Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

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Esterification of rosin with methyl alcohol for fuel applications

ABSTRACT Oleoresin is obtained via tapping of pine trees and as a by-product of Kraft process in the pulp industry. Because of its low production cost, it is an attractive source for biofuels. Oleoresin is composed mainly of rosin (around 80%, a solid mixture of isomeric abietic acids), and it cannot be used directly as fuel in engines. However, the methyl ester of rosin has lower boiling and melting points than rosin, and it is highly soluble in hydrocarbons. Esterification of rosin with methyl alcohol was evaluated over acid and basic heterogeneous catalysts in the presence of several solvents. In contrast to acid catalysts, basic materials were active in the reaction. In particular, a low-cost calcium-based material showed the best performance. A 55% conversion of rosin with complete selectivity to methyl esters was obtained with 40% wt. loading of the calcium-based material (respect to rosin), under mild conditions (atmospheric pressure, 64 °C and 3.5 h) and without solvent. Other catalysts, such as magnesium oxide, titanium dioxide, and alumina, achieved up to 30% conversion. Calcium carbonate and calcium hydroxide were the main phases in the calcium-based material, suggesting that the strength of basic sites can be an important property of the catalyst activity. A calcium-based material was used in five reaction cycles, obtaining a significant reduction in the activity attributed to the leaching of some phases of the catalyst.

RESUMEN La oleorresina es obtenida mediante la extracción de los árboles de pino o como un subproducto del proceso Kraft para la obtención de papel. Su bajo costo de producción la convierte en un buen candidato para ser materia prima en la obtención de biocombustibles. La oleorresina está compuesta por colofonia (alrededor del 80%, que es una mezcla de isómeros del ácido abiético), la cual no puede usarse directamente en motores de combustión. Por su parte, los ésteres de colofonia poseen menor temperatura de ebullición y fusión, además de alta solubilidad en hidrocarburos. La metil-esterificación de colofonia fue evaluada sobre catalizadores ácidos y básicos, y en presencia de varios solventes. A diferencia de los catalizadores ácidos, los básicos mostraron actividad en la reacción. Particularmente, un material cálcico de bajo costo mostró el mejor desempeño con una conversión de 55% y selectividad completa hacia los metil-ésteres cargado a 40% en peso respecto a la colofonia, a condiciones suaves de reacción (presión atmosférica, 64 °C y 3,5 horas) y sin presencia de solvente. Se encontró que las fases principales del material cálcico fueron el carbonato e hidróxido de calcio, sugiriendo que la fuerza de los sitios básicos juega un papel importante en la reacción. Este material cálcico fue usado en cinco ciclos de reacción, obteniendo una reducción significativa de su actividad en la reacción, atribuida a una posible lixiviación de algunas fases del catalizdor.

Effect of burner angle on the heat transfer of a frit furnace

ABSTRACT In this work, a numerical analysis was performed about the effect of a flat-flame burner incidence degree on the heat transfer of an industrial scale frit melting furnace, which uses a flat-flame natural gas oxy-combustion burner. The thermal performance of the furnace was evaluated by predicting the temperature distributions, the recirculation of the combustion gases, and the heat flow to the load, using three different geometrical configurations, differing in the inclination of the burner at 0°, 3.5°, 7° with respect to the longitudinal axis. The simulations were carried out using the ANSYS® Fluent software. The Steady Laminar Flamelet (SFM) model, the k-epsilon realizable model, and the discrete ordinates model were used to model combustion, turbulence, and radiation, respectively. The weighted model of the sum of gray gases (WSGGM) was used for the coefficient of absorption of the combustion species. It was observed that the furnace temperature estimated with the simulations is similar to that found in the actual process. Additionally, the simulations showed that for the angle of 7°, the flame collides with the frit, which could generate deposition of frit particles in the internal walls of the furnace; this would affect the emissivity of the refractory material. The 3.5degree angle showed a better distribution of heat flow to the frit and recirculation rate compared to the burner at 0° and 7°.

RESUMEN En esta investigación se realizó un análisis numérico del efecto del grado de incidencia del quemador en la trasferencia de calor de un horno de fusión de fritas a escala industrial, el cual emplea un quemador de oxicombustión de gas natural de llama plana. Se evaluó el rendimiento térmico del horno prediciendo las distribuciones de temperatura, la recirculación de los gases de combustión y el flujo de calor hacia la carga, con configuraciones geométricas del quemador a 0°, 3,5°, 7°con respecto a la horizontal. Las simulaciones fueron llevadas a cabo utilizando el software ANSYS® Fluent. Se utilizó el modelo SFM, el modelo k-epsilon realizable y el modelo de ordenadas discretas para simular la combustión, la turbulencia y la radiación, respectivamente. Se empleó modelo WSGGM para el coeficiente de absorción de las especies de combustión. Se observó que la temperatura del horno estimada a través de las simulaciones es similar a la determinada en el proceso real. Adicionalmente, las simulaciones mostraron que para el ángulo de 7°, la llama choca contra la frita, lo cual podría generar deposición de partículas de frita en las paredes internas del horno, afectando la emisividad del material refractario. El ángulo de 3,5 grados mostró una mejor distribución de uniformidad del flujo de calor hacia la frita y de la taza de recirculación en comparación con el quemador ubicado a 0° y 7°.

A comparative surface analysis of explanted hip joint prostheses made of different biomedical alloys

ABSTRACT The introduction of modular design in total hip arthroplasty has enabled the use of different materials in one single configuration and the adjustment of the prosthesis to the patient’s body, and facilitated medical revisions. However, modularity leads to the presence of new interfaces created between pieces in contact, raising the issue of degradation. Tribocorrosion phenomena have been identified as the main degradation mechanism due to the mechanical, chemical, and electrochemical conditions acting on the materials. In addition, conditions inside the human body are unclear, regarding electrochemical settings and the interaction between the electrochemical and mechanical action. This work is focused on the degradation of monopolar hip joint implants made from biomedical alloys such as stainless steel, Ti, and CoCr alloys. Three cases are presented and analyzed in terms of the degradation level along the trunnion length. Surface analysis done on a titanium trunnion showed a significant ploughing on the distal part, compared to what was found for stainless steel and cobalt-chromium alloys, which can produce a stuck in this area. Meanwhile, in the proximal part, wear debris is found, which suggests more movement in the internal part. Although few debris particles were identified in CoCr trunnion, a large amount of material inside the contact was observed. This could be related to the ploughing generated in the distal thread pattern, which allowed the material to come inside and outside the contact.

RESUMEN El uso de implantes modulares de cadera ha permitido el uso de diferentes materiales en un solo dispositivo, un mejor ajuste a la anatomía del paciente y, ha facilitado los procedimientos de revisión. Sin embargo, dicha modularidad crea nuevas interfaces que pueden sufrir degradación por mecanismos triboquímicos como fretting - corrosión, por las condiciones mecánicas, químicas y electroquímicas propias del cuerpo. Actualmente, dichas condiciones no son completamente claras, ni la interacción ellas. Este trabajo se centra en el análisis de la degradación de implantes mono-polares de cadera elaborados en aleaciones biomédicas: acero inoxidable (SS), aleaciones de Ti y CoCr, en los que se analiza el nivel de degradación a lo largo de la longitud del cono femoral. El cono femoral de titanio mostró una deformación más significativa de la zona distal que causa un bloqueo entre las partes modulares, comparado con la misma zona de partes fabricadas en SS y aleaciones cobalto-cromo. Por otra parte, partículas de desgaste fueron encontradas en la parte proximal, lo que sugiere que esta es una zona bajo mayor movimiento. En el cono femoral de CoCr pudo observarse una gran cantidad de material orgánico dentro del contacto. Lo anterior pudo ser causado por un ajuste deficiente inferido por la baja deformación en los filetes de la zona distal, lo que probablemente promovió que más material entrara y saliera del contacto.

An architecture for power substations communication networks based on SDN and virtualization paradigms

ABSTRACT The deployment of infrastructures related to the Smart Grid concept introduces data communication networks in the grid operation systems (control, communication, and monitoring). The implementation of data communication networks facilitates and improves the efficiency of the tasks related to the generation, transmission, and distribution of electrical energy. In turn, network management is being permeated by new technologies such as Software Defined Networking (SDN) and network virtualization, that promote automation and innovation of communication networks aiming to overcome the lack of flexibility and the difficulties to evolve that are present in current communication networks. In this context, this paper proposes a reconceptualization of the power substations communications network architecture based on the IEC 61850 standard. Here, we present a complete view of the Smart Solution for Substation Networks (S3N) architecture, which allows modeling the future power substations communication networks taking advantage of the benefits introduced by SDN and virtualization technologies. In addition, in order to provide a better understanding of the challenges arising in this area, and to generate new research interest in this field, a review of several studies oriented to determine the feasibility of incorporating SDN as a key element to improve the management and operation of the power substations communication networks is presented.

RESUMEN El despliegue de infraestructuras relacionadas con el concepto Smart Grid trae consigo la introducción de las redes de comunicaciones de datos en la operación de los sistemas de la red de energía (control, comunicación y monitoreo). De esta manera, se espera facilitar y mejorar la eficiencia de las tareas relacionadas con la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica. Al mismo tiempo, la gestión de las redes de comunicación está siendo permeada por nuevas tecnologías como las redes definidas por software (SDN) y la virtualización de red, que promueven la automatización y la innovación de las redes de comunicación tratando de superar los problemas de falta de flexibilidad y las dificultades para evolucionar en las redes de comunicación actuales. En este contexto, este documento propone una reconceptualización de la arquitectura de la red de comunicaciones de subestaciones de energía basada en el estándar IEC 61850. La arquitectura propuesta, Smart Solution for Substation Networks (S3N), permite modelar la futura red de comunicaciones de subestaciones de energía aprovechando los beneficios introducidos por SDN y las tecnologías de virtualización. Además, con el fin de proporcionar una mejor comprensión de los desafíos que surgen en esta área, y generar un nuevo interés de investigación en este campo, se presenta una revisión de varios estudios orientados a determinar la viabilidad de incorporar SDN como elemento clave para mejorar la gestión y operación de la red de comunicaciones en subestaciones de energía.

Design of two-dimensional perovskite solar cells with superior efficiency and stability

ABSTRACT Pervskite solar cells have attracted extensive attention from researchers worldwide due to their rapid development and efficiency. Nevertheless, stability is still an issue that limits the advance of this technology. In this work, we present the fabrication and characterization of two-dimensional perovskites of the Ruddlesden-Popper’s family (A)2(MA)n−1PbnI3n+1 (three different A-site large cations were investigated: A=n-propylammonium, t-Butylammonium or Benzylammonium). The modulation of the large organic cations increased the band gap of the materials and improved moisture and thermal stability, making it possible to fabricate PSCs. Even though the organic interlayers intrinsically reduce the transport properties of the devices and therefore lower currents are obtained in the layered systems, a remarkable efficiency of 10.35% was obtained for (BUA)2(MA)2Pb3I10, with superior stability, and therefore, it was possible to retain 68% of its initial value after 1700 h for devices without encapsulation.

RESUMEN Las celdas solares de Perovskita han atraído la atención de la comunidad científica en los últimos años debido a los avances significativos en su eficiencia. Sin embargo, su estabilidad es todavía un problema que limita el avance de esta tecnología. En este trabajo se presenta la fabricación y caracterización de pervoskitas bidimiensionales pertenecientes a la familia Ruddlesden-Poppery (A)2(MA)n−1PbnI3n+1 (se estudiaron 3 cationes grandes en la posición A: n-propilamonio, t-Butilamonio o Bencilamonio). La modulación de estos cationes que promueven la formación de una estructura bidimensional, generó un incremento en el bandgap de los materiales, así como una mejora en su estabilidad térmica y a la humedad. Aunque naturalmente la introducción de estos cationes genera una disminución en las propiedades de transporte, reduciendo la corriente de los dispositivos, se lograron obtener dispositivos con eficiencias de 10,35% para (BUA)2(MA)2Pb3I10, que, presentando una estabilidad mejorada, lograron retener el 68% de valor inicial luego de 1700h sin encapsulamiento.

Colombian climatology in CMIP5/CMIP6 models: Persistent biases and improvements

ABSTRACT Northern South America is among the regions with the highest vulnerability to climate change. General Circulation Models (GCMs) are among the different tools considered to analyze the impacts of climate change. In particular, GCMs have been proved to provide useful information, although they exhibit systematic biases and fail in reproducing regional climate, particularly in terrains with complex topography. This work evaluates the performance of GCMs included in the fifth and sixth phases of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), representing the annual cycle of precipitation and air surface temperature in Colombia. To evaluate this, we consider different observational and reanalysis datasets, including in situ gauges from the Colombian Meteorological Institute. Our results indicate that although the most recent generation of GCMs (CMIP6) show improvements with respect to the previous generation (CMIP5), they still have systematic biases in representing the Intertropical Convergence Zone and elevation-dependent processes, which highly determine intra-annual precipitation and air surface temperature in Colombia. In addition, CMIP6 models have larger biases in temperature over the Andes than CMIP5. We also analyze climate projections by the end of the 21st century according to the CMIP5/CMIP6 simulations under the highest greenhouse gases emission scenarios. Models show projections toward warmer air surface temperatures and mixed changes of precipitation, with decreases of precipitation over the Orinoco and Colombian Amazon in September-November and increases over the eastern equatorial Pacific during the entire year.

RESUMEN El norte de Suramérica es una de las regiones más vulnerables ante cambio climático. Los Modelos de Circulación General (MCG) son las herramientas más empleadas para identificar los posibles impactos del cambio climático. Los MCG proveen información útil, aunque presentan sesgos sistemáticos, principalmente en zonas de topografía compleja. Se evalúa la habilidad de los modelos de la quinta y sexta fase del Proyecto de Comparación de Modelos Acoplados (CMIP) para representar el ciclo anual de precipitación y temperatura superficial del aire en Colombia. Se consideran diferentes bases de datos, incluyendo estaciones in situ del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM). Los modelos de última generación (CMIP6) mejoran su desempeño con respecto a los modelos de la generación anterior (CMIP5), aunque siguen presentando sesgos sistemáticos como dificultades para representar la Zona de Convergencia Intertropical y procesos que dependen de la elevación, fundamentales para el comportamiento intra-anual de la precipitación y la temperatura en Colombia. Los modelos CMIP6 presentan mayores sesgos simulando la temperatura sobre los Andes Colombianos que los modelos CMIP5. Las proyecciones climáticas para finales del siglo XXI considerando los escenarios de mayores emisiones de gases de efecto invernadero sugieren condiciones futuras más cálidas y cambios mixtos de precipitación en Colombia, con reducciones de precipitación en el Orinoco y el Amazonas Colombiano en septiembre-noviembre, e incrementos en el este del Pacífico ecuatorial durante todo el año.

Planning and performance measurement in higher education: three case studies of operational research application

ABSTRACT In this work, we illustrate the application of a wide variety of Operations/operational research (OR) tools in higher education through three case studies based on practical applications conducted in the Engineering School of the Universidad de Antioquia. These case studies focus, respectively, on capacity planning, resource allocation, and performance measurement. In the first case study, we model and predict the flow of students enrolled in the industrial engineering program through the new curriculum using system dynamics and algebraic modeling of dropout rates, finding the number of sections for the courses, and the corresponding number of faculty positions needed to support the program structure. The second case study is a course covering model for the new curriculum that considers preferences and capacities of the teaching staff in an integer programming model, to find the uncovered courses of the new curriculum. Finally, the third case study presents a data envelopment analysis tool currently used to evaluate and rank the faculty of the Engineering School according to their teaching performance. The case studies presented in this work showcase how helpful OR tools are to rationalize the decision-making process in higher education institutions.

RESUMEN En este trabajo presentamos la aplicación de diversas herramientas de Investigación de Operaciones en educación superior a través de tres casos de estudio desarrollados en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Antioquia. Estos casos se enfocan en la planeación de la capacidad, la distribución de los recursos y la medición del desempeño, respectivamente. En el primer caso, usamos dinámica de sistemas para modelar y predecir el flujo de los estudiantes a lo largo del nuevo currículo del programa de Ingeniería Industrial y modelamos algebraicamente las tasas de deserción de los estudiantes, obteniendo el número de grupos necesarios para los cursos del currículo y la cantidad de profesores necesarios para apoyar la oferta académica. El segundo caso es la aplicación de un modelo de cobertura de cursos para el nuevo currículo, considerando las preferencias y capacidades de los profesores vinculados al departamento de Ingeniería Industrial en un modelo de programación lineal entera y cuyos resultados fueron la cantidad de cursos no cubiertos por área académica. Finalmente, el tercer caso presenta una herramienta basada en Análisis Envolvente de Datos que es usada actualmente para evaluar y clasificar a los profesores de la Facultad de Ingeniería de acuerdo con su desempeño docente. Los casos de estudio presentados en este trabajo muestran la utilidad de las herramientas de Investigación de Operaciones para racionalizar la toma de decisiones en instituciones de educación superior.

Localised corrosion of super duplex stainless steel in synthetic NaOH-Na2S solution at different temperatures

ABSTRACT The pitting corrosion resistance of the UNS S-32760 super duplex stainless steel (SDSS) in synthetic NaOH-Na2S solution at different working temperatures of 25, 50, and 70°C has been evaluated in the current investigation to assess the alloy behaviour under the caustic environments used in the pulp and paper industry. The temperature effect on pitting (Ep) and repassivation (Erp) potentials was studied with the Cyclic Potentiodynamic Polarisation (CPP) technique according to the ASTM G61. Results demonstrated that pitting corrosion is prone to occur when increasing alloy temperature since both pitting and repassivation potentials lean towards more negative values while the repassivation zone is reduced. Furthermore, the morphology of the found pits was determined using Scanning Electron Microscopy (SEM). The pitting corrosion mechanism for the studied super duplex stainless steel under the exposed conditions was introduced. The thiosulphate ion is attributed to be responsible for the initiation of the localised corrosion.

RESUMEN La resistencia a la corrosión por picado del acero inoxidable súper dúplex UNS S-32760 en una solución sintética de NaOH y Na2S a diferentes temperaturas de trabajo 25°, 50° y 70°C fue estudiada en la presente investigación, con el propósito de evaluar el comportamiento de la aleación en ambientes cáusticos utilizados en la industria de la pulpa y el papel. Se utilizó la técnica electroquímica de Polarización Potenciodinámica Cíclica (PPC) acorde a ASTM G61 para estudiar el efecto de la temperatura en los potenciales de picado (Ep) y repasivación (Erp). Los resultados mostraron, que al incrementar la temperatura la aleación es más susceptible a la corrosión por picado, ya que tanto los potenciales de picado como los potenciales de repasivación tienden a valores más negativos y la zona de repasivación se reduce. Por otro lado, se realizó una caracterización utilizando Microscopia Electrónica de Barrido (SEM) para determinar la morfología de las picaduras encontradas. El mecanismo de corrosión por picado para el acero inoxidable súper dúplex en las condiciones expuestas, se atribuye al ion tiosulfato ser el encargado de iniciar la corrosión localizada.

Finite element analysis of the flexor digitorum profundus tendon during a passive rehabilitation protocol

ABSTRACT The present study aims to create a patient-specific hand model to simulate the passive rehabilitation on the index finger, quantifying the flexor digitorum profundus (FDP) tendon excursion and the stress experienced during simulated flexion. The computational model used in this analysis was created from an unknown patient dataset available in the Embodi3d online library. The segmentation, three-dimensional reconstruction, and modeling of the structures involved were performed using Materialise Mimics and Rhino3D. The FDP tendon excursion and stress values present in the model were calculated in the ANSYS environment. Based on the finite-element simulation, the FDP tendon presents an excursion of 10.1 mm during passive postoperative flexion. The highest-stress values were observed between the pulleys-FDP tendon contact surfaces. In particular, the pulley A1 exhibited the maximum principal stress of the model with a 58.7 MPa. The pulley A3 showed the same stress distribution pattern that A1 Pulley, but with the lowest values. The FDP Tendon excursion obtained is consistent with the results reported in the literature, which vary from 8 to 11 mm. The stress values found in the model explain the importance of the pulley mechanism keeping the FDP tendon attached to the finger bone during the range of motion experienced. The silico model proposed may potentially be used in the assessment of new medical device proposals in the field of hand reconstructive surgery.

RESUMEN El objetivo del presente estudio fue crear un modelo específico de la mano para simular la rehabilitación pasiva en el dedo índice, cuantificando la excursión y la tensión experimentada del tendón flexor profundo (FP). El modelo computacional utilizado se creó a partir de un conjunto de datos disponibles en la biblioteca de Embodi3d. La segmentación, la reconstrucción tridimensional y el modelado de las estructuras se realizaron utilizando Materialise Mimics y Rhino3D. La excursión y los valores de tensión presentes en el modelo se calcularon en ANSYS. El tendón FP presenta una excursión de 10,1 mm durante la flexión postoperatoria pasiva. Los valores de tensión más altos se observaron entre las superficies de contacto entre las poleas y el tendón. En particular, la polea A1 exhibió la tensión principal máxima del modelo con 58,7 MPa. La polea A3 mostró el mismo patrón de distribución de tensiones que la polea A1, pero con los valores más bajos. La excursión del tendón obtenida es consistente con los resultados reportados en literatura que varían de 8 a 11 mm. Los valores de tensión encontrados explican la importancia del mecanismo de poleas que mantiene el tendón FP unido al hueso durante el rango de movimiento experimentado. El modelo propuesto puede potencialmente utilizarse en la evaluación de nuevas propuestas de dispositivos médicos en el campo de la cirugía reconstructiva de la mano.

Performance and determination of Concentration Ratio for a parabolic solar concentrator using a thermographic technique

ABSTRACT This work addresses the methodology to determine the exact concentration ratio (CR) for a parabolic solar concentrator (PSC) using thermographic imaging. The value of CR is commonly given in terms of the area of the receiver and not in terms of the area of the image produced by the concentrator on the receiver surface. With thermographic analysis, it is possible to know the real image generated by the PSC on the receiver, which helps to have a precise calculation of CR. It is important to measure the real CR not only for manufacturing purposes but also for the maintenance of solar concentrators, since its miscalculation lowers their energy efficiency or lifespan. In experiments, the real image on the receiver is divided into 4 regions, stratified with an equal temperature difference for each one. With this consideration, CR varied from 20 to 151. To complete the analysis, the energy efficiency is calculated. Since heating is a non-stationary process, thermal efficiency fluctuated during the time of experimentation, having a peak of 25% and a mean value of 15.3%. The irregularities of curvature in the concentrators significantly deteriorate the uniformity of the radiation flux and the energy efficiency due to unused areas of concentration.

RESUMEN Este trabajo aborda una metodología para determinar el factor de concentración (FC) exacto para un concentrador solar parabólico (CSP) utilizando cámara termográfica. El valor del FR se da comúnmente en términos del área del receptor y no en términos del área de la imagen producida por el concentrador en la superficie del receptor. Con el análisis termográfico es posible conocer la imagen real generada por el CSP sobre el receptor, lo que ayuda a tener un cálculo preciso del FC. Es importante disponer de metodologías para medir el FC real no sólo en la fabricación sino también en el mantenimiento de los concentradores solares, ya que su cálculo erróneo puede provocar disminuciones en la eficiencia energética o afectar a su vida útil. En los experimentos, la imagen real sobre el receptor se dividió en 4 regiones, estratificadas con igual diferencia de temperatura cada una. Con esta consideración, el FC varió de 20 a 151. Por otro lado, se calculó la eficiencia energética para completar el análisis. Dado que el calentamiento es un proceso no estacionario, la eficiencia térmica fluctuó durante el tiempo de experimentación, obteniendo un pico de 25% y un valor promedio del 15,3%. Las irregularidades de curvatura en los concentradores deterioran significativamente la uniformidad del flujo de radiación y la eficiencia energética debido a las zonas de concentración no utilizadas.