Ingeniería Civil Mecánica

El presente informe de Habilitación Profesional tuvo como objetivo diseñar un sistema de monitoreo que permitiera la adquisición de variables de operación y rendimiento térmico de una caldera pirotubular ubicada en el edificio de laboratorios y talleres del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Bío-Bío. Para llevar a cabo lo anterior, se procedió a estudiar y aplicar conocimientos del mundo de la adquisición de datos, en cuanto a tarjetas o módulos de adquisición de datos, software LabVIEW, controladores y módulos complementarios que ayudaron a programar la adquisición de datos y el cálculo de su rendimiento térmico. En segundo lugar, se definieron aquellas variables que influyen de manera directa en el cálculo del rendimiento térmico directo e indirecto. Una vez identificadas se seleccionó un sensor de presión de vapor, un caudalímetro y una termocupla tipo J para el agua de alimentación, un caudalímetro para el combustible gas propano y un termómetro a tensión con señal de salida eléctrica para los gases de combustión. Asimismo se eligió el módulo NI 9229 debido a su capacidad de resolución, frecuencia de muestreo y rango de entrada para adquirir las señales de presión manométrica de vapor, flujo volumétrico de agua, flujo de combustible y temperatura de los gases. El otro módulo NI 9219 se escogió puesto que posee una característica de compensación por unión fría que permite eliminar automáticamente el voltaje generado por punta fría proveniente de la termocupla. Por último se efectuó el código de programación para la obtención de las variables más importantes de operación y para el cálculo del rendimiento térmico, en el software LabVIEW, tanto en la ventana de panel frontal como, en la de diagrama de bloques. Realizado un ensayo de simulación con el programa, utilizando mediciones de una experiencia anterior, los resultados obtenidos de rendimiento térmico directo e indirecto arrojaron una diferencia de un 0,72%. Por tanto, se comprueba la concordancia entre ambos rendimientos y se comprobó que las mayores pérdidas de energía son: por evaporación agua formada (8,93%), por gases secos (8,28%) y por radiación conducción y convección a través de las paredes de la caldera (6,08%), lo que sumado representa un 23,29% en energía desaprovechada. Efectuado el estudio de inversión correspondiente para implementar el diseño del sistema de adquisición de datos, se obtuvo un valor de US$ 9179.

La Empresa Compañía Siderúrgica Huachipato S.A., en su línea de producción primaria, área subproductos, posee un circuito de agua de enfriamiento y el objetivo de éste es enfriar el gas de coque proveniente de coquería para el retiro de sus impurezas, tomando gran importancia, ya que este gas es utilizado por la empresa como combustible para altos hornos y batería. Se ha producido una baja en la capacidad para enfriar el gas de coque con el agua de enfriamiento y la empresa a determinado que el equipo del circuito de agua de enfriamiento que posee mayor relevancia para el cumplimiento de esta tarea es la torre de enfriamiento. Por este motivo el Departamento de Mantención solicitó estudiar la posibilidad de aumentar la capacidad de enfriamiento de la torre actual. Por lo mencionado anteriormente este presente trabajo de título tiene como objetivo principal, el análisis y evaluación termodinámica de un equipo específico que conforma el circuito de agua de enfriamiento que es la torre de enfriamiento. Con esto se podrá determinar la capacidad y eficiencia de enfriamiento de la torre. Para el cumplimiento de los objetivos descritos anteriormente se abordaron materias como los principios básicos de termodinámica, transferencia de calor y materia, el estudio sicrométrico de las torres de enfriamiento que permitieron evaluar la capacidad y rendimiento de los equipos. Para dicho estudio se recopiló información y se realizaron mediciones con diversos equipos y como herramienta de resolución de las ecuaciones que se desprenden del estudio, se utilizó el programa EES (Engineering Equation Solver). Se analizaron factores determinantes del proceso en enfriamiento del agua con el fin de facilitar la toma de decisiones. Finalmente luego del análisis y evaluación de las variables involucradas en el proceso, se llegó a la conclusión de que la torre de enfriamiento actual no es capaz de llegar a los valores de enfriamiento esperados por la empresa. Debido a esto, se evaluaron tres alternativas que cumplían con aumentar el enfriamiento del agua, de las cuales seleccionó una bajo los criterios de costo y operatividad, la cual fue la instalación de una torre de enfriamiento adicional.

La presente Habilitación Profesional realiza una evaluación de las condiciones ambientales del recinto de la máquina papelera número dos (MP-02) de la empresa BO PAPER Bio Bio S.A. y eventuales propuestas de mejoras basadas en los estudios realizados a petición del departamento mecánico de la empresa. En la primera etapa se estudió detalladamente el proceso de fabricación de papel para poder comprender y entender de donde proviene el aire húmedo acumulado en el recinto. En la segunda etapa se evaluaron las condiciones ambientales del recinto sometido al proceso de fabricación, en la cual se midieron distintas propiedades (humedad relativa y temperatura ambiental), en distintos sitios de la máquina por medio de un anemómetro, para demostrar teóricamente a través del software EES el fenómeno (Condensación). Posteriormente se determinaron las propiedades restantes en el ambiente (temperatura de punto de rocío, humedad relativa, humedad específica etc.) con lo que se demostró que se producía condensación. Una vez demostrado el fenómeno de condensación se analizó la infraestructura del recinto para observar el sistema con el cual se extrae el aire desde el recinto (extractores, rejillas de ventilación, puertas, ventanas etc.). Posteriormente y en base a estos resultados se sugieren distintas propuestas y recomendaciones:  Instalación de material aislante en el cielo y techo del recinto, específicamente poliuretano de 50 mm de espesor, demostrado en base a un código generado en EES.  Instalación de 2 extractores ubicados en el tejado para extraer el aire caliente desde el recinto hacia el exterior.  Reemplazar los extractores existentes en el muro del recinto por otros en mejor estado y mayor capacidad de extracción.  Eliminar la madera instalada como aislante ubicada en el techo del recinto.  Instalar un pasillo en el entretecho para facilitar el acceso en caso de emergencia.  Mantener rejillas de ventilación ubicadas el norte y sur del recinto que permitan al aire escapar hacia el exterior por medio de ductos. El costo total de inversión para la empresa BO PAPER Bio Bio S.A., para instaurar estas propuestas es de $ 44.585.750,23.

La presente Habilitación Profesional tiene como objetivo principal realizar la evaluación técnica del sistema de calefacción central perteneciente a la Unidad de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Concepción, recinto ubicado en el parque industrial Coronel, el cual es utilizado como Centro de Investigación Científico Tecnológico. Para dar cumplimiento con el objetivo principal, se realizó un levantamiento de la situación actual del sistema para posteriormente llevar a cabo el estudio de necesidades de cada recinto, pérdidas de cargas de redes de transporte de agua caliente y capacidades de los equipos generadores de calor. Resultado de este levantamiento es la verificación de las redes de calefacción y capacidades de calefacción disponibles en cada recinto, además de la documentación técnica generada. La demanda energética de la edificación fue cuantificada mediante el cálculo de las cargas térmicas de cada recinto, necesarias para mantener acondicionados éstos a una temperatura de confort de 20°C, considerando una temperatura exterior de 5°C. Para lo anterior se consideraron las indicaciones de la norma chilena NCh 853-2007. La demanda total de calefacción calculada es de 81,7 [kW], con una tasa de calefacción promedio de 66,13 [W/m2]. Al realizar una comparación entre la carga de calefacción requerida y la potencia térmica de 150 [kW] disponible en la caldera principal de calefacción, se concluye que el sistema de calefacción central cuenta con la capacidad necesaria para satisfacer plenamente las necesidades de la edificación. A través del estudio se determinó la existencia de recintos con déficit energético, en donde se plantea la implementación de las mejoras que permitan subsanar estas situaciones. El recinto de mayor demanda energética, corresponde al centro de extensiones, cuya carga de calefacción asciende a 23,5 [kW]. Para este caso se plantea la posibilidad de habilitar un sistema de calefacción basado en una unidad manejadora de aire, la cual, mediante la utilización de agua caliente entregue la energía necesaria al recinto. Los costos asociados a las implementaciones planteadas en el presente trabajo ascienden a 12,1 [Millones de pesos], este costo se desglosa a grandes rasgos en el mejoramiento de las redes de distribución de agua e implementación de nuevos equipos de calefacción.

El presente trabajo de título tiene como objetivo realizar una evaluación energética en el edificio de la Universidad del Bío-Bío designado como “Centro de Investigación de Tecnologías de la Construcción CITEC UBB”, con el propósito de reducir el consumo de energía por parte del edificio. Para comenzar con el estudio del edificio se realizó un levantamiento de información, en donde se describieron sus tecnologías aplicadas a la envolvente y el acondicionamiento ambiental, con el fin de comprender mejor su comportamiento. Para determinar el consumo anual del edificio y como los sistemas de climatización de las edificaciones, son en general los sistemas que más energía consumen (entre el 40 y 60% del total) se decidió realizar un análisis en primera instancia de forma manual guiado por el manual Carrier, en el cual se contabilizaron las pérdidas para la condición de invierno y las ganancias para la condición de verano. Luego, para dar un mayor grado de profundidad en el trabajo se ocupó el software Autodesk Ecotect Analisis, el cual es una potente herramienta de análisis para estudios de tipo energético, lumínico, solar, etc, para determinar el consumo anual del edificio. Ambos métodos arrojaron valores de consumo energético de calefacción muy similares. Luego, como última etapa del plan de gestión se propuso instalar en el techo del edificio un sistema solar fotovoltaico, para proveer el 50% del consumo eléctrico anual del edificio. Esta propuesta se soporta mediante los resultados realizados por el software Autodesk Ecotect Analisis en cuanto a la radiación solar acumulada anual, y la trayectoria del sol sobre la ciudad de Concepción. Del estudio técnico económico, para determinar la factibilidad económica de la propuesta, se obtuvo un periodo de recuperación de la inversión de 13 años por debajo de la vida útil del proyecto, el cual es de 25 años, generando ganancias después del año 13, hasta el año 25, por más de 8.3 millones de pesos.

El presente informe se basó en un horno de proceso llamado H-1401 de la planta Enap Refinerías Biobío, la cual presenta problemas de formación de coque al interior de sus tubos ya que opera con el producto más pesado de la refinería. El objetivo que se busca es realizar una evaluación térmica para conocer como está operando el horno actualmente y explicar porque se origina la formación de coque en el interior de los tubos, desarrollando el cálculo para ver como aumenta el espesor conforme avanzan las semanas, de modo de poder encontrar el periodo óptimo para su mantención. Se empezó describiendo de forma general la empresa, los productos obtenidos en ella y donde se localiza el horno del que se hablará, detallando de forma ilustrada y técnica las características que posee. Se explicó cómo se origina la formación de coque y los dos procesos de limpieza que actualmente utilizan en la Refinería, detallando todo el proceso e indicando las diferencias entre estos. Luego en base a manuales de diseño de hornos, se describió todo el procedimiento de cálculo de los flujos de calor que son transferidos a los tubos del horno, incluyendo tablas, gráficos y fórmulas, tanto para condiciones de diseño y operación. Se explicó la transferencia de calor que se efectúa entre el flujo de calor y el fluido a calentar, indicando las resistencias que interfieren en el proceso. Después ya en el procedimiento de cálculo, se obtuvieron los flujos de calores totales, obteniendo tablas y gráficos que demuestran cómo va aumentando el flujo de calor de operación en comparación a la de diseño, producto de la formación de coque. Se creó un programa en EES para facilitar el cálculo del espesor de coque y se confeccionaron tablas para diferentes conductividades térmicas, luego fueron graficados los valores obtenidos para encontrar la ecuación que más representaba el gráfico y así poder calcular el tiempo óptimo de operación del horno y el espesor que se obtendría. Por último se obtuvieron los rendimientos del horno en la zona de radiación, para saber cuánto porcentaje de calor recibe el pitch del calor liberado por la combustión. Con todo el proceso se pudieron obtener resultados favorables, obteniendo un tiempo óptimo de 19 semanas y un espesor de 3,04 mm de espesor, demostrando que el horno puede operar 3 semanas más de lo planteado en la refinería.

El presente proyecto consta de un estudio técnico y económico para climatizar una sala de maduración de queso chanco en una fábrica de lácteos. El primer paso fue conocer el proceso de elaboración del queso y reconocer las instalaciones que la fábrica posee. También se identifican los equipos utilizados en la cámara de maduración, donde se realizan mediciones de temperatura y humedad relativa para identificar cuáles son sus capacidades. A partir de las características constructivas del recinto, condiciones ambientales y ubicación geográfica, se calculan las cargas térmicas para invierno y verano del local, donde se determina la condición más desfavorable. Los cálculos arrojaron una pérdida de calor en invierno de 8.419 BTU/h y para verano una ganancia de 18.674 BTU/h. Antes de seleccionar los equipos, se dan a conocer los tipos de sistemas de aire acondicionado y humidificadores existentes en el mercado, para tener un conocimiento previo antes de su selección. Finalmente se seleccionó un sistema de aire acondicionado tipo cassette de 24.000 BTU/h con un caudal de aire de 1.180 m3/h y un humidificador de electrodos a vapor con un rango de capacidad de 2 a 9 (kgvapor/h). También se hace la distribución de estos equipos en el recinto. Finalmente, se realizó un análisis económico, donde se estudió la influencia del precio de venta por kilógramo de queso y se evalúa que precio obtiene mayor beneficio económico, para obtener la viabilidad de este proyecto. El costo de inversión inicial asciende a $5.996.216, con IVA incluido y ésta se recupera en un período aproximado de 6 meses y medio.