Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Determination of environmental flows for the Barbuda stream in the Municipality of Olaya, Antioquia, Colombia

ABSTRACT Environmental flow determination is important for the management of rivers and reservoirs. This parameter allows us to calculate the water supply of basins and minimize environmental impacts associated with water harvesting. In the past, research has been performed to determine environmental flows in rivers of Antioquia. However, the results did not include annual weather variation. Mean environmental flows, evapotranspiration and infiltration in the area have been calculated with the rainfall data registered in the Olaya station during 20 years and the basin morphometric parameters. The collected data were used to build a mathematical model in MATLAB and determine the environmental flows with the Range of Variability Approach (RVA) method for each month of the year and ENSO periods. The model can be used to determine environmental flows in similar basins using new rainfall data and morphometric parameters.

RESUMEN La determinación de los caudales ecológicos en fuentes es de gran importancia para el manejo de ríos y embalses, pues se puede determinar la oferta hídrica de las fuentes y ver si son aptas para los diferentes aprovechamientos antrópicos que se quieran realizar. Aunque se han adelantado algunos estudios para determinar los caudales ecológicos en cuencas de la región, los resultados obtenidos no tienen en cuenta la variabilidad hidrológica que se presenta durante el año. A partir de series de lluvia medidas por la estación Olaya durante un periodo de 20 años y parámetros geomorfológicos de la cuenca, se estimó la evapotranspiración, infiltración y escorrentías. Luego se realizó un balance hidrológico para establecer series de caudales medios. Con las series estimadas se construyó un modelo, con el fin de determinar los caudales ecológicos, mediante el método de Rango de Variabilidad Aproximado (RVA), para años de regímenes climáticos normales y con fenómenos del Niño y La Niña. El modelo puede ser replicado para otras cuencas que presenten condiciones similares, al introducir nuevos datos de precipitación y caudal.

Alternative pretreatments of rice and tobacco wastes for the production of fermentable sugars

ABSTRACT The scarce oil supplies and the emissions of gases of greenhouse effect have caused the interest in production and utilization of lignocellulosic bioethanol. This can substitute partially or totally the fossil fuels. The stages of pretreatment and enzymatic hydrolysis are the most expensive. Different pretreatments have been studied for ethanol production from these materials. Their results depend on the method characteristics and on biomass used. The agroindustrial wastes present a composition with possibilities of being evaluated like raw material for bioethanol production. In the present research, the pretreatment stages with Ultrasound and Ozone are studied, in order to decrease the lignin content and to increase the performance of the fermentative sugars in the lignocellulosic wastes (rice hull and dark tobacco vein). In the first pretreatment procedure, time and waste type were studied and in the second stage, the ozone concentration, waste type and moisture content were the studied variables. A combined procedure was applied to the best preliminary results. It is demonstrated that a decrease in the lignin concentration and the structural transformation of the materials under consideration come true. The best results were gotten for the rice hulls.

RESUMEN Las escasas reservas de petróleo y las emisiones de gases de efecto invernadero han dado lugar al interés en la producción y utilización de bioetanol lignocelulósico. Éste puede sustituir de forma parcial o total a los combustibles fósiles. Las etapas de pretratamiento e hidrólisis enzimática son las más costosas. Se han estudiado diferentes pretratamientos para la producción de etanol a partir de estos materiales, cuyos resultados dependen de las características del método y de la biomasa empleada. Los residuales agroindustriales presentan una composición con posibilidades de ser evaluados como materia prima para la obtención de bioetanol. En la presente investigación se estudia la etapa de pretratamiento con Ultrasonido y Ozono, para disminuir el contenido de lignina y aumentar el rendimiento de los azúcares fermentables en los residuos (cáscara de arroz y vena de tabaco negro). En el primer pretratamiento, se estudiaron como factores el tiempo y tipo de residual y en la ozonólisis, la concentración de ozono, tipo de residual y humedad. Para los mejores resultados obtenidos en cada pretratamiento, se realiza un procedimiento combinado, demostrándose una disminución en la concentración de lignina y la transformación estructural de los materiales en estudio. La cáscara de arroz muestra los mejores resultados.

Improved efficiency of direct torque controlled induction motor drive by golden section method

ABSTRACT A search control based energy loss minimization technique is proposed for Direct Torque Control (DTC) of three phase Induction Motor (IM) with Fuzzy Logic Controller (FLC) used in Electric Vehicles (EV). The performance parameters of the EV considered for analysis are Dynamic performance and Efficiency. DTC is used to achieve the excellent dynamic performance of the IM drive. FLC is employed to achieve accurate speed tracking and enhance the ruggedness against disturbance and uncertainties. Loss minimization using Golden section method is proposed to search optimum level of flux value for DTC of induction motor drive. This will lead to minimum core loss and enhanced efficiency of the system. The proposed work is simulated in MATLAB/SIMULINK. The simulation and experimental results are presented to validate the performance of the proposed loss minimization algorithm.

RESUMEN Se propone una técnica de minimización de pérdida de energía basada en el control de búsqueda para el Control de par directo (DTC) del Motor de inducción trifásico (IM) utilizado en vehículos eléctricos. Los parámetros de rendimiento del vehículo eléctrico (EV) considerados para el análisis son el rendimiento dinámico y la eficiencia. DTC se utiliza para lograr un excelente rendimiento dinámico de la unidad de IM. Se propone la minimización de la pérdida utilizando el método de las secciones doradas ara buscar el nivel óptimo de valor de flujo para el DTC del motor de inducción. Esto conducirá a una pérdida de núcleo mínima y una mayor eficiencia del sistema. El controlador de velocidad lógica difusa se emplea para lograr un seguimiento preciso de la velocidad y mejorar la robustez contra perturbaciones e incertidumbres. El trabajo propuesto se simula en MATLAB / SIMULINK. La simulación y los resultados experimentales se presentan para validar el rendimiento del algoritmo de minimización de pérdida propuesto.

OR/MS research perspectives in disaster operations management: a literature review

ABSTRACT The unpredictability of natural disasters makes handling their impacts on the population, the environment and the economic resources a challenging decision-making process that must be wisely performed in a very short period of time. An adequate management of operations to disaster response is challenging for decision makers and it has become a topic of significant relevance on a worldwide basis. As a result, academics and practitioners in the field of OR/MS have increased their interest in developing tools to support the decision-making processes on a disaster scenario. This paper surveys the OR/MS literature to identify new trends of increasing interest in disaster operations management (DOM) that have emerged in the last years. A discussion on the gaps that have been successfully addressed in the last years and those that remain opened is also presented. Among the main findings, the recent use of methodologies based on data analysis, such as machine learning and data mining, to address DOM problems was identified. Moreover, a significant increase in the study of operations in the recovery phase and the inclusion of humanitarian objectives in mathematical models was established.

RESUMEN Lo inesperado de los desastres naturales hace que el manejo de sus impactos en la población, el medio ambiente y los recursos económicos sea un proceso de toma de decisiones desafiante que se debe realizar sabiamente en un período de tiempo muy corto. Una gestión adecuada de las operaciones para responder a los desastres es un desafío para quienes toman las decisiones y se ha convertido en un tema de gran relevancia a nivel mundial. Como resultado, los académicos y profesionales en el campo de la OR/MS han aumentado su interés en desarrollar herramientas para apoyar los procesos de toma de decisiones en un escenario de desastre. Este documento estudia la literatura en OR /MS para identificar nuevas tendencias de interés creciente en la gestión de operaciones de desastres (DOM) que han surgido en los últimos cinco años. Una discusión sobre las brechas que se han abordado con éxito en los últimos cinco años y aquellas que permanecen abiertas también se presentan. Entre los principales hallazgos, se identificó el uso reciente de metodologías basadas en el análisis de datos como el Machine Learning y el Data Mining para abordar problemas DOM. Además, un aumento significativo en el estudio de problemas en la fase de recuperación y la inclusión de objetivos humanitarios en los modelos matemáticos.

Influence of the patch loading length on the buckling coefficient of longitudinally stiffened plate girders

ABSTRACT Currently, one of the most used steel bridge assembly methods is the Incremental Launching Method (ILM). Its practical application consists in passing the bridge assembly through a launching shoe as well as over each support pile. For steel plate girders, a concentrate vertical reaction also known as patch loading is generated over one the flanges when ILM is employed, and depending on the geometrical and material properties of the girder, buckling failure in the web panel may occur. To overcome this type of failure, plate girders are reinforced with longitudinal stiffeners. Therefore, this paper aims at investigating the effect of the bearing length on the elastic buckling behavior of longitudinally stiffened girder webs subjected to patch loading. Buckling coefficients of longitudinally stiffened girder webs are calculated by means of linear finite element analysis. Furthermore, a parametric analysis is performed to study the influence of other geometric parameters such as the panel aspect ratio and the geometrical properties of the longitudinal stiffener on the buckling coefficient. The results show that for longitudinally stiffened girder webs the buckling coefficient increases with the loading length. However, this conclusion is considerably affected by other factors such as the position of the stiffener, and panel aspect ratios.

RESUMEN Uno de los métodos de ensamblaje de puentes de acero más utilizados en la actualidad es el Método de Lanzamiento por Empujes Sucesivos, también abreviado como ILM por sus siglas en ingles. Su aplicación práctica consiste en pasar el ensamblaje de puentes a través de las zapatas de lanzamiento, así como sobre cada pila de soporte. Para vigas de acero se genera una reacción vertical de carga concentrada sobre una de las aletas cuando se emplea ILM, y dependiendo de las propiedades geométricas y de material de la viga esto puede ocasionar una falla de pandeo localizado sobre el alma. Para evitar este tipo de fallas, las vigas son reforzadas con rigidizadores longitudinales. Muchas investigaciones han estudiado la influencia de diferentes parámetros geométricos sobre el comportamiento de pandeo elástico de vigas sujetas a carga concentrada, sin embargo, el efecto de la longitud de apoyo ha recibido poca atención. Este artículo se enfoca en investigar la influencia de la longitud de apoyo en el comportamiento de pandeo elástico de vigas esbeltas con rigidización longitudinal sujetas a carga concentrada. El coeficiente de pandeo de las vigas esbeltas rigidizadas longitudinalmente fue calculado por medio análisis lineal por elementos finitos. Para ello se realizó un estudio paramétrico con el propósito de evaluar la influencia de otras variables adicionales como la relación de aspecto del panel y las propiedades geométricas de los rigidizadores sobre el coeficiente de pandeo. Los resultados muestran que para una viga rigidizada longitudinalmente el coeficiente de pandeo incrementa con la longitud de carga. Sin embargo, este incremento se ve considerablemente afectado por otros factores tales como la posición del rigidizador y la relación de aspecto del panel.

GHG diffuse emissions estimation, and energy security to ENSO using MERRA-2 for largely hydroelectricity-based system

ABSTRACT In Colombia, hydropower share was 70 % of the total installed capacity and more than 50 % of the monthly generation share in 2015, which coincided with the strongest El Niño Southern Oscillation (ENSO) phenomenon reported in the region. ENSO has been recognized as an influential climate pattern on meteorological variables. The generation via hydropower implies the construction of dams and water reservoirs; these flooded areas generate an important amount of Green House Gases (GHG). In this regard, the main aim of this research was to quantify the diffusing emissions of CO2 and CH4 in the flooded areas of the main hydroelectric power generation facilities in Colombia. GHG emissions were calculated by the implementation of an IPCC methodology. The obtained results show that more than 1,042,500 t CO2-Eq (i.e. CO2 and CH4) are emitted in Colombia per year from this source, representing 4.4 % of the total GHG emissions in the country. As the second aim, the vulnerability of Colombia’s energy independence, in terms of power supply to ENSO and climate change was analyzed using the MERRA-2 dataset from NASA, for the years between 2010 and 2017.

RESUMEN En Colombia, la participación de la energía hidroeléctrica fue del 70% de la capacidad instalada y más del 50% de la participación de la generación en 2015, lo que coincidió con el más fuerte Fenómeno del Niño reportado históricamente en la región. El Fenómeno del Niño ha sido reconocido como un patrón climático influyente en las variables meteorológicas. La generación a través de hidroelectricidad implica la construcción de represas de agua; estas superficies inundadas generan emisiones importantes de Gases de efecto invernadero (GEI). El objetivo principal de esta investigación es cuantificar las emisiones de CO2 y CH4 en las áreas inundadas del país. Las emisiones de GEI se calcularon mediante la implementación de una metodología del IPCC. Los resultados obtenidos muestran que esta fuente emite más de 1,042,500 t de CO2-Eq (es decir, CO2 y CH4) en Colombia, lo que representa el 4.4% del total de emisiones de GEI en el país. Como segundo objetivo, se analizó la vulnerabilidad de la independencia energética de Colombia, en términos de suministro de energía durante periodos de Fenómeno del Niño y cambio climático, utilizando los datos del modelo MERRA-2 de la NASA para los años entre 2010 y 2017.

Modelling of secondary cooling system with a distributed architecture, using Coloured Petri nets

ABSTRACT Currently, cooling systems adjust their control structures with the objective of satisfying the demands of different applications. In consequence, the centralized structure frequently used in this type of applications has evolved towards a distributed structure to increase the quality of response to the current demands of the market. However, a correct specification of this type of structure demands several challenges to be overcome, such as the management of specialized resources, integration methods, coordination of independent subsystems, clarity of information, and increased dynamics of systems. This study addressed the modelling of the secondary cooling system that is located in the refrigeration laboratory of the School of Mechanical Engineering at the Universidad del Valle in Cali, Colombia. A distributed structure was considered by the integration of several modelling tools, such as Coloured Petri nets. Using the structural model and successive refinements, the system behaviour representation was obtained.

RESUMEN Actualmente, los sistemas de refrigeración ajustan sus estructuras de control con el objetivo de atender, de una forma efectiva, a las exigencias de diferentes aplicaciones. Como consecuencia, la estructura centralizada frecuentemente utilizada ha evolucionado hacia una estructura distribuida que ofrece una mayor flexibilidad y respuesta a las actuales exigencias del mercado. Sin embargo, una correcta especificación de este tipo de estructuras demanda la superación de varios retos, tales como: gerenciamiento de recursos especializados, métodos de integración, coordinación de los subsistemas independientes, claridad en la información, incremento en la dinámica del sistema, entre otros. Este trabajo abordó el modelado del sistema del enfriamiento secundario del laboratorio de refrigeración de la Escuela de Ingeniería Mecánica en la Universidad del Valle (Cali, Colombia), considerando una estructura distribuida mediante la integración de varias herramientas de modelado, como diagrama de casos de uso de UML y Red de Petri Coloreadas. Donde, a partir del modelo estructural y mediante refinamientos sucesivos, se alcanzó la representación del comportamiento del sistema.

Supercritical extraction of bioactive compounds from Cocoa husk: study of the main parameters

ABSTRACT Cocoa is a product of natural origin rich in polyphenols, mainly procyanidins and flavan-3-ols, which has a high antioxidant power. Its regular consumption brings positive health effects. The objective of the present study was to evaluate the effects of diameter of particle, extraction time, temperature, pressure and ethanol concentration in the supercritical fluid extraction (SFE) of bioactive compounds from cocoa husk. This work was developed in two stages. The first stage was aimed to study the impact of the particle size and extraction time. Extractions were carried out under constant conditions. Once particle size and extraction time were defined, it gave way to the second stage, where the effect of three levels of temperature (308.15, 313.15 and 318.15 K), pressure (10, 15 and 20 MPa) and concentration of ethanol (2, 11, and 20% ethanol) were evaluated. The results of this study suggest that particle sizes less than 0.26mm and extraction times exceeding 147min could increase the total polyphenol content (TPC). Finally, a multivariate statistical analysis was developed, showing that the most favorable conditions for obtaining extracts rich in polyphenols corresponded to 308.15K, 20MPa and 20% ethanol, under which the TPC was 35.11(±1.57)EAGmg/LEg, a total flavan-3-oles content (TFC) of 12.89 (±0.51)EEPmg/gLE and total carotenoids content (TCC) of 64.35(±1.54)EBC mg/gLE. The results obtained suggest that SFE favors the extraction of apolar compounds (carotenoids) from cocoa husk. Likewise, for the optimal extraction point, husk cocoa showed antioxidant capacity of 489.58μmol ET/LEg.

RESUMEN El cacao es un producto rico en polifenoles, principalmente procianidinas y flavan-3-oles, con un gran poder antioxidante. El objetivo del presente trabajo fue estudiar los efectos del diámetro de partícula, tiempo de extracción, temperatura, presión y concentración de etanol en la extracción de compuestos bioactivos de cáscara de cacao utilizando fluidos supercríticos (EFS). Este trabajo se desarrolló en dos etapas. La primera etapa tuvo como objetivo estudiar el impacto del tamaño de partícula y el tiempo de extracción a condiciones constantes. Una vez definidas estas condiciones, se dió paso a la segunda etapa, donde se evaluó el efecto de tres niveles de temperatura (308.15, 313.15 y 318.15 K), presión (10, 15 y 20 MPa) y concentración de etanol (2, 11 y 20%). Los resultados de este estudio sugieren que los tamaños de partícula menores de 0.26 mm y tiempos de extracción superiores a 147 min podrían aumentar el contenido de polifenoles totales (CPT). Finalmente, se desarrolló un análisis estadístico multivariado, donde se evidenció que las condiciones más favorables corresponden a 308.15 K, 20 MPa y 20% de etanol. Bajo estas condiciones, los rendimientos de CPT, (CTF) y el (CTC) fueron de 35.11(±1.57) mgEAG/gEL, 12.89 (±0.51) mgEEP/gEL y 64.35 (±1.54) mg EBC/gEL respectivamente. Del mismo modo, para el punto óptimo de extracción, la cáscara de cacao mostró una capacidad antioxidante de 489.58 μmol ET/g EL.

Oxidation of geraniol using niobia modified with hydrogen peroxide

ABSTRACT Nb2O5 bulk and Nb2O5 modified with H2O2 were studied in the epoxidation of geraniol at 1 bar and room temperature. The structural and morphological properties for both catalysts were very similar, indicating that the peroxo-complex species were not formed. The order of the reaction was one with respect to geraniol and close to zero respect to H2O2, these values fit well with the kinetic data obtained. The geraniol epoxidation is favored by the presence of peroxo groups, which is reached using an excess of H2O2. Moreover, the availability of the geraniol to adopt the three-membered-ring transition state was found as the best form for this type of compound.

RESUMEN El óxido de niobio (niobia, Nb2O5) y Nb2O5 modificado con H2O2 fue explorado como catalizador en la epoxidación de geraniol a 1 bar y temperatura ambiente. Las propiedades estructurales y morfológicas de ambos catalizadores fueron muy similares, lo cual sugiere que no se formaron especies de complejo peroxo. El orden de la reacción fue uno con respecto a geraniol y cercano a cero con respecto al H2O2. Estos valores son consistentes con los datos cinéticos obtenidos. La epoxidación de geraniol fue favorecida en presencia de grupos peroxo, que se alcanzan utilizando un exceso de H2O2. Además, se encontró que, bajo las condiciones de reacción utilizadas en este trabajo, el geraniol fácilmente adoptó un estado de transición de un anillo de tres miembros como la estructura más favorable para este tipo de compuesto.

MultiModal Wireless Sensor Networks based on Wake-up Radio Receivers: An analytical Model for Energy Consumption

ABSTRACT Traditionally, sophisticate power-aware wake-up techniques have been employed to achieve energy efficiency in Wireless Sensor Networks (WSNs), such as low-duty cycling protocols using a single radio architecture. These protocols achieve good results regarding energy savings, but they suffer from idle-listening and overhearing issues, that make them not reliable for most ultra-low power demanding applications, especially, those deployed in hostile and unattended environments. Currently, Wake-up Radio Receivers (WuRx) based protocols, under a dual-radio architecture and always-on operation, are emerging as a solution to overcome these issues, promising higher energy consumption reduction compared to classic wake-up protocols. By combining different transceivers and reporting protocols regarding energy efficiency, multimodality in WSNs is achieved. This paper presents an energy consumption estimation model that considers the behavior and performance of wake-up protocols based on WuRx in multi-hop communications under several cases instead of traditional low-duty cycling schemes. The results show that the WuRx with addressing does not significantly reduce the energy consumption compared to WuRx without addressing. In some cases, classic low-duty cycling protocols outperform WuRx based protocols, but in most cases, it is contrariwise, giving a strong motivation for considering multi-modal approaches in WSNs.

RESUMEN Algunas técnicas sofisticadas de ahorro de energía se han venido empleando para lograr eficiencia energética en Redes Inalámbricas de Sensores (WSNs), tales como los protocolos de bajo ciclo de trabajo enmarcados en una arquitectura de único radio. Estos protocolos logran buenos resultados con respecto al ahorro de energía, pero sufren problemas de escucha inactiva y sobreescucha, que los hacen pocos confiables en aplicaciones que demandan alto ahorro energético, especialmente aquellas implementadas en entornos hostiles y desatendidos. Actualmente, los protocolos basados en un Receptor de Radio Wake-up (WuRx), bajo una arquitectura de dos radios y una operación siempre encendida, están surgiendo como una solución para superar estos problemas, prometiendo una mayor reducción del consumo de energía en comparación con los protocolos clásicos. Al combinar diferentes transceptores y protocolos de transmisión, se logra la multimodalidad en WSNs. Este artículo presenta un modelo de energía para estimar el ahorro de energía en varias topologías de redes de saltos múltiples bajo varios casos de uso basados en WuRx en lugar de los esquemas tradicionales. Los resultados muestran que el WuRx con direccionamiento no reduce significativamente el consumo de energía en comparación con WuRx sin direccionamiento. En algunos casos, los protocolos de bajo ciclo de trabajo superan a los protocolos basados en WuRx, pero en la mayoría de los casos, sucede lo contrario, lo cual brinda una fuerte motivación para considerar enfoques multimodales en WSNs.