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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- Case studies in electric arc furnace Off-gases transport and steam explosion onset(Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 2018-05-15) Contreras Serna, Jorge; García Cuéllar, Alejandro Javier; Rivera Solorio, Carlos Iván; López Salinas, José LuisSteel production in an EAF may pose a serious security risk in the event of water leaks into the molten steel, causing violent steam explosions. This thesis presents two important topics related to the Steel Making Industry. The first one is about the detection of water vapor (steam) inside the off-gas duct of an Electric Arc Furnace (EAF). And the Second one is about knowing the preconditions of melt fragmentation in a steam explosion. A way to detect the presence of large quantities of water inside the EAF is by monitoring its off-gas duct content of water vapor. Determining where to place a probe for water vapor detection inside the duct, is of the greatest importance as this might be the first warning for the appearance of a risk situation. A computational fluid dynamics (CFD) simulation is carried out using ANSYS Fluent software to obtain the point with highest concentration of water vapor. Water vapor channeling is assumed in the inlet of the off-gas duct so that a worst-case scenario is presented. Three-dimensional simulations were run with the inlet gas containing CO2, CO, H2O (steam), and air. The first three components enter through the duct while air enters through small gaps in the duct. Different combinations of the inlet position of CO2, CO and H2O were considered to estimate a pattern for the water vapor flow through the duct. The results show that if the steam enters in a channelized way, it will tend to continue in that path along the duct. The simulation results show the zones of the off-gas duct with a higher concentration of steam. These results can guide locating the gas probe and provide a better warning of a water leak. About the other topic, fragmentation of molten metal is an important process in steam explosions caused by melt-coolant interactions. This part of the research is dedicated to investigating how the fragmentation of the melt droplets occurs and melt jets formation in different mechanisms like a metal droplet falling in water or in a stratified water/liquid metal system. Also, an explanation of the most significant parameters in these processes is performed. 2-D computational fluid dynamics (CFD) simulations are carried out using ANSYS Fluent software to study these phenomena. The results show that the larger the pressure or density, the greater the melt jet length for a stratified system. And the larger velocity or density, the greater deformation for a melt droplet in a water pool. The formation of melt jets of Ciccarelli and Frost’s experiments is observed, and fragmentation of melt droplets was also observed during current simulations.
- Operation of a photovoltaic system in the mexican electricity market(Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 2018-05-15) Gutiérrez Andrews, Carlos Alberto; Viramontes Brown, Federico Ángel; Hernández Ramírez, José Martín; Llamas Terrés, Armando Rafael; Gutiérrez Villanueva, EfrainTaking as a study case a Photovoltaic (PV) System installed in the Development and Innovation Center of Schneider Electric a whole study was realized. The main objective was to analyze the operation of a PV system in the Mexican Electricity Market and develop tools that can make easier to evaluate the performance of the installation. It produces less than 0.5 MW, in the current regulation is consider as Distributed Generation (DG). This kind of Power Plants (PP) can be interconnected to the grid and the owner has three contract options: Net Metering, Net Billing and Total Sale of Energy. In this case the better is Net Metering because the building consumes all the energy produced, but by having a contract with a supplier this field could earn Clean Energy Certificates (CEL). Three tools were developed to evaluate the economic and technical performance. The first tool is to graph the downloaded data acquired by the monitoring system. That daily data cannot be graph as detailed by the inverter’s provided interface after a day as if the user downloads the information. The second tool is required to find the greatest values of Irradiance, Temperature or Power in a month. When this tool is feed with the files of the month, each file will be paste in a new Excel workbook’s sheet, but in the first sheet the user, has a recapitulation per day of the greatest values. With all this ordered information could be prepare a generation profile of the area, and that stats can be used in future investment decision and forecasting. Finally, the third tool is dedicated to calculated financial indicators such as Payback and IRR. Some scenarios were studied and after applying some stimulus offered by the government that are reflected in the taxes payment, better results were obtained. With this tool is possible run scenarios and evaluate the profitability of new investments.
- 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.
- Control of an Industrial Static VAr Compensator(Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 2018-05-14) García Rochín, Roberto; Valdez Reséndiz, Jesús Elías; Mayo Maldonado, Jonathan Carlos; Deschamps Rascón, AlejandroStatic VAr Compensators (SVC) are power devices that can modify the reactive power in different ways, in order to compensate either reactive power or line voltages, depending on the application at hand. For instance, SVC include thyristor controlled reactors and thyristor controlled switched capacitors that can compensate reactive power produced by variable predominantly inductive/capacitive loads. Due to the increasing number of variable loads and the new regulations in the Mexican electrical grid, these devices have acquired the attention of the Power Quality firms such as Diram, S.A. de C.V. Therefore, they sponsored the industrial SVC controller development.In this thesis, it is developed a closed-loop implementation of an industrial SVC. It compensates for the reactive power under sinusoidal and balanced conditions using the quadrature currents as the feedback signal. Also, the main power theories found in literature are reviewedand it is presented a formal definition of the reactive power using an optimization problem with constrains. Then, it is used this formal definition to obtain the main AC power theories.
- Modelos de interconexión internacional de sistemas eléctricos entre EE. UU. y México(Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 2018-05-14) Andrade Mex, Miguel Adrián; Ibarra-Yúnez, Alejandro; Llamas Terrés, Armando Rafael; Viramontes Brown, Federico ÁngelLos grandes cambios en la estructura del sistema eléctrico mexicano originados con la reforma energética; han creado nuevas oportunidades de negocio en el sector eléctrico. Una de estas oportunidades, es el interconectar los sistemas eléctricos entre dos o más países. Actualmente, la interconexión eléctrica entre EE.UU. y México es prácticamente nula, y poco se ha hecho para modificar las políticas energéticas sobre este tema. Se han hecho investigaciones sobre cómo estos modelos han funcionado en Europa y sobre sus beneficios en el desarrollo de la industria eléctrica. La interconexión entre países ha comprobado promover la eficiencia eléctrica, la reducción de costos, seguridad en el suministro eléctrico, desarrollo del bienestar social y el impulso en la utilización de energías limpias. México se beneficiaría al promover un mercado eléctrico internacional, originando una reducción en los costos de generación, transmisión, distribución y comercialización de la energía al participar en un mercado eléctrico, después de permanecer como un monopolio durante casi 70 años. Con esta investigación como tema de tesis para la Maestría de Ingeniería Energética (MIE), se espera obtener un modelo de planeación del sistema eléctrico mexicano enfocado en su componente internacional en el desarrollo de interconexiones de los sistemas eléctricos, obtener una idea de los beneficios que esto traería si se aplica en el corto plazo y el cómo deberían cambiar las políticas actuales de gestión de recursos energéticos.
- Pronósticos de venta de energía en el nuevo mercado eléctrico mexicano para modelo de oportunidad del parque fotovoltaico Schneider Electric PIIT operando con baterías(Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 2018-05-14) Jorge Armando Orozco Martínez; Llamas Terrés, Armando Rafael; Viramontes Brown, Federico Ángel; Gutiérrez Villanueva, Efraín; Hernández Ramírez, José Martin; Viramontes Brown, Federico ÁngelLa generación de electricidad por medio de paneles fotovoltaicos se presenta a nivel mundial como una de las alternativas más adecuadas debido a la necesidad de disponer de una fuente de energía limpia y compatible con el medio ambiente. Este proyecto implica entender todo el panorama del nuevo mercado eléctrico, para establecer bajo que modalidades puede participar la compañía Schneider Electric PIIT con su parque fotovoltaico, y bajo cuál esquema sería más conveniente vender su energía producida. El precio al que se paga la energía en el nuevo mercado se le llama “Precio Marginal Local” el cuál varia cada hora y cada día, debido a esto es necesario establecer pronósticos y dimensionar un banco de baterías, para tener un control respecto a qué hora vender la energía (cuando el precio es punta) y cuando cargar banco de baterías (cuando el precio es bajo). Se estudiaron todas la implicaciones que trajo consigo los nuevos reglamentos con respecto a la nueva reforma energética del 2014 y el nuevo mercado eléctrico planteado con esta, analizando a detalle la Ley de la Industria Eléctrica (LIE) publicada en agosto del 2014, la Ley de la Transición Energética (LTE) publicada en diciembre 2015, los Diarios Oficiales de la Federación (DOF’s) que relacionan directamente los temas de generación distribuida (generación con capacidad menor a 500kW de capacidad) siendo estos: “Manual de Interconexión de Centrales de Generación con Capacidad menor a 0.5 MW” publicado en Diciembre del 2016, “disposiciones administrativas de carácter general, los modelos de contrato, la metodología de cálculo de contraprestación y las especificaciones técnicas generales, aplicables a las centrales eléctricas de generación distribuida y generación limpia distribuida” publicado en Marzo del 2017, “Las Bases del Mercado Eléctrico” publicadas en septiembre del 2015 y también el DOF que establece las bases de los Certificados de Energías Limpias (CELs) “criterios para el otorgamiento de Certificados de Energías Limpias y los requisitos para su adquisición.” Publicado en octubre del 2014. Además, también fue necesario estudiar otros documentos relacionados con el nuevo mercado eléctrico publicados de manera extraoficial para tener otras perspectivas y un entendimiento más claro de varios conceptos, como los publicados por la empresa “PWC México”. Los resultados obtenidos en esta investigación ofrecen la oportunidad de analizar a detalle la posibilidad de verificar la factibilidad o no, de participar en el nuevo mercado eléctrico mexicano con un parque fotovoltaico operando con un banco de baterías ofertando en horas estimadas con precios elevados, a través de, la implementación de pronósticos.
- Aprovechamiento de calor de gases de combustión en una planta acerera(Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 2018-05-14) Ugalde Barrales, Francisco Javier; Sánchez Cisneros, Gilberto; Lozano García, Francisco José; Álvarez Guerra, Alejandro JuanLos consumos energéticos en la industria del acero son diversos y representan un porcentaje significativo en el costo final del producto. México se encuentra en una transición energética efecto de los últimos cambios políticos y económicos de la nación. Tal transición abarca áreas como eficiencia energética y el uso de combustibles fósiles. Los procesos de una planta acerera generan enormes cantidades de gases de combustión desde sus chimeneas en equipos que queman gas natural. Se plantea realizar análisis técnico y económico comparativo de diferentes tecnologías de recuperación de calor comerciales. La meta del presente proyecto es analizar un caso real de aprovechamiento de calor residual de los gases de combustión proveniente de una chimenea en una planta acerera local, aplicando una tecnología que recupere el contenido energético no aprovechado a través de estos efluentes, para satisfacer una necesidad ya existente en la planta. La comparación técnica, producto del análisis de un equipo calentador, muestra que un ciclo Rankine orgánico básico entregaría 19kW de energía, una enfriadora de absorción de una etapa con COP=0.75 tendría una carga de o 111.7 TR (392kW); un generador de vapor suministraría 400 kg/s de vapor saturado a 5.5 kg/cm^2 y un precalentador de aire elevaría la temperatura del aire de combustión a 70°C generando un ahorro de 25 Nm3 de gas natural. En el análisis económico se utilizan métricas de costos equivalentes cuyos resultados entregan menores costos para las tecnologías de precalentamiento de aire y generación de vapor; y con el desarrollo de los estados de pérdidas y ganancias se demuestra que las tecnologías con mayor rentabilidad son la refrigeración por absorción con enfriadora de gases directos, y el precalentamiento de aire de combustión. Estas dos tecnologías cumplen con necesidades del área donde se encuentra el equipo calentador, generando ahorros y fomentando la eficiencia energética en la planta; de modo que queda a criterio de los directivos la elección de la tecnología a implementar. Se plantea como trabajo futuro que se validen estas tecnologías ante el mercado de bonos de carbono próximo a iniciar en México para obtener mayor rentabilidad en las tecnologías estudiadas.
- Modelado y Control de un Convertidor CD-CD Boost Intercalado(Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 2017-05-16) Villarreal-Hernández, Carlos A.; Mayo Maldonado, Jonathan C.; Valdez Reséndiz, Jesús E.; Micheloud Vernackt, OsvaldoEl convertidor propuesto es de tipo intercalado, con alta ganancia y con capacidad de eliminación del rizo de corriente a la entrada. Esta última característica es altamente deseable en un convertidor, pues se ha demostrado que la presencia de rizo de corriente disminuye la vida útil de paneles solares y su eficiencia. La ventaja que se presenta sobre otras topologías, es la posibilidad de seleccionar el punto de operación arbitrario donde se cancela el rizo de corriente. Esto representa una ventaja sobre otras topologías cuyo punto de operación está restringido.
- 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.