Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Design of a wave energy converter system for the Colombian Pacific Ocean

ABSTRACT This paper details the mechanical design of a wave power generation system comprising a buoy that houses a set of mechanical devices and a linear generator. The system proposed transforms the heaving movement of the buoy in a rotational movement of the arm that houses the linear generator. Firstly, the conceptual design and the operation of the system is exposed. Secondly, the conditions of the waves in the zone of interest are presented; in this case, the device was designed to work in the Colombian Pacific Ocean. Afterwards, the dynamic model of the buoy and the linear generator are deduced starting off the movement laws. To solve the resulting equation, Ansys Aqwa® numerical software is used to know the behavior of the device under the features of the swell conditions. Finally, the simulation results under real conditions are presented and compared to the response under incident regular wave. To determine the amount of electric power generated, a calculus routine in Matlab® is implemented. Throughout the numerical code, the electric power generated is calculated at each time step, and the average electric power is solved subsequently. It was found that under regular and irregular swell conditions the amount of electricity produced was 1.17 and 0.5 kW, respectively. In this regard, the device proposed here is an interesting option for populations inhabiting near coastlines far from existing electricity grids.

RESUMEN Este artículo detalla el diseño mecánico de un sistema de generación de energía a partir de las olas, el cual está compuesto por una boya, un conjunto de dispositivos mecánicos y un generador lineal. El sistema propuesto transforma el movimiento de levantamiento de la boya en un movimiento de rotación del brazo que alberga el generador lineal. En primer lugar, se expone el diseño conceptual y el funcionamiento del sistema. Posteriormente, se presentan las condiciones de las olas en la zona de interés; en este caso, el dispositivo fue diseñado para funcionar en el Océano Pacífico colombiano. A continuación, el modelo dinámico de la boya y el generador lineal se deducen a partir de las leyes de movimiento. Para resolver la ecuación resultante, se utiliza el software numérico Ansys Aqwa® para conocer el comportamiento del dispositivo bajo las características de las condiciones del oleaje. Finalmente, los resultados de la simulación en condiciones reales se presentan y comparan con la respuesta en la ola regular incidente. Para determinar la cantidad de energía eléctrica generada, se implementa una rutina de cálculo en Matlab®. Con el código numérico, se calcula la energía eléctrica generada en cada paso de tiempo, y posteriormente se determina la energía eléctrica promedio. Se encontró que bajo condiciones de oleaje regulares e irregulares la cantidad de electricidad producida fue de 1,17 y 0,5 kW, respectivamente. En este sentido, el dispositivo propuesto constituye una opción interesante para las poblaciones que viven cerca de las líneas de costa alejadas de las redes eléctricas existentes.

Photocatalytic degradation of Phenol, Catechol and Hydroquinone over Au-ZnO nanomaterials

ABSTRACT Au-ZnO nanomaterials were tested in photodegradation reactions performed under UV-Visible light; Phenol, Catechol and Hydroquinone were selected as target molecules, and it was found that Hydroquinone is the most sensitive molecule to be degraded under illumination. The Au addition significantly increases the photocatalytic activity of ZnO in the degradation of the phenolic compounds and the Au content is an important factor influencing the physicochemical properties of the nanomaterials synthesized and therefore the effectiveness of the photocatalytic treatment. The highest effectiveness in the phenolic compounds elimination was achieved by using ZnO modified by the addition of 2 wt.% of gold, this is due to the highest absorption of this material in the visible region of the electromagnetic spectrum. By HPLC analyzes, it was determined that the degradation route of the phenolic compounds depends on the photocatalyst employed in the catalytic reaction and on the substrate to be degraded, thus, Phenol degradation takes place by formation of more intermediate compounds than the observed in Catechol or Hydroquinone photodegradation.

RESUMEN Algunos nanomateriales tipo Au-ZnO fueron evaluados en reacciones de fotodegradación bajo luz UV-Visible; Fenol, Catecol e hidroquinona fueron las moléculas modelo, en general se encontró que la Hidroquinona es la molécula más sensible a la degradación bajo iluminación. La adición de Au incrementa significativamente la actividad fotocatalítica del ZnO en la degradación de los compuestos fenólicos y el contenido de Au es un factor con una influencia muy importante sobre las propiedades físicoquímicas de los nanomateriales sintetizados y sobre la efectividad del tratamiento fotocatalítico. La efectividad más alta en la eliminación de los compuestos fenólicos se logró usando ZnO modificado por adición de 2% en peso de oro, esto se debe a la mayor absorción que presenta este material en la región visible del espectro electromagético. Por HPLC, se encontró que la ruta de degradación de los compuestos fenólicos depende del fotocatalizador empleado en la reacción y del sustrato a degradar, así, la degradación del Fenol se lleva a cabo a través de la formación de un mayor número de compuestos intermediarios que lo observado en la degradación de Catecol e Hidroquinona.

Fibre reinforced concrete containing waste coconut shell aggregate, fly ash and polypropylene fibre

ABSTRACT The aim of this study is to investigate the effect of polypropylene fibre addition into eco-concrete made with fly ash, an industrial by product, as partial cement replacement material, and coconut shell, an agricultural waste, as coarse aggregates, on the mechanical properties of the concrete. Two different mixes were developed, one with coconut shell only as coarse aggregates, and the other with the combination of both conventional aggregates and coconut shell as coarse aggregates. The cement content was replaced with class F fly ash at 10% by weight in the concrete mixes. The volume fractions of polypropylene fibres used in this study were 0.25%, 0.5%, 0.75% and 1.0%. The addition of polypropylene fibres slightly reduces the slump and density of coconut shell concrete. As the volume fraction of fibres increases, the compressive strength and modulus of elasticity of coconut shell concrete also increases by up to 0.5% of fibre volume fraction. The split tensile strength and flexural strength of coconut shell concrete were also enhanced with fibre addition. The addition of 0.75% and 1.0% volume fractions of polypropylene fibres slightly reduces compressive strength. Results of this study show that polypropylene fibres may be used in coconut shell concrete to improve the mechanical properties of the composite.

RESUMEN El objetivo de este estudio es investigar el efecto de la adición de fibra de polipropileno en eco-hormigón fabricado con cenizas volantes, un producto industrial como material de reemplazo parcial de cemento, y cáscara de coco, un residuo agrícola, como agregados gruesos, sobre las propiedades mecánicas. del hormigón. Se desarrollaron dos mezclas diferentes, una con cáscara de coco solo como agregados gruesos y la otra con la combinación de agregados convencionales y cáscara de coco como agregados gruesos. El contenido de cemento se reemplazó con cenizas volantes de clase F al 10% en peso en las mezclas de concreto. Las fracciones en volumen de las fibras de polipropileno utilizadas en este estudio fueron 0,25%, 0,5%, 0,75% y 1,0%. La adición de fibras de polipropileno reduce ligeramente la caída y la densidad del concreto de cáscara de coco. A medida que aumenta la fracción de volumen de las fibras, la resistencia a la compresión y el módulo de elasticidad del hormigón de cáscara de coco también aumenta hasta en un 0,5% de la fracción de volumen de fibra. La resistencia a la tracción dividida y la resistencia a la flexión del hormigón de cáscara de coco también se mejoraron con la adición de fibra. La adición de 0,75% y 1,0% en volumen de fibras de polipropileno reduce ligeramente la resistencia a la compresión. Los resultados de este estudio muestran que las fibras de polipropileno pueden usarse en concreto de cáscara de coco para mejorar las propiedades mecánicas del compuesto.

Analysis of the influence of DC optimizers on photovoltaic production

ABSTRACT Energy efficiency is a key element in the Smart Cities (SC), in which integration of renewable sources is a reality. Small-scale integration is usually implemented with photovoltaic (PV) and solar thermal energy. The shadows on the PV modules are a reality as they are originated by unavoidable buildings and obstacles existing in the cities. These shadows will cause the decrease in PV efficiency. Therefore, the increase in PV efficiency is essential. This increase in efficiency can be achieved by associating the DC-DC converters (DC-DC optimizers) with PV modules. This work presents and compares simulations and real results of the influence of DC-DC optimizers in the efficiency of PV modules. In addition, the work includes an economic study of the installation of DC optimizers considering three different electricity price scenarios.

RESUMEN La eficiencia energética es clave en las Ciudades Inteligentes, Smart Cities (SC) por sus siglas en inglés, en las que la integración de fuentes renovables es una realidad. La integración a pequeña escala suele llevarse a cabo con energía fotovoltaica (FV) y solar térmica. Las sombras en los módulos fotovoltaicos son una realidad inevitable, ya que se originarán por los edificios y obstáculos existentes en las ciudades. Estas sombras provocan la disminución de la eficiencia fotovoltaica. Por lo tanto, el aumento de la eficiencia fotovoltaica es esencial. Este aumento de la eficiencia se puede lograr asociando los convertidores DC-DC (optimizadores DC-DC) con módulos fotovoltaicos. Este trabajo presenta y compara simulaciones y resultados reales de la influencia de los optimizadores DC-DC en la eficiencia de los módulos fotovoltaicos. Además, el trabajo incluye un estudio económico de la instalación de optimizadores considerando tres escenarios diferentes de precios de la electricidad.

Chicamocha canyon wind energy potential and VAWT airfoil selection through CFD modeling

ABSTRACT The use of vertical axis wind turbines (VAWT) in Colombia could tackle the energy distribution difficulties as large parts of the territory are not connected to the electrical grid. The present research experimentally determines the wind resource available of a rural place known as Chicamocha’s canyon and selects the airfoil for a VAWT blade through CFD modeling. By using the mean wind speed of the location, the performance of the NACA0018 and DU06W200 airfoils is evaluated in terms of the lift and drag coefficients through a 2D CFD modeling using OpenFOAM and the “Spalart-Allmaras fv3” turbulence model. It is found feasible the use of wind energy at the location where the mean year density power is 485 [ W/m 2 ], and the DU06W200 airfoil is suggested for constructing the blades of a VAWT, as its aerodynamic efficiency (c l/c d) overcomes by 14% the commonly used NACA0018.

RESUMEN El uso de turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) en Colombia podría abordar las dificultades de distribución de energía ya que gran extensión del territorio no está conectado a la red eléctrica. La presente investigación determina experimentalmente la potencia eólica disponible en el sector rural conocido como “Cañón del Chicamocha” y selecciona el perfil aerodinámico para diseñar un aspa de una VAWT por medio de simulación 2D en CFD. Tomando las características del viento del sitio de interés, se determina el desempeño aerodinámico de los perfiles NACA0018 y DU06W200 mediante el cálculo de sus coeficientes de sustentación y arrastre usando OpenFOAM considerando el modelo de turbulencia "Spalart-Allmaras fv3". Esta investigación muestra viable el uso de la energía eólica en el Cañón del Chicamocha al determinar la potencia eólica promedio anual de 485 [ W/m 2 ], además, sugiere construir los álabes de la turbina eólica usando el perfil aerodinámico DU06W200 al ser 14% más eficiente que el comercialmente usado NACA0018.

Improving the mechanical properties of commercial feldspathic dental porcelain by addition of Alumina-Zirconia

ABSTRACT Dental ceramics made from Yttria stabilized tetragonal Zirconia polycrystalline (Y-TZP) with feldspathic porcelain veneers have similar mechanical and aesthetic response to natural tooth. However, cases of early failure, such as chipping or fracture in the veneering have been reported after short periods of use. The present study evaluated the feldspathic porcelain (VITA-VM9) with addition of 0.5 and 2.5 wt% Alumina-Zirconia as reinforcing agents. Hardness, fracture toughness, contact resistance and color variations were evaluated finding better mechanical performance on the new formulations.

RESUMEN Las cerámicas dentales fabricadas a partir de Circona tetragonal policristalina estabilizada con Ytria (Y-TZP) con recubrimientos de porcelana feldespática tienen una respuesta mecánica y estética similar a la del diente natural. Sin embargo, se han reportado casos de falla temprana, como el astillado o fractura en el recubrimiento después de cortos períodos de uso. El presente estudio evaluó la porcelana feldespática (VITA-VM9) con la adición de 0,5 y 2,5% en peso de Alúmina-Circona como agentes de refuerzo. Se evaluaron la dureza, la tenacidad a la fractura, la resistencia al contacto y las variaciones de color encontrando un mejor desempeño mecánico en las nuevas formulaciones.

Spline adjustment for modelling solar intermittences

ABSTRACT One of the reasons why photovoltaic technology is not massively installed is its variation in production. This variation is due to intermittences in the solar resource. Based on real data from the microgrid of the Renewable Energy Development Center (CEDER, Spain) and another scenario in Xalapa (México), the study determines the solar intermittences produced and grouped monthly. The period of data acquisition, in the first study, was from May 30th, 2012 to March 3rd, 2015 with the help of a Baseline Surface Radiation Network (BSNR) team; in the second, 2014 measurements were obtained from a meteorological station certified by the National Meteorological System (SMN). The analysis is based on the determination of monthly frames of reference for radiation by third-degree spline adjustments with smoothing, using the JUMP statistical application software (JMP © 2009, SAS Institute, version 8.0.2). The results of the analyses have provided important information to understand the unstable appearance of solar radiation and, in turn, will be the basis of a control system to optimize photovoltaic production.

RESUMEN Una de las razones por la cual la tecnología fotovoltaica no se instala de forma masiva es su variación en la producción. Esta variación es debida a las intermitencias en el recurso solar. A partir de datos realesde la microred del Centro de Desarrollo de Energía Renovable (CEDER) y un segundo escenario en Xalapa (México), el estudio determina las intermitencias solares producidas y agrupadas mensualmente.. El periodo de adquisición de datos, en el primer estudio, fue del 30 de mayo de 2012 al 3 de marzo de 2015 con la ayuda de un equipo Baseline Surface Radiation Network (BSNR); en el segundo se obtuvieron mediciones del año 2014 provenientes de una estación meteorológica certificada por el Sistema Meteorológico Nacional (SMN). El análisis se fundamenta en determinar marcos de referencia mensuales de la radiación mediante ajustes spline de tercer grado con suavización, utilizando el software de aplicación estadística JUMP (JMP©2009, Instituto SAS, versión 8.0.2). Los resultados de los análisis proporcionan información importante para comprender el aspecto inestable de la radiación solar y, a su vez, serán la base de un sistema de control para optimizar la producción fotovoltaica.

Photocatalytic activity under visible light irradiation of cement based materials containing TiO _2-x N _y nanoparticles

ABSTRACT Self-cleaning activity of Portland cement pastes blended with nanoparticles of titanium oxynitride (TiO2− x N y ) was studied. Samples with various amounts of TiO2− x N y (1% and 3%) were evaluated under irradiation of UV and visible light, and with two curing ages (65 hour and 28 days). Rhodamine B was the pigment used and its loss of color on the cement pastes was carried out using a Spectrometer UV/Vis measuring the coordinates CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) L*, a*, b*. Discoloration of Rhodamine B on the surface of the samples was established as the photocatalytic efficiency coefficient (ε). In addition, samples with TiO2 nanoparticles (1% and 3%) were studied under the same conditions and their performances were compared with TiO2-xNy. The presence of nitrogen in the tetragonal structure of TiO2 was evidenced by X-ray diffraction (XRD), ultraviolet-visible diffuse reflectance spectrophotometry and Carbon, Hydrogen and Nitrogen (CHN) analysis. The band gap for TiO2 and TiO2-xNy was determined by the transformed Kubelka-Munk function ([F(R∞) hv]1/2). The results have shown a similar behavior for both additions under UV light irradiation, with 3% being the addition with the highest photocatalytic efficiency obtained in the early ages of curing time. TiO2− x N y showed activity under irradiation with visible light, unlike TiO2, which could only be activated under UV light. At the late curing ages, the samples with 3% of TiO2-xNy showed the highest efficiency under irradiation of UV and visible light.

RESUMEN Se estudió la actividad autolimpiante en pastas de cemento Portland adicionadas con nanopartículas de oxinitruro de titanio (TiO2-xNy). Se evaluaron 1% y 3% de TiO2-xNy bajo irradiación de luz UV y visible, a 65 horas y 28 días de curado. Rodamina B fue el pigmento utilizado y su pérdida de color en las pastas se determinó utilizando un Espectrómetro UV / Vis usando las coordenadas CIE (Comisión Internacional de la Eclara) L *, a *, b *. La decoloración del pigmento en las muestras se estableció como el coeficiente de eficiencia fotocatalítica (ε). Además, muestras con nanopartículas de TiO2 (1% y 3%) se estudiaron en las mismas condiciones y sus rendimientos se compararon con los obtenidos con TiO2-xNy. La presencia de nitrógeno en la estructura del TiO2 se evidenció mediante difracción de rayos X, espectrofotometría ultravioleta-visible de reflectancia difusa y análisis elemental CHN. La banda prohibida para TiO2 y TiO2-xNy se determinó mediante la función Kubelka-Munk transformada ([F(R∞)hv]1/2). Los resultados mostraron un comportamiento similar para ambas adiciones bajo irradiación ultravioleta, siendo 3% la adición con la mayor eficiencia fotocatalítica en las primeras edades de curado. Sin embargo, el TiO2-xNy mostró actividad bajo irradiación con luz visible, a diferencia del TiO2, que solo fue activo bajo luz UV. A edades de curado tardío, las muestras con 3% de TiO2-xNy presentaron la mayor eficiencia bajo irradiación de luz UV y visible.

Effective sericin-fibroin separation from Bombyx mori silkworms fibers and low-cost salt removal from fibroin solution

ABSTRACT Silk from Bombyx mori has two main proteins: fibroin and sericin. Fibroin is a protein that exhibits good biocompatibility and high surface reactivity, desirable properties for many biomedical applications. Sericin is related with adverse immune response in some medical uses. Therefore, its removal (degumming) is desirable in almost all fields, including the textile industry and biological applications. In this study, three degumming methods (distilled water, liquid neutral detergent and sodium carbonate solution) were evaluated using Raman spectroscopy. Degummed silk treated with sodium carbonate solution exhibits a pattern consistent with previous studies for sericin-free fibroin, and significant differences with the untreated silk pattern. Also, degummed fibroin fibers were dissolved in a calcium chloride solution, in pursuit of a more versatile material. Additionally, different porous membranes of dialysis tubes were tested to remove residual salts, and were compared by conductivity measurements and EDS analysis, identifying good performance for an affordable food cellulose membrane. The results showed that it is possible to obtain fibroin with adequate chemical properties, using low-cost process and membrane of dialysis tubes.

RESUMEN La seda del Bombyx mori tiene dos proteínas principales: fibroína y sericina. La fibroína es una proteína que presenta buena biocompatibilidad y alta reactividad superficial, propiedades deseables para varias aplicaciones biomédicas. La sericina está relacionada con respuestas inmunes adversas en algunos usos médicos. Además, su remoción (desgomado) es deseable en casi todos los campos, incluyendo la industria textil y aplicaciones biológicas. En el presente estudio se evaluaron, mediante espectroscopía Raman, tres métodos de desgomado (agua destilada, detergente líquido neutro y solución de carbonato de sodio). La seda desgomada con solución de carbonato de sodio muestra un patrón consistente con estudios previos de fibroína libre de sericina, y exhibe diferencias significativas respecto al patrón de la seda no tratada. Adicionalmente las fibras de fibroína desgomada se disolvieron en solución de cloruro de calcio, buscando un material más versátil. Además, diferentes membranas porosas fueron probadas para la remoción de sales residuales y comparadas, mediante medición de la conductividad y análisis EDS, identificando buen desempeño de la membrana de celulosa para alimentos que, además, es económica. Los resultados mostraron que es posible obtener fibroína con propiedades químicas adecuadas, usando procesos y membranas de diálisis de bajo costo.

Evaluation of an acoustic conditioning panel made from typical Colombian fibres

ABSTRACT A perforated panel from guadua fibres is implemented after acoustic characterization of the fibres. The acoustic characteristics of the fibre are identified and further, the acoustic behaviour of the acoustic absorption system made from guadua is analysed. It proves the suitability of natural fibres and bioresidues for systems which goal is to bring acoustic comfort to society. In this sense, the present research is aligned with the principles of Sustainable Development agreed at Rio de Janeiro, in 1992.

RESUMEN La implementación de un panel perforado hecho con fibras de guadua, después de su caracterización acústica ha sido realizada. Las características acústicas de la fibra son identificadas y posteriormente, el comportamiento acústico del sistema de absorción es analizado. Con esto, se verifica la posibilidad del uso de fibras naturales y bioresiduos para sistemas cuya finalidad es traer bienestar acústico a la sociedad. En este sentido, la presente investigación está alineada con los principios de Desarrollo Sostenible acordados en Río de Janeiro, en 1992.