Ciencias Exactas y Ciencias de la Salud
Permanent URI for this collectionhttps://hdl.handle.net/11285/551039
Pertenecen a esta colección Tesis y Trabajos de grado de las Maestrías correspondientes a las Escuelas de Ingeniería y Ciencias así como a Medicina y Ciencias de la Salud.
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- Study of heat transfer in tubular-panel and spray cooling systems applied to the electric arc furnace walls(Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 2018-05-15) Contreras-Serna, Josué; Rivera Solorio, Carlos Iván; García Cuéllar, Alejandro Javier; López Salinas, José LuisThis project consists in a heat transfer study in the electric arc furnace (EAF) walls, focused in the tubular-panel and spray cooling systems for the EAF located at Ternium-Guerrero plant, in the northeastern region of Mexico. The tubular-panel system is the one currently used to keep the walls cooled, composed of a total of 14 tubular panels. More dangerous accidents in the EAF operation, are the water steam explosions, which occur due to water leaks in the piping system inside the furnace. Spray cooling is given from the outside of the EAF, reducing the possibility of water directly impacting molten steel. The main purpose of this research is to know the operational conditions of both systems, verifying if the spray cooling system could be as good as the tubular system for the removal of heat on walls, efficiency and keeping the walls at low temperatures. The following procedures were used to estimate the water flow distribution in the cooling systems and the heat transfer in the walls. Piping network configurations are proposed for both systems. Models that consider surface-energy balances between different layers of the EAF’s walls and the heat radiated onto the walls by the electric arc and the molten-slag surface are developed herein. Conventional correlations were used for determining the heat transfer coefficients inside the tubular panels (Internal convection) and alternate correlations for determining the heat transfer coefficients for the external convection (spray cooling). Additional scenarios were done trying to improve the operational conditions and heat removal of each system. Water flow regulation by valves in each panel in tubular system and jet nozzles are used instead of spray nozzles in the spray system to verify the effectiveness of the spray cooling. The study was conducted via a parametric analysis in which the principal factors governing the process—the arc coverage and slag-layer thickness adhering to the walls—were varied. The results of the tubular-panel system were compared with experimental measurements of the outlet water temperature in each panel, showing a good approximation; allowing us to predict the operational conditions of the furnace. For both systems the optimal operating condition of the EAF, is when the arc is completely covered and the maximal thickness of the slag-layer that can be reached is around to 4.5 cm, it does that energy losses to decrease significantly and to keep walls at low temperatures. The minimal temperature difference between the inlet and final flow is around to 3 K. The spray cooling system operates with a lower heat removal capacity and pressure than the tubular-panel, causing that inner wall surface temperature to be approximately 20 degrees higher than when using the tubular system for critical operating conditions. Under optimal operating conditions each nozzle removes approximately 8.5 kW of thermal power. It is concluded that each cooling system has different temperatures and heat-removal capacity, which are highly dependent on the water flow within them. It is proved that slag-layer thickness and arc-coverage factors significantly affect the safe operation of the EAF, as well as its energy efficiency. This is a semi-analytical study; the equations of models were obtained analytically, and an equation-solver program is necessary to treat the non-linear equations obtained. Relatively few computational resources are required for this method.
- Determinación de CLTD para cargas de enfriamiento de edificaciones ubicadas en ciudades de clima cálido en México(2017-05-20) Vallejo Coral, Evelyn Catalina; Rivera Solorio, Carlos Iván; Gijón Rivera, Miguel Angel; López Salinas, José LuisEn México, el mayor consumo de energía eléctrica se presenta en las épocas de verano debido al uso de sistemas de acondicionamiento de aire. Debido a esto, el mayor porcentaje de viviendas que cuentan con equipos de aire acondicionado se encuentra en las zonas climáticas con mayores temperaturas ambientales. La estimación, más precisa, de las cargas de enfriamiento para el dimensionamiento de equipos representa un área de oportunidad para disminuir el consumo de energía eléctrica debido a que, aproximadamente, la mitad del territorio mexicano se encuentra en zonas climáticas en las cuales, más del 30% de las viviendas cuentas con sistemas o equipos de aire acondicionado. El método CLTD/SCL/CLF es un procedimiento de un solo paso para la estimación de cargas térmicas de enfriamiento a causa de calor ganado a través de paredes expuestas al sol y a través de techos. El método considera la naturaleza transitoria del fenómeno de transferencia de calor y la inercia térmica de los elementos. El objetivo principal del este proyecto fue determinar los valores CLTD para techos planos y paredes a partir de la temperatura en la superficie interna, la cual se obtuvo mediante la solución del modelo matemático que considera la transferencia de calor en estado transitorio a través de los elementos de la envolvente. Un algoritmo computacional fue desarrollado para obtener la solución de modelo matemático, que representa el fenómeno analizado, mediante la técnica de la transformada finita compleja de Fourier (CFFT). Para validar la temperatura interna calculada con el algoritmo se obtuvieron datos experimentales acerca del comportamiento térmico de una pared de bloque orientada hacia el oeste y un techo de concreto que forman parte de un espacio climatizado en la Casa Solar, ubicada en el campus del ITESM en Monterrey. Los valores de CLTD, para una edificación en Turquía, reportados por Adil & Yumrutas (2015), se consideraron como caso de referencia para comparar con los resultados obtenidos mediante el algoritmo considerando los parámetros térmicos de referencia. Los factores CLTD del techo presentaron correspondencia cualitativa y cuantitativa a los valores reportados y para la pared se observó únicamente correspondencia cualitativa debido a que, existe incertidumbre en varios datos de entrada. Para conocer las ventajas acerca de la aplicación de CLTD determinados en base a condiciones térmicas locales, se aplicó los factores de corrección establecidos por ASHRAE para Monterrey en dos casos de estudio (pared N°3 y techo N°13, codificación ASHRAE). Se observó que, los CLTD calculados mediante el algoritmo desarrollado son menores a los definidos por ASHRAE para Monterrey. Se seleccionaron tres materiales resistentes para paredes (ladrillo, bloque de concreto y bloque de ladrillo) y tres materiales para techos (concreto, bovedilla de poliestireno expandido y poliestireno extruido) en base a los cuales se establecieron 6 casos de estudio para determinar los factores CLTD en Monterrey, Veracruz y Mexicali. Se observó que, el bloque de adobe es el material aislante más recomendado para la construcción de paredes y que la vigueta con bovedilla de poliestireno expandido es la mejor configuración de techo para disminuir el calor transferido hacia el interior, en comparación a los techos de vigueta con bovedilla de concreto o losa maciza de concreto. Finalmente se concluyó que, la utilización factores CLTD que no consideran las condiciones locales pueden sobredimensionar la carga de enfriamiento requerida en un sistema de acondicionamiento de aire
- Modelación del comportamiento térmico y extracción de energía de un estanque solar(2017-05-15) Vallejo Narro, Adriana; Rivera Solorio, Carlos Iván; López Salinas, José Luis; García Cuéllar, Alejandro JavierSe realizó un modelo computacional para estudiar el comportamiento térmico y extracción de energía de un estanque solar. Éste modelo depende de las condiciones ambientales del sitio y de las dimensiones del estanque solar. Se calcularon y analizaron las pérdidas de calor de cada mecanismo (convección, evaporación, radiación y a través de las paredes y el suelo), utilizando diferentes modelos de absorción de radiación, de evaporación y de convección. Se acopló al modelo el cálculo de la extracción de energía mediante un intercambiador de calor situado en la LCZ. Para resolver las ecuaciones gobernantes, se utilizó el método de diferencias finitas explícito y se tomó la medición del perfil de temperatura inicial del estaque como condición inicial. Por otro lado, como condición de frontera con la zona no convectiva, se tomaron las temperaturas de las zonas convectivas superior e inferior, calculadas a partir de un balance de energía. Se diseñó e instaló un estanque solar de 5m3 con un intercambiador de calor CFI, en la Casa Solar del Tecnológico de Monterrey, y se validaron los resultados numéricos con los experimentales. Por último, se estudió la aplicación del modelo al estudio de un caso práctico y se calculó una estimación de ahorros y retorno simple de inversión.
- Aplicación de nanofluidos en un concentrador solar parabólico lineal para aprovechamiento de energía térmica(2017-05-15) Bretado de los Rios, Mariana Soledad; Rivera Solorio, Carlos Iván; López Salinas, José Luis; García Cuéllar, Alejandro JavierEstá investigación analiza el efecto en el desempeño térmico de un Colector Solar Parabólico Lineal (CSPL) debido a la aplicación de nanofluidos como fluido de trabajo. Se utilizan las normas ASHRAE 93-2003 Y SRCC Standard 600 2014-07 para realizar esta evaluación. Se desarrolla un modelo teórico por medio de balances de energía con el fin de comparar los resultados de desempeño térmico con pruebas experimentales y comprender mejor la influencia de los factores que afectan considerablemente el aprovechamiento de calor del concentrador. Se obtiene la eficiencia térmica experimental con la norma ISO 9806 (SRCC Standard 600 2014-07) de un CSPL desarrollado por una empresa nacional, usando agua como fluido de trabajo, para el cual se obtiene una eficiencia máxima de 40%. De igual manera se obtiene la eficiencia experimental usando nanofluidos, formados de agua como fluido base y nanopartículas de óxido de aluminio (H2O − Al2O3 ) de diámetro promedio d = 46.45 nm, cuyo efecto es incrementar la conductividad térmica del fluido base. Se mide y analiza la conductividad térmica y viscosidad del nanofluido, las cuales influyen directamente en el calor transferido del tubo al fluido. Se caracterizan las muestras de nanofluido preparadas para asegurar que la dispersión sea adecuada y la muestra sea estable y homogénea. Se realizan las pruebas con diferentes concentraciones volumétricas (ΦVol), con 3% se obtiene una eficiencia máxima de 44% y con 2% la eficiencia máxima es de 40.2%. Se encontró que usando nanopartículas se puede incrementar el calor absorbido por el fluido y por lo tanto la transferencia de calor entre el tubo receptor del CSPL y el fluido, y por ende beneficiar la eficiencia del concentrador. Uno de los aspectos importantes a considerar en el flujo de nanofluidos es el efecto de las fuerzas viscosas, ya que a menor velocidad del flujo la viscosidad puede disminuir el régimen del flujo y afectar el desempeño del concentrador.