Tesis Doctorado en Ingeniería Mecánica

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Design methodology for additive manufacturing using fused filament fabrication: failure theory, process chain and personalized application
(Universidad del Norte, 2025) López Taborda, Luis Lisandro; Maury Ramírez, Heriberto Enrique; Esparragoza de la Espriella, Iván Enrique
The PhD thesis titled "Design Methodology for Additive Manufacturing using Fused Filament Fabrication: Failure Theory, Process Chain and Personalized Application" focuses on developing specific design methodologies for additive manufacturing (AM), with a primary emphasis on the Fused Filament Fabrication (FFF) process. The thesis is organized into four key chapters, each derived from an academic paper that addresses different aspects of Design for Additive Manufacturing (DFAM) and specifically Design for Fused Filament Fabrication (DF-FFF). 1. State of the Art on DFAM: The first article, "Design for additive manufacturing: a comprehensive review of the tendencies and limitations of methodologies," thoroughly examines existing methodologies in DFAM. It identifies the key areas of study, such as multi-objective optimization and functional performance. The article critiques the lack of radical innovation and the incomplete coverage of all design phases in the developed products. It emphasizes the need to include environmental and sustainability considerations in the existing methodologies. Additionally, it also highlights the importance of addressing limitations such as the mechanical reliability anisotropy of parts, process constraints, and product quality-issues that are further explored in the subsequent chapters/articles of the thesis. 2. DF-FFF with Failure Theory: The second article, "Design Methodology for Fused Filament Fabrication with Failure Theory: Framework, Database, Design rule, Methodology and Study of Case," introduces a methodology that integrates failure theory with DFAM practices specifically for FFF. This methodology seeks to improve product reliability and robustness by addressing the lack of failure theories integration in existing methodologies for functional parts. To validate this methodology, a prosthetic knee that failed under standard loads is redesigned, demonstrating several safe redesigns conceptually. 3. DF-FFF with Process Chain: The third article, "Design methodology for Fused Filament Fabrication with Process Chain: Framework, Database, Design rule, Methodology and Study of Case," develops a methodology that integrates DFAM with conventional process chains to enhance the quality of products manufactured with FFF. This approach aims to overcome typical limitations of FFF, such as finish, tolerances, and strength, while balancing cost benefits with improvements in product properties. To validate this methodology, a bone implant for cranioplasty is redesigned. The initial proposal addresses the lack of variety in materials and processes and the quantification of associated costs, while considering the biocompatibility and strength limitations of FFF-printed materials. 4. DF-FFF for Medical and Personalization Applications: The fourth article, "Design Methodology for Fused Filament Fabrication for Medical and Personalization Applications: Framework, Database, Design rule, Methodology and Study of Case," proposes a methodology for designing medical and personalized products using FFF. It highlights leveraging FFF’s advantages in terms of cost and time to improve the competitiveness and attractiveness of products in the market. The case of bone implants for cranioplasty is revisited to validate the methodology, incorporating customization and medical criteria, including design costs, to select the best alternative. Each of these articles contributes to the thesis with specific focus within the scope of DFAM, addressing various challenges and opportunities within the Fused Filament Manufacturing process. Together, they form a comprehensive foundation for future research and applications in additive manufacturing design.
Influencia del aporte térmico en la soldabilidad de la aleación AA5083-H116 con proceso GMAW-P automatizado
(Universidad del Norte, 2013) Niebles Núñez, Enrique Esteban; Torres Salcedo, Jaime; Unfried Silgado, Jimy
La problemática en las empresas fabricantes de construcciones soldadas en Aluminio se centra en la disminución de las propiedades mecánicas de las uniones soldadas influenciada por el aporte térmico en las regiones de soldadura. Estudios de soldabilidad son indispensables para garantizar la integridad de soldadura, ventanas de proceso y condiciones de trabajo; ignorarlos produce pérdidas por reprocesos y presencia constante de discontinuidades y defectos que ocasionan fallas en los equipos y componentes soldados. El objetivo de esta tesis doctoral es evaluar la influencia del aporte térmico sobre la soldabilidad de la aleación de aluminio AA5083-H116 con material de aporte ER5183 y proceso GMAW-P automatizado. Para ello se caracterizó el metal base en términos de las propiedades mecánicas, composición química y microestructura frente a tratamientos térmicos de la aleación. Los resultados condujeron a que la mezcla de gas de protección que mejor favorece la soldabilidad de las aleaciones AA5083, fue la mezcla 80Ar19He1O2. El comportamiento y evolución de las propiedades mecánicas son afectadas principalmente por la recristalización y crecimiento de grano presentes en las regiones de soldadura. Las fases predominantes en estas regiones son: la matriz FCC de Al rica en solución sólida de Mg y precipitados intermedios de segunda fase FeAl6, FeAl y MnAl12. El aporte térmico que mejor favorece la soldabilidad de la aleación AA5083-H116, bajo las condiciones y parámetros determinados en el estudio, es el aporte térmico comprendido en el intervalo entre 2,07 a 2,21 kJ/cm.
Cascading solar heat gain loop with multiple heat transfer fluids for sCO2 brayton cycles operation
(Universidad del Norte, 2021) Guillén Pérez, Diego Jesús; Sanjuan Mejía, Marco E.; Goswami, D. Yogi
This doctoral research discusses and details the system and operation methods of different solar receivers (CSR) sharing a common heliostat field, leading to three contributions to the state-of-the-art: novel process configurations for concentrated solar power (CSP) generation systems suitable for (1) hybrid Brayton cycles and (2) regenerative Brayton cycles, and (3) a supervisory control strategy for the operation at varying conditions. In addition, results show the high potential of CSRs compared to the single receiver (SR) used as a reference due to a more uniform heat flux distribution at design conditions and more flexibility to operate at low irradiance (off-design) conditions.
Desarrollo de un modelo fenomenológico de transformación termoquímica de biomasa en un reactor de gasificación de biomasa para valoración del proceso de gasificación con enriquecimiento de hidrógeno
(Universidad del Norte, 2022) Gómez Vásquez, Rafael David; Bula Silvera, Antonio José; Camargo Trillos, Diego Alejandro
La descarbonización industrial, la necesidad de integrar las fuentes no fósiles de energía a sistemas productivos y la ampliación de estrategias de producción de hidrogeno a partir de energías renovables, posiciona a la gasificación dentro de las principales estrategias de aprovechamiento de la bioenergía. Sin embargo, cuando se emplea biomasa residual no maderable como materia prima, se pueden generar gases con bajo poder calorífico y alto contenido de alquitranes asociados a la baja densidad energética y alto contenido de volátiles en contraste con el uso de la madera y el carbón mineral. Por lo dicho, es demandante recurrir a herramientas experimentales y computacionales que permitan establecer estrategias y condiciones operativas adecuadas para maximizar la eficiencia del proceso de gasificación y los rendimientos de producción de hidrogeno. En el presente trabajo se evalúa un modelo fenomenológico del proceso de gasificación acoplando modelos cinéticos de pirólisis y gasificación como una herramienta que permita valorizar la conversión de biomasa hacia gas de síntesis y bioproductos con mayor eficiencia de conversión y rendimiento de producción de hidrógeno.
Design of a methodology for the development of self-scheduling generation plans for integrated solar combined thermal power plants with central dispatch considering plant dynamics and stochastic behavior of the solar resource and energy prices
(Universidad del Norte, 2025) Rangel Alarcón, Richard Eduardo; Sanjuan Mejía, Marco E.; Corredor Martínez, Lesme Antonio
Several technologies are emerging as viable alternatives to meet growing electricity demand and fulfill environmental commitments. Among these, concentrated solar power (CSP) stands out as a proven, scalable option for market participation. CSP harnesses solar energy to reduce reliance on fossil fuels, offering a promising pathway toward cleaner energy systems. However, despite its potential, CSP faces several challenges that have slowed its global deployment, including operational complexities and integration with existing power grids. Currently, CSP plant operation is approached from two distinct frameworks. The first treats it as a control problem, focusing on how the plant’s subsystems interact to define dynamic behavior, independent of market factors. The second treats it as a self-scheduling problem, determining when and how much electricity the plant should deliver to the grid to maximize revenue. These methodological limitations become more pronounced when CSP is coupled with combined-cycle thermal power plants. In these systems, operators must manage solar resource uncertainty, electricity price volatility, ensure system reliability, and optimize fossil fuel usage to reduce CO2 emissions per megawatt-hour. Hybrid CSP systems can help offset efficiency losses from technologies like carbon capture and storage while encouraging investment in countries with fossil-dependent energy portfolios. This highlights both a knowledge gap and an operational challenge, underscoring the need to integrate control and scheduling approaches to leverage the strengths of both. This thesis presents a comprehensive approach to optimizing the performance and economic viability of CSP plants through dynamic modeling, advanced forecasting, and real-time control strategies. It focuses on two CSP configurations: a parabolic trough collector (PTC) system with thermal energy storage (TES) and an integrated solar combined cycle (ISCC) plant. The models accurately capture thermal and operational transients caused by fluctuating direct normal irradiance (DNI). To enhance operational decision-making, gradient boosting regression trees are implemented for forecasting DNI and spot electricity prices, outperforming traditional statistical models. A conformal prediction framework adds probabilistic forecasting capabilities, ensuring that uncertainties related to climate variability and market fluctuations are systematically incorporated into plant operations. Building on these models and forecasts, it is proposed a self-scheduling and coordinated control methodology that integrates dynamic real-time optimization (D-RTO) with stochastic mixed-integer nonlinear programming (MINLP) to manage decision-making across different timescales. This approach enables precise adjustments in response to market signals and DNI availability. Additionally, the research examines policy and techno-economic implications using Colombia power market as a case study. The results highlight how fiscal incentives, carbon pricing, and market mechanisms significantly impact CSP profitability. Both stand-alone CSP and hybrid ISCC systems achieve highcapacity factors and substantial revenues under supportive policy conditions. Overall, this research demonstrates CSP’s potential to enhance grid reliability and revenue generation, offering a robust framework for integrating renewable energy technologies into rapidly evolving energy markets.
Diseño de un proceso y un sistema de gestión energética aplicado a la integración de sistemas híbridos de generación eléctrica con hidrógeno como acoplador energético
(Universidad del Norte, 2024) Rincón Montenegro, Adriana Fernanda; Sanjuan Mejía, Marco E.; Carmona García, Mauricio
A partir del análisis del contexto energético y la oportunidad de avanzar hacia la sostenibilidad y transición energética, se diseñó y estudió un sistema híbrido de generación eléctrica utilizando hidrógeno como acoplador y vector de almacenamiento energético. La pertinencia de dichos sistemas radica en su ajuste a las realidades de la región de aplicación, en este caso la caribe, que tiene potencial en recursos renovables (solar) y desarrollos tecnológicos apoyados por políticas gubernamentales. Para el diseño conceptual del sistema, se evaluaron alternativas que cubrieran el contexto de transición, desarrollando una metodología basada en la exploración de necesidades de cambio. Se consideraron criterios técnicos, capacidad instalada, disponibilidad y contexto de oportunidad, generando sistemas que fomentaban la transición. El dimensionamiento del sistema incluyó la evaluación de diferentes configuraciones utilizando modelado y simulaciones en EES, Simulink, y Matlab para definir escenarios de transición. La evaluación multicriterio (TOPSIS) tuvo en cuenta criterios económicos, ambientales, sociopolíticos y técnicos, se implementó en Rstudio. El mejor escenario de transición fue el compuesto la generación termoeléctrica (ciclo combinado) y fotovoltaica, además del almacenamiento energético con hidrógeno. Además, se propuso una metodología de gestión basada en la optimización de una función que maximiza ganancias y producción de hidrógeno de bajas emisiones, minimizando emisiones de CO2, utilizando un algoritmo de aprendizaje automático Random Forest. Los hallazgos confirmaron la viabilidad del sistema híbrido propuesto, superando a los sistemas convencionales y demostrando la precisión de la gestión mediante la utilización del algoritmo de aprendizaje automático.
Energetic integration of syngas derived from the co-gasification of coal and agro-industrial biomass wastes in heating applications for industrial processes
(Universidad del Norte, 2024) Quintero Coronel, Daniel Andrés; Corredor Martínez, Lesme Antonio; González Quiroga, Arturo
Integrating renewable energy in conventional industrial processes is essential to reduce fossil fuel dependence while diversifying the energy mix. This integration will contribute to diminishing GHG emissions while taking advantage of other energy forms that could support the ever-growing energy demand. This transition is not straightforward because most industrial processes operate with fossil fuels. Nevertheless, the high demand for fossil fuels could cause a shortage of exploitable reserves, making it more challenging for countries to import these fuels. In addition, high demand and low reserves result in excessive energy prices. This work focuses on syngas production from coal-biomass co-gasification in a TLUD gasifier and its co-firing with natural gas for heating applications in selected industrial processes through gas interchangeability and computational fluid dynamic simulations. Syngas from coal-biomass co-gasification combines the renewable character of biomass and the energy content of coal. This gaseous fuel could be blended with natural gas to operate in conventional combustion devices, reducing natural gas consumption and promoting renewable energy integration. Thus, transitioning to energy forms with high potential to be exploited and that mitigate the environmental impact caused by fossil fuel consumption is crucial.
Análisis del fenómeno fluido-dinámico-térmico de gases reales al interior de un tubo vórtex ranque-hilsch para su implementación en aplicaciones de licuefacción de gases: caso estudio gas natural
(Universidad del Norte, 2023) Ahumada Castro, Luz Marlen; Bula Silvera, Antonio José
El tubo vórtex es un dispositivo compacto, en el cual un gas presurizado de entrada se divide en dos corrientes de gases, una caliente y otra fría, debido a i) el intercambio de calor entre las conrrientes, y ii) la rápida expansión en el equipo. En este trabajo se presenta el análisis del fenómeno fluido-dinámico-térmico de gases reales al interior de un tubo vórtex Ranque-Hilsch (RHVT) comercial modelo 3425 del fabricante Exair Co®, por medio de simulaciones numéricas tridimensionales, considerando aire, metano y una mezcla binaria metano-etano en una relación 90:10 como fluidos de trabajo, y el cambio de fase al interior del dispositivo (condensación). El modelo numérico mostró porcentajes menores al 12% al ser contrastado con modelos analíticos y literatura, y predice con una buena aproximación los perfiles tanto de la tasa de nucleación, como de la fracción de masa líquida con una diferencia inferior al 10%, para la geometría considerada. Al evaluar el rendimiento de 2 procesos: uno de enfriamiento de gases y otro de obtención de gases licuados, que incluían los RHVT, bajo condiciones de operación de las estaciones de regulación de presión de Gas Natural, se obtuvo para el primer caso, un ahorro aproximado de energía del 56% en la cadena de producción de gases licuados, y para el segundo, una producción diaria de 0.5 barriles de este combustible para venta. Los resultados obtenidos, permiten ver a los dispositivos vórtex como equipos de interés a ser implementados en sistemas de enfriamiento y licuefacción de gases.
Análisis de la fluidodinámica del lecho toroidal en frío mediante técnicas PIV y perfiles de presión, usando biomasa lignocelulósica y sólidos inertes
(Universidad del Norte, 2023) Verdeza Villalobos, Arnaldo; Bula Silvera, Antonio José; González Quiroga, Arturo
Este estudio se enfoca en analizar la fluidodinámica de un Lecho Fluidizado Rotativo (LFR), examinando la caída de presión y la velocidad superior del lecho, utilizando técnicas de velocimetría de partículas por imágenes (PIV). Comienza con una revisión bibliográfica sobre fluidización y el LFR, estableciendo las bases para el diseño de una unidad demostrativa. Se notó la falta de criterios claros para el diseño del distribuidor, especialmente en lo que respecta al espacio anular. La fase siguiente implicó el diseño y construcción de una unidad demostrativa de LFR con las siguientes especificaciones: diámetro interno de 0.26 m, altura de 0.4 m, y un distribuidor de 50 álabes de 2.0 mm de espesor, un ángulo de inclinación de 12°, envergadura de 14.4° y 7.2° de traslape. El estudio experimental investigó los patrones de flujo, caída de presión y perfiles de velocidad del lecho, variando el flujo de aire (22 - 74 m3/h), la masa del lecho (100 – 500 g) y el área libre del distribuidor (cambiando el radio de cono ente 85 y 110 mm). Se examinaron dos materiales: Semillas de mostaza (Brassica hirta Moench), con una densidad aparente de 1125.5 kg/m3, densidad de bulto 702.8 kg/m3, un diámetro de partícula de 1.44 mm y relación de aspecto de 1.10. Arena de sílice con densidad aparente de 2532.5 kg/m3, densidad de bulto 1209.4 kg/m3, diámetro de partícula de 1.86 mm y relación de aspecto de 1.45. Los resultados mostraron que la velocidad angular superior del lecho es proporcional a la velocidad superficial y varía inversamente con la masa del lecho y el espacio anular del distribuidor. La caída de presión aumenta con la masa del lecho, la reducción del espacio anular y la velocidad superficial. La desviación estándar de la caída de presión se sugiere como herramienta predictiva para identificar comportamientos indeseables en el lecho, y la desviación estándar de la velocidad superior puede indicar fenómenos como el estancamiento del material. Se identificaron cinco regímenes de fluidización distintos en el LFR: incipiente, burbujeante, rotativo parcial, rotativo estable y doble capa, cada uno manifestándose bajo diferentes condiciones de flujo y alturas del lecho para las semillas de mostaza y la arena de sílice. Estos hallazgos resaltan la complejidad del comportamiento del LFR y su dependencia del tipo de material, flujo, masa y configuración del espacio anular. Los resultados contribuyen al entendimiento del funcionamiento del LFR, facilitando la predicción de parámetros operativos para cada régimen y guiando la elección de variables en futuros diseños. A pesar de algunas peculiaridades observadas, muchos comportamientos coinciden con la literatura existente. El estudio aporta perfiles detallados y campos vectoriales de velocidades y aceleraciones superficiales, con una densidad de puntos de muestreo superior a lo previamente reportado, proporcionando una comprensión más profunda del comportamiento dinámico del LFR. En general, este trabajo aporta significativamente a la comprensión teórica y práctica del LFR, enriqueciendo el campo de la fluidización y sentando las bases para futuras investigaciones orientadas a la optimización y adaptación del LFR para diversas aplicaciones industriales.
Evaluación de la variabilidad en la estimación de propiedades térmicas en materiales de cambio de fase y su efecto en la modelación numérica
(Universidad del Norte, 2023) Martínez Guarín, Arnold Rafael; Carmona García, Mauricio; Cortés Gracia, Cristóbal
La caracterización de propiedades termofísica de materiales de cambio de fase es compleja al no existir un estándar para materiales empleados en el contexto del almacenamiento térmico de energía (TES, por su sigla en inglés). En esta investigación se realizó una caracterización exhaustiva de una parafina comercial utilizada en aplicaciones TES bajo diferentes condiciones experimentales con el que se obtuvieron un conjunto variado de resultados de las propiedades. Se realizaron experimentos de fusión y solidificación en contenedores cilíndricos bajo condiciones distintas de operación, los cuales fueron utilizados para validar los modelos numéricos desarrollados, con el objetivo de evaluar el efecto de la variabilidad de la caracterización termofísica sobre la modelación numérica del proceso de cambio de fase. Se desarrollaron modelos numéricos utilizando dos métodos: entalpía-porosidad y el método del cp efectivo y los resultados obtenidos en esta investigación permitieron encontrar que el método de la entalpía es más sensible al término fuente de la ecuación de cantidad de movimiento que al conjunto variado de propiedades medidas experimentalmente. Mientras que el método del cp efectivo mostró mejor ajuste cuando las propiedades son obtenidas a velocidades similares a las de la experimentación. Los resultados derivados de esta investigación constituyen un aporte para la obtención de resultados numéricos más confiables.
Combined misalignments in spur gear transmission systems: a semi-empirical approach
(Universidad del Norte, 2023) Tuirán Villalba, Rafael Eduardo; Maury Ramírez, Heriberto Enrique; Águila Estrada, Héctor
Un área inexplorada en el diseño de sistemas de transmisión de engranajes es el estudio de los efectos de desalineamientos combinados en las medidas de vibración. Actualmente, las investigaciones se centran en desalineamientos individuales y no combinados los cuales reflejan mejor los escenarios de aplicaciones reales. En esta investigación se analizan los efectos de los desalineamientos combinados en las mediciones de vibración en la base de los rodamientos y en el esfuerzo de flexión de los dientes de engranajes rectos de un sistema de transmisión de una etapa. Se diseñó y construyó un banco de pruebas para generar desalineamientos radiales, axiales y angulares en un sistema de transmisión de engranajes de una etapa. Se evaluaron todas las combinaciones posibles de niveles extremos de desalineamiento para un par de engranajes rectos para identificar tendencias en la respuesta vibratoria. Se desarrolló un modelo teórico del área de contacto proyectada para estudiar la relación entre esta y la respuesta vibratoria. Al analizar el cambio en los espectros, se determinó la influencia de diferentes desalineamientos y sus interacciones en las mediciones de vibración. Finalmente, se desarrolló un modelo híbrido para estimar las aceleraciones en los rodamientos, utilizando un modelo de elementos finitos para determinar el esfuerzo de flexión en los dientes y un modelo analítico para estimar las señales de vibración en los rodamientos. El modelo demostró una alta correlación en comparación con los resultados experimentales, validando su efectividad. Finalmente, se propusieron recomendaciones de diseño considerando las zonas de esfuerzo y vibración de interés.
Desarrollo de un modelo dinámico de un ciclo de compresión de vapor aplicado a un chiller centrifugo con evaporador reconfigurable
(Universidad del Norte, 2022) Foliaco Romero, Blanca Luz; Bula Silvera, Antonio José; Jaramillo Ceballos, Rita Cristina
Para incrementar la eficiencia de los equipos de enfriamiento se han desarrollado varias técnicas tendiendo todas a minimizar las pérdidas inherentes al sistema. Sin embargo, aún no se ha desarrollado ninguna tecnología conducente a minimizar la generación de entropía debida a la transferencia de calor por diferencia finita de temperatura. El aporte de esta investigación consiste en modelar un chiller centrífugo enfriado por agua, cuyo evaporador es de tubo y coraza, y con tecnología híbrida. Partiendo de una exhaustiva exploración bibliográfica se unificó la teoría y modelado realizado a través de los años en la modelación dinámica de chillers centrífugos. Posteriormente se validó el modelo con datos de un chiller centrífugo operativo obteniendo un error residual normalizado menor al 0.3% para las temperaturas de salida del agua y la potencia consumida por el compresor. Un segundo aporte es la aplicación del modelo validado para analizar la mejora de la eficiencia del equipo al modificar la geometría de los intercambiadores. Así, al variar el área del evaporador, de acuerdo con la carga de refrigeración requerida y la temperatura del agua de condensación, se pudo aumentar la eficiencia, logrando subir el COP de 11 hasta 12.5 a 24°C de agua de condensación (13.6% en el COP) y obtener un ahorro de consumo de potencia de hasta 16%. Con estos resultados se pretende iniciar una línea de investigación conducente a desarrollar la tecnología necesaria para implementar intercambiadores de calor de tipo reconfigurable.
Point-of-care device prototype for the detection, quantification and monitoring of S100B as a biomarker for diagnosis and prediction of severity of traumatic brain injury
(Universidad del Norte, 2022) Burgos Flórez, Francisco Javier; Sanjuán Mejía, Marco Enrique; Villalba Amarís, Pedro Javier
The early diagnosis of traumatic brain injury (TBI) is crucial to prevent chronic neuronal injuries and the patient's death. TBI diagnostic techniques demand the use of facilities, equipment, complex procedures, and specialized personnel, resources which are generally not available and require more than 24 hours to generate an adequate diagnosis of TBI and formulate a treatment. Initially, this work describes the development of a microfluidic paper-based analytical device for blood plasma separation to detect and quantify the S100B biomarker found on peripheral whole blood samples. The proposed device provides a simpler manufacturing protocol than previous BPS devices found on the literature, with reduced fabrication times and the ability to separate plasma for the detection of the S100B biomarker using ELISA. This work also describes the development of an electrochemical immunosensor to quantify S100B by using cysteamine to immobilize anti-S100B monoclonal antibodies onto interdigitated gold electrodes. By single frequency analysis, a faster detection was obtained to find surface capacitance change, an attribute that could be employed for performing non-faradaic electrochemical measurements. Finally, this work describes the development of an open-source, wireless, smartphone-controlled, portable potentiostat for electrochemical detection of the S100B protein. The modularity of the proposed potentiostat allows easy component changes according to the application while the use of minimal, easy acquirable opensource hardware and software provides a framework for facilitating EIS analysis for similar applications. For the above reasons, this work provides relevant contributions to the state-of-the-art of technologies for early TBI detection and diagnosis.
ω-3 and ω-6 fatty acid production under subcritical water processing test subjects: hemp seed and crude palm oils
(Universidad del Norte, 2020) Aldana Rico, Andrés Felipe; Bula Silvera, Antonio José; Sanjuán Mejía, Marco Enrique
Subcritical water processing of organic material has become one of the most interesting technologies to perform hydrolysis or extraction processes of organic compounds that aren't soluble in water at standard conditions. The main advantages of the use of water in the subcritical region come from having a cleaner and sustainable process, after exiting the high temperature and pressure region, lower solvent costs, and safer operating conditions. In this work, subcritical water hydrolysis of hemp seed and crude palm oils was performed under batch (For both material types) and continuously (For hemp seed oil only) to evaluate the hydrolysis yield, fatty acid stability, and thermal decomposition. To determine the technical feasibility of applying this process to consistently produce ꞷ-3 and ꞷ-6 fatty acids from the vegetable oils. Obtained results showed that subcritical hydrolysis effectively decomposes the triglyceride molecules into fatty acids, obtaining mass concentrations above 80% at temperatures below 573K in both materials. Moreover, analytical chemistry analysis performed on the hemp seed oil hydrolyzates showed that a significant fraction of the released fatty acids become dimers that are less likely to be digested by the human body. Also, a less significant amount of thermal oxidation was observed mainly on batch experimentation, where long chain aldehydes were identified. In addition, the observed polymerization level can be desired on industrial products manufacturing such as resins, adhesives, surfactants, and insulation fabrication, opening a new value-added alternative to low esteemed materials such as palm oil.
Aportación al estudio y modelado termodinámico en motores de combustión interna
(Universidad del Norte, 2016) Duarte Forero, Jorge Eliécer; Bula Silvera, Antonio José
En la actualidad, debido a la innovación en motores de combustión interna y el uso de nuevos combustibles se hace necesario realizar secuencias extensas de pruebas experimentales, con el fin de verificar el desempeño, emisiones e identificar potenciales mejoras en este tipo de máquinas térmicas. Este compromiso de mejora ha conllevado a que los motores Diésel se conviertan en la alternativa preferida para aplicaciones de automotrices. Lo anterior se ve reflejado en el crecimiento continuo de las ventas de vehículos equipados con dicho motor, sobre todo en aplicaciones de alta potencia. Muchos estudios de caracterización de motores de combustión interna tienen como resultado final la caracterización de una variable en particular. En la presente tesis doctoral se integra un modelo de diagnóstico de la combustión con un modelo predictivo, lo cual va a permitir que tenga capacidad de predicción. Con el fin de hacer más robusto el modelo termodinámico diagnóstico-predictivo implementado, se desarrolló un modelo mejorado para la caracterización de deformaciones y holguras del mecanismo biela – manivela, el cual afecta directamente la capacidad de predicción y es una de mayores fuentes de incertidumbre en el modelado termodinámico de motores de combustión interna. De igual manera, como resultado de la presente tesis doctoral se desarrolló un modelo de inyección mejorado, el cual tiene la capacidad de estimar los retrasos electromecánicos y la tasa de combustible inyectado en función del tipo de inyector, tiempo de energización y presión de inyección. La integración de los modelos descritos anteriormente con el modelo diagnóstico-predictivo implementado permite una descripción un poco más completa de los fenómenos en estudio.
High-viscosity biphasic flow characterization in a pipeline: application to flow pattern classification and leak detection
(Universidad del Norte, 2021) Noguera Polania, Jose Fernando; Sanjuán Mejía, Marco Enrique; Torres Ortiz, Lizeth
Pipeline systems play an essential role in the oil industry. These systems connect ports, oil fields, refineries, and consumer markets[104]. Pipelines covering long distances require pumping stations, where products are propelled to the next pumping station, refinery, or deposit terminal, thus traveling through most of the country. The product considered in this research work is crude oil. It is usually transported with a combination of crude oil with viscosity reducers (DRA, drag reducer agent) and oil with gas in onshore/offshore pipelines. This mode of transport is efficient for large quantities and large product shipment distances. Problems may arrive when a leak occurs. In major incidents, large scale damage to humans and the environment is possible. Then, this research addresses the problem of how to detect the leak earlier to reduce the impact in the surrounding areas and economic losses, considering five research topics taking into account that the products inside the pipeline are water-glycerol and gas-glycerol mixtures (simulating oil-DRA and oil-gas in the laboratory test apparatus). The first research topic presents a mathematical model to describe the flow of a mixture of water and glycerol in pressurized horizontal pipelines, which emulates the mixture of heavy oil and a viscosity reducer. The model is based on the mass and momentum conservation principles and empirical correlations for the mixture’s density and viscosity. The set of partial differential equations is solved using finite differences. These equations were implemented in a computer platform to be able to simulate a system. This simulation platform is a tool to simulate leak cases for different fractions of water and glycerol to evaluate algorithms for leak detection and localization before their implementation in a laboratory setting.
Design of periodic cellular materials for absorbing mechanical energy
(Universidad del Norte, 2021) Álvarez Barrios, Hugo; Zambrano Rodríguez, Habib
The topology optimization method have been widely implemented in the design of architected periodic cellular materials (PCM). One of the most relevant applications of PCM is for energy absorption applications such as explosion resistant structures and sport helmets. In this work it was studied the application of the topology optimization method to the design of PCM for energy absorption applications. The relationship among the linear mechanical properties of PCM and its capacity to absorb mechanical energy was studied. A mathematical model intended to improve the energy absorption of the material, tuning the elastic constants of the PCM based on the topology optimization method was proposed. This work is divided into fourth chapters. Chapter 1 provides the state of art of PCM, it applications, relevance and research trends. In chapter 2 it was implemented an asymptotic approach for homogenization of PCM. An application to the design of a family of PCM with constant areal density and different mechanical properties was proposed. Some numerical analysis for representative problems were presented. In chapter 3 were compared the most popular mathematical procedures for inverse homogenization using density based topology optimization approaches. The most suitable solvers and filter schemes for the intended application were identified. A rational approach based on the frequency in which are obtained feasible solutions considering the different solvers and optimization parameters was developed. Chapter 4 provides a novel topology optimization procedure intended to design PCM with improved energy absorption properties. The effects of properties such as auxeticity, shear modulus, bulk modulus and prescribed stiffness on the energy absorbed was studied. A set of crushing tests for the proposed PCM and it comparison with common benchmark materials available in the literature was presented.
Development of a control strategy to compensate transient behaviour due to atmospheric disturbances in solar thermal energy generation systems using short-time prediction data
(Universidad del Norte, 2021) Acosta Villamil, David Roberto; Sanjuán Mejía, Marco Enrique
La energía solar térmica concentrada (CSP) es una forma prometedora de energía renovable que puede aprovechar la energía del sol y ayudar a sustituir el uso de combustibles fósiles para la generación de electricidad. Sin embargo, enfrenta retos para aumentar su despliegue a nivel mundial. Las torres solares, un tipo de tecnología CSP, se componen principalmente de un campo solar y una torre en la que un receptor funciona como intercambiador de calor para alimentar un bloque de potencia. El campo solar está formado por miles de heliostatos, que son espejos capaces de seguir el sol y proyectar la luz solar concentrada sobre el receptor. Las torres solares con almacenamiento térmico funcionan continuamente, pero están sujetas a perturbaciones causadas por la interacción de la luz solar con la atmósfera. Este comportamiento puede afectar la integridad del receptor. Para determinar la posición de cada helióstato se utilizan complejos métodos de optimización. Sin embargo, estos métodos están sujetos a incertidumbre en los parámetros y no pueden compensar perturbaciones en tiempo real, como las nubes, debido a su costo computacional. Esta tesis aborda esta cuestión como un problema de control, reduciendo el número de variables. En lugar de encontrar el ángulo de elevación y azimutal para miles de helióstatos, se utilizan dos variables dentro de grupos de helióstatos. A continuación, se implementa una estrategia de control por retroalimentación, aprovechando esta reducción dimensional. Además, la metodología desarrollada en esta tesis utiliza información de un sistema de predicción de radiación solar a corto plazo de última generación, dentro de una novedosa estrategia de control adaptativo para el campo solar.
A Micro-milling cutting force and chip formation modeling approach for optimal process parameters selection
(Universidad del Norte, 2018) Serje Martínez, David Alfonso; Pacheco Bolivar, Jovanny
Las últimas décadas evidencian una demanda creciente por componentes miniaturizados con dimensiones reducidas y tolerancias estrechas, lo cual ha conllevado al desarrollo de la micro y nanotecnología. El micro-fresado, dentro de los procesos de micro-mecanizado, tiene el potencial de ser uno de los procesos de remoción de material más costo-efectivos y eficientes debido a su facilidad de aplicación, variedad de materiales de trabajo y flexibilidad geométrica. Se enfrenta a unos retos complejos debido al efecto de tamaño, vibraciones y otros factores incontrolables. Este estudio analiza dicho proceso orientado hacia desarrollar una mejor comprensión de la mecánica del micro-corte para ser aplicada en la optimización de parámetros de proceso. Se propone un acercamiento al modelado híbrido en forma novedosa, que permite una evaluación numérica a priori para evaluación de fuerzas y esfuerzos, combinado con experimentación para evaluar parámetros relevantes a la industria (formación de rebabas, desgaste de herramientas, entre otros).
Estudio analítico y numérico de la maniobrabilidad de botes de planeo
(Universidad del Norte, 2020) Algarín Roncallo, Roberto Junior; Bula Silvera, Antonio José
Los botes de planeo se utilizan en el deporte, el turismo y en operaciones militares actuando como unidades de reacción rápida en el patrullaje de costas y ríos. Estas embarcaciones se caracterizan por las altas velocidades que pueden alcanzar y en sus condiciones de operación experimentan cargas de impacto donde se pone en riesgo la integridad de la tripulación y la estabilidad de la lancha. En esta investigación se estudia la dinámica de este tipo de embarcaciones y se desarrolla un modelo matemático con seis grados de libertad el cual permite evaluar las presiones, las fuerzas y la respuesta dinámica de cascos de planeo. Inicialmente se genera un modelo del impacto bidimensional con tres grados de libertad para secciones tipo con cuña con codillos aplicando la teoría de flujo potencial, posteriormente sus resultados se extienden a tres dimensiones aplicando la teoría de cuerpos esbeltos y se utiliza para el análisis de lanchas rápidas. El modelo es usado para simular el impacto bidimensional con caída libre, pruebas de canal con movimiento forzado, pruebas de aptitud de dinámica, maniobras de circulo evolutivo y zigzag en régimen de planeo. La formulación matemática es validada mediante comparaciones con simulaciones CFD, resultados experimentales y resultados numéricos de otros autores. El algoritmo elaborado en esta investigación permite evaluar con un bajo costo computacional la resistencia al avance, la aptitud dinámica, la maniobrabilidad y la estabilidad dinámica permitiendo el diseño de embarcaciones más seguras.

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