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.
- 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.
- 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.
- Armónicas en Rectificadores Trifásicos y Disminución de Sobrevoltajes Transitorios en Controladores de Corriente Directa(Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, 01/08/2004) Sánchez Viveros, Luis A.; Llamas Terrés, Armando R.; De los Reyes P., Jorge A.; Simental Ángulo, Sergio; ItesmLa electrónica de potencia ha ayudando a implementar procesos de producción más eficientes en la industria, sin embargo, provoca disturbios eléctricos que se tienen que limitar o bien se debe proteger todas las cargas sensibles de sus efectos. El presente trabajo muestra cómo se puede mitigar dos problemas de calidad de energía eléctrica, armónicas y sobre voltajes transitorios, en aplicaciones como rectificadores trifásicos y controladores de velocidad. Cuando hablamos de armónicas nos referimos a las corrientes y voltajes cuyas frecuencias son mÚltiplos de la frecuencia fundamental de la alimentación. Las cargas no lineales conectadas a la red eléctrica absorben corrientes en impulsos bruscos. Estos impulsos crean ondas de corriente distorsionadas que originan a su vez corrientes armónicas de retorno hacia otras partes del sistema de alimentación. Los rectificadores monofásicos y trifásicos son el ejemplo más típico de cargas no lineales que se encuentran operando en todos los sistemas eléctricos industriales. El empleo de transformadores para rectificación se ha convertido en una práctica muy comÚn en las empresas manufactureras que, dentro de sus procesos, operan hornos de inducción. En este trabajo se muestra la configuración y los pasos a seguir para implementar un rectificador de 24 pulsos basado en un arreglo de bancos de transformadores. Se destaca las ventajas que existen entre los esquemas de 6, 12 y 24 pulsos para la rectificación. En líneas de prensas donde se utilizan controladores de velocidad para los motores, la presencia de sobre voltaje transitorios, es un problema que afecta a los dispositivos sensibles del sistema. Se presenta el caso donde, dentro de una línea de 10 motores que se controlan por controladores de CD con reactores en serie, la generación de sobre voltajes transitorios es muy severa afectando la producción. Se comprueba que la instalación de bancos de transformadores para la rectificación en 24 pulsos, disminuye el porcentaje de distorsión armónica que se inyecta a la red, además se obtiene una mejor salida. Se demuestra también que la instalación de reactores de choque para protección de los motores en una línea donde se encuentran controladores conectados en paralelo, no siempre resulta ser efectiva, ya que agrava los disturbios que generan los propios controladores, provocando su falla. Se demuestra la efectividad de una propuesta de protección para los controladores mediante el uso de vectores.