Trabajos de grado Maestría investigativa en Ingeniería Mecánica

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Implementation and evaluation of impedance control on a cable-driven lower-limb rehabilitation robot
(2026) Castillo Blanco, José David
This thesis develops a single-cable (1L) cable-driven end-effector rehabilitation robot with impedance-based proportional assistance for bed-ridden lower-limb therapy—a supine, guided vertical heel slide that restores hip and knee range of motion before standing and walking are possible. The system combines mechanical design of a winch–slider architecture with an impedance-based assistive controller that modulates assistance from tracking error, without a direct cable force sensor. A laboratory prototype was tested with healthy volunteers to assess technical feasibility; comfort depended on seating alignment and end-effector fit. The results support preliminary feasibility for bed-ridden, bedside heel-slide therapy
Evaluación y comparación del comportamiento mecánico de mallas electrosoldadas utilizadas como refuerzo estructural en concreto fabricadas en Colombia
(Universidad del Norte, 2026) Peñaranda Mikán, Nicolás Andrés; Zambrano Rodríguez, Habib; Paredes Méndez, Virginia Nathaly
Las mallas electrosoldadas (WWM, por sus siglas en inglés) son ampliamente utilizadas como refuerzo estructural en elementos de concreto debido a su facilidad de instalación y eficiencia económica frente a los sistemas tradicionales de refuerzo con barras de acero. Sin embargo, el proceso de soldadura por resistencia eléctrica empleado en su fabricación genera ciclos térmicos localizados que modifican la microestructura del material, produciendo zonas térmicamente afectadas con gradientes microestructurales pronunciados y fases frágiles como la martensita, las cuales pueden comprometer la ductilidad y la capacidad de deformación del sistema. La presente investigación evalúa y compara el comportamiento mecánico de mallas electrosoldadas dúctiles fabricadas según NTC 2043 y mallas electrosoldadas comerciales fabricadas según NTC 5806 producidas en Colombia, centrándose en la influencia del proceso de soldadura sobre sus propiedades mecánicas y microestructurales. El programa experimental fue desarrollado en el Centro Integrado de Materiales y Manufactura (CIMM) de la Universidad del Norte y comprendió cuatro fases secuenciales aplicadas a dos tipos de mallas: mallas dúctiles (2W y 8W) y mallas comerciales de 6mm y 8mm. Las mallas dúctiles tienen denominaciones 2W y 8W haciendo referencia a los diámetros de 6,35 y 8,5 milímetros de diámetro respectivamente. Se realizaron ensayos de tracción axial según ASTM E8M en probetas de material base y probetas con unión soldada, análisis metalográfico siguiendo las normas ASTM E3, E407 y E112 mediante microscopio óptico Carl Zeiss Axiovert 7, y perfiles de microdureza Vickers según ASTM E384 con carga de 0,5 kg durante 10 segundos. Los resultados fueron comparados con los requisitos establecidos en las normas NTC 5806, NTC 2043, ASTM A1064 y ASTM A184. Los resultados revelaron que la soldadura por puntos no reduce significativamente la resistencia última del sistema, registrándose valores de esfuerzos últimos comparables entre probetas con unión soldada y material base en todos los tipos de mallas evaluadas. No obstante, la ductilidad medida en términos de deformación última y porcentaje de elongación se redujo sustancialmente en presencia de la unión soldada, con reducciones de hasta el 45,5% en la malla 2W y del 51,4% en la malla 8mm, comportamiento atribuible a la microestructura predominantemente martensítica identificada en la zona fundida. Los perfiles de microdureza corroboraron este comportamiento, registrando valores máximos de 562 HV y 462 HV en mallas dúctiles y comerciales respectivamente, frente a valores promedio de material base entre 228 HV y 249,8 HV. La comparación entre tipos de mallas evidenció que las mallas comerciales presentan mayor resistencia como consecuencia del endurecimiento por trefilado en frío, mientras que las mallas dúctiles demostraron superior capacidad de deformación plástica en ambas condiciones evaluadas.
Caracterización experimental de la fluidodinámica y la segregación de mezclas arena-carbón vegetal en lecho vibrofluidizado
(Universidad del Norte, 2026) Amell Salcedo, Jorge Mario; Maury Ramírez, Heriberto Enrique; González Quiroga, Arturo
Esta investigación tuvo como objetivo caracterizar experimentalmente la segregación de una mezcla de arena y carbón vegetal en un lecho vibrofluidizado, evaluando el efecto del flujo de aire, la frecuencia y la amplitud de vibración sobre la distribución del material en el lecho. Inicialmente, se caracterizaron los materiales empleados, se estableció su clasificación Geldart y se verificó experimentalmente la velocidad mínima de fluidización de la mezcla. Posteriormente, se desarrolló una matriz experimental considerando ensayos con y sin flujo de aire, dos frecuencias de vibración, correspondientes a 10 Hz y 13,3 Hz, y cuatro amplitudes: 0,5 mm, 1 mm, 2 mm y 3 mm. La segregación se cuantificó mediante la distribución del contenido de carbón en diferentes capas del lecho y el cálculo de un índice de segregación. Adicionalmente, se realizó un análisis complementario de velocimetría por imágenes para observar los patrones de movimiento interno del lecho durante la vibrofluidización. Los resultados mostraron que la vibración por sí sola no generó una segregación efectiva del material. En contraste, la combinación de flujo de aire y vibración favoreció la estratificación de la mezcla, especialmente a bajas amplitudes. El incremento de la amplitud y de la intensidad vibratoria redujo la capacidad de segregación, mientras que la frecuencia, dentro del rango evaluado, no presentó una relación lineal clara con este fenómeno. El análisis de velocimetría mostró además que el movimiento interno del lecho no fue uniforme, presentándose zonas localizadas de desplazamiento ascendente, descendente y lateral. En conjunto, los resultados indican que la segregación en lechos vibrofluidizados depende del equilibrio entre el flujo de aire, la energía vibratoria aplicada y las propiedades físicas de la mezcla.
Thermo-radiative modeling and performance assessment of membrane-assisted radiant cooling systems for naturally ventilated rural educational buildings in the colombian Caribbean region under hot-humid tropical conditions
(Universidad del Norte, 2026) Herrera Molinares, Oscar José; González Quiroga, Arturo; Bula Silvera, Antonio José
Investigación orientada a la evaluación del desempeño térmico, energético y operativo de sistemas de enfriamiento radiante asistidos por membranas (Membrane-Assisted Radiant Cooling, MARC) para edificaciones educativas rurales ubicadas en el Caribe colombiano bajo condiciones de clima tropical cálido y húmedo. El documento presenta un marco de modelado termo-radiativo (thermo-radiative modeling) basado en la física (physics-based modeling), desarrollado mediante la integración de simulación energética dinámica de edificaciones (Building Energy Modeling, BEM) con EnergyPlus y una estrategia de co-simulación (co-simulation) que representa explícitamente los fenómenos acoplados de transferencia de calor por conducción, convección y radiación durante la operación por debajo del punto de rocío (sub-dew-point operation). Asimismo, incorpora la evaluación de estrategias pasivas de acondicionamiento térmico, materiales aislantes de origen biológico y sistemas de generación fotovoltaica para analizar el desempeño integral de la solución propuesta. El recurso documenta el desarrollo metodológico, la formulación de los modelos físicos, la evaluación del confort térmico y del desempeño energético, así como recomendaciones de diseño para la implementación de tecnologías de climatización de baja demanda energética en edificaciones naturalmente ventiladas de climas tropicales.
Dimensionless analysis of vortex generation in high performance semiflexible aerodynamic structures
(Universidad del Norte, 2026) Navarro Simancas, Andrea Rosa; Pugliese Manotas, Víctor Javier; Bula Silvera, Antonio José
La caracterización de sistemas aerodinámicos de alto desempeño continúa representando uno de los principales desafíos de la mecánica de fluidos contemporánea debido a la interacción entre la geometría, la organización del flujo y la generación de estructuras vorticales coherentes bajo condiciones altamente turbulentas. En este contexto, la presente investigación propone un marco de interpretación física basado en parámetros adimensionales para analizar los mecanismos responsables de la generación de vórtices en configuraciones aerodinámicas geométricamente diferentes, representadas por un alerón delantero de Fórmula 1 Williams FW43 y una vela alar semiflexible AC72. La metodología se fundamenta en simulaciones numéricas de alta fidelidad mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), empleando Large Eddy Simulation (LES) con una estrategia de inicialización RANS implementada en OpenFOAM. El análisis se desarrolla a partir de la caracterización de los campos de presión y velocidad, la organización de la estela, la distribución de vorticidad, la identificación de estructuras vorticales mediante el criterio Q y la evaluación de métricas adimensionales relacionadas con la redistribución de presión, el transporte de cantidad de movimiento, la persistencia vortical, la enstrofía y la circulación de la estela. Los resultados muestran que, a pesar de las diferencias geométricas y operacionales entre ambas configuraciones, la organización del flujo responde a mecanismos físicos comparables gobernados por la interacción entre la geometría y las estructuras vorticales coherentes. Desde esta perspectiva, la redistribución de presión, el desarrollo de la estela y el transporte de energía pueden interpretarse mediante un conjunto consistente de descriptores adimensionales que permiten establecer relaciones físicas entre configuraciones aerodinámicas distintas sin asumir una equivalencia aerodinámica directa. Finalmente, se propone un marco de caracterización funcional basado en parámetros adimensionales que prioriza la interpretación física de la organización del flujo sobre el análisis exclusivo de coeficientes aerodinámicos o descriptores espectrales. Este enfoque proporciona una metodología consistente para el análisis comparativo de configuraciones aerodinámicas complejas bajo restricciones computacionales realistas y contribuye a una comprensión más profunda de los mecanismos físicos que gobiernan la generación de estructuras vorticales, la reorganización de la estela y el desempeño aerodinámico de sistemas de alto rendimiento.
Solución semi analítica del problema de transferencia de calor conjugada en una placa horizontal con convección forzada laminar y una fuente de calor constante, utilizando la aproximación de polinomios de Chebyshev en la temperatura de interfaz
(Universidad del Norte, 2004) Vásquez Padilla, Ricardo; Bula Silvera, Antonio José
En los fenómenos de transferencia de calor entre sólidos y fluidos se presenta simultáneamente tres tipos básicos de fenómenos de transporte: convección, conducción y radiación. Las condiciones de frontera presentes para cada problema muestra que existe interacciones dependientes entre cada uno de estos fenómenos, es por esto que la metodología para solucionarlo no puede ser la clásica, ya que esta muestra ecuaciones particulares que están ligadas a la soluciones de la ecuaciones diferenciales ya sea del fluido o del sólido. Este tipo de problema recibe el nombre de transferencia de calor conjugada, y en este caso se estudiará concretamente la combinación entre convección forzada y conducción para una placa horizontal. En este trabajo se muestra el desarrollo de la investigación llevada acabo para encontrar la solución analítica del problema de transferencia de calor conjugada en una placa horizontal bajo las siguientes condiciones: Placa lisa, no porosa, con flujo forzado laminar completamente desarrollado, fronteras adiabáticas y con una fuente de calor constante. Para ello, se plantean las ecuaciones diferenciales que rigen el fenómeno de convección y conducción. Posteriormente, se propone un tipo de solución basado en la representación de la temperatura de interfaz como una combinación lineal de polinomios ortogonales de Chebyshev, lo que garantiza la solución de la ecuación diferencial parcial de conducción en el sólido y además ayuda a encontrar los números adimensionales que rigen la convección.
Desarrollo y validación de una metodología para el diseño de accionamientos rápidos basados en motores paso a paso
(Universidad del Norte, 2003) Pacheco Bolívar, Jovanny; Maury Ramírez, Heriberto Enrique
En la actualidad un gran porcentaje de las operaciones de manufactura de un producto son operaciones de manipulación, ya sea transporte, posicionamiento o ambas. La utilización de sistemas de accionamiento que permitan obtener tiempos de posicionamiento de un producto del orden de los milisegundos se viene implementando utilizando dos tecnologías: Servomotores y motores paso a paso, estos últimos han venido ganando terreno como una alternativa económica a los servos, esto es, aumentando su velocidad de operación y torque. Es por esto que las metodologías de diseño e integración del conjunto del sistema de accionamiento (incluyen todos elementos mecánicos de la cadena cinemática hasta el elemento a mover) deben considerar el comportamiento en transitorio de todo el conjunto. En esta tesis se presentan el desarrollo y resultados de una metodología basada en constantes de tiempo para el diseño de esta clase de accionamientos. Esta se basa en el desarrollo de un modelo no-lineal, resuelto numéricamente, el cual permite evaluar factores no estudiados por anteriores investigaciones en el valor de la constante de tiempo, formulando una serie de modelos matemáticos que permiten finalmente llegar a una metodología de selección de esta clase de accionamientos, la cual es validada frente a otras metodologías que se consideran efectivas y que han sido aplicadas exitosamente.
Estudio experimental de la etanólisis básica de oleína de palma
(Universidad del Norte, 2004) Lyons Chimá, Lisbeth Lucía; Bula Silvera, Antonio José
El estudio del biodiesel como combustible alternativo ha tomado importancia debido a sus evidentes ventajas respecto al ACPM derivado del petróleo. Sin embargo antes de su implementación en los vehículos modernos es necesario el estudio de la reacción química de fabricación de dicho combustible, en este caso etil ester, para así obtener parámetros como: factores significativos de la reacción, posibles condiciones óptimas de la reacción y comportamiento de esta al variar los factores principales. De este modo se podrían sugerir investigaciones adicionales que conlleven al establecimiento de un proceso normalizado para la fabricación del etil ester de oleína de palma. El estudio se llevó a cabo siguiendo los procedimientos estadísticos del diseño factorial de experimentos, tomando en cuenta cuatro variables principales: Temperatura de la reacción, tiempo de la reacción, relación molar alcohol/ aceite y cantidad porcentual de peso del catalizador con respecto al aceite.
Desarrollo de ecuaciones robustas de sintonización de controladores PID trabajando en cascada para procesos industriales autorregulados
(Universidad del Norte, 2003) López Beltrán, Royman José; Sanjuan Mejía, Marco E.
La implementación de una arquitectura en cascada es una estrategia de control muy usada en procesos químicos y térmicos para prevenir la propagación de perturbaciones intermedias a lo largo del lazo de control. Esta técnica mide una variable intermedia, más rápida que la variable de proceso, con el fin de cuantificar el efecto de un cambio debido a la variación en dicha perturbación. Lo anterior conduce a la implementación de un lazo interno de control, asistido por un controlador denotado como interno o esclavo. Se han desarrollado una gran cantidad de métodos de sintonización para el controlador interno, como lo son: Sintonización de tasa de decremento de un cuarto, el método de síntesis de Dahlin, el método de sintonización Lambda, los cuales se basan en el modelo de identificación de proceso de Primer Orden mas Tiempo Muerto (FOPDT). Sin embargo, para el controlador externo o maestro no existen muchos conjuntos de ecuaciones de sintonización desarrollados. Entre los que se tienen actualmente se encuentran: el de Vanesa Austin [1986] y Sanjuán [1999]. Estos trabajan para identificaciones de proceso con el modelo de primer orden más tiempo muerto. Además, las relaciones dinámicas de parámetros de proceso que manejan las ecuaciones de sintonización actuales trabajan en rangos estrechos. En esta monografía se plantea un conjunto de ecuaciones de sintonización para el controlador externo utilizando arquitecturas PI-P, PI-PI, PID-P y PID-PI en cascada. También se presentan los resultados de la evaluación a comparativa desarrollada para estas ecuaciones, con el fin de medir su rendimiento con respecto a los métodos de sintonización existentes para esta aplicación.
Optimización del proceso de recocido de recristalización para obtener los grados de dureza y resistencia requeridos por el acero para estañar y cromar
(Universidad del Norte, 2003) Gómez Vega, Humberto; Torres Salcedo, Jaime
El acero estañado (Hojalata) utilizado para la fabricación de recipientes embutidos, es uno de los más exigentes en cuanto a propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. La lámina de acero, en estado "cold rolled", deber ser sometida a un proceso de recocido de recristalización, realizado en algunos casos a nivel industrial en hornos del tipo campana ("batch annealing furnaces"), para obtener las propiedades mecánicas y micro estructurales adecuadas, orientadas en la mayoría de los casos a producir aceros destinados a embutición profunda ("deep drawing"), el cual es un proceso de conformado de lámina delgada de acero, muy importante tanto para la fabricación de carrocerías de automóviles, como para la fabricación de envases en hojalata. Fue así como se elaboró un proceso de investigación experimental que permitió relacionar los parámetros de operación del recocido en campana y la disposición o configuración del material (rollos de acero laminados en frío) dentro del horno con las propiedades mecánicas y metalúrgicas resultantes, y poder compararlas con las establecidas según la norma para aceros estañados. Para ello se utilizaron técnicas como espectrometría de masa, ensayos mecánicos, microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido, microanálisis EDX, mediciones de embutibilidad e índices de anisotropía, así como la instalación de sensores de temperatura (termocuplas), para obtener el perfil de temperatura - tiempo real para los rollos de acero dentro del horno.
Simulación dinámica de un sistema de enfriamiento de nylon 6 por contacto directo de aire para una planta de hilatura con ayuda de Hysys
(Universidad del Norte, 2004) Eslait Barrios, Arif; Bula Silvera, Antonio José
La simulación dinámica tiene más de 50 años de uso por los ingenieros en la mayoría de sus disciplinas. Inicialmente se utilizaban simuladores analógicos y mecánicos, aunque bastante dispendiosa y costosa la simulación analógica se utilizó para simular procesos de destilación continua, reactores químicos e intercambiadores de calor. Sin embargo, la dimensión de los procesos a simular era necesariamente pequeña: 100 a 200 ecuaciones diferenciales. Los primeros modelos dinámicos eran internos y propios de industrias particulares. El ingeniero desarrollaba las ecuaciones que describían los sistemas (algebraicas y diferenciales), por medio del uso de las leyes fundamentales y los principios físico-químicos. Los simuladores dinámicos de procesos químicos facilitan su evaluación sin necesidad de experimentar sobre ellos mismos y contribuyen a la formulación de principios empíricos, a demás representan importantes herramientas que pueden utilizarse para la verificación de la validez de las decisiones tomadas por los encargados de diseñar y operar los diferentes proceso a nivel industrial. En las condiciones actuales de mercados altamente globalizados y competitivos, se hace necesario que las empresas generen elementos diferenciadores que les permitan ocupar una posición privilegiada; para ello estas deben involucrar su operaciones, tanto administrativas como productivas en procesos de mejoramiento continuo, lo cual implica la necesidad de adoptar herramientas que les permitan mejorar la calidad final de los productos y / o servicios que desean entregar a la sociedad.
Estudio experimental sobre el proceso de transferencia de calor en micro componentes por medio de chorro sumergido
(Universidad del Norte, 2005) Cely Bautista, María de las Mercedes; Bula Silvera, Antonio José
Los avances tecnológicos han desarrollado día a día componentes electrónicos mucho más pequeños, de alta eficiencia, los cuales requieren condiciones de operación muy exigentes. Una de esas condiciones es la temperatura de trabajo, razón por la cual se están desarrollando sistemas de enfriamiento que mantengan estos dispositivos en óptimas condiciones de operación. El rociado de una superficie caliente con chorro líquido ha demostrado ser una técnica capaz de eliminar grandes cantidades de calor hasta obtener temperaturas superficiales relativamente bajas. Se busca entonces un sistema como el de Chorro Radial sumergido que desarrolle una alta transferencia de calor permitiendo que estos dispositivos trabajen eficientemente.
Simulación y validación experimental de los fenómenos de transporte ligados al secado de la yuca
(Universidad del Norte, 2004) Acuña Garrido, Francisco; Corredor Martínez, Lesme Antonio
El secado de producto de origen vegetal es un procedimiento utilizado desde tiempos remotos por el hombre para la conservación de sus alimentos. Es por esto que el campo de estudio de los fenómenos de transporte relacionado con el secado de alimentos es de gran interés para entender mucho mejor como se lleva a cabo este proceso al interior de la materia, y así, poder mejorar los métodos utilizados en el secado. El presente trabajo tiene como objetivo principal validar un modelo de secador de tipo radial a través del estudio de los fenómenos de transporte relacionados con la transferencia de calor y de masa en un producto vegetal en estado transitorio, mediante el desarrollo de un modelo matemático. y así obtener curvas teóricas y/o superficies de comportamiento de la humedad en función del tiempo y de la geometría del material deshidratado con diferentes velocidades y temperaturas del fluido de secado. De igual manera obtener curvas y/o superficies de comportamiento empíricas como resultado de las experiencias de laboratorio, y comparar los resultados teóricos con los experimentales. Por último se hace una simulación matemática de las ecuaciones que gobiernan el proceso de secado: ecuación de transferencia de calor por conducción y de transferencia de masa en estado transitorio en un cilindro finito.
Caracterización del proceso de gasificación en lecho fijo para el residuo agroindustrial cuesco de palma africana en la región Caribe
(Universidad del Norte, 2013) Verdeza Villalobos, Arnaldo; Bula Silvera, Antonio José
Este trabajo realiza un análisis energético de una planta de gasificación en lecho fijo con flujo descendente utilizando biomasa vegetal con el objetivo de caracterizar el sistema y obtener condiciones de operación adecuadas para el funcionamiento de la planta con cuesco de palma africana. Para esto se realizó una extensa revisión bibliográfica de todos los equipos y sistemas de generación de potencia acoplados a reactores de gasificación, con el fin de obtener información útil para plantear un modelo de caracterización de la biomasa y análisis comparativo de su rendimiento, además encontrar metodologías para realizar los procedimientos adecuados en el desarrollo experimental del trabajo y encontrar solución da los problemas más comunes de este tipo de sistemas frente a la adaptación a diferentes materias primas. Se plantea un modelo simple del proceso, basado en el equilibrio químico de las reacciones, compuesto de seis ecuaciones y seis incógnitas, en función de la temperatura y la composición de la biomasa. Luego se plantea una metodología experimental acompañada de un diseño de experimentos enfocado a caracterizar el sistema de gasificación y encontrar condiciones de funcionamiento utilizando como combustible cuesco de palma africana. Entre los factores estudiados se incluye el flujo de aire suministrado al reactor de gasificación, la rata de alimentación de biomasa y remoción de cenizas del lecho. Entre los resultados se resalta la incidencia de la relación de aire/biomasa sobre las concentraciones de especies combustibles en el gas de síntesis y la eficiencia del proceso.
Evaluación del control del perfil de concentración en filamentos impresión FDM para fabricación de sistemas de liberación de orden cero
(Universidad del Norte, 2022) Rincón Blanco, Andrés Felipe; Gómez Vega, Humberto
Los sistemas de liberación de orden cero (ZODDS) son productos farmacéuticos donde la tasa de liberación del ingrediente activo farmacéutico (API) permanece constante a lo largo del tiempo. En la última década, existe una transición hacia la aplicación de la tecnología impresión 3D FDM para su fabricación. Sin embargo, con esta tecnología aún no es posible generar perfiles con distribuciones de concentración específicas que permitan diseñar ZODDS. En este proyecto, para establecer parámetros de proceso para modificación de concentración volumétrica en filamentos farmacéuticos usados en sistemas de impresión 3D FDM para ZODDS; se identificaron y caracterizaron los parámetros de proceso críticos en la concentración de paracetamol en filamentos extruidos en caliente (HME). Posteriormente, se evaluó la capacidad de impresión de los filamentos a través de sus propiedades físico-mecánicas y pruebas preliminares en impresora 3D FDM. Con estos filamentos se imprimieron tabletas con perfiles de concentración y otras con concentración constante como referencia. Se compararon sus perfiles de disolución, y se propusieron modificaciones de parámetros de proceso que podrían llevar a un perfil de liberación de API más cercano al orden cero.
Análisis térmico de un sistema de calentamiento de agua por energía solar a baja temperatura con acumulación de energía térmica
(Universidad del Norte, 2018) Palacio Vega, Mario Andrés; Carmona García, Mauricio
En este trabajo de investigación se realizó un análisis térmico y experimental de un sistema de calentamiento de agua por energía solar a baja temperatura con acumulación de energía térmica por calor latente de fusión. Para ello se estableció una plataforma experimental con dos colectores solares de placa plana, donde uno de ellos tuvo incorporado material de cambio de fase (PCM) como sistema de acumulación de energía térmica, y el otro consistió en un colector convencional que operó como testigo para establecer una línea base. Adicionalmente, se consideraron diferentes escenarios de evaluación como el uso de dos materiales de cambio de fase, incorporación de pasta térmica como estrategia de mejora del contacto del PCM con la placa absorbedora, y la inclinación del colector solar de acuerdo a la latitud del sitio de experimentación. Con el fin de realizar un estudio detallado del desempeño térmico del dispositivo, se desarrolló un modelo térmico de orden reducido del colector con incorporación de PCM, que fue validado con datos experimentales. Con este modelo se pudo estudiar las interacciones de energía entre los componentes principales del colector y estimar el comportamiento del PCM.
Evaluación del comportamiento físico-químico y de liberación de formulaciones farmacéuticas para el diseño de sistemas de liberación de orden cero impresos en 3D
(Universidad del Norte, 2022) Molinares Ponce, Marielena; Gómez Vega, Humberto
Las tecnologías de liberación modificada de fármacos han evolucionado y ofrecen ventajas frente a las formas de dosificación convencionales, incluida una eficacia mejorada, toxicidad reducida y mayor adherencia al tratamiento por parte del paciente. Uno de los tipos de entrega de mayor interés se alcanza con sistemas de liberación de orden cero (ZODDS) cuya función es liberar el fármaco a una tasa constante. La impresión 3D, una de las técnicas avanzadas de manufactura aditiva, ha mostrado ventajas en la preparación de mecanismos de liberación modificada en formulaciones sólidas. Partiendo de la hipótesis que el uso de impresión 3D-FDM reduciría etapas en la fabricación, a la vez que favorecería el acceso del consumidor a formulaciones personalizadas, en este proyecto se decide investigar el comportamiento de filamentos diseñados para la impresión 3D y determinar condiciones de procesos que, en adelante sirvan en la producción de tabletas para tratamientos farmacológicos a través del método de diseño para la calidad (QbD) cuyo carácter reiterativo obedece a la necesidad de retroalimentación en cada etapa del desarrollo de productos farmacéuticos. En la experimentación dentro de la aproximación al QbD se empleó 1 activo farmacéutico, 1 polímero como matriz portadora y 1 plastificante. A partir de la evaluación basada en la caracterización de filamentos y tabletas, resultaron significativos los atributos críticos de material en la extrusión para la manufactura de filamentos farmacéuticos termo-mecánicamente apropiados; y los parámetros de proceso en la impresión para obtener un sistema de liberación cercano al orden cero.
Análisis de la combustión en un quemador tipo micromix para mezclas de hidrogeno gas natural basados en diseño de experimentos y simulación numérica
(Universidad del Norte, 2025) Llain Quiñones, José; Pugliese, Víctor; Carmona García, Mauricio; García Freites, Samira
La creciente emisión de gases de efecto invernadero (GEI) a nivel global es una preocupación debido a su contribución directa al calentamiento global, El sector energético es el principal responsable de estas emisiones, especialmente las industrias y el transporte, que dependen principalmente de combustibles fósiles. La descarbonización de estos sectores presenta un gran desafío, debido a la limitada disponibilidad de tecnologías y procesos de bajas emisiones de carbono. En este contexto, el hidrógeno ha surgido como un combustible alternativo para una transición gradual hacia fuentes de energía de cero emisiones de carbono. No obstante, el uso del hidrógeno como combustible también presenta desafíos, no solo en su producción, que requiere gran cantidad de energía y recursos, sino también en su utilización. Si bien la combustión de hidrógeno en quemadores convencionales puede reducir las emisiones de CO2, suele dar lugar a un aumento en las emisiones de NOX debido a las altas temperaturas de llama generadas. Estos problemas han motivado el desarrollo de tecnologías de combustión avanzadas, como los quemadores tipo micromix, que están diseñados para mejorar el desempeño del quemador y minimizar las emisiones contaminantes en el uso de mezclas de hidrógeno. El presente estudio desarrolló un análisis de la combustión en un quemador tipo micromix para mezclas de hidrógeno y gas natural, basados en diseño de experimentos y simulación numérica paramétrica, considerando indicadores como longitud de llama, índice de emisiones, el cual involucra el análisis de emisiones de CO2 equivalentes y tasa de momento de flujo como parámetro adimensional representativo del régimen de operación. Para ello, se emplearon modelos CFD, incluyendo el modelo Eddy Dissipation Concept (EDC), el modelo de radiación Discrete Ordinates y el modelo de turbulencia Reynolds Stress Model (RSM), validados frente a datos experimentales del Laboratorio Sandia y literatura especializada. El mecanismo de reacción GRI-Mech 3.0 demostró alta precisión en la predicción de especies como H2, OH, H2O y NO, con errores menores al 3 % en quemadores difusivos. El análisis numérico paramétrico permitió identificar los factores geométricos y operativos más influyentes sobre las emisiones y la temperatura máxima, tales como el diámetro de boquillas, la altura de compuertas de aire, la relación de equivalencia y el porcentaje de hidrógeno en la mezcla. Estos factores se integraron en el parámetro adimensional como tasa de momento de flujo, que demostró ser una herramienta útil para caracterizar el desempeño del quemador. Se observó que, para mantener bajas emisiones en mezclas con menor contenido de hidrógeno, es necesario incrementar dicha tasa. Además, al aumentar la fracción de H2 del 40 % al 90 %, el índice de emisiones se redujo de valores entre 3–5 a rangos de 0.5–0.7. La geometría optimizada del quemador mostró mejoramiento del desempeño a comparación con los casos analizados, alcanzando una temperatura máxima de 2126 K, una longitud de llama de 41 mm, un índice de emisiones de 0.5 a una composición de 90% de hidrogeno en masa y una reducción de emisiones de NOX de hasta un 86 % en comparación con un quemador difusivo convencional usando hidrogeno solo como combustible. Estos resultados evidencian el potencial de la tecnología Micromix como solución efectiva y escalable para la combustión limpia de hidrógeno.
Control no lineal, evaluación del desempeño y desarrollo de un modelo de regresión de una celda de combustible ante condiciones variantes de suministro de aire
(Universidad del Norte, 2012) Fontalvo Morales, Víctor Manuel; Sanjuan Mejía, Marco E.
Las celdas de combustible son hoy en día una fuente de energía con mucho crecimiento. El desempeño de una celda de combustible depende en gran manera de los estados transitorios que cambian su punto de operación, es de suma importancia conocer cuál es el efecto de variables como la presión, la temperatura, la humedad del aire y la demanda de corriente en la variabilidad del voltaje. Se propone la evaluación del desempeño de una celda de combustible mediante el diseño y simulación de un banco de pruebas, con el que se pueda manipular las variables del proceso, para esto se implementará un sistema de control no lineal avanzado que permita controlar la alimentación de aire a la celda en función de las condiciones de suministro de aire y la demanda de carga, para buscar el mejor desempeño posible. De igual forma con los datos obtenidos se propondrá un modelo mediante regresión y se determinará cuál es la región de mejor funcionamiento considerando la alimentación de aire y la demanda de energía en distinta condiciones.
Modelación y diseño simplificado de juntas con elementos roscados para tuberías y sistemas a presión dinámica
(Universidad del Norte, 2014) Cerra Nolasco, Felipe Andrés; Maury Ramírez, Heriberto Enrique
Este trabajo de investigación realiza aportes orientados a facilitar el proceso de diseño de juntas con brida apernadas sometidas a presión variable, con el fin de reducir el número de iteraciones necesarias hasta lograr un diseño satisfactorio; como resultado de utilizar un modelo estructurado del proceso de diseño y una base de reglas, obtenida en la tesis a partir del análisis de los resultados de numerosas simulaciones dónde se identifican los rangos de valores de las variables de diseño donde el sistema a diseñar (brida apernada) obtiene el mejor desempeño en términos de una menor fracción de carga en los pernos, que son los más susceptibles a fallas de fatiga, fluencia y/o separación. Una de las oportunidades encontradas para reducir las iteraciones y los pasos de diseño es desarrollar un modelo de aproximación cilíndrica en lugar del tronco-cónico, debido a que la formulación cilíndrica (cuadrática) es más fácil de manipular algebraicamente para despejar las variables de interés que la troncocónica, que conduce a expresiones exponenciales, logarítmicas y trigonométricas, donde es difícil despejar de forma explícita las variables incluidas en el argumento e ineludible el iterar En otras palabras, el trabajo de investigación propone un método de diseño simplificado de juntas bridadas con pernos de acero sometidas a presión variable, basado en un modelo en un modelo de diseño y una base de reglas de diseño. Se estudiaron y analizaron tres formas para a un modelo de aproximación cilíndrica equivalente al troncocónico tradicional, estas fueron: Volumen equivalente; Área transversal promedio equivalente; y deformación equivalente a la sufrida por el tronco-cono cuando se aplica una carga externa. Los resultados obtenidos de las tres aproximaciones cilíndricas fueron evaluados frente a modelos de tronco-cono tradicionales, con el fin evaluar su desviación.

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