
requiere que se identifiquen los equipos con oportunidad de
mejora en aspectos de confiabilidad, mantenibilidad y
disponibilidad. El objetivo fue: propuesta de implantación
de mantenimiento a través de la metodología de
Mantenimiento Centrado en Confiabilidad para gestionar la
disponibilidad de los equipos; la cual consta de siete pasos:
1) definir el sistema y determinar la criticidad de equipos, 2)
identificar y definir sus funciones; 3) determinar fallas; 4)
establecer los modos de falla; 5) determinar los efectos de
fallas; 6) valorar consecuencias; 7), y elaborar un plan de
mantenimiento de equipos. Como resultados se obtuvieron
siete equipos críticos al análisis de fallas; fichas técnicas;
recomendaciones de uso; formatos de solicitud y Ordenes de
Trabajo; cronograma de actividades, estrategias de
mantenimiento e indicadores para el área. Se concluye que
se cumplió el objetivo al realizar una propuesta de
implantación de mantenimiento generando medidas que den
soporte aumentando la disponibilidad cumpliendo
previamente con la confiabilidad y mantenibilidad.
Mantenimiento, gestión de activos, confiabilidad,
disponibilidad, mantenibilidad
Abstract
Maintaining that waits for failure to intervene to occur
resulting in production losses, high costs and decreased life
cycle of the asset. In the Head of Department of
Laboratories and Audiovisual Resources institution of
higher education, it requires teams with opportunity for
improvement in terms of reliability, maintainability and
availability are identified. The objective was: proposal for
implementation of maintenance through the methodology of
Reliability Centered Maintenance to manage equipment
availability; which consists of seven steps: 1) define the
system and determine the criticality of equipment, 2)
identify and define their functions; 3) determine failures; 4)
establish failure modes; 5) determine the effects of failures;
6) assess consequences; 7) and develop a plan for equipment
maintenance. As a result seven critical to equipment failure
analysis were obtained; technical specifications;
recommendations for use; Application forms and work
orders; schedule of activities, maintenance strategies and
indicators for the area. It is concluded that the objective to
make a proposal for implementation of maintenance
measures that support generating increasing the availability
previously compliance with reliability and maintainability
fulfilled.
Maintenance, asset management, reliability, availability,
maintainability
___________________________________________________________________________________________________
Citación: FORNÉS-RIVERA, René, OCHOA-ESPINOZA, Luis, CANO-CARRASCO, Adolfo y GONZÁLEZ-
VALENZUELA, Elizabeth. Gestión de Mantenimiento Centrado en Confiabilidad en el área de laboratorios de una
Institución de Educación Superior. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 77-86
___________________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________
* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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Aplicaciones de la Ingeniería 2016
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 77-86
Introducción
De acuerdo a Sánchez (2010) el desarrollo
tecnológico y científico, incluyendo la
transportación y las comunicaciones, han
determinado cambios que ponen énfasis en la
competitividad y sostenibilidad, provocando
que la actividad empresarial y su forma de
administración se encuentren en evolución
constante. Por lo tanto, las organizaciones
según Pérez (2011) buscan esfuerzos, acciones
y decisiones orientadas a garantizar sistemas y
activos operando de manera eficiente y eficaz;
clientes y usuarios satisfechos; riesgos
reducidos; mínimos incidentes ambientales y
costos óptimos.
Para Arata y Furlanetto (2005), este
panorama ha originado que la gestión de activos
físicos y el mantenimiento asuman un rol cada
vez más importante dentro de las actividades
industriales, ya que la diversidad y complejidad
de los sistemas productivos requieren asegurar
la confiabilidad de sus instalaciones y equipos
para cumplir con los planes de producción sin
descuidar la calidad y el medio ambiente. Por
este motivo los activos físicos como son
inmuebles, sistemas tecnológicos básicos y
sistemas especializados de producción y
servicio, juegan un papel fundamental
(Sánchez, 2010).
En concordancia a las ideas anteriores
Aberdeen Group (2006), hace referencia a que
la volatilidad de la economía mundial y las
políticas de austeridad tomadas por los diversos
gobiernos son las mayores amenazas para el
crecimiento. En un estudio realizdo por esta
firma de servicios, el 66% de los Oficiales
Ejecutivos en Jefe (CEO´s) de diversas
industrias vislumbran que es necesario realizar
cambios a través de estrategias firmes.
Con estas condiciones en el horizonte
cercano, la gestión de activos y el
mantenimiento se presentan como aliados
importantes, ya que existen factores que deben
ser atendidos en el corto término y en los años
por venir para asegurar un óptimo desempeño
en el sector manufacturero (ver Gráfico 1).
Gráfico 1 Factores dirigidos a la gestión de activos.
En complemento al estudio, se solicitó
el hacer mención o identificar las estrategias de
acción que conlleven a alcanzar sus metas en
cuanto a la administración eficiente de sus
activos. En el Gráfico 2, se pueden apreciar las
respuestas con su respectivo porcentaje al cual
fueron referidas por los CEO´s.
Gráfico 2 Mejores estrategias gestión de activos.
Se dice que el RCM ha sido concebido
como un proceso que brinda bondades para la
determinación de requisitos de mantenimiento
de todas las máquinas en su contexto operativo,
que permite determinar cada una de las
actividades con el propósito de asegurar que el
equipo cumpla su función.
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Aplicaciones de la Ingeniería 2016
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 77-86
Por tal motivo, es planificado como una
herramienta que permite determinar el
rendimiento del sistema en términos del
impacto de una falla y la mitigación de los
resultados mediante el diseño, la detección o el
efectivo mantenimiento (Barros, Valencia y
Vargas, 2014). En los últimos años el
mantenimiento ha recibido brillantes aportes
provenientes del campo de la estadística y de la
teoría de la confiabilidad.
Según Hung (2009) el RCM es visto
como un proceso que se usa para determinar los
requerimientos del mantenimiento de los
activos físicos en su contexto operacional que
se caracteriza por: a) considerar la fiabilidad
inherente o propia del equipo/instalación; b)
asegurar la continuidad del desempeño de su
función y c) mantener la calidad y capacidad
productiva. Este enfoque representa un cambio
radical en el desarrollo histórico del
mantenimiento; porque antes de este, el
preventivo y planificado se centraba en los
activos y el RCM se centra en las ubicaciones y
procesos productivos (Gardella, 2010).
Según Quintero (2011), aumentar la
productividad de los activos en un 10 o un 15
por ciento a menudo puede traducirse en
beneficios y en valor para los accionistas de 30
a 40 por ciento. En el mismo orden de ideas,
Amendola (2012), menciona que la aplicación
de la Gestión de Activos supone al menos un
10% de ahorro en costos de producción y
mantenimiento, hasta un 50% de mejora en
desviaciones de los planes de mantenimiento de
activo o un 15% de reducción de errores en el
producto terminado (Trujillo, 2013).
En tal escenario, las Instituciones de
Educación Superior (IES) están llamadas a
cumplir un papel de extrema importancia para
favorecer el desarrollo del país y coadyuvar al
bienestar de las personas, a través de IES
públicas y privadas (CACEI, 2014).
Entre las instituciones acreditadas por
organismos como el Consejo de Acreditación
de la Enseñanza de la Ingeniería (CACEI) y
reportadas en la Asociación Nacional de
Universidades e Instituciones de Educación
Superior (ANUIES), se encuentra el Instituto
Tecnológico de Sonora (ITSON).
Como parte del proceso de soporte, y
relacionado con la Gestión de Infraestructura y
Servicios de Apoyo (GISA), se encuentra la
Jefatura del Departamento de Laboratorios y
Recursos Audiovisuales (JDLRA). Dentro de
sus funciones esta el apoyo a la docencia con
laboratorios equipados con instrumentos,
materiales, reactivos y con aulas equipadas con
equipo audiovisual, así como apoyo a la
investigación con instalación y mantenimiento
de equipo especializado. La infraestructura con
la que cuenta el departamento es la siguiente:
Laboratorio de Veterinaria; de Química; de
Ciencias Biológicas y Alimentarias; de
Ingeniería Civil; de Ingeniería Química; de
Ingeniería Eléctrica y Electrónica; de Ingeniería
Industrial; de alimentos y bebidas; y Diseño
Gráfico.
La JDLRA, se compone de supervisores
para áreas específicas como ciencias Químicas
y Biológicas, Mantenimiento, Ingeniería y
Seguridad e Higiene, mismos que cuentan con
gente a su cargo. Al hablar específicamente del
área de mantenimiento se contempla equipos
con características neumáticas, hidráulicas,
mecánicas, electrónicas y ópticas; apoyadas en
el conocimiento y experiencia de los siete
integrantes que la conforman.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 77-86
Según ITSON (2014) como parte de sus
actividades cotidianas, la JDLRA atendió a
7,215 prácticas programadas por las diversas
academias; de estas 2,748 (38.08%) fueron para
las ingenierías y 4,467 (61.91%) para las áreas
de ciencias químicas, biológicas y veterinarias.
Para asegurar el funcionamiento de los equipos
de laboratorio de las diferentes áreas, se
atendieron por el personal del área de
mantenimiento un total de 1,113 solicitudes de
trabajo, de las cuales 532 fueron correctivas y
581 preventivas. Ya para el año de 2015, en el
área de Recursos Naturales se tuvieron 6075
prácticas distribuidas en 405 grupos. Es
importante resaltar que las OT’s que se
cumplieron para dar soporte tanto al área
docente como a la investigación en el año por
parte del área de mantenimiento fueron 540
correctivas y 355 preventivas. De este total de
OT´s, fueron 244 correctivas (45.18%) y 340
preventivas (95.7%) para el área de Recursos
Naturales.
A través de entrevistas no estructuradas
con el personal responsable y el Jefe de
Departamento de Laboratorios se presentan
brechas u oportunidades: a) comentarios por
parte de usuarios sobre insuficiencia, estado y
modernidad de equipos; b) ausencia de
indicadores de desempeño de los equipos en el
área de mantenimiento y áreas de laboratorio
correspondiente; c) inexistencia de
clasificaciones en base a la criticidad, urgencia
y optimización de recursos y equipos; y d) falta
de documentación y seguimiento sobre las
causas que originan el mal funcionamiento del
equipo reportado.
De acuerdo a la JDLRA (2016) y como
parte del análisis de información contenido en
el sistema JD Edwards sobre las fallas de los
equipos bajo estudio, se determinó como datos
relevantes que durante el periodo 2015 y hasta
Marzo de 2016; se ejecutaron para las áreas de
ingeniería 385 OT´s, mientras que en recursos
naturales fueron un total de 1297 OT´s. Un dato
interesante es que se aprecia un incremento o
diferencia del 337% de las OT´s de esta última
respecto a las áreas de ingeniería, por lo que se
puede decir que durante ese lapso de tiempo se
dispuso aproximadamente un 65% de total de
trabajo por parte de mantenimiento en atender
situaciones relacionadas a recursos naturales,
un 20% a ingenierías y el restante 15% a otras
necesidades o equipo audiovisual.
Por parte de la JDLRA se esperaría
mejorar el empleo de los recursos asignados al
área de mantenimiento, analizar la causa raíz de
las fallas, generar medidas para facilitar el
cuidado de los activos, preservar la
confiabilidad del equipo el mayor tiempo
posible, aprovechar la información contenida en
la base de datos del sistema JD Edwards e
incrementar el rendimiento del área y el tiempo
del ciclo de vida del activo.
Por lo consiguiente surge la necesidad
de que se identifiquen los puntos críticos del
Área de Mantenimiento y se mejore en aspectos
de confiabilidad, mantenibilidad y
disponibilidad cuando menos de los equipos
considerados como críticos por su riesgo de
falla. Partiendo de lo anterior, se da paso a
generar la siguiente pregunta de investigación:
¿Qué tipo de herramienta metodológica es
pertinente al área de mantenimiento para
mejorar la confiabilidad, disponibilidad y
mantenibilidad de los equipos en los
Laboratorios bajo estudio?
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Por lo anterior, se definio el objetivo el
cual consistente en realizar una propuesta de
implantación de mantenimiento a través de la
metodología RCM para gestionar la
disponibilidad de los equipos de laboratorios.
Metodología a desarrollar
El objeto bajo estudio fueron los equipos
disponibles en los Laboratorios de Veterinaria,
Biotecnología e Ingeniería Química, del Itson
Campus Náinari. Se optó por trabajar con el
procedimiento propuesto por Moubray (2004)
que desglosa en siete fases el desarrollo de un
RCM. A continuación se definen los siete pasos
considerados: 1) Definir sistema y criticidad de
los quipos; 2) Definir las funciones de los
equipos; 3) Determinar los modos de falla de
los equipos; 4) Determinar los efectos de falla
en los equipos; 5) Determinar las causas de
falla de los equipos; 6) Valorar consecuencias
de fallas detectadas en los equipos; y 7)
Elaborar un plan de mantenimiento de los
equipos.
Resultados
En esta sección se analizaron los resultados
obtenidos de cada uno de los pasos
considerados como parte de la metodología.
Definición del sistema y criticidad de los
equipos
Se generó un listado completo de los equipos,
(agitador magnético, autoclaves, incubadora,
mufla, termobaño, centrífuga, estufas, parrillas,
baño maría, compresor, muflas, cuartos fríos,
de masa, de volumen, de densidad, de gravedad
específica, de temperatura, de velocidad y
caudal. Entre los equipos de mayor relevancia
están: autoclave, bomba de vacío, caldera,
destilador, espectrofotómetro y medidor de pH.
Para tener una muestra más
representativa fue necesario reducir el número
de equipos, y se determinó se incluyeran
aquellos que debían mantenerse disponibles el
mayor tiempo posible para el servicio al
usuario. A este segundo listado, se le aplicó
otro filtro tomando como referencia un análisis
por ponderación de riesgo, el cual considero
diferentes valores para aspectos de: a)
frecuencia de falla; b) impacto operacional; c)
flexibilidad operacional; d) costo de
mantenimiento; e) impacto en seguridad,
higiene y ambiente. Quedando un listado
efinitivo los cuales fueron: 1) autoclaves; 2)
microscopios, 3) refrigeradores; 4) balanzas; 5)
incubadoras y 6) medidores de Ph
(potenciómetros) y 7) caldera; correspondiendo
a los valores que se encontraron cerca o fueron
mayores a 100 en el análisis por ponderación de
riesgo.
Después se realizó una consulta en el
sistema JD Edwards para conocer la cantidad de
OT´s generadas para los equipos bajo estudio
entre Enero 2014 – Marzo 2016 (ver Tabla 1).
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Equipos bajo
estudio
Cantidad de OT´s ejecutadas por periodo
2014 2015 2016
Microscopios 238 OT´s
preventivas
42 OT´s
correctivas
222 OT´s
preventivas
33 OT´s
correctivas
Ninguna
preventiva
30 OT´s
correctivas
Incubadoras 1 OT
preventiva
3 OT´s
correctivas
1 OT
preventiva
2 OT´s
correctivas
Ninguna
preventiva
2 OT´s
correctivas
Autoclaves 30 OT´s
preventivas
29 OT´s
correctivas
30 OT´s
preventivas
28 OT´s
correctivas
Ninguna
preventiva
16 OT´s
correctivas
Balanzas 1 OT
preventiva
20 OT´s
correctivas
1 OT
preventiva
27 OT´s
correctivas
Ninguna
preventiva
9 OT´s
correctivas
Refrigeradores 20 OT´s
preventivas
17 OT´s
correctivas
20 OT´s
preventivas
11 OT´s
correctivas
Ninguna
preventiva
2 OT´s
correctivas
Potenciómetro Ninguna
preventiva
3 OT´s
correctivas
Ninguna
preventiva
5 OT´s
correctivas
Ninguna
preventiva
Ninguna
correctiva
Caldera Ninguna
preventiva
5 OT´s
correctivas
Ninguna
preventiva
5 OT´s
correctivas
Ninguna
preventiva
2 OT´s
correctivas
Tabla 1 Cantidad de OT´s equipos bajo estudio. Fuente:
JDLRA (2016).
De igual forma, como parte de un
análisis más minucioso y en base al registro de
OT´s del sistema JD Edwards, se establecieron
las fallas asociadas a los equipos bajo cuestión
(ver Tabla 2), las cuales son ingresadas como
requisito al momento de que se solicita la orden
por parte del Laboratorista (sólo una parte)
Equipo Fallas asociadas al equipo de acuerdo
a OT´s correctivas
Microscopio Faltan piezas; interruptor dañado; no
prende; foco fundido; corto en cable; no
sube o baja correctamente; no enfoca;
macro métrico dañado; perilla suelta;
lámpara parpadea; se apaga la luz; se ve
borroso.
Incubadora Motor no enciende; calienta de más; no
está calibrada; problemas para regular
la temperatura.
Tabla 2 Fallas asociadas. Fuente: JDLRA (2016)
Definición de las funciones de los equipos
Una vez que se establecieron los equipos se
describió cada uno considerando su función
dentro del proceso, descripción de sus
características, entre otros aspectos relevantes.
Determinación de los modos de falla de los
equipos
Una vez realizado lo anterior, para el Análisis
de Modo y Efecto en la Falla (AMEF) se
definió un formato genérico donde se empezó a
incluir, en las columnas correspondientes,
información referente al número, nombre y
componentes de cada equipo. Después se
procedió a definir para los componentes
establecidos los modos de falla potenciales o
funcionales registrados al momento de
satisfacer el propósito de acuerdo a su
diseño/proceso, los requisitos de rendimiento y
las expectativas del usuario durante su puesta
en servicio. Como resultado se obtuvo una lista
de variable de modos, punto de partida para
comprender el comportamiento del equipo e ir
integrando el AMEF (ver Anexo 1).
Determinación de los efectos de las fallas de
los equipos
Al tener considerados los modos de falla
atribuible a cada equipo, se determinó para cada
uno los efectos.
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Estos fueron vistos como los síntomas
detectados por el usuario al encontrarse
expuesto al modo de falla y que repercuten en
el servicio prestado por parte de la JDLRA.
Está etapa se trató de realizar con el mayor
cuidado posible, ya que la información vertida
se utilizó y evaluó posteriormente, aspecto que
representó un impacto directo en los resultados
esperados (ver Anexo 1).
Determinación de las causas de falla de los
equipos
Al establecer los modos de falla y sus
efectos/consecuencias, fue necesario incluir las
causas que provocaron tales situaciones. En una
columna especial y establecida previamente en
el formato AMEF, se incluyeron las razones
potenciales, las medidas o acciones que se
pasaron por alto y que provocaron que en cierto
tiempo se manifestara como debilidad,
traducido como un fallo potencial - funcional
hacia el usuario. En general, las causas se
atribuyeron a factores de diseño y de proceso, el
primero inherente a las especificaciones propias
de cada equipo y el segundo correspondiente al
tipo de uso que se le da por parte del usuario.
A manera de complemento, en otra columna se
adicionaron los controles actuales o acciones
llevadas a cabo por parte del área de
mantenimiento ante la ocurrencia de tales fallas,
como respuesta a una posterior solución (ver
Anexo 1).
Valoración de las consecuencias de fallas
detectadas en los equipos
Al considerar que no todas las fallas
presentadas por los equipos impactan en la
misma medida, se procedió a incluir en la tabla
tres del anexo 1, columnas considerando la
Severidad, Ocurrencia y Detectabilidad.
La Severidad tomó como referencia el
efecto, mientras que para las causas se tomó la
Ocurrencia con que podrían manifestarse. Por
último, la ponderación de la Detectabilidad
partió de la capacidad o controles actuales que
se dispone para atender las fallas que se
presentaron y consideraron en el AMEF. Los
valores de estos tres parámetros al ser
multiplicados entre si generaron un Número de
Ponderación de Riesgo (NPR). Si su valor fue
≥100 se indicó que ese modo de falla mantenía
prioridad sobre los demás se señalo con color
rojo, indicando la necesidad de enfocar
esfuerzos para erradicarlo o mitigar su impacto
en el servicio al usuario. Si su valor oscilaba
entre 80 y 99 se estableció en color amarillo al
considerarse prioridad intermedia. Por último
en valores ≤ 79 se le asignó el color verde,
representando que puede postergarse un poco
su atención en aras de trabajar en aquellas
actividades que requieren acciones inmediatas.
Para obtener la información necesaria al
momento de armar el AMEF, se recurrió a
datos del fabricante, listas genéricas de modos
de falla, información encontrada en las OT´s
del sistema JD Edwards, personas que operan y
hacen mantenimiento a los equipos.
Elaboración de plan de mantenimiento de los
equipos
Fue necesario que la información obtenida de
los equipos a través de la implantación de un
AMEF, fuera aprovechada y pasara a traducirse
en acciones o medidas pertinentes a mitigar la
ocurrencia y efectos de las fallas, de tal manera
que permitiera una adecuada planificación,
programación y ejecución de las actividades por
parte del área de mantenimiento.
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En el documento denominado plan de
mantenimiento, en su primera versión, se
generaron como propuesta formatos de carácter
técnico (fichas técnicas, recomendaciones de
uso), así como de gestión (solicitud de servicio,
orden de trabajo, hoja de vida), protocolos de
mantenimiento (ficha de mantenimiento
autónomo, preventivo cronograma de
actividades) y aspectos a tener en cuenta para el
mantenimiento predictivo. Se usó un
cronograma dentro del plan de mantenimiento
(Ver Figura 1), donde se agruparon las
actividades de mantenimiento a llevarse a cabo
en los equipos bajo estudio. Además se
integraron un grupo de tareas, sus
procedimientos, indicadores y otras
consideraciones aplicables al área de
mantenimiento.
Figura 1 Cronograma para mantenimiento preventivo.
Anexos
Se puede apreciar en el Anexo 1 el AMEF del
equipo llamado balanza, donde se incluye lo
mencionado en los pasos previos de la
metodología desarrollada.
Figura 2 AMEF de una balanza.
Conclusiones
A partir del análisis funcional y AMEF que se
realizó a los equipos, se pudo determinar que es
necesario aprovechar el historial del
mantenimiento contenido en el sistema JD
Edwards, así como la experiencia de los
responsables de mantenimiento y laboratorio
con la finalidad de ofrecer un servicio de
calidad al usuario. Se concluyó que se debe
disponer de documentación que contenga la
información adecuada para comprender los
eventos presentados durante el uso del equipo y
se tiene que identificar el origen de la causa de
las fallas para mantener la confiabilidad
proyectada por el proveedor del equipo.
Se logró determinar mediante un
análisis de ponderación de riesgos, que siete
equipos de todos los considerados son críticos
para los laboratorios bajo estudio. Debido al
enfoque que emplea RCM y el AMEF, fue
posible la inclusión de nuevos tipos de falla y
equipos para su análisis en el plan de
mantenimiento,
Se cumplió con el objetivo propuesto
como parte de la gestión del mantenimiento, se
pudieron establecer estrategias y medidas para
aumentar la confiabilidad, mantenibilidad y
disponibilidad de los equipos referidos como
críticos.
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Entre las recomendaciones sobresalen
medidas como: a) considerar la parte
económica porque impacta directamente sobre
el presupuesto del Departamento; b) involucrar
el personal en el proceso de mantenimiento
mediante capacitaciones, pláticas pertinentes,
transferencia del conocimiento, y comunicación
más eficiente.
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Gestión de Mantenimiento Centrado en Confiabilidad en el área de
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 87-98
Metodología para el aprovechamiento de la iluminación natural en los edificios y la
cuantificación de sus beneficios energéticos
HERNÁNDEZ-HERNÁNDEZ, Alberto†* y MORILLÓN-GÁLVEZ, David.
Universidad Nacional Autónoma de México, Cd. Universitaria, Ciudad de México, CDMX, México.
Recibido Julio 7, 2016; Aceptado Agosto 22, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
La iluminación natural tiene como objetivo principal el
uso racional de la energía para satisfacer necesidades de
iluminación de manera total o parcial del tiempo con
horas diurnas en los edificios, provocando un ahorro de
energía eléctrica que regularmente es generada con
energía convencional. La metodología propuestra
consiste en tres etapas, inicialmente se evalúa el potencial
de la iluminación natural mediante la estimación de
iluminancia exterior en superficies horizontales y
verticales en su componente global y difusa,
posteriormente se realiza un estudio del bioclima que da
como resultado las sensaciones horarias de frío, calor y
confort concentradas en un diagrama de
isorrequerimientos, información que permite definir
como aprovechar la iluminación natural de forma directa
o indirecta, finalmente se muestran algunos de los
beneficios energéticos que se obtienen al considerar la
iluminación natural en los edificios en un horario de 6:00
- 9:00 horas cuando se dispone del recurso solar. Para el
caso de estudio realizado en una vivienda de interés
social en Texcoco, Estado de México, es posible
aprovechar la iluminación natural en sus componentes
difusa o global en superficies horizontales y verticales
hasta 91.3% del tiempo con horas diurnas, obteniendo un
ahorro de energía eléctrica de 75.06 kWh/anual.
Iluminación natural, diagrama de Isorrequerimientos
y beneficios energéticos
Abstract
Natural lighting has as main objective the rational use of
energy to meet needs of lighting in total or partially of
time with daylight hours in buildings, resulting in a
saving of electric power that is regularly generated with
conventional energy. The proposal methodology consists
of three stages, initially evaluates the potential of natural
lighting through the estimation of outdoor illuminance on
vertical and horizontal surfaces in its global and diffuse
component, then it´s performed a study of the bioclimate
which gives as a result the feelings of cold, heat and
comfort concentrated in a diagram of hygro-thermal
comfort, information that allows you to define how to
take advantage of natural lighting in direct or indirect
way, finally is show some of energy benefits that are
obtained to consider the lighting natural in the buildings
in a time of 6:00-9:00 hours when is available the solar
resource. For case study performed in social interest
housing in Texcoco, Mexico, it is possible to take
advantage of natural lighting in diffuse or global
components on horizontal and vertical surfaces until
91.3% of the time with daylight hours, obtaining
electrical energy savings of 75.06 kWh/annual.
Daylighting, diagram of hygro-thermal comfort and
energy benefits
___________________________________________________________________________________________________
Citación: HERNÁNDEZ-HERNÁNDEZ, Alberto y MORILLÓN-GÁLVEZ, David. Metodología para el aprovechamiento
de la iluminación natural en los edificios y la cuantificación de sus beneficios energéticos. Revista de Aplicaciones de la
Ingeniería 2016, 3-8: 87-98
___________________________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________
* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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David. Metodología para el aprovechamiento de la iluminación natural
en los edificios y la cuantificación de sus beneficios energéticos.
Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 87-98
Introducción
Para satisfacer los requerimientos lumínicos así
como de confort térmico en los edificios, se
recurre al uso de iluminación artificial o
calefacción, etc., son sistemas activos que
necesitan el uso de energía convencional,
provocando de forma indirecta la emisión de
gases de efecto invernadero para generar esa
energía.
El objetivo de este trabajo es proponer
una metodología que permita el
aprovechamiento de la iluminación natural en
los edificios, mediante un correcto diseño desde
la construcción del edificio, satisfaciendo sus
requerimientos lumínicos de manera total o
parcial en horas diurnas, además de provocar
con el uso de iluminación directa o indirecta
sensación de confort térmico en los usuarios.
La hipótesis de este trabajo es que
mediante la utilización de la iluminación
natural en los edificios, es posible satisfacer las
necesidades de iluminación hasta 100% del
tiempo con horas diurnas variando los
resultados según el tipo de clima y localización
geográfica.
En la metodología propuesta para este
trabajo se describe inicialmente la evaluación
del potencial estimado de la iluminación natural
mediante el conocimiento de la iluminancia
exterior en superficies horizontales y verticales
en su componente global y difusa,
posteriormente se presenta una metodología
para aprovechar la iluminación natural de forma
directa e indirecta en los edificios concluyendo
con algunos de los beneficios energéticos
obtenidos al utilizar la iluminación natural en
los edificios.
Antecedentes
La iluminación natural es un recurso disponible
en prácticamente cualquier parte del mundo
durante horas diurnas, inclusive en días
nublados y lluviosos, aunque para aprovechar la
iluminación natural de forma correcta según los
requerimientos de iluminación de los edificios
deben tomarse en cuenta una gran cantidad de
variables para un correcto diseño de su
utilización en interiores y exteriores, por ello
(Gillette, Pierpoint, & Treado, 1984)
desarrollan un modelo para el cálculo de la
iluminancia directa normal, que además integró
el caso de la iluminancia difusa horizontal, más
tarde (Pérez, Ineichen, & Seals, 1990) elaboran
un modelo que considera brillo del cielo, vapor
de agua contenida en la atmósfera y la
turbulencia atmosférica. Este modelo fue
calculado experimentalmente tomando como
base los datos de irradiancia e iluminancia
horaria. Se realizaron mediciones hasta de tres
años en partes de Norteamérica y Europa, se
obtuvieron buenos resultados en cuanto a
iluminancia global y difusa, aunque es
complicado en algunos lugares tener los
recursos necesarios para realizar mediciones
físicas.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 87-98
Para la correcta estimación de los
niveles de iluminación natural en superficies
exteriores e interiores, es necesario conocer la
cantidad de irradiancia incidente en superficies
horizontales e inclinadas. (Almanza & Cajigal,
2005) Desarrollan un modelo para estimar los
niveles de irradiación global, directa y difusa,
para superficies inclinadas y horizontales,
utilizan algunos de los modelos de mayor
aceptación internacional, utilizan datos de fácil
acceso como número de días lluviosos, latitud,
humedad relativa y ubicación del lugar respecto
al mar.
Proporcionan una gran variedad de
mapas de isohelias de la República Mexicana
para la irradiación global, directa y difusa en
superficies inclinadas y horizontales, para cada
mes del año, además de desarrollar un software
con los datos obtenidos de este atlas llamado
Solartronic, se utiliza este software debido a la
fiabilidad de sus datos para el cálculo de la
irradiación incidente en superficies horizontales
e inclinadas, en este caso será para estimar la
cantidad del recurso solar de una región.
A través de las últimas décadas, en
México se ha desarrollado una cantidad
considerable de trabajos enfocados al
aprovechamiento de la iluminación natural, que
se han publicado en las memorias de la Semana
Nacional de Energía Solar que organiza la
Asociación Nacional de Energía Solar (ANES)
con el objetivo general de divulgar y promover
el uso de las energías renovables. Una de las
bases para el presente trabajo corresponde a una
propuesta publicada en las XXXIV memorias
de ANES por (Olvera & Morillón Gálvez,
2010) donde interrelacionan algunas de ellas
para evaluar el potencial de la iluminación
natural y su aprovechamiento en los edificios,
parten del cálculo de las eficacias luminosas e
iluminancias exteriores en superficies verticales
y horizontales en su componente global y
difusa mediante reconocidos modelos
matemáticos, para posteriormente indicar
mediante una metodología cuando aprovechar
la iluminación natural en los edificios de forma
directa o de forma indirecta, el
aprovechamiento de la iluminancia en forma
directa se propone para momentos en los que se
presenta frío según un diagrama de
isorrequerimientos que indica las sensaciones
horaria de frío, calor y confort en el lugar de
estudio, y aprovechar la iluminancia indirecta
en momentos de calor y confort para evitar
ganancias adicionales de calor en el edificio.
Ambas formas de aprovechamiento se
proponen en horas en las que se cuenta con el
recurso solar, a diferencia de la metodología
propuesta en este trabajo no presentan que tipo
de iluminancia global o difusa es la más
propicia para provocar confort además de no
mencionar beneficios energéticos que se pueden
obtener.
Más tarde en Australia realizan un
estudio para medir los beneficios de tener un
sistema guiado de iluminación natural para un
edificio con uso de oficinas (Leung,
Rajagopalan, & Fuller, 2013), la metodología
proporciona un método viable para predecir los
niveles de iluminación interior utilizando un
sistema guiado en el espacio de oficina basado
en los datos de medición al aire libre, puede
aprovecharse hasta un 70% adicional de
iluminancia sobre el plano de trabajo, además el
sistema también puede proporcionar protección
contra el deslumbramiento y una distribución
uniforme de la luz diurna difusa al espacio de
oficina.
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David. Metodología para el aprovechamiento de la iluminación natural
en los edificios y la cuantificación de sus beneficios energéticos.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 87-98
Metodología
Evaluación del potencial de la iluminación
natural.
Para conocer el potencial del recurso
solar en superficies verticales y horizontales es
posible utilizar métodos numéricos, métodos
gráficos, mediciones físicas o por el uso de
información existente, utilizando para este
trabajo Biosol (Preciado Olvera & Morillón,
2010).
Se considera la estimación de la
iluminancia exterior mostrando el abundante
recurso solar aprovechable con iluminación
natural aunado a un correcto diseño lumínico se
puede reducir el uso de la iluminación artificial
de manera total o parcial en horas diurnas. Se
requieren datos de entrada para realizar la
estimación de iluminancia global y difusa en
Biosol, los cuales son datos de latitud, longitus
altura, temperaturas máximas y mínimas
promedio mensuales del sitio, e irradiancias
global y difusa mensuales en superficies
horizontales. En la Tabla 1 y Tabla 2 es
presentada la iluminancia global horizontal
horaria y la iluminancia difusa horizontal
horaria, respectivamente, para Texcoco,
México.
Tabla 1 Iluminancia global horaria en superficies
horizontales, para Texcoco, México.
Tabla 2 Iluminancia difusa horaria en superficies
horizontales, para Texcoco, México.
Los valores máximos estimados de la
iluminancia global horizontal (Tabla 1) se
muestran en los meses de abril, mayo, junio,
julio y agosto, debido a la alta cantidad de
irradiancia que se presenta es esos meses.
Los valores máximos de iluminancia
difusa horizontal (Tabla 2) se tienen en los
meses de abril a septiembre, esto debido a que
en esos meses se presentan la temporada de
lluvias en Texcoco, provocándose por el factor
lluvia una mayor nubosidad.
Texcoco, Estado de México 19.511258 -98.990669 2250
Hora/Mes ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic
01:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
02:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
03:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
04:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
05:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
06:00 0.000 0.000 0.000 3.628 6.185 7.126 6.230 3.342 0.000 0.000 0.000 0.000
07:00 7.164 10.911 15.900 19.859 22.079 21.840 21.115 18.170 15.012 10.467 6.977 5.631
08:00 25.182 30.179 35.481 39.003 40.313 38.848 38.441 35.355 33.409 28.005 24.659 22.719
09:00 42.453 50.283 56.069 58.757 58.870 56.055 56.053 53.199 52.728 46.799 43.638 41.209
10:00 59.061 65.238 71.064 76.019 74.940 70.906 71.303 68.787 69.805 63.616 60.802 55.481
11:00 70.599 77.081 82.975 84.105 82.235 80.971 81.662 79.427 81.544 75.252 72.748 66.657
12:00 74.695 81.268 87.170 88.049 85.888 84.524 85.324 83.195 85.712 79.391 73.871 70.627
13:00 70.536 77.006 82.894 84.035 82.186 80.949 81.642 79.402 81.513 75.213 72.704 66.594
14:00 59.024 65.184 70.996 75.971 74.901 70.880 71.280 68.759 69.776 63.585 60.774 55.446
15:00 42.499 50.312 56.091 58.767 58.871 56.053 56.051 53.200 52.735 46.816 43.667 41.244
16:00 25.240 30.248 35.557 39.073 40.368 38.883 38.472 35.391 33.451 28.056 24.715 22.777
17:00 7.200 10.969 15.959 19.929 22.145 21.889 21.156 18.193 15.049 10.498 7.012 5.662
18:00 0.000 0.000 0.000 3.651 6.221 7.149 6.247 3.356 0.000 0.000 0.000 0.000
19:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
20:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
21:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
22:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
23:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
00:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
ESTIMACIÓN DE ILUMINANCIA HORARIA MEDIA MENSUAL SOBRE SUPERFICIES HORIZONTALES
Localidad Latitud Longitud Altitud [m]
Iluminancia Global Horizontal [klux]
Texcoco, Estado de México 19.511258 -98.990669 2250
Hora/Mes ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic
01:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
02:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
03:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
04:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
05:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
06:00 0.000 0.000 0.000 3.157 5.109 5.479 4.861 3.216 0.000 0.000 0.000 0.000
07:00 4.815 7.419 9.665 12.609 13.718 14.182 13.825 11.532 11.064 7.841 5.529 4.097
08:00 12.292 15.203 18.183 21.166 21.639 21.872 21.721 21.378 20.735 17.450 14.333 11.934
09:00 19.573 21.989 25.122 28.121 28.066 28.092 28.094 28.322 28.552 25.270 21.870 18.642
10:00 24.181 27.494 30.426 33.118 32.670 32.553 32.667 33.306 34.181 30.948 27.397 24.339
11:00 26.876 30.222 33.099 35.645 34.892 35.180 35.366 36.241 37.504 34.312 30.696 27.177
12:00 27.731 31.076 33.925 36.445 35.638 36.024 36.236 37.180 38.564 35.377 32.117 28.078
13:00 26.825 30.157 33.026 35.577 34.843 35.131 35.321 36.181 37.431 34.222 30.602 27.122
14:00 24.149 27.445 30.362 33.010 32.583 32.492 32.612 33.239 34.109 30.873 27.334 24.307
15:00 19.615 22.052 25.172 28.146 28.070 28.087 28.089 28.325 28.570 25.315 21.941 18.718
16:00 12.423 15.366 18.368 21.349 21.780 21.967 21.804 21.482 20.857 17.597 14.486 12.074
17:00 4.858 7.490 9.827 12.812 13.906 14.327 13.949 11.655 11.184 7.947 5.580 4.136
18:00 0.000 0.000 0.000 3.191 5.162 5.554 4.919 3.240 0.000 0.000 0.000 0.000
19:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
20:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
21:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
22:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
23:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
00:00 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
Iluminancia Difusa Horizontal [klux]
ESTIMACIÓN DE ILUMINANCIA HORARIA MEDIA MENSUAL SOBRE SUPERFICIES HORIZONTALES
Localidad Latitud Longitud Altitud [m]
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en los edificios y la cuantificación de sus beneficios energéticos.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 87-98
También es posible obtener la
iluminancia global y difusa en superficies
inclinadas. Biosol toma los valores de los
ángulos de orientación e inclinación
seleccionados para la estimación de la
irradiancia en superficies inclinadas.
Para el cálculo de la iluminación natural
en interiores se requiere conocer la
disponibilidad de la luz natural exterior en las
cuatro paredes que rodean a un edificio. Por tal
motivo se estima la iluminancia exterior en las
cuatro fachadas principales (norte, sur, este y
oeste).
En las tablas 3 y 4 se muestra la
estimación de la iluminancia global y difusa
promedio mensual en superficie horizontal y en
las cuatro fachadas verticales principales.
Mes /Fachada Sur Norte Este Oeste Horizontal
Ene 37.66 6.45 19.61 19.61 37.20
Feb 31.52 6.84 21.02 21.02 42.21
Mar 22.45 6.98 22.29 22.27 46.93
Abr 11.88 8.63 23.32 23.29 50.07
May 7.40 13.30 22.95 22.93 50.40
Jun 7.74 16.79 22.39 22.36 48.93
Jul 7.64 13.66 22.51 22.48 48.84
Ago 11.50 8.58 21.37 21.34 46.14
Sep 21.98 7.90 21.38 21.36 45.44
Oct 30.44 7.56 20.09 20.06 40.59
Nov 37.28 7.04 19.24 19.23 37.81
Dic 38.84 6.41 18.66 18.65 34.93
Tabla 3 Iluminancia global promedio mensual (klux) en
superficies horizontales y verticales, para Texcoco.
En la tabla 3 se puede observar que, en
los meses de diciembre y enero, la iluminancia
promedio mayor se presenta en la fachada sur
debido a la baja altura solar en esa orientación
para esos meses, para el resto de los meses esos
valores de iluminancia promedio mayor
transcurren en superficie horizontal. Aunque la
altura máxima solar que alcanza el Sol en esa
latitud es en junio, la máxima iluminancia
horizontal promedio ocurre en los meses de
abril y mayo, debido a la alta cantidad de
irradiancia solar que incide en esos meses. Así
como se observa un comportamiento
prácticamente simétrico en las fachadas este y
oeste.
Mes /
Fachada
Sur Norte Este Oeste Horizontal
Ene 16.1
0
6.45 10.3
9
10.41 15.64
Feb 15.2
8
6.84 11.4
9
11.51 18.15
Mar 12.8
2
6.98 12.3
7
12.39 20.55
Abr 9.35 7.92 13.7
4
13.77 23.41
May 7.40 9.82 13.7
1
13.74 23.70
Jun 7.74 11.61 13.9
4
13.96 23.92
Jul 7.64 10.20 13.9
3
13.95 23.81
Ago 9.38 8.05 13.6
8
13.69 23.48
Sep 14.0
2
7.90 13.7
5
13.77 23.29
Oct 16.7
2
7.56 12.6
0
12.62 20.55
Nov 17.4
7
7.04 11.2
5
11.27 17.84
Dic 16.6
3
6.41 10.1
4
10.16 15.43
Tabla 4 Iluminancia difusa promedio mensual (klux) en
superficies verticales y horizontales, para Texcoco.
En la tabla 4 presenta la siguiente
información, la iluminancia difusa promedio
mayor se presenta en el mes de junio sobre el
plano horizontal, coincidiendo con la máxima
altura solar correspondiente a esa latitud. Por
otro lado, la iluminancia difusa promedio
menor se presenta en el mes de diciembre sobre
la fachada norte.
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David. Metodología para el aprovechamiento de la iluminación natural
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 87-98
La iluminancia global y difusa promedio
en superficies horizontales es mayor a
cualquiera de las demás superficies verticales
(fachada norte, sur, este y oeste).
Además se debe considerar una serie de
factores determinados en un edificio que se
quiere iluminar con luz natural, como
superficies vidriadas, las condiciones del cielo,
etc., como ya observamos la luz natural exterior
que llega a una superficie horizontal e inclinada
en Texcoco en sus componentes global y
difusa, puede ayudar a cubrir parcial o
totalmente cualquier actividad visual a
desarrollar en un edificio por los usuario sin
presentan complicaciones (confort lumínico).
El aprovechamiento de la iluminación
natural, puede cubrir las necesidades de
iluminación en horas diurnas de hasta el 100%
del tiempo.
Aprovechamiento de la iluminación natural
a. Estudio del bioclima
Figura 1 Diagrama con las etapas del estudio del
bioclima.
Como resultado del estudio del bioclima
se obtiene el diagrama de isorrequerimientos
con las sensaciones higrotérmicas horarias de
frío, calor y confort vertido en 24 filas que
constituyen las horas del día y 12 columnas
representando los meses del año, en esta parte
del trabajo los resultados obtenidos son de la
carta bioclimática de Olgyay (Figura 2): Fuente: Elaboración propia mediante datos de las cartas
bioclimáticas mensuales de Olgyay
b. Aprovechamiento de la iluminación natural directa
e indirecta
Figura 2 Diagrama de isorrequerimientos para Texcoco,
México.
- Se estableció un horario entre las 6
horas y las 18 horas (según datos del
Diagrama de isorrequerimientos DDI y de la
iluminancia exterior horaria), intervalo que
puede variar según la latitud.
Hora/Mes ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
00:00
FRÍO CONFORT CALOR
Calor
Frío
Confort
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 87-98
- Se determinaron las horas en las que se
presentan sensaciones de calor y confort en el
DDI (Figura 2) en el horario seleccionado de
6:00-18:00 horas, y sobreponer los valores de
iluminancia difusa horaria de la fachada norte
en esas horas en el DDI (Tabla 5),
seleccionando la iluminancia difusa de la
fachada norte debido a que cuenta con los
valores más bajos en comparación del resto de
los valores de iluminancia difusa incidente en
superficies verticales y horizontales
mostrando que puede realizarse cualquier
actividad visual inclusive con la iluminancia
difusa que presenta los menores índices de
iluminancia, en este intervalo de tiempo se
propone utilizar la iluminación natural
indirecta (iluminancia difusa) evitando así la
radiación.
-
Tabla 5 Valores de iluminancia difusa horaria de la
fachada norte (klux), sobrepuestos en el DDI cuando se
presentan sensaciones de calor y confort, para Texcoco.
- Se determinaron las horas en las que se
presenta sensación de frío en el DDI (Figura
2) en el horario seleccionado de 6:00-18:00
horas, y sobreponer los valores de
iluminancia global horaria de la fachada
norte en esas horas en el DDI (Tabla 6),
seleccionando la iluminancia global de la
fachada norte debido a que cuenta con los
valores más bajos en comparación del resto
de los valores de iluminancia global incidente
en superficies verticales y horizontales
mostrando que puede realizarse cualquier
actividad visual inclusive con la iluminancia
global que presenta los menores índices de
iluminancia, en este intervalo de tiempo se
propone iluminación natural directa
(iluminancia global) provocando ganancias de
calor que se pueden deducir en confor en la
temporada de invierno, una forma de
climatizar pasivamente.
Tabla 6 Valores de iluminancia global horaria de la
fachada cuando se presenta la sensación de frío, para
Texcoco.
Hora/Mes ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic
06:00
07:00
08:00
09:00 10.15 12.74 14.22
10:00 10.01 9.90 10.08 11.49 13.29 11.64 10.11 10.98 10.92
11:00 9.82 9.69 8.95 7.98 8.34 11.58 9.58 9.03 10.42 10.94 10.82 10.24
12:00 9.76 9.43 8.33 6.57 5.68 10.16 7.55 7.98 9.96 10.81 10.92 10.24
13:00 9.80 9.67 8.93 7.97 8.33 11.56 9.57 9.02 10.40 10.91 10.78 10.22
14:00 9.69 10.00 9.88 10.05 11.46 13.26 11.62 10.09 10.96 10.89 10.40 9.98
15:00 8.87 8.96 9.61 10.16 12.74 14.21 12.87 10.20 10.66 10.07 9.23 8.15
16:00 5.92 7.03 8.02 9.46 12.52 13.73 12.62 9.56 8.93 7.90 6.77 5.80
17:00 2.82 4.17 4.85 7.61 10.21 11.24 10.30 6.44 5.43 4.01 3.17 2.42
18:00 0.00 0.00 0.00 3.04 5.84 6.50 5.62 3.10 0.00 0.00 0.00 0.00
Hora/Mes ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic
06:00 0.00 0.00 0.00 4.34 8.82 11.06 9.42 3.43 0.00 0.00 0.00 0.00
07:00 2.79 4.13 4.77 9.96 15.98 17.48 15.44 8.70 5.37 3.95 3.14 2.39
08:00 5.86 6.95 7.94 10.24 18.05 20.33 17.74 10.26 8.88 7.83 6.70 5.74
09:00 8.85 8.93 9.59 16.94 10.20 10.66 10.05 9.20 8.12
10:00 9.71 10.43 9.99
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 87-98
El Anexo I muestra los niveles mínimos
de iluminación (lux) requeridos en los centros
de trabajo en México, comparando esos
requerimientos de iluminación con los valores
mínimos de iluminancia exterior global y difusa
horaria en superficies verticales y horizontales,
que se encuentran en los 2390 y 2420 luxes,
cantidad de luxes suficientes para satisfacer la
tarea visual más compleja en los centros de
trabajo de México, iluminación natural de la
que se dispone 91.3% del tiempo con horas
diurnas para Texcoco.
Beneficios energéticos por el uso de la
iluminación natural en los edificios
Para cuantificar algunos de los beneficios de la
iluminación natural que se pueden lograr en los
edificios se sugiere seguir la siguiente guía:
- Se consideran las iluminancias horarias
según el tipo de iluminación natural que se
requiera (directa o indirecta), entre 6:00-9:00
horas mostrado en la Tabla 7 (horario en el
que se requiere la iluminación para realizar
diversas actividades aunque lo recomendable
seria conocer el tipo de actividades a
desarrollar en el edificio).
Tabla 7 Valores de iuminancia difusa (color blanco) y
global (color azul) horaria en fachada norte (klux)
sobrepuestos en el DDI según los requerimientos de
iluminación natural, con horario de 6:00-9:00 horas, para
Texcoco.
- Se identifica el tipo de demanda
energética que se tiene en el horario
seleccionado (6:00-9:00 horas), para México
se cuenta con demanda intermedia entre las
6:00 y las 18:00 horas –Comisión Federal de
Electricidad-, seleccionando ese horario
porque se requiere iluminación para comenzar
actividades laborales, escolares, domésticas,
etc., el rango de cuatro horas por día en el
mes para aprovecharse con iluminación
natural es para no sobreestimar los beneficios
energéticos, además que ese horario se
encuentre en demanda intermedia donde se
requiere buena cantidad de energía para cubrir
las necesidades energéticas, lo recomendable
seria conocer las actividades a desarrollar
como ya se había mencionado anteriormente.
- Conocer las horas promedio mensuales
en las que se requiere la iluminación
utilizando focos en el edificio de estudio. Se
considera la siguiente información: la
Secretaria de Energía en el informe de
Indicadores de Eficiencia energética en
México (2011), explica que en una vivienda
habitada por 3 a 5 integrantes, las horas de
utilización de la iluminación con focos se
encuentra en 150 horas en promedio mensual.
Hora/Mes ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic
06:00 0.00 0.00 0.00 4.34 8.82 11.06 9.42 3.43 0.00 0.00 0.00 0.00
07:00 2.79 4.13 4.77 9.96 15.98 17.48 15.44 8.70 5.37 3.95 3.14 2.39
08:00 5.86 6.95 7.94 10.24 18.05 20.33 17.74 10.26 8.88 7.83 6.70 5.74
09:00 8.85 8.93 9.59 10.15 12.74 14.22 16.94 10.20 10.66 10.05 9.20 8.12
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- Se contabilizan las horas que hay
niveles de iluminancia con un valor >0 (klux)
entre las 6:00-9:00 horas, ese calculo se
realiza por mes, el número de horas que salga
en cada mes se multiplica por el número de
días del mes y al final se suman las horas
resultantes de cada mes, por ejemplo en enero
se cuenta con 3 horas con iluminación y se
multiplica por el número de días del mes que
es 31 con un resultado de 93 horas, se realiza
el mismo procedimiento para el resto de
meses.
- El número de horas total que se tiene
iluminancia con valores >0 (klux), en este
caso de estudio es de 1251 horas, se
multiplican por 60 W potencia
correspondiente a un foco incandescente.
Resultados
Para conocer el potencial de aprovechamiento
de la iluminación natural directa e indirecta en
lo edificios se cuantifican las horas de la
iluminancia difusa y global sobrepuestos en el
diagrama de isorrequerimientos para
condiciones de frío, calor y confort (Figura 4 y
5), que cuentan con un valor de 0 klux, para
nuestro caso es de 14 horas, equivalente al
8.97%, debido a ello, el 91.3% restante del
tiempo de horas diurnas se puede suministrar
iluminación natural directa o indirecta en sus
componentes difusa o global en superficies
horizontales y verticales, evitando las ganancias
de calor en condiciones de calor y confort, así
como captando iluminación directa en periodos
de frío cuidando el deslumbramiento.
Los beneficios energéticos se miden al
multiplicar las 1251 horas en las que se tienen
valores >0 (klux) por 60W equivalentes a un
foco incandescente, la cantidad resultante se
convierte a kWh obteniendo el siguiente
resultado: 75.06 kWh/anual de ahorro
utilizando la iluminación natural, según datos
del INEGI (2015) 40.6% de las viviendas en
México cuenta con una cifra de 6 a 10 focos.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 87-98
Anexo I
Niveles de iluminación (lux) requeridos en
distintas áreas de trabajo en México
comparados con los mínimos valores horarios
de iluminancia global y difusa para Texcoco,
marcando con “” si cumple o con “X” si no
cumple
Tarea visual
del puesto
de trabajo
Niveles
mínimo
de
ilumina
ción
(lux)
Mínimo valor de
iluminancia
difusa horaria en
fachada norte :
2420 luxes
Mínimo valor de
iluminancia
global horaria
en fachada norte
: 2390 luxes
En
exteriores:
distinguir el
área de
tránsito
20
En
interiores,
distinguir el
área de
tránsito
50
En interiores 100
Requerimien
to visual
simple
200
Distinción
moderada de
detalles
300
Distinción
clara de
detalles
500
Distinción
fina de
detalles
750
Alta
exactitud en
la distinción
de detalles
1000
Alto grado
de
especializaci
ón en la
distinción de
detalles
2000
Agradecimiento
A CONACYT por el apoyo brindado para la
realización de mis estudios de posgrado.
Conclusiones
La utilización de la iluminación natural permite
satisfacer los requerimientos de la iluminación
en los edificios, además de provocar
sensaciones de confort térmico a los usuarios al
utilizarse de manera correcta la iluminación
natural indirecta y directa.
Algunos de los beneficios que se pueden
obtener con la iluminación natural se muestran
en el caso de estudio en Texcoco, Estado de
México, donde se propone una metodología que
estima el potencial de iluminancia exterior en
los edificios, posterior se sugiere el tipo de
iluminación que se debe de utilizar (directa o
indirecta) según los requerimientos de
climatización obtenidos en el diagrama de
isorrequerimientos (frío, calor o confort) y se
conoce cuanto tiempo de horas diurnas se
dispone de iluminación natural para
aprovecharse que para el caso de estudio fué
91.3%, y se finaliza con una propuesta que
permite estimar algunos de los beneficios
energéticos por el uso de la iluminación natural
en los edificios que se pueden obtener, para esta
caso fue un ahorro de 75.06 kWh/anual.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 87-98
Se puede aprovechar la iluminación
natural en los edificios de forma directa o
indirecta hasta 100% del tiempo de horas
diurnas satisfaciendo los requerimientos de
iluminación además de provocar confort
térmico en los usuarios resultado que puede
variar según el clima y localización geográfica,
se considera relevante el uso de la iluminación
natural por lo mostrado en este trabajo donde si
se suman exponencialmente los beneficios
energéticos en edificios residenciales y no
residenciales son bastantes, adicionalmente se
contribuye a la mitigación de gases de efecto
invernadero como el CO2.
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superficies horizontales e inclinadas, así como
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Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016
98
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 87-98
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99
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 99-103
Eficiencia en la producción de energía de un panel fotovoltaico a diferente
inclinación en Nuevo Vallarta, Nayarit
FLETES, Noé†*, PAREDES, César y DIBENE, Luis.
Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas, Blvd. Nuevo Vallarta No. 65 Pte, Nuevo Vallarta, 63732 Nuevo Vallarta,
Nay., México.
Recibido Julio 11, 2016; Aceptado Septiembre 16, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
La orientación, el grado de inclinación y las condiciones
climatológicas, entre otras, son las variables que determinan
la eficiencia de un panel solar. En la presente investigación
se obtuvo la eficiencia de dos paneles solares colocados a
diferente ángulo de inclinación (0° y 20°). En la Universidad
Tecnológica de bahía de Banderas (UTBB), se montaron dos
sistemas solares de manera independiente, los cuales se
encuentran interconectados a la red de Comisión Federal de
Electricidad (CFE), cada sistema cuenta con un panel solar,
un microinversor y un equipo de medición; además de un
piranómetro efectuando mediciones de radiación solar. El
periodo de las tomas de lectura fue del 9 al 20 de Junio de
2016, donde cada panel se encuentra a la misma altitud,
orientación y condiciones climatológicas, pero a diferente
inclinación. Para determinar su eficiencia se compararon las
mediciones de los paneles con la insolación medida con los
piranómetros, uno a 0° y otro a 20° de inclinación. Los
resultados obtenidos fueron, panel a 0° 23.965 kWh, panel a
20° 11.846 kWh y Piranómetros con 0° 25.90 kWh con 20°
23.03 kWh. Teniendo a 0° una eficiencia del 93.5 % y a 20°
una eficiencia del 51.4%.
Ángulo de inclinación, Eficiencia, Panel solar,
Pirómetro, Equipo de medición
Abstract
Orientation, pitch and weather conditions, among others, are
the variables that determine the efficiency of a solar panel.
In this research the efficiency of two solar panels placed at a
different angle (0 ° and 20 °) was obtained. In the
Technological University of Bahia de Banderas (UTBB),
two solar systems independently mounted, which are
interconnected to the Federal Electricity Commission (CFE)
network , each system has a solar panel, a micro-inverter
and a measurement equipment; plus a pyranometer taking
measurements of solar radiation. The period takes reading
was from 9 to 20 June 2016, where each panel is at the same
altitude, orientation and under the same weather conditions,
but different inclination. To determine efficiency
measurements panels with insolation pyranometers measure,
one at 0 ° and one at 20 ° inclination compared. The results
were, panel at 0 °23,965 kWh, panel at 20 ° 11.846
Pyranometers with 0 ° 25.90 kWh with 20° 23.03 kWh.
Having at 0 ° 93.5% efficiency and at 20 ° 51.4% efficiency.
Tilt angle, Efficiency, Solar Panel, pyranometer,
measurement equipment
___________________________________________________________________________________________________
Citación: FLETES, Noé, PAREDES, César y DIBENE, Luis. Eficiencia en la producción de energía de un panel
fotovoltaico a diferente inclinación en Nuevo Vallarta, Nayarit. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 99-103
___________________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________
* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
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FLETES, Noé, PAREDES, César y DIBENE, Luis.
Eficiencia en la producción de energía de un panel
fotovoltaico a diferente inclinación en Nuevo Vallarta,
Nayarit. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016
100
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 99-103
Introducción
Por la ubicación geográfica, México es un país
privilegiado con el nivel de radiación solar que
recibe y que potencialmente podría convertir
energía solar en energía eléctrica a través de los
sistemas fotovoltaicos.
Al proyectar un sistema solar
fotovoltaico, uno de los objetivos
fundamentales es la optimización de la energía
eléctrica generada aprovechando el recurso
solar, lo cual significa utilizar el máximo
posible de radiación incidente. Sin embargo, la
eficiencia de un panel solar está determinado
por varios factores, entre ellos el ángulo de
inclinación óptimo de los paneles solares, la
radiación incidente en el lugar donde está
situada la instalación, las condiciones
climatológicas, etc.
El efecto de la orientación y el ángulo
de inclinación de una superficie colectora de la
radiación solar, por ejemplo un captador solar
plano o un panel fotovoltaico, han sido
estudiados en varios trabajos (Sons, 1982).
Varios métodos se han propuesto en la literatura
para encontrar el ángulo óptimo, si embargo es
muy poca la literatura que hable sobre el ángulo
de inclinación adecuado de un panel
fotovoltaico para zonas de la República
Mexicana.
El objetivo de esta investigación es
encontrar el ángulo de inclinación en el cual es
más eficiente la captación solar de un panel
fotovoltaico en la zona de Bahía de Banderas,
Nayarit.
Radiación solar en Nuevo Vallarta, Nayarit.
En la Universidad Tecnológica de Bahía de
Banderas (UTBB) se cuentan con tres
piranómetros midiendo las irradiancias
(radiación) Global difusa Gd (w/m2) ,Global
inclinada Gi20° (W/m2) y Global horizontal
Gh0° (W/m2), de las cuales se considera para
esta investigación las irradiaciones medidas a
0° y 20 °. Con esas mediciones se cálcula la
energía que llega en un determinado período de
tiempo (del 9 al 20 de junio), a partir de
métodos matemáticos se pueden interpretar las
lecturas de los piranometros.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Los piranometros registran lecturas
correspondientes al promedio de 10 minutos.
Irradiancia: Es la intensidad de la luz
solar, las unidades más comunes son watts por
metro cuadrado (W/m2).
Insolación: Es la cantidad de energía
solar recibida durante un intervalo de tiempo,
las unidades más comunes son watt-hora por
metro cuadrado (Wh/m2), por lo general se
expresa en horas.
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fotovoltaico a diferente inclinación en Nuevo Vallarta,
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 99-103
En el gráfico 1 se muestra de forma
gráfica el concepto de insolación (Hsp, Hora
solar pico) y la irradiancia, no se debe
confundir con las horas de luz que se tiene en el
día, 1 kW-h/m2=1 Hsp.
Gráfico 1 Horas solar pico, calculationsolar.com
En el gráfico 2, se muestra el resultado
de la generación estimada a 0° con respecto a
las HSP en ese periodo.
Gráfico 2 Generación estimada a 0°.
En el gráfico 3, se muestra el resultado
de la generación estimada a 20° con respecto a
la HSP en ese periodo.
Gráfico 3 Generación estimada a 20°.
En la tabla 1, se muestra un comparativo
de las HSP a diferente ángulos medidas por los
piranometros marca Kipp & Zonnen modelo
CMP3 para las coordenadas 20.708599 -
105.285427, donde se calcula la generación
estimada en ambas inclinaciones. Es de
mencionar que el cálculo realizado de
generación estimada para cada panel es por
metro cuadrado, por lo que al final ese dato se
multiplica por 1.46 equivalentes al área
efectiva de capcación solar del panel
fotovoltaico utilizado. El cálculo muestra que
para ese periodo hay una generación estimada
de 25.9 kW/ a una inclinación de 0° y 23.03
kW/ a 20°.
Tabla 1 Comparativo de Generación estimada.
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Generación de paneles fotovoltaicos a 0° y
20°
Se montaron dos paneles fotovoltaicos
policristalinos marca Solartec modelo S60-
PC250, cada uno sobre su estructura, donde un
panel se colocó con un ángulo de inclinación de
0° y el otro a 20°, cada sistema cuenta con un
micro inversor marca SolarBridge modelo
P235LV-240F6-R1 y un equipo de medición
Marca HIOKI modelo PW3360. Estos se
interconectaron a la red de CFE. En la figura 1
se muestran ambos sistemas montados.
Figura 1 Sistemas fotovoltaicos montados a diferente
ángulo de inclinación (0° y 20°).
El periodo de las tomas de lectura para
la investigación fue de 12 días (del 9 al 20 de
junio), por lo que las condiciones
climatológicas fueron las mismas para ambos
sistemas.
En el Gráfico 4 se muestra el resultado
arrojado por los equipos de medición HIOKI
para ese período de tiempo.
Gráfico 4 Comparativo de generación de panel
fotvoltaico a 0° (línea roja: 23.97 kwh) y 20° (línea
morada 11.86 kWh).
Se observa en la gráfica que existe una
pequeña interrupción del día 15 al 16 de junio,
esto debido a que esa noche se protegieron las
cuchillas de la acometida de alimentación
principal de la universidad, sin embargo no
afecta en el comparativo de generación de los
sistemas fotovoltaicos.
Agradecimiento
Los autores agradecen en especial a la
Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas
por otorgar todas las facilidades en el desarrollo
del presente artículo y todos los que están en
desarrollo, especialmente a los alumnos que
muestran interés y apoyo en el desarrollo de
trabajos como este.
Conclusiones
Al realizar la comparación de los datos
obtenidos por los piranometros, el cálculo de la
generación estimada y la información arrojada
por los equipos de medición (Tabla 2), se
deduce que para este periodo (verano) es un
93.5 % mas eficiente colocar un panel
fotovoltaico a 0° de inclinación, ya que a una
inclinación de 20° su eficiencia es de un 51.4%.
Tabla 2 Comparativo de generaion estimada, generacion
real y eficiencia de paneles fotovoltaivos a 0°y 20° de
inclinación.
Es de mencionar que esta eficiencia para
el panel fotovoltaico es solo para verano, por lo
que se pretende seguir con la investigación en
las diferentes estaciones del año para
comprobar de la misma manera que ángulo de
inclinación es el adecuado para que el captador
soldar.
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Anexos
Figura 1 Datos de inversor
Figura 2 Espesificaciones de Panel fotovoltaico
Figura 3 Conexión de equipo de medición.
Referencias
Garcia, J. J. (2003). Cálculo de la energía
solar. Madrid: Bellisco Ediciones.
Harper, E. (s.f.). El ABC de las instalaciónes
eléctricas en sistemas eólicos y fotovoltaicos.
México: Limusa.
Manual del equipo Hioki PW3360. (s.f.).
Sons, J. W. (1982). «Treatise on Solar Energy».
Fundamentals of Solar Energy. Vol. 1. GARG,
H. P.
Vallina, M. M. (2010). Instalaciones
solaresfotovoltaicas. España: Piraninfo.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 104-113
Efectos del polvo en el desempeño de un arreglo fotovoltaico instalado en un clima
costero
DIBENE-ARRIOLA, Luis†*, PAREDES-VÁZQUEZ, César y MESSINA-LÓPEZ, Víctor.
Recibido Julio 27, 2016; Aceptado Septiembre 28, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
Entre los diversos factores que afectan la energía producida
por un módulo fotovoltaico se encuentra el polvo. Se puede
recuperar la eficiencia de dicho panel, si se realizan
actividades de limpieza, ya sea de forma manual, automática
o naturalmente. Este trabajo investiga el efecto que tuvo el
polvo acumulado en un arreglo fotovoltaico de 3 kWp
instalado en un edificio en Nuevo Vallarta, Nayarit, México.
Se usaron 3 piranómetros, un inversor y un Web Box para
adquisición de datos y se construyó un cuadro resumen que
contiene datos de producción de energía suministrada al
edificio por la planta e insolación recibida, que permite
determinar la eficiencia de dicha planta fotovoltaica día a
día y sin limpieza de la misma. Luego se limpiaron los
paneles y se observó el cambio en la eficiencia, la cual se
mantuvo hasta mediados de mayo del 2016. En ese período
se volvieron a limpiar los paneles y se encontró que la
eficiencia se incrementaba de 10.58% a 11.70%. Por lo
anterior, se concluye que la suciedad en este lugar afecta la
eficiencia de los paneles en 10.59% relativo a la eficiencia
original y debe ser tomada muy en cuenta para los cálculos y
el mantenimiento.
Polvo, eficiencia, fotovoltaico
Abstract
Among the various factors that affect the energy produced
by a photovoltaic module is dust. You can retrieve the
efficiency of the panel, if cleaning activities, either
manually, automatically or naturally made. This paper
investigates the effect it had accumulated in a 3 kWp
photovoltaic array installed in a building in Nuevo Vallarta,
Nayarit, Mexico dust. 3 pyranometers, an inverter and a
Web Box for data acquisition was used and a summary table
containing data of energy production supplied to the
building by the plant and insolation received, which
determines the efficiency of this photovoltaic plant daily
built without cleaning it. The panels were then cleaned and
change was observed in efficiency, which lasted until mid-
May 2016. During that period they returned to clean the
panels and found that the efficiency was increased from
10.58% to 11.70%. Therefore, it is concluded that the dirt in
this place affects the efficiency of the panels at 10.59%
relative to the original efficiency and should be taken into
account for the calculation and maintenance.
Dust, efficiency, photovoltaic
___________________________________________________________________________________________________
Citación: DIBENE-ARRIOLA, Luis, PAREDES-VÁZQUEZ, César y MESSINA-LÓPEZ, Víctor. Efectos del polvo en el
desempeño de un arreglo fotovoltaico instalado en un clima costero. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8:
104-113
___________________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________
* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 104-113
Introducción
La potencia de salida de un módulo fotovoltaico
depende, entre otros, de los materiales del
módulo y de la cantidad de luz solar que incide
sobre la superficie del panel, la cual varía día a
día y de una región geográfica a otra y es
producto de muchas variables. También se ve
afectada por la temperatura del módulo,
pérdidas por el cableado, y por condiciones
ambientales como altos niveles de polvo
atmosférico. Cada variable puede contribuir con
una pérdida en la eficiencia que puede dar
como resultado una dramática reducción en el
rendimiento general del panel fotovoltaico (Ali
Al Shehri, 2016). El rendimiento fotovoltaico
se puede recuperar a su máxima capacidad por
la limpieza de las instalaciones; ya sea realizada
de forma manual, automática o naturalmente
por las lluvias (Julius Tanesab, 2015). El polvo
es un término general para cualquier partícula
menor de 500 µm de diámetro y puede incluir
polen de vegetación, células animales, arena,
arcilla o piedra caliza erosionada. El tamaño y
cantidad de las partículas, los componentes y su
forma pueden variar de acuerdo con cada región
del mundo. Estos factores se basan en la
geografía, el clima y la urbanización de una
región. Entre las características importantes del
polvo están el tamaño, la distribución y la
composición. Las condiciones ambientales
importantes que afectan a estas características
son, entre otras; la humedad, la variación en la
dirección y la velocidad del viento y las
variaciones estacionales. Cuando las partículas
se depositan sobre los módulos fotovoltaicos,
interfieren con la calidad de la iluminación
incidente, atenuándola y dispersándola. El
grado en el cual las partículas interfieren
depende de su constitución, la densidad y
distribución.
Existen estudios que han mostrado
grandes variaciones del rendimiento de un lugar
a otro como una función del tiempo de
exposición. En Kuwait se encontró una
reducción del 17% en la producción de energía
de módulos fotovoltaicos debido a la
acumulación de arena de más de seis días.
También se han evaluado los efectos de la
acumulación de polvo por más de un año en un
colector solar térmico de placa plana y un panel
fotovoltaico que comparte el edificio. Durante
este período, se reportó una tasa de reducción
de potencia 7% por mes para los módulos
fotovoltaicos (Basant Raj Paudyal, 2016).
Cuando se instala un arreglo fotovoltaico,
generalmente, el usuario debe hacerse cargo del
mantenimiento preventivo para: 1). Mantener la
instalación en un estado óptimo de
conservación y funcionamiento similar al
correspondiente a la puesta en marcha de dicha
instalación. 2). Detectar a tiempo posibles
anomalías o defectos que influyan
negativamente en el rendimiento general de la
instalación fotovoltaica y en su prestación de
servicio. En la práctica, la presencia del usuario
en instalaciones fotovoltaicas atendidas, es algo
muy recomendable, para que conozca su
instalación y pueda determinar la necesidad y
periodicidad más conveniente de las tareas de
mantenimiento. Cuando inspeccione deberá
advertir al técnico ante cualquier indicio de
degradación o alteración como rajaduras,
oxidación, etc. El usuario debería hacer una
inspección general del arreglo fotovoltaico de
manera periódica para evitar el sombreado no
previsto de los paneles debido a variaciones en
la vegetación circundante, la colocación de
objetos próximos, la acumulación prolongada y
permanente de objetos y depósitos de suciedad
en la superficie de los módulos por sus efectos
análogos a los del sombreado.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 104-113
La limpieza se debe realizar de forma
manual, utilizando agua y productos no
abrasivos, sin emplear estropajos que puedan
dañar la superficie de los módulos. (Asociación
de la industria fotovoltaica, 2010). Por otro
lado, (Maza, 2013) recomienda hacer una
inspección general 1 ó 2 veces al año para
asegurarse que las conexiones estén bien
ajustadas y libres de corrosión, y en la mayoría
de los casos, la acción de la lluvia elimina la
necesidad de limpieza de los paneles. Las
pérdidas producidas por la suciedad llegan a ser
de un 5% si se realiza una limpieza con agua
(sin agentes abrasivos ni instrumentos
metálicos) después de muchos días sin llover,
una lluvia de fango o una nevada. En este
estudio, se concluye que el polvo depositado en
los paneles fotovoltaicos en Nuevo Vallarta,
Nayarit, afecta la eficiencia de los paneles en
12.51% relativo a la eficiencia original y debe
ser tomado muy en cuenta para los cálculos y el
mantenimiento.
Fundamentos
La radiación que llega del sol a la tierra es la
fuente principal de energía para la generación
de los fenómenos en la atmósfera, en los
océanos y, en general, para la vida en la tierra.
(Juan Carlos Vega de Kuyper, 2015). La
radiación que es importante para aplicaciones
de energía solar es la emitida por el sol dentro
de las regiones de ultravioleta, visible e
infrarrojo, es decir entre 0.15 y 3 µm (150 y
3000 nm). La figura 1 muestra una curva
estándar de la radiación solar extraterrestre
promedio (1366.1 W/m2) y su posición en el
espectro de radiación electromagnética. (Maza,
2013).
Gráfico 1 Distribución espectral de la radiación solar
extraterrestre promedio (1366.1 W/m2) a una distancia
promedio tierra-sol. (Maza, 2013).
La atmósfera es casi totalmente
transparente a la radiación visible y a la
infrarroja solar, pudiendo pasar gran parte del
espectro solar en estas bandas directamente a la
superficie terrestre, excepto cuando la
atmósfera está parcial o totalmente cubierta de
nubes o por cualquier otro constituyente que
impida el paso de la luz. Conforme el espectro
total de radiación solar (ultravioleta, UV,
visible e infrarrojo, IR) penetra la atmósfera, se
va modificando, de tal manera que gran parte de
la radiación UV e IR son absorbidas, mientras
que principalmente es la radiación visible la que
llega a la superficie terrestre. El albedo de la
tierra, es decir su brillo o capacidad de reflejar
la energía es alrededor de un 30%, es decir, es
devuelta al espacio por la reflexión de la tierra.
El 70% de la energía restante es absorbida. En
un día nublado se absorbe un porcentaje mucho
más alto de energía, especialmente en la zona
del infrarrojo. En la radiación total que llega a
la superficie terrestre, o radiación global, para
su aprovechamiento energético, se distinguen
dos componentes: radiación directa y radiación
difusa. La componente directa es aquella que
proviene del disco solar, atenuada en parte por
la atmósfera. La componente difusa es la que
llega a un plano horizontal, en todas las
direcciones excepto la que corresponde al
ángulo sólido subtendido por el disco solar.
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Está integrada por la radiación desviada
por las moléculas y partículas en suspensión y
por la reflejada debido a la interacción entre la
radiación directa y las nubes. (Pilar Pereda
Suquet, 2009). Cuando la atmósfera está limpia
y despejada, la radiación en una superficie de 1
m2 perpendicular al sol, registra un valor de
1000 W/m2. (Maza, 2013).
La energía que proporciona el sol es la
fuente de energía más limpia, inagotable y
gratuita que se puede obtener en el planeta y
por tanto debe de buscarse la manera de
aprovecharla al máximo. (Rizo, 2014). No
obstante, las políticas públicas de los gobiernos
a nivel mundial no cambian en ningún sentido;
se espera que el consumo energético mundial se
incremente en 50% en el periodo entre 2005 y
2030, donde el petróleo y otros combustibles
líquidos o sólidos seguirán siendo la principal
fuente de energía mundial. Usar fuentes
renovables de energía es muy atractivo desde
distintos puntos de vista, sobre todo en los
países con intenciones de reducir sus emisiones
de gases de efecto invernadero. (Zubicaray,
2012). Una de ellas en la Energía Solar
Fotovoltaica.
Un sistema fotovoltaico es el conjunto
de equipos eléctricos y electrónicos que
producen energía eléctrica a partir de la
radiación solar (Óscar Perpiñán Lamigueiro,
2012). El dispositivo básico de generación de
electricidad fotovoltaica se denomina célula
fotovoltaica, cuyo agrupamiento e
interconexión formando una estructura
compacta, manejable y resistente se denomina
módulo fotovoltaico o panel fotovoltaico.
Cuando se unen varios paneles fotovoltaicos en
conexión ya sea serie o paralelo se le denomina
arreglo fotovoltaico o sistema fotovoltaico.
Los sistemas fotovoltaicos a su vez se
pueden clasificar en aislados o interconectados
a la red. (Asociación de la industria
fotovoltaica, 2010). Los sistemas fotovoltaicos
aislados o autónomos no disponen de conexión
alguna con la red eléctrica externa y se
conforman por generador fotovoltaico, baterías
y regulador de carga. (Aparicio, 2010) En los
interconectados a red, su energía generada se
vierte a la red eléctrica externa. La cantidad de
energía solar aprovechable por un panel
fotovoltaico depende, entre otros: de la
tecnología del panel; es decir si es
monocristalino, policristalino, etcétera.
También de la orientación e inclinación del
panel, de la ubicación; de tal forma que no
reciba sombras durante el día, de la
localización geográfica, la época del año, las
condiciones meteorológicas y el grado de
suciedad del panel. (Asociación de la industria
fotovoltaica, 2010). Es este último factor el de
interés en este artículo.
Desarrollo
El procedimiento seguido para determinar el
factor de suciedad en un arreglo fotovoltaico de
paneles de silicio policristalino fue el siguiente:
Entre mayo y julio de 2015 se instalaron en la
azotea del Laboratorio de Ingenierías de la
Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas
(UTBB): 3 piranómetros Kipp&Zonnen CMP3
para medir las irradiaciones global horizontal,
difusa horizontal y global inclinada a 20°;
también se instaló un arreglo o planta
fotovoltaica de 3 kWp, un inversor Sunny boy
de 3 kW y un WebBox para adquisición de
datos. Con la información generada por todos
esos equipos, se construyó un cuadro resumen
que contiene datos de producción de energía
suministrada al edificio por la planta e
insolación recibida que permite determinar la
eficiencia de dicha planta fotovoltaica día a día
y sin limpieza de la misma.
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A principios de marzo del 2016 se
limpiaron los paneles con el chorro de agua y
una esponja, durante la noche, cuando no había
luz solar. Se observó al siguiente día un cambio
en la eficiencia, la cual mejoró y se mantuvo así
y prácticamente constante hasta fines de mayo
del mismo año, cuando empezó la temporada de
lluvias para este lugar.
Los datos de los paneles y del inversor
se muestran en las tablas 1 y 2; en la tabla 3 los
correspondientes a los piranómetros. Asimismo
en las figuras 1 y 2 se pueden ver los paneles
y los piranómetros. También se muestran en la
tabla 5 los valores de radiación incidente
promedio mensual para superficies inclinadas
apuntando al ecuador, ofrecidos por la NASA
(https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/, 2014) para la
ubicación latitud 20.4° de Latitud y -105.28°
de Longitud, que corresponden a la ubicación
de esta Planta Fotovoltaica instalada en la
azotea del Laboratorio de Ingenierías de la
UTBB (PFV UTBB).
Módulo fotovoltaico marca Solartec
Modelo S60PC-250
Tipo de celda Policristalina
Número de celdas 60
Condiciones de medición SCT NOCT
Voltaje a circuito abierto (Voc) 36.30 36.24
Voltaje óptimo de operación
(Vmpp)
30.60 30.54
Corriente a corto circuito (Isc) 8.71 6.98
Corriente óptima de operación
(Impp)
8.17 6.55
Potencia máxima (W) = W pico 250 200
Eficiencia del módulo (%) 15.39
Temperatura de operación -40 a 90 °C
Dimensiones y peso 1650x992x40
mm 23 kg
Área total de 12 paneles 19.64 m2
Carga máxima 2400 Pa
Rendimiento garantizado Año 1 mayor que
97.5%
Tabla 1 Datos de los paneles fotovoltaicos. Tomado de
los propios equipos.
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Inversor marca SMA
Modelo Sunny Boy 3000 US, 240
VAC
Potencia máxima
recomendada PV (SCT)
3750 W
Potencia máxima DC
(NOCT)
3200 W
Voltaje máximo DC 500 V
Voltaje nominal DC 250 V
Rango de voltaje MPP 200 – 400 V
Voltaje mínimo de
arranque
200 / 228 V
Potencia nominal de salida 3000 W
Potencia aparente máxima 3000 VA
Rango de voltaje AC 211 – 264 V
Rango de frecuencia de la
red AC
59.3 – 60.5 Hz
Máxima corriente de salida 13 A
Factor de potencia 1
Fases de conexión 2
Eficiencia máxima 96.5 %
Tabla 2 Datos del inversor.
Piranómetro Marca Kipp&Zonnen
Modelo CMP3
Clasificación ISO 9060:1990 Segunda clase
Rango espectral 300 a 2800 nm
Sensibilidad 5 a 20 µV/W/m2
Rango de salida prevista (0 a
1500 W/m2)
0 a 30 mV
Tiempo de respuesta (63% y
95%)
6s y 18s
Campo de visión 180°
Tipo de detector Termopila
Aplicaciones recomendadas Estaciones
meteorológicas
Tabla 3 Datos de los piranómetros. Tomado del manual
para el piranómetro CMP3.
Figura 1 La planta fotovoltaica y los piranómetros.
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Tabla 4 Valores de radiación incidente promedio
mensual para superficies inclinadas.
El sistema fotovoltaico de 3 kWp que se
instaló en la azotea del laboratorio de
ingenierías de la UTBB es un sistema
interconectado a la red (SFVCR), fijo, con los
12 paneles en serie con 367 VDC, dentro del
rango óptimo de entrada de voltaje del inversor,
el cual de acuerdo a la figura 3, tiene la
siguiente secuencia:
Figura 2 Esquema del sistema fotovoltaico
interconectado a la red en el laboratorio de ingenierías de
la UTBB.
De acuerdo con (Óscar Perpiñán
Lamigueiro, 2012), se utilizó el siguiente
procedimiento para calcular la producción de
este SFVCR, utilizando en primera instancia
Insolaciones mensuales del sitio
(https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/, 2014) con
inclinación 20° al sur, para cada periodo
medido (Febrero, Marzo, Abril y Mayo) y de
esa manera compararla contra la producción
real para cada día y mes:
- Se debe determinar la “insolación
efectiva incidente” en el plano del
generador, o sea que es el resultado
de tener en cuenta la inclinación y
orientación del generador, las
pérdidas por suciedad, transmitancia
del vidrio y reflexión por incidencia
no perpendicular.
- La temperatura ambiente a que está
sometido el generador fotovoltaico.
- El impacto de sombras sobre el
generador. En este caso, no se tiene
este problema.
- El comportamiento eléctrico de
generador fotovoltaico.
- La curva de eficiencia del inversor y
su ventana de búsqueda del valor
óptimo.
- La eficiencia del resto de
componentes del sistema,
principalmente cableado y
transformador de BT/MT.
Mes Radiación
(kWh/m2/día)
0° 20°
Ene 4.57 5.62
Feb 5.64 6.56
Mar 6.76 7.26
Abr 7.29 7.21
May 7.67 7.05
Jun 7.06 7.10
Jul 6.37 6.33
Ago 5.88 5.69
Sep 5.27 5.41
Oct 5.41 6.05
Nov 4.98 6.09
Dic 4.22 5.23
Prom 5.93 6.30
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costero. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016
111
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 104-113
La insolación efectiva incidente del
punto 1 anterior, no fue necesario calcularla, ya
que se cuenta con un piranómetro CMP3
inclinado 20° hacia el sur que mide
directamente la irradiancia y se determinó en
base a sus lecturas la insolación día a día para
esa inclinación y que corresponde a la columna
“insolación Global medida recibida a 20° de
inclinación” de las tablas 4 a 7.
Con relación a los efectos de los puntos
2 a 6 anteriores, se considera la tabla 6, que
incluye todas las pérdidas de un sistema
fotovoltaico:
Factor de pérdidas Valor
(%)
Dispersión de parámetros entre los módulos
que componen el generador
2 – 4
Tolerancia de potencia de los módulos
respecto a sus características nominales
3
Temperatura de funcionamiento de los
módulos
5 – 8
Conversión DC/AC realizada por el inversor 8 – 12
Efecto Joule en los cables 2 – 3
Conversión BT/MT realizada por el
transformador
2 – 3
Disponibilidad del sistema 0.5 - 1
Tabla 5 Valores recomendados para determinar el factor
de pérdida en un SFVCR. (Óscar Perpiñán
Lamigueiro, 2012).
Una vez determinados estos factores, la
energía producida por un SFVCR se calcula
con la siguiente ecuación:
(1)
Dónde:
Es la energía producida por el
SFVCR
Es la potencia nominal del
generador FV (
Es la insolación efectiva a 20° de
inclinación, para cada día, valor dado
por la NASA si es teórico.
Son las pérdidas en el sistema (Si
consideramos los valores mínimos,
Es el factor de sombra (en este caso
no hay sombras; ).
Resultados
La tabla 6 muestra el comportamiento promedio
de la planta entre el 25 de febrero y el 7 de
marzo, cuando los paneles estaban sucios y sin
mantenimiento desde su instalación en julio del
2015 hasta febrero del 2016. Por otro lado, la
tabla 7 muestra cómo se comportó la planta una
vez que se limpiaron los paneles con agua y una
esponja.
La tabla 8 muestra el comportamiento
de este SFVCR utilizando el procedimiento de
cálculo planteado en este trabajo y utilizando
los datos de la planta y la NASA para este
lugar, con los paneles sucios y para el periodo
del 25 de febrero al 7 de marzo del 2016.
Asimismo, la tabla 9, muestra el
comportamiento, pero para el periodo del 8 de
marzo al 31 de mayo del 2016.
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112
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 104-113
FECHA
: Del 25 de
Febrero
al 7 de Marzo
del 2016.
Producci
ón de energía
medida y
entregada por la
planta al edificio
(kWh)
Insolació
n Global medida
recibida
a 20° de inclinaci
ón (kWh/m2
)
Insolaci
ón Global
Inclinad
a recibida
por la planta
(kWh)
Eficienci
a respecto
a la
Insolación Global
a 20° de inclinaci
ón (%)
ps=
paneles
sucios.
pl= panele
s limpio
s.
Promed 14.37 6.92 135.98 10.51 ps
Tabla 6 Comportamiento promedio de la planta del 25 de
febrero al 7 de marzo del 2016 con los paneles sucios.
Fuente Planta FV 3kWp y Piranómetros CMP3 en la
UTBB.
FECHA:
Del 8
Marzo al
31 de
Mayo del
2016.
Producció
n de
energía
medida y
entregada
por la
planta al
edificio
(kWh)
Insolación
Global
medida
recibida a
20° de
inclinació
n
(kWh/m2)
Insolació
n Global
Inclinada
recibida
por la
planta
(kWh)
Eficiencia
respecto a
la
Insolación
Global a
20° de
inclinació
n (%)
ps=
paneles
sucios.
pl=
paneles
limpios
.
Promedio 14.80 6.52 128.82 11.70 pl
Tabla 7 Comportamiento promedio de la planta del 8 de
Marzo al 31 de mayo del 2016 con los paneles limpios.
Fuente Planta FV 3kWp y Piranómetros CMP3 en la
UTBB.
Descripción Promedio
Producción de energía medida y entregada
por la planta al edificio (kWh-h)
14.37
Producción teórica de la planta para el
periodo medido
de acuerdo con NASA (kWh-h)
16.50
Eficiencia de la planta
respecto a la NASA para el periodo medido
(%)
87.11
insolación Global medida
recibida a 20° de inclinación (kWh-h /m2)
6.92
Insolación Global Inclinada
recibida por la planta (kWh-h)
135.98
Eficiencia
respecto a la Insolación Global a 20° (%)
10.58
Insolación promedio de la NASA
a 20° para el peroiodo medido en esta zona
(kWh-h /m2 día)
7.10
Tabla 8 Comportamiento del SFVCR con los paneles
sucios.
Descripción Promedio
Producción de energía medida y entregada
por la planta al edificio (Kw-h)
14.80
Producción teórica de la planta para el
periodo medido
de acuerdo con NASA (kW-h)
16.93
Eficiencia de la planta
respecto a la NASA para el periodo medido
(%)
88.68
insolación Global medida
recibida a 20° de inclinación (kW-h/m2)
6.52
Insolación Global Inclinada
recibida por la planta (kW-h)
128.82
Eficiencia
respecto a la Insolación Global a 20° (%)
11.70
Insolación promedio de la NASA
a 20° para el peroiodo medido en esta zona
(kW-h/m2 día)
7.28
Tabla 9 Comportamiento del SFVCR con los paneles
limpios.
Conclusiones
En las tablas 6 a 9 se observa como el
comportamiento real de la planta mejora con la
limpieza de los paneles y la eficiencia de la
planta también lo hace. La producción de
energía medida y entregada al Laboratorio de
Ingenierías de la UTBB aumentó de 14.37 kWh
a 14.80 kWh de un periodo al otro, no obstante
que la insolación promedio disminuyó de 6.92
kWh/m2 a 6.52 kWh/m
2. Esto es porque la
eficiencia de la planta respecto a la insolación
recibida por ella aumentó de 10.58% cuando los
paneles estaban sucios, a 11.70% una vez
limpiados y explica el comportamiento de la
producción de energía. La eficiencia real al
comparar ambos periodos aumentó entonces de
10.58% a 11.70% entre el periodo en que los
paneles estaban sucios y el periodo en el que se
mantuvieron limpios.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 104-113
Eso representa un 1.12% de mejora en la
eficiencia total, pero representa un 10.59% de
mejora respecto a la eficiencia original. Es
importante hacer notar que los paneles solo se
limpiaron una vez, la noche del 7 de marzo y
con eso fue suficiente para mejorar y mantener
dicha mejora en la eficiencia por dos meses,
hasta que se presentó el periodo de lluvias, que
a mantenido los paneles limpios hasta la fecha.
Agradecimientos
Los autores desean expresar su agradecimiento
a la Universidad Tecnológica de Bahía de
banderas por las facilidades otorgadas para la
realización del presente trabajo y a los
integrantes del cuerpo académico de Innovación
y Aplicación Tecnológica, por los comentarios
y sugerencias que permitieron la mejora del
artículo.
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deposition and brush-based dry cleaning on
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LIMUSA.
114
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 114-122
Simulación numérica de un intercambiador de calor terrestre vertical tipo “U”
usando condiciones de frontera de zona costera
COLORADO-GARRIDO, Darío†*, ANTONIO-GONZÁLEZ, Vicente, SILVA-AGUILAR, Oscar y
HERRERA-ROMERO, J.Vidal.
Universidad Veracruzana, Lomas del estadio s/n, Edificio «A», 3er. Piso, C.P. 91000.
Recibido Julio 17, 2016; Aceptado Septiembre 19, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
El presente trabajo aborda la simulación numérica de un
intercambiador de calor terrestre, basada en la
formulación matemática de ecuaciones gobernantes de
flujo (ecuación de continuidad, ecuación de movimiento,
ecuación de energía) y la ecuación de transferencia de
calor en elementos sólidos. Estas ecuaciones requieren
información de propiedades termo-físicas del fluido, del
material, y de la tierra; para este caso se utilizó como
condición de frontera un perfil de temperatura de la tierra
con datos que fueron medidos en la Universidad
Veracruzana Campus Coatzacoalcos (latitud 18°08’39”
N, longitud oeste 94°28'36” y altitud 10 msnm).
Difusividad, volume de control, profundidad
Abstract
Among the various factors that affect the energy
produced a detailed numerical simulation of a ground
heat exchanger assuming the mathematical formulacion
of the governing ecuations (continuity, momentum and
energy) and the energy balance in the wall has been
carried out. This formulation requires the use of termo-
physical properties, material properties and the ground; in
this case, the experimental temperature profile in the
ground were measured at Universidad Veracruzana,
Coatzacoalcos campus (latitude 18°08’39” N, longitude
west 94°28'36” and altitude 10 msnm).
Diffusivity, control volumen, depht
___________________________________________________________________________________________________
Citación: COLORADO-GARRIDO, Darío, ANTONIO-GONZÁLEZ, Vicente, SILVA-AGUILAR, Oscar y HERRERA-
ROMERO, J.Vidal. Simulación numérica de un intercambiador de calor terrestre vertical tipo “U” usando condiciones de
frontera de zona costera. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 114-122
___________________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________
* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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SILVA-AGUILAR, Oscar y HERRERA-ROMERO, J.Vidal.
Simulación numérica de un intercambiador de calor terrestre vertical
tipo “U” usando condiciones de frontera de zona costera. Revista de
Aplicaciones de la Ingeniería 2016
115
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 114-122
Introducción
El presente trabajo muestra el modelado teórico
y simulación numérica de un intercambiador de
calor terrestre usando un perfil de temperaturas
medido en una zona costera. En este caso, el
intercambiador de calor terrestre tiene la
capacidad de aprovechar la capacidad calorífica
y la temperatura relativamente estable del
subsuelo con el propósito de enfriar agua,
transfiriendo calor desde el fluido al subsuelo.
El intercambiador de calor terrestre está
conformado por dos tubos verticales paralelos,
unidos en los extremos inferiores por un retorno
en forma de “U”. Por un tubo entra el fluido,
mientras que por la unión en un U es re-
direccionado al otro tubo hasta la salida del
fluido al extremo contiguo.
Acerca de los trabajos reportados en la
literatura de intercambiadores de calor terrestres
podemos enfatizar los siguientes. De acuerdo
con Florides y Kalogirou (2008) es importante
tener el conocimiento sobre la distribución de la
temperatura del subsuelo alrededor de las
tuberías del intercambiador de calor terrestre. El
estudio fue realizado con condiciones de
Chipre, donde la temperatura de la tierra es
siempre más fresca en el verano y más caliente
en el invierno. Ally et al. (2015) presenta el
estudio de un intercambiador de calor acoplado
a un sistema convencional de calentamiento de
agua, obteniendo un aumento en la temperatura
del fluido de 37.8 °C a 49 °C. Pu et al. (2014)
investigó el efecto que tiene el número de
Reynolds, el diámetro de la tubería y diferentes
configuraciones en la instalación de los
intercambiadores de calor terrestres. El estudio
presentado es validado por pruebas
experimentales de respuesta térmica del suelo.
Los Autores presentan dos
simulaciones, una física del modelo de
instalación con el software GAMBIT y otra en
el software ANSYS FLUENT 14.0 para
calcular el campo de flujo, temperatura, presión
y transferencia de calor entre el fluido y el
suelo.
En el intercambiador de calor terrestre
se presentan fenómenos físicos como los son:
conducción en la tubería, convección y pérdida
de carga del fluido. El presente trabajo tiene
como objetivo desarrollar un modelo
computacional basado en las ecuaciones
gobernantes de continuidad, cantidad de
movimiento y energía que describen la
fenomenología de un intercambiador de calor
terrestre. Lo anterior con la finalidad de ayudar
a ingenieros e investigadores en el futuro
diseño, construcción, optimización y control de
esta clase de sistemas.
Determinación del perfil de temperaturas y
propiedades termo-físicas de la tierra
Para la determinación del perfil de temperaturas
en el subsuelo se instalaron a diferente
profundidad del subsuelo sensores de
temperatura tipo T (cobre–constantán) para un
intervalo de temperaturas de 0 a 350 °C, con
una exactitud de ± 0.5 °C calibrados con un
equipo AMETEK modelo CTC-140 a rango de
-30 °C a 140 °C. El error de calibración fue
calculado en un orden de ± 0.02 °C; la captura
de datos se realizó mediante un adquisidor de
Agilent modelo 34972A.
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116
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 114-122
Las mediciones fueron realizadas en la
Universidad Veracruzana Campus
Coatzacoalcos, latitud 18°08’39” N, longitud
oeste 94°28'36” y altitud 10 msnm. En la Figura
1 se muestra el perfil de temperaturas del
subsuelo, hasta una profundidad de 1m.
Figura 1 Perfil de temperatura en el subsuelo.
La Figura 1 muestra el perfil
geotérmico, donde la temperatura se mantiene
relativamente constante a profundidades
mayores a 0.8m.
La difusividad térmica del suelo, se
determinó “in situ” por el método armónico de
desfase de onda térmica, utilizando la regresión
lineal en la determinación de la profundidad a
la cual la temperatura superficial y la
temperatura en el subsuelo se desfasan del ciclo
un periodo completo. La ecuación 1 fue
utilizada para el cálculo de la difusividad
térmica del suelo.
(1)
Donde es la difusividad en (m2/s),
es la profundidad a la que se desfasa la onda un
ciclo completo (m) y es el periodo (s).
La densidad y calor especifico del
subsuelo, fueron determinadas en laboratorio y
la conductividad térmica fue calculada a partir
de la ecuación 2 de difusividad térmica .
(2)
Modelo matemático
A continuación de describen las ecuaciones
gobernantes que explican la transferencia de
calor y fluido-dinámico del fluido de trabajo en
el intercambiador de calor terrestre y la
formulación matemáticas asumida para el
elemento solido (pared).
Transferencia de calor y fluido-dinámico del
flujo
De acuerdo a García-Valladares (2004), un
volumen de control (VC), Figura 2, es un
volumen finito que delimita un espacio físico
correspondiente a zonas parciales o globales de
la unidad térmica. Para la formulación de
ecuaciones que gobiernan a este sistema en
flujo, se resuelven las ecuaciones de
continuidad, cantidad de movimiento y energía
de cada VC. La solución de las ecuaciones
gobernantes para una sola fase es descrita en
Colorado et al. (2011).
Las hipótesis que se asumen para la
formulación de este modelo son:
- Flujo unidimensional.
- Fluido puro (agua).
- Se desprecia la transferencia de calor
por radiación.
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- Fluidos Newtonianos.
- Diámetros y rugosidades constantes en
la tubería
Figura 2 Volumen de control en una tubería con flujo
masico descendente.
Las ecuaciones diferenciales ordinarias
que describen el comportamiento fluido-
dinámico y térmico del fluido de trabajo dentro
del intercambiador de calor terrestre son
descritas a continuación.
El flujo másico a la salida del volumen
de control es obtenido mediante la
discretización de la ecuación de Continuidad:
(3)
Donde es el paso temporal fijado, es
la densidad del fluido de trabajo y el área de
sección de pasaje.
Una vez calculado el flujo másico a la
salida, la velocidad del líquido es calculado
como:
(4)
La discretización de la ecuación de
Movimiento, permite encontrar la presión de
salida:
(5)
Donde es el factor de friccion tipo
Darcy, g la gravedad y es el angulo de
inclinación del tubo.
La temperatura a la salida es obtenida
restando la ecuación de continuidad
multiplicada por la energía específica en el
centro del volumen de control a la ecuación de
Energía:
(6)
Donde:
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Ecuación de energía de la pared interior
El tubo o pared del intercambiador de calor
terrestre es modelado de acuerdo a las
siguientes hipótesis con el objetivo de
desarrollar la ecuación de conducción de calor,
- se asume una distribución de
temperaturas unidimensional
- se desprecia el calor intercambiado por
radiación.
Un volumen de control característico se
muestra en la figura 3 donde P es el nodo
central, E y W los nodos vecinos, siendo “e”,
“w”, “n”, “s”, las caras del volumen de control
Figura 3 Flujo de calor en elementos solidos.
Integrando la ecuación de la energía sobre
el volumen de control mostrado en la figura 3,
se obtiene la siguiente ecuación:
(7)
Donde el flujo de calor se ha evaluado
a partir de su respectivo coeficiente superficial
de transferencia de calor en convección libre o
forzada y los flujos de calor por conducción se
avalúan a partir de la ley Fourier, esto es:
Para la integración temporal de las
ecuaciones gobernantes se han hecho servir un
esquema numérico de tipo implícito. Los
términos de las ecuaciones gobernantes se
discretizan mediante la siguiente aproximación:
, donde ϕ representa una
variable dependientemente genérica (ϕ= T, h, λ,
ρ,…). Los valores medios sobre un volumen de
control se ha estimado como la media
aritmética entre las secciones de entrada y
salida, esto es: . Las
propiedades físicas medias se evalúan a sus
correspondientes variables medias.
Aplicando las aproximaciones numéricas
antes mencionadas, se puede obtener una
ecuación para cada nodo:
(8)
Donde los coeficientes son:
Donde es el coeficiente de
transferencia de calor por convección en el
fluido de trabajo y es el perímetro.
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Coeficientes empíricos para las ecuaciones
gobernantes
El modelo matemático requiere información
sobre el factor de fricción y el coeficiente
convectivo de transferencia de calor para
resolver la ecuación de cantidad de movimiento
y la ecuación de energía, respectivamente. Esta
información es generalmente obtenida de
correlaciones empíricas.
La correlación para el cálculo del factor
de fricción para flujo en una sola fase es
evaluada utilizando la expresión de factor de
fricción en régimen laminar y para el flujo
turbulento la propuesta por Ito (1959),
mostradas en las ecuaciones 9 y 10,
respectivamente.
(9)
(10)
Donde es el número de Reynolds.
La correlación para el cálculo del
coeficiente de transferencia de calor para el
flujo en una sola fase es calculando utilizando
las ecuaciones de Nusselt y Dittus- Boelter
(1930), para flujo laminar calculada apartir de
la ecuacion (11) y para flujo turbulento con la
ecuación (12).
(11)
(12)
Donde:
, si la Tpared> Tfluido
, si la Tpared< Tfluido
y es el numero de Nusselt.
Solución de ecuaciones gobernantes
La solución de las ecuaciones gobernantes ha
sido acoplada a un método llamado paso a paso.
El dominio del intercambiador de calor terrestre
es dividido en volúmenes de control. El proceso
de solución es llevado de la forma antes
mencionada en la dirección del flujo. De
valores conocidos a la entrada de la sección y
teniendo definidas las condiciones de contorno,
los valores de dichas variables a la salida del
volumen de control son obtenidas a partir de la
discretización de las ecuaciones gobernantes
(ecuación de continuidad, ecuación de
movimiento y ecuación de energía). Una vez
obtenida la solución a la salida del volumen de
control, ésta se convierte en los valores de
entrada para el siguiente volumen de control.
Este procedimiento se sigue hasta el final del
dominio. Las propiedades termo-físicas del
fluido de trabajo (densidad, capacidad
calorífica, etc) para la solución de ecuaciones
gobernantes fueron calculadas por Steam 1997
(IAPWS-IF97) presentado por Holmgrem
(2007).
Para cada volumen de control se obtiene
un conjunto de ecuaciones algebraicas a partir
de las ecuaciones gobernantes (3, 5, 6 y 8).
Resultados y discusión
De acuerdo con el perfil geotérmico mostrado
previamente (ver Figura 1) la temperatura no
presenta variaciones significativas a
profundidades mayores a 0.8 m. Las
temperaturas durante el día y la noche
convergen, por tal motivo, en el presente
trabajo se considera suficiente el corto periodo
de mediciones de temperaturas a profundidades
de 1, 2 y 3 m
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120
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Gráfico 1 Distribucion de temperaturas de la tierra
medidas hasta una profundidad de 3 metros.
El gráfico 1 muestra la distribución de
temperaturas en la tierra, 60 mediciones cada 5
segundos fueron registradas. Para cada
profundidad medida, fueron instalados 7
sensores de temperatura localizados 2 a 0
metros de la entrada del ICT, 2 a 1 metro de
profundidad, 2 a 2 metros y 1 a 3 metros,
adjuntos al tubo del intercambiador geotérmico
de entrada y salida.
La conductividad térmica calculada para
el suelo arenoso y húmedo de la Universidad
Veracruzana Campus Coatzacoalcos, fue de
3.065 W/ m °C.
Con el objetivo de tener valores para cada
nodo requerido por el algoritmo de resolución
se realizó un análisis con diferentes tipos de
interpolaciones. Se analizaron 3 tipos de
interpolación: lineal, spline y cubica. Los
resultados de las interpolaciones son mostrados
en el gráfico 2. De la cual se eligió la spline (es
una interpolación a trozos de grado definido y
con ciertas propiedades de derivabilidad), ya
que esta cuenta con la forma sinusoidal
comentada por los autores (Florides &
Kalogirou 2007). La interpolación se estimó
para ambos tubos. Los efectos de la curvatura
del tubo son despreciados en el presente
trabajo.
Gráfico 2 Interpolaciones de temperatura de tierra y
temperaturas experimentales desde la superficie hasta la
profundidas de 3m.
La Tabla 1 muestra los parámetros de
diseño seleccionados para el escenario
planteado del intercambiador de calor terrestre.
Parámetro
Materiales evaluados PVC, acero 316,
aluminio, cobre,
Diámetro Exterior 33.4 mm
Diámetro interior 30.4 mm
Longitud del tubo 6 m
Tentrada 40 °C
Pentrada atmosférica
Flujo volumétrico 0.68 m3 /hr
Tabla 1 Parámetros de diseño base del
intercambiador de calor terrestre.
Los datos de tabla 2 muestran los valores
de potencia entregada al subsuelo, estos son
medidos para la tubería de 1 pulgada de
diámetro nominal (DN).
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SILVA-AGUILAR, Oscar y HERRERA-ROMERO, J.Vidal.
Simulación numérica de un intercambiador de calor terrestre vertical
tipo “U” usando condiciones de frontera de zona costera. Revista de
Aplicaciones de la Ingeniería 2016
121
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 114-122
Para la tubería de diámetro nominal
(DN) 1 pulgada el PVC una potencia media de
1.3927 kW fue calculada, para el Acero 316L
una potencia media de 1.4029 kW,
considerando aluminio como material de
construcción la potencia media calculada fue de
1.5117 kW y por último asumiendo cobre se
estimó una potencia de 1.6011 kW. Esto es, el
incremento de flujo de calor simulado,
asumiendo al PVC de DN 1 pulgada como
caso base, con los materiales simulados con DN
1 pulgada, es el siguiente: usando PVC como
material del tubo se calculó un incremento de
0.73% considerando acero 316L. Un
incremento de 8.54% es calculado considerando
aluminio y un incremento de 14.96% es
estimado usando cobre como material de
construcción.
Tabla 2 Flujo de calor simulado usando temperatura de
tierra experimental como condición de frontera.
Los resultados muestran que la mayor
ganancia térmica con las mismas condiciones
de terreno y flujo másico fueron los obtenidos
con el cobre.
PVC
Tiempo 5s 120 s 300 s
T salida (°C) 38.2432 38.2482 38.2417
Flujo de calor
(kW)
1.3932 1.3893 1.3944
Acero 216L
Tiempo 5s 120 s 300 s
T salida (°C) 38.2311 38.2361 38.2297
Flujo de calor
(kW)
1.4027 1.3988 1.4039
Aluminio
Tiempo 5s 120 s 300 s
T salida (°C) 38.0919 38.0968 38.0904
Flujo de calor
(kW)
1.5122 1.5083 1.5134
Cobre
Tiempo 5s 120 s 300 s
T salida (°C) 37.9782 37.9830 37.9767
Flujo de calor
(kW)
1.6016 1.5978 1.6028
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tipo “U” usando condiciones de frontera de zona costera. Revista de
Aplicaciones de la Ingeniería 2016
122
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 114-122
Conclusiones
Se desarrolló una herramienta computacional
asumiendo un análisis unidimensional de las
ecuaciones gobernantes (continuidad, cantidad
de movimiento y energía) en un intercambiador
de calor terrestre, con la finalidad de ayudar en
el diseño y optimización de esta clase de
equipos.
Se utilizaron datos experimentales de
temperatura de tierra como condiciones de
frontera para la solución del algoritmo. PVC,
acero, aluminio y cobre fueron considerados
como materiales de construcción, su desempeño
en el ICT vertical de tubo en U fue estimada.
Dentro de lo cual se concluye lo
siguiente:
- De los cuatro materiales simulados con
las mismas condiciones del caso base,
con diámetro nominal (DN) de 1
pulgada, el cobre es el que obtiene
mayor intercambio térmico con el
subsuelo. Obteniendo una potencia
media de 1.6011 kW.
- El incremento de flujo de calor en la
tubería DN 1 pulgada vs la tubería de
PVC (caso base) de DN 1 pulgada está
dada de la siguiente manera: acero =
0.73%, Aluminio = 8.54% y cobre =
14.96%.
Referencias
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Gehl, A. C. (2015). Data, exergy, and energy
analyses of a vertical-bore, ground-source heat
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simulated occupancy conditions. Applied
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Colorado, D., Ali, M.E., García-Valladares, O.
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Dittus, F.W. & Boelter, L.M.K. (1930).
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Florides, G. & Kalogirou S. (2007). Ground
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Florides, G. & Kalogirou S. (2008). First in situ
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Applied Thermal Engineering, 28, 157–163.
García-Valladares, O., Pérez-Segarra, C.D. &
Rigola, J. (2004). Numerical simulation of
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International Journal of Refrigeration, 27, 656-
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Holmgrem, M., (2007) X-steam function of
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IF97 standard.
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Pu, L., Qi, D., Li, K., Tan, H. & Li, Y. (2015).
Simulation study on the thermal performance of
vertical U-tube heat exchangers for ground
source heat pump system. Applied Thermal
Engineering, 79, 202-213.
123
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 123-129
Análisis Termográfico y Propuesta de Mejoras para la Eficiencia Energética del
Edificio de Docencia #1
MAYORQUIN-ROBLES, Jesús†*, MEDINA-MUÑOZ, Luis, RODRÍGUEZ-SENDAY, José y
VILLALVAZO-LAUREANO, Efrain.
Recibido Julio 11, 2016; Aceptado Agosto 23, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
Este trabajo contiene información técnica y
resultados del diagnóstico energético realizado en el
inmueble de la Universidad Tecnológica de
Nogales-Edificio Docencia #1, ubicado en la ciudad
de Nogales, Sonora, México. Se contempla la
realización de un diagnostico energético, instalación
de registradores de parámetros eléctricos, análisis de
datos históricos de consumo y demanda facturada,
censos de carga, registros termográficos y de
luminotecnia. Esto con la finalidad de obtener
propuestas de mejoras basadas en los potenciales
ahorro identificados en los sistemas estudiados.
Termografía, Demanda Facturada,
Luminotecnia, Diagnostico Energético,
Parámetros Eléctricos
Abstract
This work contains technical information and results
of energy diagnosis made in the building of the
Technological University of Nogales - Teaching
Building # 1, located in the city of Nogales , Sonora
,Mexico.Conducting energy diagnostics ,
installation of electrical parameters recorders ,
historical data analysis and billed consumer demand
, freight surveys , thermographic records and
lighting is contemplated. This in order to obtain
proposals for improvements based on potential
savings identified in the systems studied.
Thermography, Demand Billed, Lighting,
Diagnostic Energy, Power Parameters
___________________________________________________________________________________________________
Citación: MAYORQUIN-ROBLES, Jesús, MEDINA-MUÑOZ, Luis, RODRÍGUEZ-SENDAY, José y VILLALVAZO-
LAUREANO, Efrain. Análisis Termográfico y Propuesta de Mejoras para la Eficiencia Energética del Edificio de Docencia
#1. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 123-129
___________________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________
* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
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Eficiencia Energética del Edificio de Docencia #1. Revista de
Aplicaciones de la Ingeniería 2016
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 123-129
Introducción
Ante la magnitud con la que se dejan sentir los
efectos del calentamiento global, generado por
las emisiones de los Gases de Efecto
Invernadero (GEI), que se reflejan en
fenómenos meteorológicos, pérdidas materiales
a causa de sequías e inundaciones, con los
consecuentes daños económicos y sociales,
resulta impostergable el diseño, adopción y
aplicación de medidas orientadas al uso
eficiente de la energía eléctrica y por tanto a la
disminución de emisión de contaminantes a la
atmósfera.
Es precisamente con este propósito que se
pretende trabajar plenamente comprometido en
logra metas que contribuyan al desarrollo
sustentable dentro de la institución y así mismo
a consolidar la estrategia nacional de transición
energética y aprovechamiento sustentable de la
energía, siempre con una actitud vinculante con
todos los sectores de la sociedad.
Planteamiento
Los análisis, mediciones y evaluaciones de los
principales equipos, sistemas y procesos
consumidores de energía en la Institución, han
permitido determinar la eficiencia energética y
las posibilidades de mejora, modernización y
ahorro de las mismas. A estos análisis,
evaluaciones y mediciones, cuando se realizan
de manera sistemática, objetiva y metodológica
se atribuye el nombre de ‘diagnósticos
energéticos’. Los diagnósticos energéticos
permiten determinar los potenciales de ahorro
de energía involucrados en los procesos.
Para llevar a cabo este análisis
energético se utilizó la termografía infrarroja, la
cual es una técnica no destructiva que permite
medir, a través de una cámara termográfica, la
temperatura de una superficie y localizar con
precisión las perdidas y demandas de energía;
por tanto con el empleo de esta técnica nos
ayudará a estudiar las propiedades energéticas o
niveles de aislamiento del edificio de docencia
# 1 de la Universidad Tecnológica de Nogales
Sonora Mexico.
El presente trabajo se mostrará
información técnica y resultados del
diagnóstico energético realizado a dicho
inmueble. El edificio analizado cuenta con
aulas de clase, oficinas para profesores y un
laboratorio de cómputo.
A continuación, en la figura 1 se
presenta la ubicación y orientación del
inmueble a través de una imagen satelital.
Figura 1 Imagen Satelital del Edificio
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Aplicaciones de la Ingeniería 2016
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 123-129
Desarrollo
Diagnóstico Energético
Para iniciar el proceso de implementación de
ahorro de energía eléctrica, se debe llevar a
cabo una reunión de coordinación con los
reponsables de la superficion de la edificación a
la cual se le realizará el estudio. Esto con la
finalidad de poder identificar las características
principales sobre el comportamiento energético
de la institución, asi como también para tener
en cuenta el periodo de utilización de la energía
dentro del inmbueble.
Por tanto, será necesario un recorrido
preliminar por las instalaciones con el objetivo
de lograr una inspección visual de las áreas en
general, para así poder obtener un panorama
generalizado del estado energético y las
oportunidades de ahorro de energía eléctrica
existentes. Con el desarrollo de dicha actividad
se busca tener especial atención en los hábitos
de las personas que hacen uso del inmueble, el
estado general de los equipos, la antigüedad de
los mismos, el nivel de iluminación de las
áreas, entre otras cosas adicionales.
Para estimar el uso de la energía
eléctrica en la edificación estudiada y
determinar las mediciones que posteriormente
se realizaran, fue necesario representar datos
históricos de demanda eléctrica facturada de al
menos los 2 ultimos años, para evaluar el
comportamiento energético del usuario y
detectar patrones de consumo, tal y como lo
muestra el Gráfico 1 y la Tabla 1.
Gráfico 1 Demanda Facturable
Tabla 1 Datos de Demanda Facturable en kWh
Por otra parte tenemos los datos
arrojados del comportamiento histórico del
consumo, los cuales están ilustrado en la
siguiente Gráfica 2 y Tabla 2.
Gráfico 2 Consumos
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Aplicaciones de la Ingeniería 2016
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 123-129
Tabla 2 Datos de consumos
Análisis Termográfico
Con la ayuda de la termografía, la cual es una
herramienta basada en el estudio de la
temperatura de los equipos e instalaciones de
una empresa sin interrumpir su ciclo de
producción. Normalmente los problemas en los
equipos, se evidencían por las alteraciones en
su temperatura.
Hay que tener en cuenta que para
obtener un buen estudio general de la calidad
del servicio eléctrico es fundamental el
diagnóstico energético, es por ello que se deben
verificar los problemas causados por las
posibles variaciones significativas de corriente
y tensión, ocasionadas por el envejecimiento de
los equipos eléctricos por sobrecalentamiento
en motores, tableros eléctricos, transformadores
e iluminación.
Es por ello que se utilizó un registro
termográfico de la subestación de la
edificación, la cual se muestra en la siguiente
Fig.2, la cual muestra las condiciones de
operación de la misma.
Figura 2 Termografía a Transformador de Edificio
La termografía realizada al
transformador del edificio, arrojó que la
temperatura del mismo está cercana a los 40°C.
Estar cerca o por debajo de este nivel de
temperatura asegura su buen funcionamiento y
evita la degradación de éste.
Ademas, se observó que la capacidad
del transformador instalado es la suficiente para
suministrar las necesidades energéticas de la
institución. Se encontró un transformador en
total que alimenta el edificio, con una
capacidad de 300 kVA que se muestra en la
Fig. 3.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 123-129
Figura 3 Transformador de Pedestal de 300 kVA
Tambien se detectó que las fases del
sistema se encuentran desbalanceadas, lo cual
no es benéfico para el funcionamiento óptimo
del transformador.
Por último, se estima que el porcentaje
de utilización para el transformador, oscila
entre un 20.57%, lo cual determina que nuestra
subestación no se encuentra sobrecargada.
Continuando con el estudio
termográfico del edificio, se procedió a realizar
el análisis a los tableros eléctricos de
distribución, los cuales se muestran en la Fig. 4.
Dando como resultado un desbalanceo en las
líneas, por lo que se puede apreciar en las
imágenes.
Figura 4 Termografia de Tablero de Distribucion
Tambien se tomaron imágenes de los
puntos más críticos del edificio, para poder
identificar los puntos de sobrecalentamiento, y
asi poder hacer una evaluación del sistema de
climatización y refrigeración, ayudando con
esto en la eficiencia de los mismos y en el
ahorro energético del inmueble. Por lo que se
obtuvieron los siguientes resultados, en las Fig.
5 y 6 mostradas a continuación.
Figura 5 Termografia de Aspectos Criticos del Edificio.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 123-129
Figura 6 Termografia de Aspectos Criticos del Edificio.
Resultados
Las deducciones de la investigación, muestran
que después de haber aplicado el estudio
termográfico y de acuerdo a las figuras
mostradas anteriormente, determinamos lo
siguiente:
- Transformador en estado óptimo de
funcionamiento y sin sobrecarga.
- Tableros de distribución un tanto
desbalanceados, por lo que será
necesario realizar un próximo estudio de
balanceo de carga que ayude a
solucionar dicho problema.
- En cuando a las condiciones críticas del
edificio, se encontró con que los
parasoles del inmueble protegen
solamente a los ventanales superiores,
mientras que los inferiores se
encuentran desprotegidos, provocando
una entrada excesiva de calor
ocasionado un consumo extra de energía
electrica de las unidades de aire
acondicionado.
Recomendaciones
De acuerdo al análisis realizado previamente, se
determinan las recomendaciones de ahorro de
energía siguiente:
- Se tiene que colocar un buen aislante
térmico que ayude a los sistemas de aire
a mantener una temperatura de confort
dentro del local.
- Instalar sistemas de sombreado en
ventanas para bloquear la introducción
del calor solar al interior del edificio.
- En cuanto a la iluminación se refiere se
recomienda sustituir lámparas T12 por
lámparas T8 o T5 con balastro
electrónico.
- En cuanto a los equipos de refrigeración
se refiere, se recomienda seccionar los
espacios a refrigerar y aislarlos
térmicamente para tener una mejor
conservación de la temperatura deseada
dentro de los espacios, asi como
también sustituir los equipos con
atiguedad de mas de 10 años por
unidades con tecnología Inverter.
- Instalacion de variadores de velocidad
en motrores utilizados para sistemas de
bombeo.
En la mayoría de las ocasiones en
cuanto al ahorro energético, radica en poder
lograr educar y crear conciencia en las personas
acerca de la importancia en el cuidado de la
energía.
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Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 123-129
Conclusiones
La eficiencia energética es una tendencia
necesaria debido al impacto ecológico que
representa el gasto innecesario de la energía, y
más en especial la energía eléctrica. De esta
manera con la implementación de la tecnología
termográfica desarrollada en este artículo se
puede contribuir para alcanzar el éxito en
cuanto a la eficiencia energética de las
edificaciones. Asi como también permite
ahorrar costes, reducir fallas y prolongar la vida
útil de los equipos localizados dentro del
inmueble. Sin lugar a dudas el análisis realizado
resultó una opción viable y rentable para las
intenciones iniciales acerca del ahorro
energetico del edificio.
Referencias
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Servicio Público de Energía Eléctrica. [online]
Available at:
http://sisproter.cfe.gob.mx/sisproter/documento
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http://fide.org.mx/index.php?option=com_conte
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2016].
130
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 130-138
Tabique aislante sustentable
CRUZ-CAMARGO, Pedro†* y DOMÍNGUEZ-NORIEGA, Alonso.
Recibido Julio 1, 2016; Aceptado Agosto 3, 2016
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
En la actualidad los métodos de construcción han estado
evolucionando y se busca obtener nuevos materiales de
construcción de viviendas y edificios buscando que sean más
amigables con el medio ambiente e impactando positivamente
en el bolsillo de consumidor, sabiendo que ya existen bastantes
productos que se utilizan para la construcción de viviendas y
edificios y sabiendo que no todos impactan favorablemente al
ambiente y la economía, buscamos crear un producto que
cumpla con los requerimientos de contribuir favorablemente al
medio ambiente al utilizar material que ya es desperdicio y
reciclarlo para crear un tabique sustentable que favorece la
economía del consumidor al ser un producto aislante, además
que este tabique no requiere ser quemado en hornos que
generan una gran contaminación. Estos tabiques sustentables
son realizados con una mezcla de celulosa en y otros materiales
amigables con el medio ambiente y no dañan los ecosistemas al
momento de procesar este producto. En este proyecto se utilizó
tecnología termografía como parámetro de eficiencia térmica, al
realizarle pruebas y compararlo con otros productos similares
que se utilizan en la región noroeste del país, dando como
resultado que el tabique aislante sustentable presento mejores
resultados.
Tabique, Sustentable, Construcción, Termografía
Infrarroja, Medio Ambiente
Abstract
At present the methods of construction have been evolving and
one seeks to obtain new materials of construction of housings
and buildings looking that are more amicable with the
environment and affecting positively the consumer's pocket,
knowing that already there exist enough products that are in use
for the construction of housings and buildings and knowing that
not they all strike favorably to the environment and the
economy, we seek to create a product that expires with the
requirements of contributing favorably to the environment on
having used material that already is a waste and to recycle it to
create a sustainable partition that favors the economy of the
consumer to the being an insulating product, besides the fact
that this partition does not need to be burned in ovens that
generate a great pollution. These sustainable partitions are
realized by a cellulose mixture in and other amicable materials
by the environment and do not damage the ecosystems to the
moment to process this product. In this project technology was
in use thermography as parameter of thermal efficiency, on tests
having fulfilled him and to compare it with other similar
products that are in use in the region northwest of the country,
giving as result that the insulating sustainable partition I
present better results.
Partition, Sustainable Development, Construction, Infrared
Thermography, Environment
___________________________________________________________________________________________________
Citación: CRUZ-CAMARGO, Pedro y DOMÍNGUEZ-NORIEGA, Alonso. Tabique aislante sustentable. Revista de
Aplicaciones de la Ingeniería 2016, 3-8: 130-138
___________________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________
* Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
† Investigador contribuyendo como primer autor.
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Tabique aislante sustentable. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería
2016
131
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 130-138
Introducción
El ahorro de energía eléctrica es de gran
importancia, por un lado se reduce la emisión
de contaminantes al medio ambiente y por el
otro se genera un ahorro en el gasto familiar
El ahorro que se está planteando es
fundamentado en la utilización de un tabique
fabricado a base de papel de desperdicio con
propiedades aislantes, para ser usado en
sistemas constructivos de viviendas o
comercios, obteniendo los siguientes
beneficios:
- Ahorra costos de energía e instalación.
- Baja conductividad térmica.
- Doble uso: aislante y elemento de
construcción.
- Buena resistencia.
- Fácil aplicación (igual que en tabique
común).
Se crea valor para todos aquellos jefes o
jefas de familia de un nivel socioeconómico
bajo a medio que buscan mantener sus espacios
con un clima confortable y ahorrar energía
eléctrica construyendo sus viviendas con este
tabique sustentable. El producto ofrecido está
enfocado a un segmento mixto, tanto a
viviendas como a empresas dedicadas a la
construcción, en donde se pueda usar el
producto. La zona de influencia son las
regiones áridas y semiáridas de los estados de
Sonora y Baja california, sin limitarse a otros
estados.
Las características principales son:
Producto novedoso.
Precio bajo.
Ecológico, hecho a base de papel de
desperdicio.
Reducción de consumo de energía
eléctrica.
Pegado similar al común.
Fabricantes locales.
No propaga el fuego.
¿Qué me diferencia tiene de la
competencia?
Precio Bajo, (se construye y aisla)
Ahorro de energía eléctrica al usarlo en
muros de viviendas.
Producción propia y local.
Ecológico.
No daña el medio ambiente ni la salud
en su producción ya que no requiere hornos
para el curado, este se cura al medio ambiente
Fundamentado en lo antes descrito la
solucion a esta problemática se basa en la
producción de un tabique térmico, encauzando
de una forma autosustentable el papel de
desperdicio y reduciendo el impacto negativo al
ambiente.
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Tabique aislante sustentable. Revista de Aplicaciones de la Ingeniería
2016
132
Artículo Revista de Aplicaciones de la Ingenieria Septiembre 2016 Vol.3 No.8 130-138
Otra problemática que se presenta son
las grandes cantidades de contaminación al
ambiente por la utilización de hornos de
quemado en la fabricación del tabique
tradicional (Figura 1), afectando de gran
manera la salud de los habitantes de esa zona.
Figura 1 Contaminación ambiental y visual del lugar de
fabricación del tabique tradicional.
Desarrollo y Análisis del Tabique Aislante
Sustentable.
La normatividad de la Organismo Nacional de
Normalización y Certificación de la
Construcción y Edificación, S.C. (ONNCCE)
tiene como propósito contribuir a la mejora de
la calidad de los productos, procesos, sistemas
y servicios.
Para el estudio del tabique Aislante
Sustentable se basa en la norma NMX-J-C-I-
489-ANCE-ONNCCE-NYCE-2014
estableciendo los requisitos para el diseño,
construcción y operación de las edificaciones
sustentables y energéticamente eficientes
denominadas centros de datos de alto
desempeño (CDAD).
Entre los requisitos de esta norma se
incluyen, los criterios:
De diseño, construcción y operación que
aseguren la eficiencia energética y
sustentabilidad.
Que establecen el balance de los riesgos
y enfocan las oportunidades en el uso de la
tecnología de información.
Para el uso de:
Materiales y equipos que incluyan un
estudio de análisis del ciclo de vida.
Una métrica de eficiencia energética.
Las mejores prácticas de instalación de
los sistemas involucrados.
Un sistema de clasificación de los
centros de datos que integren los temas de:
sustentabilidad, eficiencia energética,
gobernabilidad, riesgo y cumplimiento
Esta norma mexicana es aplicable a las
edificaciones especializadas que alberguen
CDAD y que se ubiquen en territorio nacional,
públicas o privadas; en conjunto de edificios
urbanos y sus obras exteriores, nuevas o usadas
parcialmente o en la totalidad de su superficie y
en cualquier modalidad: en operación,
construcción nueva, remodelación,
reestructuración y ampliación.
El requisito de estudio que se analizara
es el de métricas de eficiencia energética en los
tabiques, con el propósito de conocer la
disipación de calor que este producto tiene.
Datos técnicos del producto.
El producto que se está manejando para su
estudio (Tabique Aislante Sustentable), tiene
las siguientes características:
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Medidas promedio: 5in * 2.5in * 10in lo
cual tiene un volumen promedio de 125 in3,
quitando el hueco del tabique de medidas
promedio de 1.5in * 5.5in * 0.5in, (Figura 2). El
Tabique Aislante Sustentable tiene un volumen
promedio total de 120.87 in3.
Convirtiendo estas medida al sistema
internacional se obtiene un volumen de
0.00198070443 m3.
Figura 2 Medición de Tabique Termico.
Este producto tiene un peso promedio de
2.18kg, los cuales son 21.3785 newton que
convirtiéndolo a masa el material tiene una
densidad de 1100.19 kg/m3.
Comparado con el producto típico de
construcción en esta región (Tabique tradicional
de Arcilla) este tiene un volumen de
0.00171605 m3
que también es igual a 104 in3,
con un peso de 2.03 kg. El material tiene una
densidad de 1182.94 kg/m3.
Por lo tanto la construcción de 1m2 de tabique
aislante sustentable es de menor peso que la de
1m2 de tabique típico en un 7%.
Se le tomaron imágenes termografiacas
con equipo especializado (Figura 3), esto sivio
para tomar temperaturas y observar el
comportamiento térmico del los tabiques
(figura 5, figura 6), dandonos las métricas de
los productos.
Métrica de eficiencia energética.
Según la norma NMX-J-C-I-489-ANCE-
ONNCCE-NYCE-2014 establece que se debe
tener una métrica, la cual será la disipación de
calor con respecto al tiempo.
El tabique térmico se expuso a una
temperatura de 0 oC, exponiéndolo a una
temperatura ambiente de 26.4 oC, disipando
calor del punto más caliente al más frio
comportándose como muestra el grafico 1. Las
lecturas de la prueba se tomaran cada 5 min
para tener el parámetro del tiempo. En el
grafico 1 y 2, figura 5 y 6, podemos observar el
comportamiento.
De igual manera en la siguiente prueba
el tabique térmico se expuso a una temperatura
de 197 oF, exponiéndolo a una temperatura
ambiente de 26.4 oC, disipando calor del punto
más caliente al más frio comportándose como
muestra el grafico 1. Las lecturas de la prueba
se tomaran cada 5 min para tener el parámetro
del tiempo. En el grafico 1 y 2, figura 5 y 6,
podemos observar el comportamiento.
Inclusión de Graficos, Figuras y Tablas
Figura 4 Medición de Tabique Termico.
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Figura 3 Camara termografica.
Gráfico 1 Temperatura de disipación con respecto al
tiempo a 0 oC (tabique comun).
Figura 5 Comportamiento térmico del tabique común
con respecto al tiempo sometido a 0 oC.
Temperaturas de tabique comun con respecto al
timpo
Maxima Minima Tiempo de disipacion
81.5 36.8 0
79.4 44.9 5
81.3 47.3 10
77 51.9 15
74.7 54.3 20
80.7 57.3 25
77.4 59 30
76.4 61.3 35
77.7 64.1 40
81.5 65.6 45
81.3 67.2 50
78.9 68.7 55
78.8 69.2 60
Nota: Temperatura en Fahrenheit y tiempo en
minutos
Tabla 1 Comportamiento de la temperatura máxima y
minina con respecto al tiempo a 0 oC (tabique comun).
Grafico 2 Muestra la temperatura de disipación con
respecto al tiempo a 0 oC (tabique aislante sustentable).
Figura 6 Comportamiento térmico del tabique Aislante
Sustentable con respecto al tiempo sometido a 0 oC.
0 20 40 60 80
36,8
47,3
54,3
59
64,1
67,2
69,2
Timpo en Minutos
Tem
pe
ratu
ra e
n F
ahre
nh
eit
0 20 40 60 80
34,3
38,5
41,4
46
51,3
54,7
56,8
Tiempo en Minutos
Tem
pe
ratu
ra e
n
Fah
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it
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Temperaturas de tabique Aislante con respecto al
timpo
Maxima Minima Tiempo de disipación
81.7 34.3 0
82 37.3 5
82.2 38.5 10
82 40 15
82.1 41.4 20
82 44.5 25
82.1 46 30
80.9 48.1 35
77.9 51.3 40
82 53.2 45
81.4 54.7 50
82.7 56.7 55
80.6 56.8 60
Nota: Temperatura en Fahrenheit y timpo en minutos
Tabla 2 Comportamiento de la temperatura máxima y
minina con respecto al tiempo a 0 oC (tabique aislante
sustentable).
Figura 7 Comportamiento térmico del tabique común
con respecto al tiempo sometido a alta temperatura
Temperaturas de tabique comun
con respecto al timpo
Maxima Tiempo de disipacion
195.9 0
185.3 5
178.1 10
162 15
157.4 20
149.4 25
148.1 30
144.3 35
133.6 40
132.1 45
131.8 50
130 55
129.6 60
Nota: Temperatura en Fahrenheit y timpo en
minutos
Tabla 3 Comportamiento de la temperatura máxima y
minina con respecto al tiempo sometido a alta
temperatura (tabique comun).
Grafico 3 Temperatura de disipación con respecto al
tiempo sometido a alta temperatura (tabique comun).
Figura 8 Comportamiento térmico del tabique Aislante
Sustentable con respecto al tiempo sometido a alta
temperatura.
0 20 40 60 80
195,9
178,1
157,4
148,1
133,6
131,8
129,6
Timpo en Minutos
Tem
pe
ratu
ra e
n F
ahre
nh
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Temperaturas de tabique Aislante
con respecto al timpo
Maxima Tiempo de disipacion
197 0
180.5 5
170.7 10
156.7 15
151 20
143.1 25
141.1 30
139.3 35
130.9 40
129.1 45
127.8 50
125.9 55
124.6 60
Nota: Temperatura en Fahrenheit y timpo en
minutos
Tabla 4 Comportamiento de la temperatura máxima y
minina con respecto al tiempo sometido a alta
temperatura (tabique aislante sustentable).
Grafico 4 Temperatura de disipación con respecto al
tiempo sometido a alta temperatura (tabique aislante
sustentable).
Para el uso de Ecuaciones, señalar de la
siguiente forma:
Una parte del calor en el producto de
estudio es reflejado por la misma naturaleza del
material y otra es absorbida (calor específico).
Por lo que el propósito de este estudio es
determinar el calor que se absorbió por el
material y disipado por el mismo.
Metodología a desarrollar
La técnica utilizada para este estudio es la
Termografía Infrarroja, en donde podemos
identificar las zonas de concentración de calor
en el material de estudio tenido resultados
visuales y cuantitativos.
Esta técnica de análisis permite
controlar, de forma continua o periódica, el
estado de calentamiento de un material,
comparándola a un estado normal o un valor
preestablecido. Es importante recordar que solo
permite visualizar el nivel calórico de una
superficie mediante la radiación térmica
considerada en la medición. Algunos
parámetros como el viento en la superficie,
influyen en las mediciones, en particular sobre
las superficies expuestas al exterior, como los
trasformadores eléctricos, fachadas de edificios,
etc. El efecto de almacenamiento de la
radiación infrarroja solar es casi nulo por la
mañana, lo que no ocurre al final de la tarde por
el tiempo que el material ya se expuso dicha
radiación. (Souris, 1992, pag. 111)
La termografía infrarroja no solo sirve
para buscar fallos, también puede ayudar a la
construcción de instalaciones de equipos o de
productos térmicamente equilibrados. Puede ir
desde la definición óptima de la conductividad
térmica del palo de un bombón helado hasta la
puesta a punto de una plancha o el ajuste de las
presas que realizan piezas plásticas
termomoldeadas. (Souris, 1992, pag. 114)
0 20 40 60 80
197
170,7
151
141,1
130,9
127,8
124,6
Tiempo en Minutos
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Para el estudio termografico se utilizó el
equipo de la figura No. 2 y el software
SmartView 3.5 donde se analizaron las
imágenes capturadas del material (Tabique
Aislante Sustentable, fig 1), y se obtuvieron los
resultados.
Resultados
Se produce tabique térmico para la construcción
de muros en viviendas o comercios que
requieran mantener sus espacios en una zona de
confort y al mismo tiempo ahorrar en el
consumo de energía eléctrica.
Podemos observar el comportamiento
térmico de los productos de estudio así se
obtuvo métricas de comparación de los
tabiques, comprobando que para zonas de altas
temperaturas, el tabique aislante sustentable es
de gran ayuda por la disipación de calor que
tiene este.
Las tablas y gráficos que se muestran en
el documento, observamos el comportamiento y
la métrica que nos sirve como parámetro para
hacer cumplir con este punto de la norma
NMX-J-C-I-489-ANCE-ONNCCE-NYCE-
2014.
De igual manera hay una canalización
de una forma autosustentable para el papel de
desperdicio.
Las ventajas del producto son:
- Se reduce el impacto negativo al ambiente, al
reutilizar material de desperdicio, así como se
agrega valor del aislamiento.
-Fabricado con materiales de desecho.
-Apoya en la reducción del consume de energía
eléctrica.
-Económico
-Fácil pegado con pasta del mismo material o
mortero común.
-No propaga el fuego.
-Económico.
-Puede ser usado en obra nueva,
remodelaciones o ampliaciones.
Agradecimiento
El proyecto de Tabique Aislante Sustentable
fue desarrollado con ayuda de la Universidad
Tecnológica de San Luis Río Colorado, en el
estado de Sonora por proporcionarlos las
herramientas tecnológicas para poder realizar
este estudio de una manera satisfactoria.
Conclusiones
Estamos creando valor para todos aquellos jefes
o jefas de familia de un nivel socioeconómico
bajo a medio que buscan mantener sus espacios
con un clima confortable y ahorrar energía
eléctrica construyendo sus viviendas con este
tabique sustentable. El producto que ofrecemos
está enfocado a un segmento mixto, tanto a
viviendas como a empresas dedicadas a la
construcción, en donde se pueda usar el
producto. Nuestra zona de influencia son las
regiones áridas y semiáridas de los estados de
Sonora y Baja california, sin limitarse a otros
estados.
Referencias
-Jean-Paul Souris. . (1992). Técnicas
Utilizables en Mantenimiento. El
mantenimiento, fuente de beneficios (111, 112,
114). Madrid: Ediciones Díaz de Santos, S.A.
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138
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-Norma Mexicana NMX-J-C-I-489-ANCE-
ONNCCE-NYCE-2014.
-ONNCCE. (2014). 58 normas relacionadas con
la construcción publicadas en 2014. -, de
ONNCCE Sitio web:
http://www.onncce.org.mx/index.php/carrusel/6
9-58-normas-relacionadas-con-la-construccion-
publicadas-en-2014
Instrucciones para Autores
[Titulo en Times New Roman y Negritas No.14]
Apellidos en Mayusculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en Mayusculas -2do Nombre de Autor Correo institucional en Times New Roman No.10 y Cursiva
(Indicar Fecha de Envio: Mes, Dia, Año); Aceptado (Indicar Fecha de Aceptación: Uso Exclusivo de ECORFAN)
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
Titulo
Objetivos, metodología
Contribución
(150-200 palabras)
Indicar (3-5) palabras clave en Times New
Roman y Negritas No.11
Abstract
Title
Objectives, methodology
Contribution
(150-200 words)
Keywords
___________________________________________________________________________________________________
Cita: Apellidos en Mayúsculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper.
Título de la Revista. 2015, 1-1: 1-11 – [Todo en Times New Roman No.10]
___________________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________________
*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: )
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-(Indicar el país de publicación) www.ecorfan.org/bolivia
Instrucciones para Autores
ISSN-En linea: (Indicar ISSN de Revista Seleccionada)
ECORFAN® Todos los derechos reservados
Apellidos en Mayusculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en
Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper. Titulo de
la Revista. 2015- [Redactado en Times New Roman No.9]
Introducción
Texto redactado en Times New Roman No.12,
espacio sencillo.
Explicación del tema en general y explicar
porque es importante.
¿Cuál es su valor agregado respecto de las
demás técnicas?
Enfocar claramente cada una de sus
características
Explicar con claridad el problema a solucionar
y la hipótesis central.
Explicación de las secciones del artículo
Desarrollo de Secciones y Apartados del
Artículo con numeración subsecuente
[Titulo en Times New Roman No.12, espacio
sencillo y Negrita]
Desarrollo de Articulos en Times New Roman
No.12, espacio sencillo.
Inclusión de Graficos, Figuras y Tablas-
Editables
En el contenido del artículo todo gráfico, tabla
y figura debe ser editable en formatos que
permitan modificar tamaño, tipo y número de
letra, a efectos de edición, estas deberán estar
en alta calidad, no pixeladas y deben ser
notables aun reduciendo la imagen a escala.
[Indicando el titulo en la parte inferior con
Times New Roman No.10 y Negrita]
Grafico 1 Titulo y Fuente (en cursiva).
No deberan ser imágenes- todo debe ser editable.
Figura 1 Titulo y Fuente (en cursiva).
No deberan ser imágenes- todo debe ser editable.
Tabla 1 Titulo y Fuente (en cursiva).
No deberan ser imágenes- todo debe ser editable.
Cada artículo deberá presentar de manera
separada en 3 Carpetas: a) Figuras, b) Gráficos
y c) Tablas en formato .JPG, indicando el
número en Negrita y el Titulo secuencial.
Instrucciones para Autores
ISSN-En linea: (Indicar ISSN de Revista Seleccionada)
ECORFAN® Todos los derechos reservados
Apellidos en Mayusculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en
Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper. Titulo de
la Revista. 2015- [Redactado en Times New Roman No.9]
Para el uso de Ecuaciones, señalar de la
siguiente forma:
(1)
Deberán ser editables y con numeración
alineada en el extremo derecho.
Metodología a desarrollar
Dar el significado de las variables en redacción
lineal y es importante la comparación de los
criterios usados
Resultados
Los resultados deberan ser por sección del
articulo.
Anexos
Tablas y fuentes adecuadas.
Agradecimiento
Indicar si fueron financiados por alguna
Institución, Universidad o Empresa.
Conclusiones
Explicar con claridad los resultados obtenidos y
las posiblidades de mejora.
Referencias
Utilizar sistema APA. No deben estar
numerados, tampoco con viñetas, sin embargo
en caso necesario de numerar será porque se
hace referencia o mención en alguna parte del
artículo.
Ficha Técnica
Cada artículo deberá presentar un documento
Word (.docx):
Nombre de la Revista
Título del Artículo
Abstract
Keywords
Secciones del Artículo, por ejemplo:
1. Introducción
2. Descripción del método
3. Análisis a partir de la regresión por
curva de demanda
4. Resultados
5. Agradecimiento
6. Conclusiones
7. Referencias
Nombre de Autor (es)
Correo Electrónico de Correspondencia al
Autor Referencias
Revista de Aplicaciones de la Ingeniería
Formato de Originalidad
Sucre, Chuquisaca a ____ de ____ del 20_____
Entiendo y acepto que los resultados de la dictaminación son inapelables por lo que deberán firmar los
autores antes de iniciar el proceso de revisión por pares con la reivindicación de ORIGINALIDAD de
la siguiente Obra.
Artículo (Article):
_____________________
Firma (Signature):
_____________________
Nombre (Name)
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Formato de Autorización
Sucre, Chuquisaca a ____ de ____ del 20_____
Entiendo y acepto que los resultados de la dictaminación son inapelables. En caso de ser aceptado para
su publicación, autorizo a ECORFAN-Bolivia a difundir mi trabajo en las redes electrónicas,
reimpresiones, colecciones de artículos, antologías y cualquier otro medio utilizado por él para alcanzar
un mayor auditorio.
I understand and accept that the results of evaluation are inappealable. If my article is accepted for
publication, I authorize ECORFAN-Bolivia to reproduce it in electronic data bases, reprints,
anthologies or any other media in order to reach a wider audience.
Artículo (Article):
_____________________
Firma (Signature)
_____________________
Nombre (Name)
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