2 20 100 https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20801/Ingenierias_2018_Ano_21_No_78_Enero-Marzo.pdf 6bc218152c7b9270949065e80dcf5748 PDF Text Text ��78 Contenido Enero-Marzo de 2018, Año XXI, No. 78 3 Editorial: La movilidad en la formación de ingenieros 6 Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices Lizbeth Habib Mireles Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, Luis Arturo Reyes Osorio, Roberto Cabriales Gómez 20 Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego Javier Ramón Sotomayor Castellanos 36 Toma de decisiones en la vida diaria bajo dos criterios cuantificables Miguel Ángel Urbano Vázquez, Mauricio Cabrera Ríos 43 Electroquímica de los monofosfatos de tungsteno (PO2)4(WO3)2m (m= 4 y 6) ante la inserción de litio Francisco E. Longoria Rodríguez, Azael Martínez de la Cruz 51 Aplicación del cálculo fraccional a la reología de materiales poliméricos Felipe R. García Cavazos, Martín E. Reyes Melo, Virgilio A. González González, Carlos A. Guerrero Salazar, Antonio García Loera 57 Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos en oscilaciones de potencia Miguel Ángel Platas Garza, José Antonio de la O Serna 69 Titulados de doctorado en 2017 en la FIME-UANL 71 Colaboradores 74 Información para colaboradores 75 Código de ética Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Año XXI, No. 78 � �DIRECTORIO Ingenierías, Año XXI N° 78, enero-marzo 2018. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, Nuevo León, México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de enero de 2018. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66455. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2018 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Mtro. Rogelio G. Garza Rivera Rector M.A. Carmen del Rosario de la Fuente García Secretario General Dr. Santos Guzmán López Secretario Académico Dr. Celso José Garza Acuña Secretario de Extensión y Cultura Lic. Antonio Ramos Revillas Director de Editorial Universitaria FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván M.C. Jesús G. Puente Córdova Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster René de la Fuente Franco Impresor Samantha Abigail Martínez Avila, César Oziel Silva Barriga Auxiliares CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. 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Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñán, FIME-UANL. � Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Año XXI, No. 78 �Editorial: La movilidad en la formación de ingenieros Lizbeth Habib Mireles Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica lizbeth.habibm@uanl.mx Se promueve como movilidad a la actividad que realizan los estudiantes y personal académico de asistir a instituciones alternas a la de su inscripción o adscripción durante sus estudios o su actualización, con la intención principal de complementar su formación, ampliar oportunidades laborales, conocer otro entorno educativo o cultural y desarrollarse como individuos, entre otros. En rigor, la movilidad se da desde el momento que los participantes tienen acceso a experiencias con otras instituciones, aun en la misma localidad. Sin embargo, la globalización ha jugado un papel tan importante en la mentalidad de la sociedad, que los interesados suelen considerar que un programa de movilidad es exclusivo para instituciones en el extranjero. Existen diversas figuras para la movilidad del personal académico, tales como las estancias sabáticas, cuyos objetivos son definidos individualmente para cada participante. En otro contexto, si se considera la movilidad como parte de un programa educativo, será responsabilidad de las instituciones valorar sus ventajas y desventajas, al margen del interés que manifiestan en la mayoría de los casos, los estudiantes que tienen buenas calificaciones y que sin mayor análisis lo consideran un beneficio en su formación. La “movilidad” es un concepto que se encuentra presente en la mayoría de las agendas de las instituciones educativas y en múltiples estudios e investigaciones, pero en la mayoría de los casos se enfocan más en situaciones administrativas que en el impacto académico de la experiencia. Desde el punto de vista de la formación, el criterio debe estar basado en la excelencia académica, por lo que la valoración de la movilidad debe ser referida al desempeño propio de los estudiantes, sus características y habilidades. En particular, la formación de ingenieros está basada en el dominio de las ciencias básicas (matemáticas, física y química) por lo que, sin importar la institución de origen, todas las personas a quienes se les conceda el grado de ingeniero habrán construido las mismas competencias. Bajo esta perspectiva sería difícil justificar la ventaja de la movilidad en términos de las asignaturas, ya que sería inaceptable que un estudiante fuera de una institución a otra para llevar un buen curso de matemáticas, por ejemplo, ya que ese curso debe ofrecerse con el mismo nivel en la institución de origen. La justificación, sin embargo, requiere que la institución realice análisis de los resultados académicos considerando elementos cualitativos y cuantitativos, y debe ser efectuada tanto en el papel de anfitrión, recibiendo estudiantes, Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Año XXI, No. 78 � �La movilidad en la formación de ingenieros / Lizbeth Habib Mireles como en el de invitado al enviarlos en movilidad a otras instituciones. Por simplicidad se puede tomar en primera instancia la recepción de estudiantes, ya que en este caso se tiene acceso a los resultados obtenidos por ellos y por sus propios alumnos regulares, de manera que se pueden hacer comparaciones de desempeño confiables. Si las personas que se reciben tienen un desempeño estadísticamente superior a los propios, eso podría indicar que están mejor preparados, ya sea porque sus cursos son mejores, porque su red de cursos está mejor organizada, ya tomaron cursos de especialidad, o los cursos que eligieron son redundantes para ellos al grado que se enfrentan a un sistema relajado. Se podría suponer lo contrario si el desempeño de los visitantes fuera inferior. El mismo análisis es válido para los estudiantes que se envían en movilidad, pero usualmente en ese caso no se cuenta con la calificación de los compañeros en la institución anfitriona por lo que es más difícil hacer comparaciones, aunque siempre se puede utilizar la información que se genere de los compañeros que se quedaron haciendo los mismos cursos, y mucho más importante, con los estudiantes que vuelven de la movilidad, ya integrados a los cursos seriados que les correspondan. De manera indirecta los propios estudiantes formulan análisis cualitativos porque tuvieron la oportunidad de compararse a sí mismos, no sólo en cuanto a sus competencias, con el resto del grupo en que fueron integrados durante la movilidad. Ellos lo manifiestan diciendo que “batallaron” o que les fue “fácil”, por lo que la primera información proviene de esta percepción, que debería ser más una autocrítica. Reuniendo ésta con los resultados “duros” del registro escolar, se puede tener una excelente base de retroalimentación para el diseño de los programas, de manera que los beneficios potenciales también estén al alcance de quienes no participan presencialmente de la movilidad. Las dificultades que los estudiantes presentan al realizar un programa de movilidad sin una planeación y definición de objetivos, los puede llevar a encontrarse con cursos donde no cuenten con los conocimientos previos para aprovecharlos. Por lo que los buenos o malos resultados son elementos que deben impactar al responsable académico que acompañó al estudiante en la planeación de tales objetivos. Dado que el objeto de la movilidad es complementar la formación, existen entonces otras posibilidades para cumplir con lo que el diseño académico plantea. Esto requiere que se haga una labor de seguimiento del estudiante en su institución de origen, en la que además se preparará en otras habilidades necesarias para tener éxito en sus actividades de movilidad, tales como el idioma y capacidad de adaptación. Los alumnos no podrán partir sin una misión definida, cuyo logro sea evaluable más allá de una calificación de cumplimiento o de aprobación por parte de la institución receptora. La evaluación no se puede limitar a contar créditos y coincidencias en la redacción de los programas de las asignaturas, eso corresponde más bien a consideraciones administrativas. La evaluación debe ser realizada por pares académicos de amplia experiencia que pueden decidir sobre el grado de cumplimiento de las misiones y brindar orientación para el futuro. Solamente a través de la autoridad académica se puede valorar la contribución de la movilidad a la formación. La administración, por su parte, debe establecer mecanismos que � Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Año XXI, No. 78 �La movilidad en la formación de ingenieros / Lizbeth Habib Mireles faciliten la permanencia de los estudiantes en las instituciones alternas, así como el reconocimiento de los certificados y constancias, además de lo necesario para cumplir con los requisitos de postulación. La movilidad siempre ha existido, pero su alcance e interés habían sido limitados, ya que anteriormente los estudiantes la realizaban con sus propios medios, buscaban instituciones receptoras, frecuentemente desligados de sus instituciones al grado de que llegaban a interrumpir sus estudios. Esto ha ido evolucionando hasta los casos actuales donde los estudiantes se preparan y planean desde el inicio de su carrera su participación en movilidad hasta llegar a seleccionar sus opciones de formación tomando en cuenta este criterio. Lo deseable es que las instituciones se empeñen en que sus contrapartes tengan un alto reconocimiento por su excelencia académica, de manera que al otorgarse reconocimiento mutuo de su calidad, fortalezcan sus intereses por formar profesionistas que se distinguirán positivamente en su contribución a la construcción de un mejor país. El compromiso es imponente, pues requiere que se dé una combinación de estudiantes bien preparados, tanto académicamente como en su actitud para desenvolverse en diferentes escenarios; con profesores que cuenten con más que la formación ingenieril, que su propia formación sea equivalente a la de sus contrapartes en las instituciones socias. La efectividad de estas actividades se verá con el tiempo en los resultados, especialmente si la demanda de ingenieros en la localidad valora las competencias construidas por los estudiantes que realizan movilidad, así como en la forma en que los participantes destaquen en la sociedad. El éxito o fracaso de un programa de movilidad se centra en su contribución efectiva al logro de la excelencia académica de los estudiantes. De ninguna manera se centra en la cantidad de convenios firmados entre las instituciones ni en la cantidad de estudiantes y profesores que envían o reciben. Se aprecia que la movilidad es una modalidad recurrente en la oferta de programas educativos, como uno de los elementos que fortalece la capacidad para lograr la excelencia académica. Es claro que las instituciones diseñarán estrategias y acciones orientadas al éxito, en las cuales es esencial que los estudiantes dominen la competencia comunicativa, al menos en su lengua materna, y en particular para la ingeniería, deberán ser ampliamente componentes en las ciencias básicas. Sus profesores deben promover el interés por esas competencias en sus estudiantes. Además, los aspirantes a estos programas deben ser seleccionados, tanto para ser candidatos a la movilidad, como para ser evaluados a su retorno con base a criterios estrictamente académicos, por lo que se requiere que la autoridad académica esté fortalecida. Los programas de movilidad llegarán a la cúspide de su éxito cuando se haya creado un entorno competitivo en el que la preparación de los estudiantes sea, en general, la adecuada para desarrollarse en cualquier lugar, sin necesidad de recurrir a programas especiales para los interesados en ella. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Año XXI, No. 78 � �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, Luis Arturo Reyes Osorio, Roberto Cabriales Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, y Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica. luis.reyessr@uanl.edu.mx RESUMEN Las tecnologías de fabricación han evolucionado en la industria automotriz debido al esfuerzo de los fabricantes por reducir costos, minimizar tiempos y mejorar la calidad de los productos. En el presente trabajo se analiza mediante el método de elementos finitos el daño por fractura dúctil durante el formado de una terminal utilizando el modelo de daño Cockcroft-Latham (C&L). Se desarrolló un modelo numérico para el formado de dos aleaciones CuSn6 con diferentes condiciones de flujo. Los resultados obtenidos reflejan la validez del modelo desarrollado, detectando y evaluando el daño ocurrido durante el proceso de formado de una terminal automotriz. PALABRAS CLAVE Formado, elemento finito, fractura frágil, daño. ABSTRACT The manufacturing technologies have evolved in the automotive industry due to the constant pressures on manufactures to reduce cost, minimize times and improve quality. In this paper, the finite element method (FEM) is applied to analyze the damage by ductile fracture present in a terminal of automotive socket using the software DEFORM and the Cockcroft-Latham (C&L) damage model. Through this platform was developed a forming simulation for two CuSn6 alloys with different flow conditions. The results reflect the usefulness of the finite element method resulting in the detection and evaluation of the damage that occurred during the progressive-die process of a terminal. KEYWORDS Forming, finite element, ductile fracture, damage. � Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices / Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. INTRODUCCIÓN Los componentes porta-lámparas son ampliamente utilizados en la industria automotriz. Este componente incluye tomas con base de cuña en un conector integral, cables, conjuntos de placa de circuito e interfaces asociadas. (figura 1). La terminal de enchufe sirve para energizar la bombilla de un automóvil a la señal enviada desde la computadora por el conductor. Estas terminales requieren una atención significativa desde el diseño hasta la operación debido a sus características eléctricas, térmicas y mecánicas. La norma USCAR 15 es la especificación de prueba para ensambles de circuito/enchufe para bombillas miniatura utilizadas en la industria automotriz; esta especificación establece los requisitos y procedimientos de prueba para dispositivos de retención de bombillas automotrices.1 La fractura dúctil durante flujo plástico posee una gran dependencia en esfuerzos locales, inestabilidades de flujo, velocidad, condiciones de temperatura, además de la influencia de los cambios de microestructura. Es de gran importancia el estudio del micro-mecanismo que ocurre durante la fractura y la probabilidad de daño como vía de cuantificación de los efectos que son participes durante el proceso de disipación energético y la formación de superficies de fractura. El flujo plástico es un proceso físico donde a través del movimiento de dislocaciones se deforma permanentemente un material. La fractura dúctil es un fenómeno complejo que posee una gran dependencia en parámetros térmicos y mecánicos, tales como: estado de esfuerzos, grado de deformación, velocidad y cambios de temperatura.2-4 Los modelos matemáticos por elementos finitos son técnicas frecuentemente utilizadas para determinar estados de esfuerzo locales, patrones de deformación y daño crítico en la predicción de fractura durante el flujo plástico.5,6 Fig. 1. Porta-lámpara utilizado en la manufactura automotriz. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 � �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices / Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. Los principales tipos de fallas por fractura durante el flujo plástico son la fractura superficial y la fractura interna. Frecuentemente, el fenómeno de fractura ocurre en las superficies en contacto que imparten la fuerza requerida para deformar un material. Una combinación de deformación cortante con esfuerzos de tensión, o un bajo valor de presión hidrostática en la vecindad del área de contacto es la principal causante de fractura superficial. El tamaño de grano y la estructura interna de un material poseen una gran influencia en las propiedades mecánicas, típicamente, la resistencia a la fractura decrece con un incremento de tamaño de grano debido a que la generación de grietas puede iniciar y propagarse fácilmente a través de los límites de grano. Los mecanismos de daño dominante son ampliamente dependientes de la velocidad, temperatura, microestructura y composición química. Los cambios y reconfiguraciones energéticas internas del material surgen durante la deformación debido principalmente al fenómeno de recristalización dinámica.7-10 Los modelos de elementos finitos permiten analizar la influencia de los principales parámetros de formado en el fenómeno de agrietamiento. Se debe seleccionar un criterio de fractura adecuado en la predicción del agrietamiento durante el formado. En general, un criterio de fractura define un valor de daño C, este valor instantáneo cambia con el estado de esfuerzos y deformación. Un valor de daño más grande indica que el material tiene más probabilidades de agrietarse. Si se encuentra un valor de daño crítico C para el material específico y las condiciones de formado por experimento, se podrá predecir el instante en que ocurrirá el agrietamiento, es decir, una vez que el valor de daño instantáneo es mayor que el valor crítico, el material se agrietará. Sin embargo, el valor exacto del daño crítico es difícil de determinar.11 Existen diversos criterios en la predicción de fractura dúctil, el criterio de fractura utilizado en el presente estudio, desarrollado por Cockcroft y Latham (C & L), define el valor del daño como: 12 Donde C es el valor de daño instantáneo, es la deformación efectiva, es el esfuerzo principal máximo, es el esfuerzo efectivo. El criterio C & L puede reflejar la cantidad de deformación, ya que considera el historial de deformación al calcular el valor de daño. MATERIALES Y MÉTODOS Láminas de la aleación CuSn6 fueron utilizadas en el formado progresivo y su posterior análisis numérico. El CuSn6 es una aleación de cobre (bronce) con 6% de estaño, ver tabla I.13 Su mayor contenido de estaño imparte una gran resistencia y elasticidad al metal. Este material proporciona una excelente combinación de resistencia, conformabilidad en frío y dureza, es resistente al desgaste, posee buena resistencia a la corrosión y propiedades de soldadura. � Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices / Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. Algunas de sus propiedades mecánicas se presentan en la tabla II. Características como el tamaño de partícula y la liberación de esfuerzos térmico-mecánicos mejoran las propiedades mecánicas y proporcionan una mayor resistencia y maleabilidad. El CuSn6 cuenta con aplicaciones típicas en el campo automotriz como: interruptores, contactos, conectores a electricidad y resortes. Tabla I Composición química característica de la aleación CuSn6 (porcentaje en peso). Cu (%) Sn (%) P (%) Zn (%) 94 5.5-7.0 0.03-0.18 Max 0.1 Tabla II Propiedades mecánicas de la aleación CuSn6.13 Tratamiento térmico Esfuerzo a tensión (MPa) R350 R420 R500 R550 350-420 420-520 500-590 560-650 Esfuerzo de fluencia (MPa) ≤ 300 ≥ 350 ≥ 450 ≥ 500 Elongación % Dureza (HV) 45 22 15 16 80-120 120-170 160-190 170-230 El diseño de las herramientas desempeña un papel fundamental en el formado pues a través de la aplicación de matrices progresivas, en lugar de matrices simples, se logra optimizar los procesos de formado. En la figura 2 se presenta el formado progresivo de una serie de terminales automotrices de CuSn6. Fig. 2. Formado progresivo en la manufactura de terminales CuSn6 de porta-lámpara automotriz. El diseño del proceso de formado es un procedimiento complejo y altamente especializado. Las características de diseño de las piezas laminadas, disposición, selección y el modelado de los componentes de la matriz son las principales actividades en el diseño de una matriz progresiva. Los sistemas CAD/CAM brindan una gran ayuda en el diseño y el análisis de matrices. El diseño de la pieza laminada se rige principalmente por las características geométricas de la pieza, la tolerancia en las dimensiones de la pieza, la dirección del borde afilado de la banda y otros requisitos técnicos. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 � �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices / Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. No existe una solución única para el diseño de la lámina, en general se consideran algunas pautas básicas durante esta actividad. 14 Los principales componentes del formado progresivo son; el bloque del formado, las matrices, la placa separadora, la placa de perforación, la placa posterior, los punzones y los sujetadores. El tamaño de las matrices depende principalmente del grosor de la lámina. El espesor mínimo está restringido por el riesgo de pandeo, que puede ocurrir durante el proceso de tratamiento térmico durante la fabricación. La selección de materiales para componentes en el formado progresivo depende de qué mecanismos de falla sean predominantes. La idea básica en el diseño de una matriz es seleccionar un material adecuado para un componente en particular de manera que se eliminen todos los demás mecanismos de falla, excepto el desgaste. El desgaste puede optimizarse para que coincida con la cantidad de producción requerida de piezas laminadas, obteniendo una vida útil más larga y, por lo tanto, una mayor productividad. Los aceros grado herramienta se utilizan ampliamente como materiales componentes de las matrices. La selección del rango de dureza adecuado de los materiales seleccionados de los componentes depende de la geometría de la pieza que se fabrica en el formado progresivo.13 MODELO NUMÉRICO El modelo numérico para el formado en frío de la aleación CuSn6 fue desarrollado mediante una aproximación incremental Lagrangiana. Se consideró un avance total del dado principal de 2.7 mm y un método de iteración NewtonRaphson para llevar a cabo la solución numérica. La geometría del modelo se simplificó considerando una lámina con ancho de 2.7 mm, largo de 10 mm y espesor de 0.4 mm, así mismo, la operación de formado considera el doblado de la lámina a 90° para analizar el estado de esfuerzos y la posible fractura de la terminal (figura 3) Fig.3. Diseño de geometría de terminal: a) modelo utilizado en el análisis numérico y b) modelo de pieza final. 10 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices /Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. La metodología planteada en el desarrollo del modelo numérico se muestra en la figura 4: el esfuerzo de flujo y las condiciones de frontera son de gran importancia en la obtención de resultados numéricos confiables. Para el estudio se consideran dos condiciones del material CuSn6: la condición H04 y la condición H06. Estos tratamientos corresponden a las condiciones R550 y R670 mostradas en la tabla II. Las curvas esfuerzo-deformación del material CuSn6 para las condiciones de tratamiento H04 y H06 se presentan en la figura 5. Los componentes utilizados en el modelo numérico constituyen tres geometrías: la matriz, el bloque de formado y la placa (figura 6). La generación y disposición de las geometrías del modelo se ilustra en la misma figura; un modelo de fricción cortante con valor de 0.12 fue utilizado para la interacción entre la pieza y las herramientas, este modelo corresponde al formado en frío con herramentales de acero.14 Para el discretizado de la pieza se utilizó una malla hexaédrica con un total de 16,380 elementos, la distribución de malla seleccionada permitió optimizar el tiempo de cálculo durante las iteraciones numéricas. Fig. 4. Metodología utilizada en el desarrollo del modelo numérico. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 11 �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices / Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. Fig. 5 Curvas esfuerzo-deformación de la aleación CuSn6: a) condición H04 y b) condición H06. 12 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices / Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. Fig. 6. Generación de modelo numérico en el formado de la aleación CuSn6: a) diseño de herramientas utilizadas y b) discretizado de la lámina de trabajo. RESULTADOS Se desarrollaron experimentos del formado progresivo en la aleación CuSn6 (figura 7). Durante el desarrollo experimental la terminal presentó fractura superficial bajo la condición H06 como se observa en la figura 7b. Esta fractura se presentó cercas de la cavidad presente en la región de doblado. Así mismo, se desarrollaron experimentos para el material CuSn6 bajo la condición H04, esta condición no presentó fractura superficial como se observa en la figura 6a. Se desarrollaron experimentos adicionales corroborando la ausencia de fractura en las terminales CuSn6 bajo la condición H04. Los resultados numéricos del estado de esfuerzos y deformación en el formado del CuSn6 bajo la condición H04 se muestran en la figura 8. La distribución del esfuerzo máximo y el esfuerzo máximo principal en la zona de doblado observa Fig. 7. Formado de terminales de CuSn6, a) condición H04 y b) condición H06. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 13 �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices / Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. valores alrededor de 567 MPa y 593 MPa respectivamente. La deformación efectiva muestra valores máximos en la región de doblado central de 0.59. Fig. 8. Resultados numéricos del estado de esfuerzos y deformación del CuSn6 en la condición H04. Los resultados numéricos del estado de esfuerzos y deformación en el formado del CuSn6 bajo la condición H06 se muestran en la figura 9. La distribución del esfuerzo promedio y el esfuerzo efectivo en la zona de doblado observa valores cercanos a 332 MPa y 675 MPa respectivamente. La deformación efectiva muestra valores máximos en la región de doblado central de 0.77. Los resultados de esta condición muestran que el esfuerzo efectivo en la superficie de doblado es mayor comparado con la región superior de la pieza. Esta distribución indica que la pieza es susceptible a agrietarse en la región con mayor inestabilidad de flujo mecánico. Se desarrollaron simulaciones numéricas utilizando el criterio de fractura C & L, donde los valores de daño instantáneo fueron calculados cuando el punzón alcanza el avance total en la operación de formado (figura 10). En general, los valores máximos del factor de daño se encuentran cercanos a la región superficial externa (P1-P4), en el inciso a) de la figura 10 se presentan los valores de daño para la condición H04 y en el inciso b) se presentan los valores del factor de daño y fractura para la condición H06. En base a los resultados obtenidos en el modelo de daño para las condiciones evaluadas se distingue un valor de daño crítico de 140 como valor proclive a fractura dúctil en la aleación CuSn6 durante el formado en frío. 14 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices, Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. Fig. 9. Resultados numéricos del estado de esfuerzos y deformación del CuSn6 en la condición H06. La figura 11 presenta los valores daño, en función del tiempo, obtenidos en los puntos de análisis mostrados en la figura 10. Se observa que un material bajo condición de dureza menor puede disminuir significativamente los valores de daño y reducir el agrietamiento. Se observan valores de daño cercanos a 110 al final del proceso para la condición H04, en cambio, para el tratamiento H06 se observa un valor máximo de daño de 140 para el punto de análisis P4. La combinación de deformación cortante con esfuerzos de tensión máximos en la vecindad del área de doblado es la principal causante de fractura superficial durante el formado en frío de la aleación CuSn6. El modelo de daño C & L permite determinar el valor critico de daño en base al historial de deformación y estado de esfuerzos presente. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 15 �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices / Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. Fig. 10. Resultados numéricos del factor de daño en el CuSn6: a) condición H04 y b) condición H06. 16 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices / Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. Fig. 11. Valores de daño versus tiempo: a) condición H04 y b) condición H06. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 17 �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices / Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. CONCLUSIONES Se desarrolló un modelo numérico en la representación del formado de la aleación CuSn6 bajo dos condiciones de tratamiento. 1. Para estimar el agrietamiento de la pieza durante el formado, se seleccionó el criterio de fractura Cockcroft-Latham, que considera el historial de deformación del material. 2. El criterio de fractura define un valor de daño instantáneo C. Un valor mayor indica que el material tiene más probabilidades de agrietarse. Si se puede determinar un valor de daño crítico C del experimento, el material se agrietará una vez que el valor de daño alcance o supere el valor crítico. 3. En base a los resultados obtenidos en las condiciones evaluadas se distingue un valor de daño crítico de 140 como valor proclive a fractura dúctil en la aleación CuSn6 (condición H06) durante el formado. Los resultados del modelo numérico muestran que con la condición de tratamiento H04 el valor máximo de daño tiene una disminución aparente del 21% en comparación con la condición de tratamiento H06. El resultado obtenido coincide con la observación experimental que indica que una aleación CuSn6 con menor dureza es menos probable que la pieza se agriete. REFERENCIAS 1. Specification for Testing Automotive Miniature Bulb Socket/Circuit Plate Assemblies, USCAR15, 2017, SAE International 49. 2. Zhang Xue-min, Zeng Wei-dong, Shu Ying, Fracture criterion for predicting surface cracking of Ti40 alloy in hot forming processes, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 19 2009, 267-271. 3. Yanchun Zhu, Weidong Zeng, Fusheng Zhang, Yongqing Zhao, A new methodology for prediction of fracture initiation in hot compression of Ti40 titanium alloy, Materials Science and Engineering A 553 2012, 112– 118. 4. T.W.J. de Geus, R.H.J. Peerlings, M.G.D. 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Lin, Dong-Xu Wen, Jin-Long Zhang, Min He Dynamic recrystallization behavior of a typical nickel-based superalloy during hot deformation, Materials and Design 57 2014, 568–577. 18 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Predicción de fractura dúctil en el formado de terminales automotrices / Jesús Anselmo Moreno Armendáriz, et al. 9. Y.C. Lin, Jiao Deng, Yu-Qiang Jiang, Dong-Xu Wen, Guan Liu, Hot tensile deformation behaviors and fracture characteristics of a typical Ni-based superalloy, Materials and Design 55 (2014) 949–957. 10. T. Coppola, F. Iob, F. Campanelli, Critical review of ductile fracture criteria for steels, Procedia Materials Science 3 2014, 1548-1553. 11. Dongyong Shi, Ping Hu, Liang Ying, Comparative study of ductile fracture prediction of 22MnB5 steel in hot stamping process, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 84, I5–8 2016, 895–906. 12. Cockcroft MG, Latham DJ, Ductility and the workability of metals. 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Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 19 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego Javier Ramón Sotomayor Castellanos Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo madera999@yahoo.com RESUMEN El objetivo de la investigación fue comparar la densidad aparente, la frecuencia de vibración y el módulo dinámico de la madera antes y después de ser expuesta al fuego. Se configuró un ensayo de resistencia al fuego y se realizaron pruebas de vibraciones transversales antes y después de exponer al fuego probetas de madera de cinco especies mexicanas La densidad y el módulo dinámico de T. rosea, A. inermis, J. pyriformis, Quercus spp. y C. elaeagnoides disminuyeron después de ser sometidas al fuego. Los resultados se limitan al caso de estudio y en condiciones de laboratorio similares a los de esta investigación. PALABRAS CLAVE Densidad de la madera, frecuencia de vibración, resistencia al fuego. ABSTRACT The objective of the research was to compare the apparent density, the vibration frequency and the dynamic modulus of the wood before and after being exposed to fire. A fire resistance test was performed and transversal-vibration tests were performed before and after exposing to wood fire samples of five Mexican species. The density and dynamic modulus of T. rosea, A. inermis, J. pyriformis, Quercus spp. and C. elaeagnoides decreased after being subjected to fire. The results are limited to the case study and in laboratory conditions similar to those of this investigation. KEYWORDS Density of wood, vibration frequency, fire resistance. Introducción La madera es un material combustible. Debido a lo cual el diseño y la ingeniería de artículos y construcciones con madera necesitan proporcionar al usuario seguridad en cuanto a la respuesta del material cuando es expuesto al fuego.1 La madera es inflamable en secciones delgadas pero, en espesores de sección mayores que 0.12 m, produce una capa de carbón que proporciona protección a la sección transversal de vigas y columnas en caso de incendios severos.2 20 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego /Javier Ramón Sotomayor Castellanos No obstante que es difícil de aplicar resultados experimentales producidos en condiciones de laboratorio en la conformación de criterios de seguridad en caso de incendio, hay evidencia empírica que en los incendios de salas, la carbonización de los miembros de madera que no tienen huecos o juntas, es similar en magnitud a los valores obtenidos de los ensayos de resistencia al fuego.3 Este escenario se acompaña de dos circunstancias: por una parte, las pruebas de resistencia al fuego son onerosas y difíciles de implementar.4 Por otra, es difícil de predecir el comportamiento en condiciones reales de incendio a partir de resultados de experimentos realizados en laboratorio. Empero, estudios comparativos entre la respuesta de diferentes especies, ensayadas en condiciones controladas de laboratorio, son una alternativa para proporcionar información que oriente los criterios de diseño y cálculo ingenieril.5 Así, la evaluación del efecto del fuego en las características mecánicas en la madera es un tema que ha interesado a investigadores.6,7 Una perspectiva contemporánea de investigación en tecnología de la madera es la comparación de la respuesta de varias especies, manteniendo mínima la influencia de factores de variabilidad en los resultados. Igualmente, el diseño de experimentos originales y la configuración de pruebas Ad-hoc son una tendencia actual en ciencias de la madera. Caso de interés para la caracterización mecánica de la madera son los métodos no destructivos que permiten evaluar probetas antes y después de ser sometidas a un tratamiento, en este caso, la exposición al fuego.8 Particularmente, las pruebas de vibraciones transversales han demostrado su vigencia para evaluar el módulo dinámico en muestras comunes de madera antes y después de tratamientos. En esta perspectiva, las principales variables a evaluar son la densidad aparente de la madera, la frecuencia de vibración y el módulo dinámico.9 La densidad de la madera es la característica empleada para predecir sus características mecánicas.10 La frecuencia natural de un sistema en vibración es el descriptor de la respuesta del movimiento lo que permite estimar sus propiedades dinámicas con una prueba de vibraciones.11 Finalmente, el módulo dinámico derivado, es el parámetro que integra las características de resistencia elástica del material que conforma el sistema. En el caso del módulo dinámico de la madera, como componente principal de un sistema en movimiento, es además el parámetro necesario para el diseño y cálculo de estructuras sometidas a vibraciones cotidianas y acciones inusitadas como sismos.12 Estas propuestas son acotadas al idealizar la madera como un medio con densidad uniformemente repartida y macroscópicamente homogéneo. En el mismo contexto, es necesario considerar que el contenido de humedad de la madera está distribuido espacialmente de manera uniforme en la geometría de la probeta. Al ser expuesta una pieza de madera al fuego, aparece como resultado del fenómeno de combustión una pérdida de masa.13,14 Lo cual redunda en la disminución de su densidad aparente. En el caso de que la pieza en cuestión sea sometida a vibraciones, su frecuencia disminuirá. Como consecuencia de la disminución de su masa y de su frecuencia, su módulo dinámico igualmente se reducirá. Esta hipótesis de trabajo puede ser verificada si se comparan estas características en probetas de madera con dimensiones similares, pero de diferentes especies. Así, los resultados de una prueba común de resistencia al Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 21 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego / Javier Ramón Sotomayor Castellanos fuego permitirán tener una apreciación experimental y medible para comparar la respuesta del material. El objetivo de la investigación fue comparar la densidad aparente, la frecuencia de vibración y el módulo dinámico de la madera antes y después de ser expuesta al fuego. Para eso, se configuró un ensayo original de resistencia al fuego y se realizaron pruebas de vibraciones transversales antes y después de exponer al fuego probetas de madera de cinco especies angiospermas. Las maderas en estudio fueron: Tabebuia rosea (Bertol.) DC., Andira inermis (W. Wright) DC., Juglans pyriformis Liebm., Quercus spp. y Cordia elaeagnoides (Ruiz & Pav.). Estas especies son endémicas de México y Centroamérica. Información acerca de sus propiedades tecnológicas están reportadas en la literatura.15-17 Materiales y métodos Se recolectaron piezas de madera aserrada de las especies: T. rosea, A. inermis, J. pyriformis, Quercus spp. y C. elaeagnoides, en el Estado de Michoacán (+19°10′07″ -101°53′59″). De cada especie se recortaron dos grupos de probetas. El primero se destinó a la determinación de la densidad aparente de la madera y su contenido de humedad. Sus dimensiones fueron 0,02 m x 0,02 m x 0,06 m y sus aristas se orientaron en las direcciones radial, tangencial y longitudinal del plano leñoso. Para cada probeta de este primer grupo, la densidad aparente de la madera al momento del ensayo se determinó de acuerdo con la norma ISO 13061-2:2014.18 El contenido de humedad de la madera se calculó por el método de diferencia de pesos según la norma ISO 13061-1:2014.19 La densidad aparente de la madera al momento del ensayo se calculó con la fórmula (1)18 (1) Donde: ρCH = Densidad aparente (kg m3) Ps = Peso de la probeta (kg) Vs = Volumen de la probeta (m3) El contenido de humedad de la madera se calculó con la fórmula (2)20 (2) Donde: CH = Contenido de humedad (%) Ph = Peso de la probeta en estado húmedo (kg) Ps = Peso de la probeta en estado seco (kg) El segundo grupo de probetas se asignó a las pruebas de vibraciones y de resistencia al fuego, empleando probetas con dimensiones de 0.02 m x 0.02 m x 0.40 m. Estas pruebas fueron acondicionadas para medir la frecuencia 22 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego /Javier Ramón Sotomayor Castellanos natural de las probetas, antes y después de su exposición al fuego, así como la variación de su masa. De cada especie se recortaron al azar 35 probetas siguiendo las recomendaciones de la norma ISO 3129:201221. Las probetas fueron almacenadas durante 24 meses en una cámara de acondicionamiento con una temperatura de 20 °C y una humedad relativa del aire de 65 %, hasta lograr un peso constante. La estrategia experimental consistió en efectuar una primera serie de mediciones de la frecuencia antes de la exposición de la madera al fuego. Después de ejecutar las pruebas de comportamiento al fuego, se realizó una segunda serie de mediciones en las mismas probetas ya ensayadas. Pruebas de resistencia al fuego Las pruebas de resistencia al fuego siguieron el protocolo reportado por Sotomayor y Carrillo8. Se preparó un dispositivo de ensayo que consistió en un mechero de gas y dos soportes para las probetas (figura 1). Entre los soportes se posicionó la probeta de tal forma que la llama del mechero impactara en la dirección transversal de la probeta. Fig.1 Dispositivo para las pruebas de comportamiento al fuego.8 La metodología implementada para las pruebas de comportamiento al fuego consistió en las siguientes etapas: 1. Se midieron el peso y las dimensiones de la probeta antes del tratamiento. 2. La probeta se posicionó en el dispositivo para las pruebas de comportamiento al fuego (figura 1). La orientación fue la dirección radial coincidiendo con el flujo vertical de la flama. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 23 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego / Javier Ramón Sotomayor Castellanos 3. La probeta se expuso durante 2 minutos al fuego directo de la flama de un mechero de laboratorio tipo Meker-Fisher, con regulación de aire y de gas, quemador de 0.03 m de diámetro y temperatura máxima de 1300 °C. 4. Con un cronómetro, se midió el tiempo necesario para que apareciera la ignición en al menos las tres caras de la probeta expuestas a la flama. 5. La probeta se retiró de la flama y se paró su combustión en una cama de arena. 6. La masa de la zona carbonizada se retiró y se midió el peso de la probeta después del tratamiento. Pruebas de vibraciones Las pruebas de vibraciones transversales adaptaron el protocolo reportado por 22 el ensayo de vibraciones transversales consistió en aplicar un impacto elástico en la dirección tangencial de la probeta en el centro geométrico de su portada. La probeta estuvo apoyada en soportes simples, situados en los puntos nodales correspondientes al primer modo de vibración (figura 2). De esta forma, la probeta fue solicitada en flexión transversal. Para el registro de la vibración de la probeta se utilizó un sensor de movimiento de tipo piezoeléctrico. El sensor fue colocado a la mitad de la altura de la probeta y sobre un punto nodal y conectado al aparato Grindosonic® MK5, con el cual fue medida la frecuencia natural de vibración. Fig 2. Prueba de vibraciones transversales y diagrama del movimiento de la probeta. P = Impacto dinámico; L = Longitud de la probeta22. El módulo dinámico por vibraciones transversales se calculó con la fórmula (3)23: (3) Donde: Evt = Módulo dinámico (MN m2) 24 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego /Javier Ramón Sotomayor Castellanos Lvt = Largo de la probeta (m) lvt = Distancia entre apoyos (m) fvt = Frecuencia natural de la probeta (Hz) ρCH = Densidad aparente de la madera a un contenido de humedad CH (kg m3) m, K = Constantes adimensionales (12,65, 49,48) r = Radio de giro de la sección transversal de la probeta (m2) Con: “r = “ √(“I” ⁄”A” ) I = Momento de inercia de la sección transversal de la probeta (m4) A = Área de la sección transversal de la probeta (m2) La variación de la densidad se calculó con la fórmula (4): (4) Donde: ΔρCH = Variación de la densidad (%) = Densidad aparente de la probeta antes del tratamiento (kg m3) = Densidad aparente de la probeta después del tratamiento (kg m3) La variación de la frecuencia se calculó con la fórmula (5): (5) Donde: Δfvt = Variación de la frecuencia (%) = Frecuencia natural de la probeta antes del tratamiento (Hz) = Frecuencia natural de la probeta después del tratamiento (Hz) La variación del módulo dinámico se calculó con la fórmula (6): (6) Donde: ΔEvt = Variación del módulo dinámico (%) = Módulo dinámico antes del tratamiento (kg) = Módulo dinámico después del tratamiento (kg) Diseño experimental Para cada una de las cinco especies en estudio, las variables de respuesta fueron: la densidad aparente (ρCH), la frecuencia natural de vibración (fvt) y el módulo dinámico (Evt). Para cada probeta observada, el tratamiento de exposición al fuego se consideró el factor de variación y se contrastaron dos Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 25 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego / Javier Ramón Sotomayor Castellanos grupos de muestras: la madera antes del tratamiento (AT) y la madera después del tratamiento (DT). Se calcularon los estadísticos descriptivos: media ( ), desviación estándar (σ) y coeficiente de variación en porciento (CV). Se realizaron análisis de sesgo (S) y Curtosis (C). Una vez verificada la distribución normal de las muestras, se realizaron pruebas t de Student de diferencia de medias ( ) para un nivel de confiabilidad del 95%. Cuando no se confirmó la normalidad en la distribución de la muestras, se realizaron pruebas no paramétricas de Kruskal-Wallis de diferencia de medianas ( ) para un nivel de confiabilidad del 95%. La hipótesis nula H : at - DT= 0 se contrastó con la 0 hipótesis alterna Ha:at ≠ DT = 0 Para las pruebas no paramétricas las hipótesis fueron similares pero empleando las medianas. Adicionalmente se calcularon las regresiones lineales (y = ax ± b) y sus coeficientes de determinación (R2) entre las frecuencias y los módulos dinámicos, todos para antes y después del tratamiento. Para cada una de las cinco especies, se realizaron 35 réplicas (probetas) antes del tratamiento y 35 réplicas después del tratamiento, empleando y comparando una a una la misma probeta. Resultados y análisis Antes y después del tratamiento, la madera se acondicionó a un contenido de humedad de 11%. Se consideró que la variación en el contenido de humedad de la madera, no intervino de manera significativa en los resultados. La tabla I presenta los resultados para antes del tratamiento y después del tratamiento. La tabla II presenta los resultados de las pruebas de normalidad, de comparación de medias y de medianas. Tabla I. Resultados para antes del tratamiento y después del tratamiento. ρCH (kg m3) fvt Evt ΔEvt 1 Tabebuia rosea (MN m2) (Hz) Δfvt (%) (%) 613 - 578 - 11364 - σ 59 - 34 - 1617 - CV 9,6 _ 5.9 - 14.2 - 581 5,2 475 17,8 7762 -32,6 σ 59 - 22 - 937 - CV 10,2 - 4,6 - 12,2 - Antes del tratamiento Despúes del tratamiento 2 Andira inermis Antes del tratamiento σ 737 - 482 - 8528 - 37 - 39 - 1192 - 5,0 - 8,1 - 14,0 - 712 3,4 431 10.6 6816 -18.4 σ 39 - 37 - 1022 - CV 5,5 - 8.6 - 15.0 - 9766 - CV Despúes del tratamiento 3 Juglans pyriformis Antes del tratamiento 26 773 - 516 - Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego /Javier Ramón Sotomayor Castellanos σ 60 - 35 - 1729 - CV 7,7 746 3,4 6,8 466 9,7 17,7 7971 -18,4 σ 61 - 32 - 1478 - CV 8,1 - 6,9 - 18,5 - Despúes del tratamiento 4 Quercus spp. Antes del tratamiento σ 866 - 621 - 14023 - 54 - 40 - 2038 - 6,3 - 6,5 - 14,5 - 843 2,6 573 7,8 11908 -15,1 σ 55 - 37 - 1641 - CV 6,5 - 6,4 - 13,8 - CV Despúes del tratamiento 5 Cordia elaeagnoides 996 - σ 97 CV 9,7 Despúes del tratamiento σ CV 535 - 10337 - - 35 - 1429 - - 6,6 - 13,8 - 976 1,9 513 4,2 9479 -8,3 97 - 32 - 1217 - 10,0 - 6,3 - 12,8 - ρCH = Densidad aparente; ΔρCH = Variación de la densidad; fvt = Frecuencia; Δfvt = Variación de la frecuencia; Evt = Módulo dinámico; ΔEvt = Variación del módulo dinámico; = Media; σ = Desviación estándar; CV = Coeficiente de variación en porciento. Tabla II. Resultados de las pruebas de normalidad, de comparación de medias y de medianas. Antes del tratamiento Después del tratamiento Valor P 1 Tabebuia rosea ρCH fvt Evt S C S C S C -0,6289 -0,7100 - -0,2682 -0,4667 0,0269 * † -1,3998 -1,8862 - 0,3885 0,5751 < 0,0001*† 1,2611 1,8788 - -0,3311 -0,3909 < 0,0001*† -0,0998 -0,0439 - -1,0218 -0,1598 0,0061*† -3,3977 -2,3009 - 2,9023 0,4170 < 0,0001*†† -2,7338 -0,5593 - 0,5399 < 0,0001*†† 2 Andira inermis ρCH fvt Evt S C S C S C 1,5726 3 Juglans pyriformis Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 27 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego / Javier Ramón Sotomayor Castellanos ρCH fvt Evt S C S C S C -0,6014 -0,6630 - -0,4580 -0,5102 0,0686**† 0,3648 0,0882 - -0,6938 -0,8921 <0,0001*† -0,1482 -0,0251 - -1,0586 -0,8925 <0,0001*† -4,5993 -4,7229 - 6,2573 6,4449 0,0188*†† -1,5203 -1,2907 - 0,9120 -0,0933 <0,0001*† 0,3764 -0,2071 - -0,7586 <0,0001*† 4 Quercus spp. ρCH fvt Evt S C S C S C -0,7949 5 Cordia elaeagnoides ρCH S -1,3709 -1,4006 - C -0,9560 -0,9343 0,4082**† fvt -1,7103 -1,7914 S -0,8042 -0,1393 0,0072*† C -2,1611 -2,0454 Evt S 0,3829 0,1661 0,0002*†† C S = Sesgo; C = Curtosis; * Existe una diferencia estadísticamente significativa; ** No existe una diferencia estadísticamente significativa; † = Prueba t de Student para medias; †† = Prueba de Kruskal-Wallis para medianas. Análisis estadístico Para T. rosea los valores del sesgo y curtosis para las variables ρCH, fvt y Evt se situaron al interior del intervalo -2 +2 confirmando la distribución normal de la distribución de estas muestras lo que permitió realizar pruebas de diferencia de medias. Así, los valores de P < 0.05 sugieren que si existió una diferencia estadísticamente significativa entre las tres variables para antes y después del tratamiento. Para A. inermis los valores del sesgo y curtosis para ρCH se situaron al interior del intervalo -2 +2. No así para fvt y Evt lo que provocó analizar con pruebas de diferencia de medianas sus resultados. No obstante, los valores de P < 0,05 sugieren que no existió una diferencia significativa entre las tres variables para antes y después del tratamiento. Para J. pyriformis las pruebas de normalidad fueron positivas. Sin embargo, el valor P > 0.05 para ρCH sugiere que no existió una diferencia significativa ocasionada por el tratamiento. Por otra parte, los valores de P < 0.05 para fvt y Evt sugieren que si existió una diferencia significativa para estas dos variables causadas por el tratamiento. Para Quercus spp. los valores de sesgo y curtosis de ρCH se situaron fuera del intervalo -2 +2. Por lo tanto, las pruebas de diferencia de medianas proporcionaron un valor de P < 0.05 confirmando que no existió una diferencia 28 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego /Javier Ramón Sotomayor Castellanos significativa a causa de la exposición de la madera al fuego. Ahora bien, para fvt y Evt el sesgo y la curtosis confirmaron la distribución normal de las muestras. Asimismo, los valores P < 0.05 para estas dos variables, sugieren que si existió una diferencia significativa. Para C. elaeagnoides los valores de sesgo y curtosis de ρCH y fvt se situaron al interior del intervalo -2 +2. En cambio, no lo fue así para Evt. De aquí que los valores P < 0.5 lo fueron para fvt y Evt confirmando una diferencia significativa. Pero el valor P > 0.5 para ρCH sugiere que no existió una diferencia significativa originada por el tratamiento. Estos resultados fortalecen uno de los paradigmas actuales en investigación en Ciencias, Tecnología e Ingeniería de la Madera. Debido a la diversidad en las propiedades intrínsecas del material, así como a la variación en su comportamiento cuando es estudiada experimentalmente, es necesario estudiar especie por especie, con un enfoque de caso por caso. Una vez teniendo observaciones integrantes y estadísticamente representativas, se pueden proponer tendencias en el comportamiento general para una especie en específico y/o por agrupamiento de varias de ellas que denoten una tendencia similar.22 Densidad La densidad de la madera fue diferente para cada una de las cinco especies y sus magnitudes fueron similares a las reportadas en la bibliografía17. Así, la variación de la densidad, como resultado de su exposición al fuego, varió igualmente de manera particular a cada especie. Esta diferencia se describe en la figura 3 donde se muestran también las tendencias de las variaciones de la frecuencia (Δfvt) y la del módulo dinámico (ΔEvt) en función de la variación de la densidad (ΔρCH). En las figuras 3 y 4 los valores numéricos se repiten. De tal forma que por razones de escala, no se visualizan correctamente todos los puntos experimentales empleados en los cálculos Para el caso de la densidad aparente, se observó que a mayor densidad, menor fue la disminución de la densidad. Es decir, a mayor densidad, menor pérdida de masa. Caso particular son A. inermis y J. pyriformis, especies que no obstante de tener una densidad diferente en 16,8%, convergieron en sus valores de Δfvt y ΔEvt. Esta tendencia es análoga a la de los resultados de Njankouo, Dotreppe y Franssen 24 quienes reportan para maderas tropicales, con una variación de densidades entre 500 kg m3 y 1000 kg m3, que la velocidad de carbonizado de la madera disminuye proporcionalmente a su densidad. Frecuencia Para las cinco especies, la frecuencia aumentó proporcionalmente a la densidad (tabla I). Igualmente, su variación aumentó cuando se incrementó la variación de la densidad (figura 3). Estos resultados coinciden con los reportados por Wen, Kang y Park 25, quienes determinaron el módulo dinámico por vibraciones de Cryptomeria japónica, Pinus koraiensis y Chamaecyparis obtusa y observaron que la frecuencia natural de vibración disminuye a medida que la densidad de la madera aumenta. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 29 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego / Javier Ramón Sotomayor Castellanos Fig 3. Tendencias de las variaciones de la frecuencia (Δfvt) y del módulo dinámico (ΔEvt) en función de la variación de la densidad (ΔρCH). La leyenda de los puntos corresponde a las especies listadas en la tabla I. Fig 4. Regresión de las frecuencias después del tratamiento (fvt DT) en función de las frecuencias antes del tratamiento (fvt AT) y su coeficiente de determinación (R2). La numeración de las especies se refiere a la tabla I. Este resultado se explica por el hecho de que la frecuencia esta implícitamente ligada al módulo dinámico de la madera, a la geometría de las probetas y a la cantidad de masa en vibración (Fórmula 3). Si se aumenta el largo de las probetas, manteniendo constante el módulo dinámico, la frecuencia aumentará. La frecuencia antes del tratamiento presentó una fuerte correlación con la frecuencia después del tratamiento (figura 4). Resultado que sugiere que se puede predecir la frecuencia de una pieza de madera de pequeñas dimensiones y que ha sido modificada por el fuego, a partir de su frecuencia en estado íntegro. 30 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego /Javier Ramón Sotomayor Castellanos Este resultado se observó para madera de T. rosea, J. pyriformis, Quercus spp. y C. elaeagnoides Caso diferente fue A. inermis, especie que presentó una dispersión de variaciones de las frecuencias diferente (figura 4). Módulo dinámico La figura 5 presenta las regresiones entre los módulos dinámicos después del tratamiento en función de los módulos dinámicos antes del tratamiento y sus coeficientes de determinación. Esto para T. rosea, J. pyriformis, Quercus spp. y C. elaeagnoides y con excepción de A. inermis, especie que mostró un comportamiento distinto. Estas cuatro regresiones resultaron con valores altos del coeficiente de determinación. Proponiendo así que se puede predecir el módulo dinámico de una pieza de madera deteriorada por el fuego, a partir de su módulo dinámico antes de la exposición al fuego. Para las cinco especies en estudio se observó una disminución del módulo dinámico después del tratamiento con respecto al módulo antes de la exposición al fuego. La variación del módulo dinámico (ΔEvt) expresa esta reducción, la cual es proporcional a la densidad de la madera. A mayor densidad, menor la disminución del módulo dinámico después de la exposición al fuego. Fig 5a. Regresiones entre los módulos dinámicos (Evt) después del tratamiento (DT) en función de los módulos dinámicos antes del tratamiento (AT), y sus coeficientes de determinación (R2) (Tabebuiarosea). Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 31 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego / Javier Ramón Sotomayor Castellanos Fig 5b. Regresiones entre los módulos dinámicos (Evt) después del tratamiento (DT) en función de los módulos dinámicos antes del tratamiento (AT), y sus coeficientes de determinación (R2) (Juglans pyriformis). Fig 5c. Regresiones entre los módulos dinámicos (Evt) después del tratamiento (DT) en función de los módulos dinámicos antes del tratamiento (AT), y sus coeficientes de determinación (R2) (Quercus spp.). 32 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego /Javier Ramón Sotomayor Castellanos Fig 5d. Regresiones entre los módulos dinámicos (Evt) después del tratamiento (DT) en función de los módulos dinámicos antes del tratamiento (AT), y sus coeficientes de determinación (R2) (Cordia elaeagnoides). Conclusiones Se determinaron la densidad aparente, la frecuencia natural y el módulo dinámico de madera antes y después de ser expuesta al fuego. La investigación demuestra que la densidad y el módulo dinámico de las maderas de T. rosea, A. inermis, J. pyriformis, Quercus spp. y C. elaeagnoides disminuyeron después de ser sometidas al fuego. Igualmente, la frecuencia disminuyó para T. rosea, A. inermis y Quercus spp. pero no para J. pyriformis y C. elaeagnoides. Los resultados deben ser interpretados especie por especie y parámetro por parámetro. Sin embargo, se puede concluir que si aumenta la densidad de la madera, cuando es expuesta al fuego, la disminución de la densidad, la frecuencia y de módulo dinámico disminuyen proporcionalmente. Con excepción de A. inermis, las frecuencias y los módulos dinámicos, antes y después del tratamiento, de las maderas de T. rosea, A. inermis, J. pyriformis, Quercus spp. y C. elaeagnoides correlacionan bien. Los resultados se limitan al caso de estudio de las cinco especies observadas y en condiciones de laboratorio similares a las definidas en esta investigación. Referencias 1. White, R. H., y Dietenberger, M. A. Fire Safety of Wood Construction. In: Wood handbook. Wood as an engineering material. Madison. Forest Products Laboratory. (2010). 2. Ansell, M. P. Wood: A 45th anniversary review of JMS papers. Part 2. Wood modification, fire resistance, carbonization, wood–cement and wood– polymer composites. Journal of Materials Science. (2012). Vol. 47, No. 2, pp. 583-598. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 33 �Módulo dinámico de la madera de cinco especies mexicanas expuestas al fuego / Javier Ramón Sotomayor Castellanos 3. Babrauskas, V. Charring rate of wood as a tool for fire investigations. Fire Safety Journal. (2005). Vol. 40, No. 6, pp. 528-554. 4. White, H. R. Analytical Methods for Determining Fire Resistance of Timber Members. Chapter 13. 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Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 35 �Miguel Ángel Urbano Vázquez, Mauricio Cabrera Ríos FIME-UANL skmiguel@yalma.fime.uanl.mx, mauricio@yalma.fime.uanl.mx RESUMEN En la vida diaria existen situaciones en las que tomar una decisión se complica debido a la presencia de conflicto entre múltiples criterios de desempeño. La metodología que se presenta en este trabajo integra técnicas gráficas de optimización bicriterio y herramientas estadísticas y se utiliza para encontrar soluciones para situaciones con dos criterios cuantificables. La metodología se demuestra aquí con un caso de estudio. PALABRAS CLAVE Diseño de experimentos, optimización bicriterio. ABSTRACT The presence of conflict between multiple criteria complicates decisionmaking in many everyday life situations. The method here presented involves graphical bicriteria optimization techniques as well as statistical tools and is headed towards finding solutions in cases with two quantifiable criteria. The method is demonstrated here through a case study. KEYWORDS Design of experiments, bicriteria optimization. Publicado originalmente en: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2005, Vol. VIII, Número 29, pp. 27-33. Toma de decisiones en la vida diaria bajo dos criterios cuantificables INTRODUCCIÓN En la vida cotidiana debemos tomar decisiones de todo tipo. No todas las decisiones son críticas, pero tomarlas es inevitable. Si ponemos atención a estas decisiones, críticas o no, podemos encontrar información muy interesante y potencialmente valiosa. Algunos casos especialmente interesantes son aquellos en los que se requiere tomar una decisión para “minimizar” costos y al mismo tiempo “maximizar” los beneficios. Es claro que tenemos un problema con dos criterios: costo y beneficio. En muchos de estos casos, estos criterios estarán en conflicto y requerirán ser analizados adecuadamente para llegar a una decisión. Otros ejemplos comunes en los que el conflicto está presente incluyen la elección de la ruta más rápida para llegar a un cierto destino contra la ruta más escénica o la ruta más segura; o bien el elegir del menú del día la comida más nutritiva contra la más sabrosa o la más barata. Como se puede observar, todas 36 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al. son decisiones muy comunes en la vida diaria; y aunque en la mayoría de los casos la decisión se hace únicamente tomando en cuenta una medida de desempeño, si existe conflicto, vale la pena determinar cuál sería una decisión balanceada entre varios criterios posibles. Un ejemplo a nivel empresa puede ser la adquisición de maquinaria. En general, podemos hablar de que una selección ideal para muchas aplicaciones es una máquina que minimice el tiempo de ciclo de proceso y que al mismo tiempo maximice la calidad del producto medida de alguna manera cuantitativa. Un conflicto entre estos dos criterios es altamente probable. Es precisamente en este tipo de casos con dos criterios donde la metodología que aquí se demuestra en un caso cotidiano se puede convertir en una herramienta eficaz para la toma de decisiones. En este trabajo, se aplica una metodología con bases cuantitativas para elegir entre tres diferentes marcas de clips bajo dos criterios de desempeño: costo y durabilidad (o vida útil). El análisis es objetivo, pues no se predetermina una preferencia entre los criterios. La metodología propuesta integra herramientas estadísticas y un método gráfico de optimización bicriterio. Un número de criterios mayor que dos no permitiría el uso de un método gráfico, por lo cual se acota aquí el análisis a casos bicriterio. METODOLOGIA EMPLEADA La metodología se presenta esquemáticamente en la figura 1. Fig. 1. Metodología Empleada. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 Representación del sistema físico En esta parte de la metodología se identifican las variables controlables que son los factores que podemos variar a discreción dentro del sistema. Se definen también las variables no controlables, que son las que no están bajo nuestro control. También en esta fase se deben identificar las medidas de desempeño que se desean mejorar. El conocimiento previo y la intuición ingenieril pueden ayudar en esta fase para elevar la probabilidad de que las medidas de desempeño se encuentren en función de las variables controlables.1 El diseño de experimentos El diseño de experimentos es una colección de técnicas estadísticas que prescribe la planeación, ejecución y el análisis de pruebas planeadas donde se introducen cambios controlados en un proceso o un sistema con el objetivo de analizar la variación inducida por estos cambios en una medida de desempeño. La utilización adecuada de estas técnicas es indispensable para garantizar resultados experimentales estadísticamente confiables. En el contexto de la metodología que aquí se propone, el diseño de experimentos se divide en tres partes: seleccionar el diseño experimental, realizar un análisis de varianza y realizar un análisis de residuos. Selección del diseño experimental Existen muchos tipos de diseños de los cuales se puede escoger. Dentro de los más populares se puede encontrar al diseño factorial que, esencialmente, explora todas las combinaciones posibles entre los valores de las variables involucradas. Por ejemplo, un factor muestreado en tres valores (llamados niveles) y un segundo factor muestreado en cuatro niveles generarán un total de 3 x 4 = 12 combinaciones experimentales. Existen catálogos publicados de diseños experimentales, por ejemplo varios diseños se pueden encontrar en la referencia; 2 también se puede hacer uso de paquetes computacionales estadísticos con módulos de diseño de experimentos como el Minitab. Es importante seleccionar un diseño adecuado, pues las conclusiones estadísticas válidas dependen altamente de esta selección. 37 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al. El análisis de varianza Esta técnica ayuda a explicar la variabilidad en las observaciones contenidas en un diseño experimental. A través de su utilización se puede cuantificar el grado de influencia de los factores controlables en las medidas de desempeño analizadas, así como estimar el error experimental para experimentos con varias réplicas. El análisis de residuos Este análisis permite rectificar la validez de las conclusiones obtenidas a partir del análisis de varianza. Se debe verificar que los residuos cumplan los supuestos de independencia estadística, desviación estándar constante y distribución normal. Una práctica común es llevar a cabo este análisis con ayuda de gráficas. Diseño de gráficas para la toma de decisiones En esta fase se construye una serie de gráficas que ayuden a la toma de decisiones basada en los puntos anteriores. Existen muchos tipos de gráficas que pueden ser útiles, así que es necesario seleccionar algunas que sean adecuadas para el caso bajo análisis. CASO DE ESTUDIO En este caso de estudio se aplicó la metodología descrita anteriormente para evaluar tres tipos de Clips, “BACO”, “PELIKAN” y “BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO”. El objetivo es elegir la mejor opción, si existe alguna, en base a dos 38 criterios: vida útil y costo. Siguiendo la metodología, se llevó a cabo un diseño de experimentos para caracterizar la vida útil del clip. Dos factores que potencialmente afectarán la vida útil del clip fueron identificados: el ángulo de apertura del clip para mantener diferentes cantidades de papel y el tiempo en que el clip sujeta el papel. El Diseño Experimental Factorial consistió en variar ambos factores a tres niveles cada uno. Los factores se identifican aquí como ÁNGULO, relacionado con la apertura necesaria para que el clip sujete diferentes cantidades de papel; y TIEMPO, que representa el tiempo bajo el cual el clip permanece deformado. Utilizar tres niveles sirvió para poder caracterizar curvatura de la vida útil con respecto de las variables controlables. La medida de desempeño que se decidió investigar fue la cantidad de veces que un clip se puede utilizar hasta que se rompa. Al analizar la selección de esta medida de desempeño, se puede intuir que llevar a cabo un experimento en espera de que un clip se rompa bajo condiciones normales de uso no es práctico en términos del tiempo requerido. Por esta razón se decidió hacer una “prueba acelerada”, la cual consistió en abrir el clip un cierto ángulo como si estuviera sosteniendo una cantidad de papel específica y mantenerlo así por tiempos cortos. De esta manera pudimos obtener un estimado de la vida útil de los clips ante diversas condiciones de uso, determinadas por los niveles a los que se decidió muestrear las variables. Estos niveles se listan en la tabla I. Cabe aquí cuestionar la inclusión de un ángulo de 89 grados. La razón para incluirlo fue simplemente para investigar un valor extremo y poder tener una idea de qué pasa con la variación en ese caso extremo. En el diseño experimental, que consta de 9 combinaciones, en cada combinación experimental Tabla I: Factores controlables y los niveles a los que se variaron. ANGULO (grados) TIEMPO (segundos.) 45 1 60 4 89 8 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al. se tomaron 5 réplicas, lo cual permitió estimar el error experimental e incrementar la precisión del experimento. Adicionalmente, el mismo diseño experimental se utilizó para evaluar los tres tipos diferentes de clips: BACO, PELIKAN y BACO C/PLÁSTICO. Después de ejecutar el experimento, se obtuvieron los datos mostrados en las tablas II a la IV. Se pueden hacer muchas observaciones sobre el comportamiento de los datos a partir de las tablas antes mencionadas, así como tratar de explicar por qué sucedieron de esta manera en nuestro experimento desde un punto de vista fenomenológico, sin embargo, esto cae más allá del objetivo de este estudio y de la demostración del método que aquí se describe. Se da paso entonces al análisis estadístico de los experimentos. La siguiente fase en este estudio incluye el análisis de varianza (ANOVA) correspondiente a cada experimento, esto se hizo mediante el uso del paquete computacional estadístico MINITAB. Las tablas V a la VII muestran las salidas de MINITAB. Con el objetivo de interpretar los resultados de las tablas V a la VII, se debe dar atención a las últimas columnas de las tablas ANOVA. El valor p que se muestra para cada fuente de variación identificada en la primera columna se interpreta de la siguiente manera: Si el valor p < a para determinada fuente de variación, entonces se concluye que esta fuente de variación afecta significativamente a la medida de desempeño al nivel especificado a. El valor a en este caso se refiere a la probabilidad de equivocarse Tabla II. Tabla de experimentos clips Baco. ANGULO 45 60 89 96 20 10 1 128 39 12 TIEMPO SEGUNDO 94 105 45 42 13 15 TABLA DE EXPERIMENTOS CLIP’S BACO 90 40 25 58 16 13 4 SEGUNDOS 49 63 48 24 28 30 32 22 15 43 25 23 30 10 12 38 15 10 8 SEGUNDOS 36 32 14 20 15 14 27 18 11 125 91 40 8 SEGUNDOS 130 123 83 75 37 42 117 77 39 Tabla III. Tabla de experimentos Clips Pelikan. ANGULO 45 60 89 89 67 41 1 120 59 67 TIEMPO SEGUNDO 95 97 65 70 62 58 TABLA DE EXPERIMENTOS CLIP’S PELIKAN 110 64 60 245 77 45 4 SEGUNDOS 236 241 190 80 65 71 50 47 59 220 69 53 115 80 30 Tabla IV. Tabla de experimentos Clips Baco con cubierta de plástico. ANGULO 45 60 89 106 87 45 Factor ANGULO TIEMPO 1 107 82 38 TIEMPO SEGUNDO 97 102 88 92 45 35 TABLA DE EXPERIMENTOS CLIP’S PELIKAN 95 78 37 288 75 45 4 SEGUNDOS 297 300 291 80 72 83 57 51 64 271 77 53 171 88 45 167 91 41 8 SEGUNDOS 179 158 95 87 38 51 183 92 50 Tabla V. ANOVA clips Baco General Linear Model: VECES UTILIZADO versus AUNGULO, TIEMPO Type Levels Values Fixed 3 45, 60, 89 Fixed 3 1, 4, 8 Analysis of Variance for VECES UTILIZADO, using adjusted ss for Tests Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F ANGULO 2 17941.4 17941.4 8970.7 145.76 TIEMPO 2 7532.8 7532.8 3766.4 61.20 ANGULO*TIEMPO 4 6900.0 6900.0 1725.0 28.03 ERROR 36 2215.6 2215.6 61.5 TOTAL 44 34589.8 S = 7.84503 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 R-Sq = 93.59% P 0.00 0.00 0.00 R-Sq(adj) = 92.17% 39 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al. Tabla VI. ANOVA clips Pelikan. Factor ANGULO TIEMPO General Linear Model: VECES UTILIZADO versus AUNGULO, TIEMPO Type Levels Values Fixed 3 45, 60, 89 Fixed 3 1, 4, 8 Analysis of Variance for VECES UTILIZADO, using adjusted ss for Tests Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F P ANGULO 2 84376 84376 42188 403.80 0.00 TIEMPO 2 15371 15371 7686 73.56 0.00 ANGULO*TIEMPO 4 30849 30849 7712 73.8 0.00 ERROR 36 3761 3761 104 TOTAL 44 134357 S = 10.2214 R-Sq = 97.20% R-Sq(adj) = 96.58% Factor ANGULO TIEMPO Tabla VII. ANOVA clips Baco con cubierta de plástico. General Linear Model: VECES UTILIZADO versus AUNGULO, TIEMPO Type Levels Values Fixed 3 45, 60, 89 Fixed 3 1, 4, 8 Analysis of Variance for VECES UTILIZADO, using adjusted ss for Tests Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F ANGULO 2 159909 159909 79954 1728.54 TIEMPO 2 31670 31670 15835 342.33 ANGULO*TIEMPO 4 59524 59524 14881 321.71 ERROR 36 1665 1665 46 TOTAL 44 252768 S = 6.80114 en concluir que ha ocurrido un cambio en la medida de desempeño cuando en realidad no ha ocurrido. Típicamente se utiliza un valor de a de 0.05, esto es de 5%.3 El valor p es el mínimo valor de a bajo el que aún concluiríamos que determinada fuente de variación tiene un efecto significativo. Siguiendo las reglas anteriores se concluye entonces para los tres experimentos que el factor “ANGULO”, el factor “TIEMPO” y la interacción de ambos factores tienen un efecto estadísticamente significativo sobre la medida de desempeño analizada al nivel a de 5%. Además se pudo obtener un coeficiente de determinación ajustado R-sq de 92.17% para el primer experimento; de 96.58% para el segundo experimento, y un de 99.19% para el tercer experimento. Este coeficiente nos dice aproximadamente qué porcentaje de la variación total de nuestros datos podemos explicar con las fuentes de variación que identificamos y su alto valor da mayor soporte a nuestras conclusiones estadísticas. Para verificar que las conclusiones a las que se llegaron a partir de la ANOVA fueran confiables, se realizó un análisis de residuos (entiéndanse los 40 R-Sq = 99.34% P 0.00 0.00 0.00 R-Sq(adj) = 99.19% residuos como errores de aproximación de los datos experimentales), el cual a través de una serie de gráficas ayuda a verificar que éstos cumplan con los supuestos de independencia estadística, desviación estándar constante y una distribución normal. En la figura 2a se muestran los Residuos vs. Orden de Experimentación, en donde se busca determinar que no exista un patrón reconocible para los residuos. Fig. 2. Gráficas de residuos. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al. Se busca un comportamiento aleatorio alrededor de 0 para así comprobar su independencia. La figura 2b muestra los Residuos vs. Tiempo, que ayuda a verificar que los residuos tengan una desviación estándar aproximadamente constante alrededor de 0. La figura 2c muestra los Residuos vs. Predicción, con la cual se verifica que los residuos no se encuentren correlacionados con la magnitud de las predicciones, pues eso violaría el supuesto de independencia. Por último la grafica 2d muestra un gráfico de probabilidad normal. En este último gráfico, si se aprecia un patrón rectilíneo, se interpreta como una indicación de normalidad. En estos gráficos se puede notar la existencia de algunos valores anormales. Se repitieron todas las ANOVAS sin ellos para comprobar que su presencia no cambiaran las conclusiones estadísticas. Las gráficas del Análisis de Residuos de los tres experimentos mostraron que los residuos cumplieron suficientemente con los supuestos de independencia, desviación estándar constante y una distribución normal. Adicionalmente fue posible obtener para cada experimento una gráfica de efectos principales y una gráfica de interacción las cuales ayudaron a confirmar las conclusiones del análisis de varianza. Éstas se muestran en la figura 3 y figura 4 respectivamente. Para el experimento de clips BACO se puede observar en la figura 3 que cuando el factor Ángulo y el factor Tiempo se encuentran en sus niveles más bajos la medida de desempeño (veces utilizado) se incrementa. En la figura 4 se puede observar que en los datos comprendidos entre los niveles 1 y 4 del factor tiempo se muestra una gran interacción, y en los datos comprendidos entre los niveles 4 y 8 la interacción fue casi nula. Se puede observar en la figura 4 que haber incluido un valor extremo de ángulo acusa una mayor interacción. Se analizaron nuevamente los resultados sin tomar en cuenta este valor extremo para verificar si las condiciones serían las mismas. En efecto, las conclusiones permanecieron iguales en todos los casos. Para resumir, podemos concluir en esta fase que el ÁNGULO y el TIEMPO tienen efectos significativos en la vida útil de los clips tanto por separado como en interacción, y que por tanto, probamos la durabilidad de los clips en condiciones de uso que sí la afectan. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 Fig. 3. Gráfica de efectos principales. Fig. 4. Gráfica de interacción. De ahí que la variación de estas condiciones nos deba ayudar a comparar entre diferentes marcas de clips ante un espectro muy amplio de utilización. DISEÑO DE GRÁFICAS PARA LA TOMA DE DECISIONES Con el objetivo de seleccionar un tipo de clips, se optó por considerar las medias generales resultantes de la experimentación y los costos asociados a cada tipo de clip. De esta manera se conjugan ambas medidas de desempeño: el precio y la vida útil de cada tipo de clip. Esta información se puede apreciar en la figura 5. En esta figura el eje “x” corresponde al costo por pieza, el cual deseamos que sea lo menor posible, y el eje “y” corresponde a la vida útil promedio, la cual deseamos que sea lo más alta posible. Si la elección de un clip se basa solamente en el costo por pieza (eje “x”) la marca de clips elegida sería “PELIKAN” pues tuvo un costo de $0.025 por clip, a comparación de la marca “BACO” que costó 41 �Toma de decisiones en la vida diaria bajo... / Miguel Ángel Urbano Vázquez, et al. Fig. 5. Media general Vs. costo/pieza. $0.045 por clip y la marca “BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO” con un $0.144 por clip. Por otro lado, si únicamente se basa en la vida útil (eje “y”) la marca elegida sería “BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO” pues obtuvo una media de 106.0 deformaciones antes de ruptura, a comparación de la marca “BACO” que obtuvo un 34.7 deformaciones y la marca “PELIKAN” con 90.5 deformaciones. Es fácil ver hacia dónde apuntaría una optimización que pusiera toda la importancia en el costo o bien toda la importancia en vida útil. Es importante también notar que hay una opción que no hubiera sido favorecida en ningún caso: los clips “BACO”. En términos de una optimización bicriterio, podemos decir que los puntos determinados para las opciones “PELIKAN” y “BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO”, dominan a la opción “BACO”, la cual puede ser descartada de toda selección. Podemos además notar que pasar de la opción “PELIKAN” a “BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO” o viceversa, implica ganar en una medida de desempeño a costa de perder en la otra. Matemáticamente, este comportamiento aunado a estar en el contorno deseable de nuestro conjunto de datos, las convierte en soluciones “eficientes” del problema bicriterio. En el caso aquí descrito, estas dos soluciones eficientes conforman la “frontera eficiente” de nuestro conjunto de datos. En general, los problemas de optimización de criterios múltiples se abocan a encontrar la frontera eficiente para así determinar una serie de soluciones (eficientes) que representan los mejores balances entre todas las medidas de desempeño. En este caso, 42 la visualización gráfica con la que podemos contar al considerar solamente dos medidas de desempeño provee una manera muy conveniente de llevar a cabo este análisis. En un caso con más de dos medidas de desempeño se deberá considerar una técnica de optimización multicriterio adecuada. Aún quedaría, sin embargo, escoger una marca de clips de las dos opciones eficientes que encontramos: PELIKAN o BACO CON CUBIERTA DE PLÁSTICO. La elección en este caso dependería si nos inclinamos por el precio o por la vida útil. Es importante notar que es solamente hasta el final de este análisis donde debemos expresar una preferencia por uno o por otro y no al inicio del análisis, pues esto le quitaría objetividad al proceso. Un punto a favor de los clips PELIKAN es que para considerar la otra opción eficiente se deberá pagar varias veces el precio por clip teniendo solamente una mejora marginal en la vida útil. CONCLUSIONES En este trabajo se utilizó una metodología basada en estadística y en optimización bicriterio por el método gráfico para tomar decisiones con bases cuantitativas en problemas cotidianos. Se demostró la metodología por medio de un caso de selección de una marca de clips entre tres opciones considerando costo y vida útil. La metodología es lo suficientemente general para atacar problemas bicriterio de pertinencia mayor, tales como la selección de equipo de manufactura en la industria. REFERENCIAS 1. Castro, C.E., Cabrera-Ríos, M., Lilly,B., Castro, J.M. y Mount-Campbell, C.A. (2003) Identifying the Best Compromises between Multiple Performance Measures in Injection Molding Using Data Envelopment Analysis, J. of integrated design and process science, 7:1, pp 77-86. 2. Montgomery, D.C. 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La naturaleza de cada uno de los procesos fue elucidada a través de la cinética de inserción y posteriormente fueron asociados con cambios estructurales mediante la técnica de difracción de rayos-X in-situ al ciclado de la celda electroquímica. PALABRAS CLAVE Bronces de tungsteno, inserción de litio, baterías de litio. ABSTRACT The electrochemical lithium insertion process has been studied in the family of monophosphate tungsten bronzes (PO2)4(WO3)2m, where m=4 and 6. Structural changes in the pristine oxides were followed as lithium insertion proceeded. Through potentiostatic intermittent technique, the different processes which take place in the cathode during the discharge of the cell were analysed. By means of in situ X-ray diffraction experiments we have detected the nature of different phases Lix(PO2)4(WO3)2m formed and we have established a correlation with the reversible/irreversible processes detected during the electrochemical insertion. KEYWORDS Tungsten bronzes, lithium insertion, lithium batteries. Publicado originalmente en: Ingenierías, Enero-Marzo 2006, Vol. IX, Número 30, pp. 63-70. Electroquímica de los monofosfatos de tungsteno (PO2)4(WO3)2m (m= 4 y 6) ante la inserción de litio INTRODUCCIÓN En años recientes numerosos óxidos de metales de transición han sido estudiados extensamente, dada su aplicación potencial como electrodos en baterías recargables de litio o como materiales activos en diversos dispositivos electroquímicos.1-2 La capacidad de estos materiales viene determinada por su habilidad para reaccionar con litio a través de una reacción de inserción. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 43 �Electroquímica de los monofosfatos de tungsteno... / Francisco E. Longoria Rodríguez, et al. En este sentido, varias técnicas electroquímicas han sido desarrolladas con el fin de conocer los mecanismos inherentes a este tipo de reacciones.3-4 Por ejemplo, el diagrama voltaje composición E(x), provee información acerca de la termodinámica de la reacción de inserción: un dominio de solución sólida puede ser identificado por una variación continua del potencial con respecto a la composición, debido a la tendencia natural a la igualación del potencial químico de los electrodos participantes en la reacción. Por otro lado, la presencia de una meseta de potencial en un intervalo de composición puede ser asociada a una transición de primer orden, donde una fase es formada a expensas de otra. Sin embargo, debido a las características propias de los experimentos de inserción, en la mayoría de las ocasiones no es posible confirmar mediante técnicas de análisis los mecanismos antes mencionados. La técnica de rayos-X in-situ es una herramienta valiosa en el monitoreo de los cambios estructurales que sufre el electrodo de inserción durante el funcionamiento de una celda electroquímica, facilitando así, la validación de los mecanismos propuestos para la reacción de inserción. Los óxidos que se estudiaron en este trabajo pertenecen a la familia de compuestos conocida como bronces de tungsteno.5 La estructura cristalina que presentan los miembros de esta familia de óxidos, como común denominador, está asociada con la estructura tipo ReO3. Así, la presencia de octaedros del tipo WO6 unidos por sus vértices que se repiten a lo largo de los 3 ejes cristalográficos, generan túneles vacíos donde es factible la inserción de un ion para formar lo que se conoce como bronces de tungsteno. La gran adaptabilidad que presenta la estructura de WO3 permite fenómenos como cambios considerables en la estequiometría del óxido, así como la sustitución de unidades WO6 manteniendo en gran medida la estructura base del óxido de partida. Así, mediante la sustitución de unidades WO6 por grupos PO4 se da origen a la formación de una nueva familia de bronces denominada ahora como bronces de fosfato de tungsteno.6-8 Existen tres familias de bronces de fosfato de tungsteno, las cuales se muestran en la tabla I. 44 Tabla I. Familias de bronces de fosfatos de tungsteno. Familia Fórmula General Tipo de Túneles Monofosfatos (PO2)4(WO3)2m de Tungsteno Pentagonales Monofosfatos Ax(PO2)4(WO3)2m de Tungsteno Hexagonales Difosfatos Tungsteno Hexagonales de Ax(P2O4)2(WO3)2m Todas ellas se pueden definir estructuralmente como octaedros WO6 separados por hileras de tetraedros de grupos fosfato, entre las uniones de los octaedros y tetraedros se forman una diversidad de túneles que da el nombre a cada familia de los fosfatos. Como parte de un estudio sistemático que venimos realizando sobre las posibilidades de los bronces de monofostato de tungsteno como electrodos de inserción, en el presente trabajo se presenta el estudio de los miembros m = 4 y 6 de la familia (PO2)4(WO3)2m con túneles pentagonales MPTBp.9 Como se muestra en la figura 1, las estructuras de estos bronces están formadas por octaedros tipo WO6 unidos por tetraedros de composición PO4 donde cada tetraedro está unido por las esquinas a los octaedros WO6. También puede describirse como una capa de octaedros de anchura variable conectados por hileras sencillas de unidades PO4, la unión entre los octaedros y los tetraedros forma túneles pentagonales los cuales están vacíos. a) b) m=4 m=6 Fig. 1. Estructuras de los miembros de la familia de bronces de monofosfato de tungsteno (PO2)4(WO3)2m: a) P4W8O32 (m=4) y b) P4W12O44 (m=6). Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Electroquímica de los monofosfatos de tungsteno... / Francisco E. Longoria Rodríguez, et al. Los MPTBp muestran propiedades eléctricas dimensionales,10 magnéticas11 e incluso ópticas de mucho interés dadas sus posibles aplicaciones.12 El carácter dimensional de los monofosfatos está estrechamente relacionado con su estructura cristalina, la cual se puede describir eléctricamente como capas de octaedros conductoras de composición WO6 separadas por hileras de tetraedros aislantes PO4. Este trabajo tiene como finalidad aprovechar las ventajas de la técnica de difracción de rayos-X in-situ, para estudiar la evolución estructural de los MPTBp ante la inserción electroquímica de litio. CONDICIONES EXPERIMENTALES La síntesis de los bronces se llevó a cabo en dos pasos. Primeramente una mezcla estequiométrica de (NH4)2HPO4 y WO3 fue tratada térmicamente a 650° C para descomponer el fosfato de amonio. Posteriormente, al producto de esta descomposición se le agregó una cantidad apropiada de W para alcanzar la estequiometría deseada, se colocó en una ampolleta de cuarzo, se selló al vacío y se trató térmicamente a 1000° C por 9 días. La caracterización estructural de los óxidos de partida, así como de las fases insertadas, fue realizada en un difractómetro de rayos-X SIEMENS D-5000 el cual opera con la radiación de Cu Ka (l=1.5418 Å). Para el primer caso, los datos fueron tomados entre los ángulos 2q de 5 a 90º con una velocidad de barrido de 0.05º/2s. Para la caracterización de las fases insertadas, el barrido de radiación fue entre los ángulos de 5 a 60º a una velocidad de 0.01º/8s. La inserción electroquímica de litio fue realizada en una celda tipo Swagelok en la que una pastilla de litio actuó como electrodo negativo. Como electrodo positivo se utilizó una pastilla de 7 mm de diámetro constituida por 89% de material activo, 10% de carbón amorfo conductor y 1% de compactante (EPDT en ciclohexano). Como electrolito, fue utilizada una solución 1 mol dm-3 de LiPF6 en una mezcla 1:1 de carbonato de etileno y de carbonato de dimetilo. Debido a la alta reactividad del litio metálico, todas las operaciones asociadas al ensamblaje de la celda fueron realizadas dentro de una caja seca MBraun cuyo contenido de O2 y vapor de H2O es menor a 1 ppm. Las celdas ensambladas fueron conectadas Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 a un sistema multicanal potenciostato/galvanostato tipo MacPile II, donde fueron descargadas en modo potenciostático con una velocidad de barrido de 10 mV/0.5 h. Una vez alcanzados los valores mínimos de potencial predeterminados vs Li+/Lio, el sentido del barrido fue invertido con el fin de restituir a la celda a su estado inicial de carga. La toma de rayos-X de manera simultánea a la inserción de litio se llevó a cabo en una celda electroquímica especialmente diseñada para este propósito.13 Los experimentos se realizaron aplicando una densidad de corriente de 390 mA/cm2 por 1.5-2 h empleando el mismo periodo de tiempo para la relajación del sistema. Los rayos-X fueron tomados únicamente cuando el sistema estuvo en equilibrio (tomando esta condición como cierta cuando el voltaje de la celda experimentó una variación menor a 20mV/h). Usualmente se utilizó una velocidad de barrido de 0.5°/2s en un rango de 5 a 60º en 2q. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la figura 2 se muestra la variación típica del potencial en función de la cantidad de litio insertado de dos celdas de configuración Li/electrolito/ (PO2)4(WO3)2m, donde a) m = 4 y b) m = 6, cuando éstas fueron sometidas a un ciclo de carga-descarga entre los límites de potencial de 3.15 a 0.01 V vs Li+/Li0 bajo condiciones potenciostáticas. La máxima cantidad de litio insertado fue de 52 y 72 Li/fórmula respectivamente, conduciendo a una alta capacidad específica de las celdas (del orden de 600 Ah/Kg en cada caso). No obstante, cerca de la mitad de la capacidad de las celdas fue perdida luego del primer ciclo de carga-descarga debido a la incapacidad del sistema para remover una gran cantidad de litio durante el correspondiente proceso de carga. La imposibilidad del sistema por mantener una alta capacidad ante subsecuentes ciclos de cargadescarga tiene su origen en los distintos procesos electroquímicos observados durante la descarga de las celdas, mismos que son evidenciados en la figura 2 como regiones de potencial constante (marcadas con letras), o bien variable (etiquetadas con números romanos), en función de la composición de litio insertado. En primera instancia, una variación 45 �Electroquímica de los monofosfatos de tungsteno... / Francisco E. Longoria Rodríguez, et al. 4 3.5 I II 2 1.5 Descarga 0.5 0 III A 1 0 10 20 30 40 50 60 x en LixP4W8O32 b) =4 E/Voltios vs Li+/Li0 3 2.5 a) II 1.5 B 1 III Descarga 0 10 20 30 40 50 60 70 80 a) 2 .8 de potencial en función de la composición continua Carga denota2la una solución sólida; .6 formación gradual de mientras que una constancia en el valor del potencial Descarga 2 .4 para un intervalo de composición dado está asociada 2 .2transición de fase de primer orden. con una Aunque durante el proceso de descarga se 2 evidenciaron varios procesos electroquímicos en el 1 .8 electrodo0de inserción, correspondientes 0 .5 1 las1 .5 2 2 .5 3 curvas 3 .5 de carga en cada caso mostraron un8Ocomportamiento x en LixP4W 32 monótono de la variación del potencial en función de la composición. Lo anterior trae como consecuencia que, al menos, debe existir un proceso de naturaleza irreversible durante la descarga de la celda. 2 .8 Carga 2 .6 Descarga 2 .4 2 .2 1 .8 b) 3.5 3 2.5 2 1.5 2 E/Voltios vs Li+/Li0 Fig. 2. Diagramas voltaje-composición, E(x), para celdas electroquímicas de configuración Li/electrolito/ MPTBp durante el primer ciclo de carga-descarga de la celda hasta 0.01V vs Li+/Li0 bajo condiciones 3 .2 potenciostáticas. m=4 3 b) m=4 3 x en LixP4W12O44 46 3 .2 A 2 0 60 m=6 Carga I 0.5 E/Voltios vs Li+/Li0 50 3.5 E/Voltios vs Li+/Li0 2.5 E/Voltios vs Li+/Li0 3 m=4 Carga Para determinar lo anterior, se procedió a limitar b) 3.5 mínimo hasta el cual se realizó la el potencial descarga de cada celda. En cada caso, se eligieron m=6 3 como potenciales mínimos de Carga trabajo aquellos I 2.5 con la presencia de los distintos procesos asociados electroquímicos A observados en la figura 2. La figura 2 3 muestra un cicloIIcompleto de carga-descarga de 1.5 cada uno de los bronces B estudiados como material activo, limitando en cada caso el potencial mínimo 1 III de trabajo hasta donde la inserción de litio ocurre de 0.5 manera reversible. Así, por una simple comparación Descarga 0 de los diagramas E(x) de las figuras 2 y 3, se puede 0 10 20 30 40 50 60 70 80 concluir que el proceso de naturaleza irreversible x enes Lila presente en todos los casos de potencial xPregión 4W12O44 semiconstante marcada como A para el bronce P4W8O32 y B para el monofosfato P4W12O44. Dicha E/Voltios vs Li+/Li0 E/Voltios vs Li+/Li0 a) 0 0 .5 1 1 .5 2 2 .5 x en LixP4W8O32 3.5 3 .5 m=6 Carga 3 3 I 2.5 A 2 II 1.5 1 Descarga 0 5 10 x en LixP4W12O44 15 Fig. 3. Diagramas de Voltaje-Composición para un ciclo de carga-descarga hasta un potencial justo antes del proceso irreversible de celdas de configuración Li// MPTBp bajo condiciones potenciostáticas. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 1 0 �Electroquímica de los monofosfatos de tungsteno... / Francisco E. Longoria Rodríguez, et al. región, asociada con una transición de primer orden, aparece a 1.5 V para m = 4 y a 1.0 V vs Li+/Li0 para m = 6. La naturaleza de dicha transformación, elucidada también a través de la cinética de la reacción, será comentada durante el análisis de la difracción de rayos-X in situ más adelante. Para confirmar nuestra primera interpretación del diagrama E(x), se analizó a detalle la relajación de la corriente para cada paso de potencial en experimentos potenciostáticos. El análisis de las curvas de relajación mostró que cuando el sistema atravesó las regiones de potencial variable en función de la composición en la figura 2, las curvas I-t presentaron un comportamiento homogéneo, típico de la formación de soluciones sólidas. Por otro lado, cuando el sistema atravesó las zonas de potencial semi-constante en función de la composición, las curvas adquirieron un comportamiento heterogéneo, indicativo de una región bifásica donde tiene lugar una transición de primer orden. En la figura 4a se muestra el diagrama Fig. 4. Regiones del cronoamperograma en las zonas vecinas a las transiciones de fase que experimenta el electrodo a) P4W8O32 y b) P4W12O44 durante la inserción de litio. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 I(t) en la zona vecina a la transición I → II observada en el monofosfato m = 4 (marcada con un punto en la figura 2a). En ésta se observa que la intensidad de corriente decae a cero antes de aplicar un nuevo paso de potencial. De aquí se deduce que la difusión de litio es el mecanismo que gobierna la reacción de inserción en todo el intervalo de composición que incluye a las regiones I y II. Por lo anterior, el proceso detectado entre la solución sólida I y II puede atribuirse a la existencia de una transición continua de fase. Mención especial merece el proceso marcado como II en la figura 2b (m=6). El análisis de las curvas de relajación I-t, ver figura 4b, muestra dos mínimos de reducción (indicados como C y D) asociados igualmente a transiciones de primer orden, las cuales separan regiones intermedias de soluciones sólidas. Con el propósito de caracterizar estructuralmente las distintas fases LixP4W8O32 y LixP4W12O44, hemos seguido la evolución del enrejado cristalino a medida que el litio fue insertado mediante la técnica de difracción de rayos-X in situ. Así, durante la descarga de celdas electroquímicas con configuración Li/electrolito/(PO2)4(WO3)2m se fueron tomando datos de difracción de rayosX que nos permitieron establecer una correlación entre el mecanismo de inserción propuesto y los diagramas de difracción obtenidos para cada caso. Como se desprende de la figura 5, la introducción de los primeros 4 litios en P4W8O32 (m = 4) no produce ningún cambio en el patrón de difracción, observándose sólo un ligero desplazamiento de las reflexiones observadas, provocando un cambio en Fig. 5. Diagramas de difracción de rayos-X de LixP4W8O32 tomados durante la inserción electroquímica de litio. 47 �Electroquímica de los monofosfatos de tungsteno... / Francisco E. Longoria Rodríguez, et al. los parámetros de celda, comportamiento típico de distintas composiciones dentro de una misma solución sólida LixP4W8O32 (0 < x < 4). En la tabla II, se muestran la evolución de los parámetros de celda a medida que se inserta litio en el bronce P4W8O32, determinados por el método Rietveld. Para composiciones con x > 4, se observa una gradual disminución en las intensidades de las líneas de difracción indicando una incipiente amorfización del material. Tal situación queda de manifiesto cuando para una composición de Li14P4W8O32 desaparecen totalmente las reflexiones correspondientes al material cristalino. Para el caso de m = 4, recordemos que después de la introducción de los primeros 4 litios aparece la transición de fase de primer orden (A) responsable de la irreversibilidad del sistema. Tal irreversibilidad es ahora justificada por el hecho de que la entrada de más de 4 litios trae consigo la destrucción del enrejado cristalino del óxido de partida. Esta situación debe ocurrir debido a que el carácter tridimensional de la estructura de P4W8O32 no soporta la cantidad de litio insertada. La figura 6 muestra una serie de difractogramas obtenidos durante la inserción electroquímica de litio en P4W12O44 (m = 6). En primera instancia, la inserción de litio procedió a través de la formación de una solución sólida de composición LixP4W12O44 (0< x <4). El correspondiente diagrama de difracción para x = 4 muestra que la estructura cristalina del óxido de partida se mantuvo con un ligero cambio en los parámetros de celda, como es de esperar durante la formación de una solución sólida. En la tabla III se muestran en resumen los resultados del análisis estructural de los patrones de difracción por el método de Rietveld de las distintas fases litiadas de interés. Luego de la inserción de los primeros 4 litios, para x = 5 y x = 6, composiciones incluidas dentro de la región de potencial constante marcada como A en la figura 2, los diagramas de difracción mostraron la presencia de nuevas reflexiones propias de la aparición de una nueva fase cristalina de matriz monoclínica (ver tabla III). Tabla II. Evolución de los parámetros de celda LixP4W8O32 en función del litio insertado. x en a/Å LixP4W8O32 b/Å c/Å R-Factor 0 5.283(6) 6.569(0) 17.355(3) 3.09 1 5.283(8) 6.568(9) 17.371(8) 3.23 2 5.283(1) 6.568(7) 17.400(3) 3.65 3 5.283(4) 6.569(2) 17.419(0) 2.89 4 5.283(6) 6.568(7) 17.453(8) 3.99 Fig. 6. Diagramas de difracción de rayos-X de LixP4W12O44 tomados durante la inserción electroquímica de litio. Tabla III. Evolución de los parámetros de celda LixP4W12O44 en función del litio insertado. x en LixP4W12O44 Tipo de celda Grupo espacial Parámetros de Celda a/Å b/Å c/Å b R-Factor 0 Ortorrómbica P212121 5.2929 6.5590 23.5457 90.00 3.02 1 Ortorrómbica P212121 5.2901 6.5578 23.5570 90.00 4.60 2 Ortorrómbica P212121 5.2887 6.55858 23.5641 90.00 3.75 3 Ortorrómbica P212121 5.2888 6.5578 23.5750 90.00 2.91 4 Ortorrómbica P212121 5.2889 6.5600 23.5842 90.00 2.99 8 Monoclínica - 17.5140 9.6772 18.7029 92.78 5.04 12 Monoclínica - 17.3080 4.8136 18.0796 98.26 6.42 14 Monoclínica - 21.2518 3.7894 23.3115 104.11 5.73 48 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Electroquímica de los monofosfatos de tungsteno... / Francisco E. Longoria Rodríguez, et al. De acuerdo a nuestra interpretación de los resultados electroquímicos, la región de potencial constante corresponde con una transición de primer orden donde dos fases cristalinas coexisten en equilibrio. Así, las composiciones de x = 5 y x = 6 mostraron, además de la presencia de la fase Li4P4W12O44, la existencia de una nueva fase cristalina cuya composición corresponde con el máximo valor de litio en la región de potencial constante A, esto es, Li ≈ 6P4W12O44. La nueva fase formada se observa en su forma pura cuando analizamos el diagrama de difracción cuando x = 8. A partir de esta composición una segunda solución sólida es formada en el intervalo de composición de 8 < x < 9.3 litios. A partir de 9.5 y hasta 10 litios, se detecta una región de transición de fase (región C en la figura 4), el análisis por Rietveld determinó la formación de una nueva fase de matriz monoclínica que se presenta en estado puro en x = 10. Para composiciones de litio entre 10 y 12 se observa la existencia de una región de solución sólida, como lo denota el diagrama de difracción de rayos-X para x = 12. Para x = 13, la existencia de una nueva transición bifásica es de nuevo manifiesta por la presencia de una nueva fase cristalina con un tipo de celda monoclínica, misma que se observa en su forma pura para x = 14 (región D en la figura 4). A partir de composiciones dentro de la transición de fase marcada con la letra B en la figura 2 (15< x <30), se observa una pérdida gradual de las reflexiones en los patrones de difracción, de tal manera que para cuando x=22, ocurre la desaparición total de las líneas de reflexión. Lo anterior indica que se está formando una nueva fase con una estructura amorfa, esta transformación corresponde a la transición de fase irreversible que presenta el bronce. La ausencia de líneas de difracción se mantuvo para composiciones incluidas dentro de la región III, mostrando así la naturaleza amorfa de esta fase. Sobre la base de estos resultados, se puede establecer una total concordancia entre el estudio electroquímico y lo observado a través de los rayos-X in-situ para los bronces estudiados en este trabajo. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 CONCLUSIONES Durante el estudio de la inserción electroquímica de litio en los bronces P4W8O32 y P4W12O44 se detectó la existencia de varias regiones de solución sólida y zonas de transición de fase de primer orden. La transformación de la fase I a II para el caso del monofosfato P4W8O32, ocurrió por un mecanismo que implica una transición continua de fase, como lo mostró un análisis de la cinética del sistema. El estudio por difracción de rayos-X en las fases LixP4W8O32 y LixP4W12O44, con composiciones incluidas en todas las regiones observadas en los diagramas E(x) en ambos casos, mostró una total correlación con los datos obtenidos del estudio electroquímico. AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer al CONACYT su apoyo a través del proyecto 43800 y a la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL) por su aporte mediante los proyectos PAICYT (2004). REFERENCIAS 1. Manthiram A. y Kim J., Chem. Mater. 10 (1998) 2895. 2. Granqvist C.G., Solar Energy Materials & Solar Cells 60 (2000) 201. 3. Weppner W. y Huggins R.A., J. Electrochem. Soc. 124 (1977) 1569. 4. Chabre Y., Prog. Solid State Chem. 23 (1995) 1. 5. Hagenmuller P. en Comprehensive Inorganic Chemistry, vol. 4. Pergamon, Oxford (1973). 6. Greenblatt M., International Journal of Modern Physics B 7 (1993) 3937. 7. Roussel P., Labbé Ph. y Groult D., Acta Cryst. B56 (2000) 377. 8. Roussel P., Pérez O. y Labbé Ph., Acta Cryst. B57 (2001) 603. 9. Roussel P., Groult D., Maignan A. y Labbé Ph., Chem. Mater. 11 (1999) 2049. 10. Mascaraque A., Roca L., Avila J., Drouard S., Guyot H. y Asensio M.C., Phys. Rev. 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El modelo propuesto es un Modelo de Zener Fraccional Extendido, MZFE, que describe el comportamiento reológico de materiales poliméricos amorfos en un amplio intervalo de frecuencias que abarcan desde el estado vítreo hasta la frecuencia donde el polímero presenta propiedades de flujo. A partir del MZFE se construyen diagramas teóricos de la parte real (E’) y de la parte imaginaria (E’’) del módulo complejo, E* = E’ + iE’’, así como también de tan(d) = E’’/E’. Los diagramas teóricos son validados comparándolos con datos experimentales de un polímero amorfo (poliestireno). Lo anterior nos permitió aportar algunas ideas acerca de la movilidad molecular que se asocia a la variación que presentan E’ y tan(d) en función de la frecuencia. PALABRAS CLAVE Polímeros, reología, transición vítrea, flujo, modelación, cálculo fraccional. Publicado originalmente en: Ingenierías, Abril-Junio 2007, Vol. X, Número 35, pp. 42-47. Aplicación del cálculo fraccional a la reología de materiales poliméricos ABSTRACT In this work we propose a rheological model using mechanical fractional elements named “spring-pots”. The proposed model is an Extended Fractional Zener Model, EFZM, which describes the behaviour of amorphous polymeric materials in a very large frequency range, from sub-vitreous behaviour to a frequency in which the polymer reaches the flowing properties. From EFZM we computed theoretical spectra of the real (E’) and imaginary (E”) parts of complex modulus, E* = E’ + iE’’, in addition tan(d) = E’’/E’ was also computed. To validate the EFZM the theoretical results were compared with experimental data of an amorphous polymer. We have associated the frequency dependence of both E’ and tan(d) to molecular mobility of polymer chains. KEYWORDS Polymers, rheology, glass transition, flow, modelling, fractional calculus. INTRODUCCIÓN Los materiales poliméricos tienen características estructurales complejas que presentan fenómenos de relajación asociados a diferentes tipos de movimientos Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 51 �Aplicación del cálculo fraccional a la reología de materiales poliméricos /Felipe R. García Cavazos, et al. moleculares. Esto se traduce en una difícil descripción de sus propiedades reológicas. Para el estudio de la reología de polímeros, una alternativa es el análisis de una propiedad macroscópica, como el módulo elástico, sea en función del tiempo (frecuencia) y/o de la temperatura. Para interpretar estos resultados experimentales es necesario apoyarse en algún modelo matemático que relacione las propiedades reológicas con la naturaleza del polímero, sin embargo, este es un problema aún sin resolver. Tradicionalmente se utilizan modelos mecánicos análogos, desarrollados a partir de resortes y amortiguadores para modelar la reología de los polímeros.1 Sin embargo, estos modelos están limitados a la descripción de fenómenos de relajación que en la mayoría de los casos no corresponden al comportamiento reológico de los polímero, entre otras razones, porque los modelos clásicos se fundamentan en el cálculo tradicional (operadores diferenciales y/o integrales de orden entero). Entre estos modelos reológicos clásicos se encuentran el de Maxwell, el de Voigt-Kelvin y el de Zener; este último es el que comúnmente se utiliza como una primera aproximación para describir la reología de los polímeros a temperaturas alrededor de la temperatura de transición vítrea (Tg). Por otra parte por medio del cálculo fraccional2-8 ha sido posible definir un nuevo elemento reológico: el “spring-pot”, el cual puede ser representado como un arreglo jerarquizado de tipo fractal de un número infinito de resortes y amortiguadores. El “springpot” tiene características reológicas intermedias entre las de un resorte y las de un amortiguador,9 sin embargo por si solo no describe la reología de los polímeros.10 Utilizando el “spring-pot” se ha propuesto el Modelo de Zener Fracional (MZF), mediante el cual es posible describir con mejor precisión la manifestación mecánica de la relajación principal (transición vítrea) de los polímeros. 11 El MZF describe el comportamiento reológico en un amplio intervalo de frecuencias (temperatura constante) pero no puede describir el comportamiento reológico alrededor del punto de fusión (lo que equivale a valores de frecuencias muy pequeñas) para el caso de los polímeros semicristalinos.11 52 Fig. 1. Modelo clásico de Zener (MZ). En este trabajo se propone extender el MZF de tal manera que sea posible estudiar la reología de los polímeros desde frecuencias por debajo de la frecuencia donde se presenta la transición vítrea, hasta frecuencias donde el polímero presenta características de flujo. EL MODELO CLÁSICO DE ZENER El modelo clásico de Zener, MZ, consta de tres elementos reológicos, como se muestra en la figura 1. La ecuación diferencial del MZ presenta operadores diferenciales y/o integrales de orden entero (0 y 1): E D g+Et 0 u t o −1 0 D g = D s +t −1 0 t t −1 D s −1 0 (1) t El parámetro τ es el tiempo de respuesta del MZ. Aplicando la transformación de Fourier a la ecuación del MZ se obtiene el módulo complejo: E (i, w ) = E ' (w )+ iE ′′ (w ) = ∗ E + E (iwt ) −1 u o 1 + (iwt ) −1 (2) Donde w = 2pf , f es la frecuencia en Hz y ω es la frecuencia angular en rad/s. A partir de la ecuación Fig. 2. E’(f) y E’’(f) del módulo complejo y tan(d) vs f del MZ. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Aplicación del cálculo fraccional a la reología de materiales poliméricos /Felipe R. García Cavazos, et al. 2 se obtienen los diagramas teóricos del modelo que corresponden a un ensayo dinámico en función de la frecuencia (fig. 2). Los parámetros t , Eu y Eo se escogieron de manera arbitraria, con la finalidad de obtener las gráficas descriptivas de la figura 2. En la figura 2, en el gráfico de E’(f), a alta frecuencia el MZ presenta una respuesta elástica, (módulo independiente de la frecuencia), esta parte se asocia al comportamiento elástico del estado vítreo del polímero. A baja frecuencia, el modelo describe otra respuesta elástica asociada al comportamiento elástico de un polímero en su estado cauchótico. Los comportamientos elásticos corresponden a una disminución de tan(d) (fig.2). La zona intermedia entre estos dos comportamientos corresponde a un valor máximo de la tan(d), el cual está asociado a la respuesta viscoelástica del MZ, que se puede relacionar como una primera aproximación, con la manifestación mecánica de la transición vítrea de un polímero que no presenta relajaciones secundarias (figura 2). Para obtener una mejor aproximación de la descripción de la reología de polímeros, el cálculo fraccional ha mostrado ser una potente herramienta. CÁLCULO FRACCIONAL EN LA DEFINICIÓN DE ELEMENTO REOLÓGICO VISCOELÁSTICO: La definición de Reimann-Liouville para la integral y derivada de orden fraccionario es una generalización de la formula de Cauchy (integración múltiple) para valores no enteros: (t − y ) f y dy D f (t ) = ∫ () Γ (a ) (t − y ) f y dy D f (t ) = D ∫ () Γ (1 − a ) Fig. 3. “Spring-pot”. diagramas como los mostrados en la figura 2, sin embargo si se utiliza en conjunto con resortes y amortiguadores se puede obtener una respuesta similar a las curvas mostradas en la figura 2, que se aproxima mejor al comportamiento real de ciertos polímeros. El comportamiento real de los polímeros, produce gráficos similares a los presentados en la figura 2, pero con cierta disimetría.13 Para obtener una mejor aproximación de dicho comportamiento el MZ se modifica intercambiando el amortiguador por 2 “spring-pots”,14-16 ver figura 4. A partir de la ecuación del MZF: Eug + Eot a− a 0 Dt− ag + Eot b− b 0 Dt− bg = (5) s + t a− a 0 Dt− as + t b− b 0 Dt− bs a −1 t −a 0 t 0 t a 1 t t (3) −a 0 Fig. 4. Modelo de Zener Fracional con dos “springpots”. (4) donde a ∈ (0,1) El orden fraccionario de una integral está asociado a la cuantificación de la disipación o almacenamiento parcial de energía, y el de una derivada se relaciona con la tasa de disipación de energía.12 Estas características hacen posible la modelación de sistemas con almacenamiento y disipación parcial de energía como los polímeros, y definen la ecuación constitutiva del “spring-pot” (figura 3), a partir del cual no es posible obtener Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 Fig. 5. E’(f) del módulo complejo y tan(d) vs f del MZF con dos “spring-pots”. 53 �Aplicación del cálculo fraccional a la reología de materiales poliméricos /Felipe R. García Cavazos, et al. aplicando la transformada de Fourier, se obtiene el módulo complejo: E (i, w ) = ∗ E +Et u o (iw ) + E t (iw ) (iw ) + t (iw ) −a −a a −b −b o −a (6) b −b 1+ t el cual genera curvas disimétricas, ver figura 5. El grado de disimetría depende de los valores de los órdenes fraccionarios a y b. Con la finalidad de describir el estado fundido, el MZF es extendido adicionándole 1 “spring-pot” en serie, para obtener el Modelo de Zener Fracional Extendido (MZFE) el cual se presenta en la siguiente sección. −a a −b b Fig. 7. Modelo de Zener Fracional Extendido (MZFE). Aplicando la transformación de Fourier a la ecuación del MZFE, ecuación 7, se obtiene el módulo complejo: E (i, w ) = ∗ MODELO DE ZENER FRACIONAL EXTENDIDO (MZFE) A temperaturas superiores a la de Tg o región de bajas frecuencias, se manifiesta el estado fundido o de flujo como una caída de E’ cuando la frecuencia disminuye, esto corresponde a una tendencia a incrementarse los valores de tan(δ), como se muestra en los datos experimentales de la figura 6, los cuales fueron tomados de Ferry.17 El modelo propuesto (MZFE) debe ser capaz de describir los gráficos presentados en la figura 6. En la figura 7 se presenta el MZFE. La relación del esfuerzo con la deformación, la cual presenta operadores de orden no entero, tiene la forma: Eg+Et u s +t o −a a 0 −a a D g+Et −a 0 t D s +t o −a −b t b −b b (iw ) E +Et u +t −b b o (iw ) + (E −b u −a a (iw ) −a E )t o −c c +Et (iw ) o −c −b b (iw ) −b +t t −a −c a c (iw ) − a −c +t t −b −c b c (iw ) − b −c (8) A partir de la ecuación 8 se obtienen las curvas teóricas del MZFE, ver figura 8, las cuales son similares a los datos experimentales presentados en la figura 6. D g= t D s + (E E )t t a −a −b 0 −b 0 1+ t −a u o −c c 0 D s +t t −c −a −c t a c 0 D s +t t − a −c −b −c t b c D s − b−c 0 t (7) Fig. 8. E’(f) del módulo complejo y tan( d ) vs f del MZFE. Fig 6. E’(f) y tan(d) típicas de un polímero que manifiesta la transición vitrea y el flujo. 54 El “spring pot” c define la zona de frecuencia que corresponde al flujo y cuando c toma el valor de 1 este representa a un amortiguador. A medida que c se aleja de 1, la componente elástica del flujo se hace más importante y su comportamiento se asemeja más al de un “líquido elástico”, en este caso tan(δ) tiende a un valor límite. Con la finalidad de validar el MZFE comparamos las curvas experimentales de la figura 6, con las curvas teóricas obtenidas a partir del MZFE (figura 9). En la tabla I se presentan los valores utilizados de los parámetros del MZFE para obtener las curvas teóricas de la figura 9. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Aplicación del cálculo fraccional a la reología de materiales poliméricos /Felipe R. García Cavazos, et al. Desde un punto de vista de la movilidad molecular estos valores fraccionarios pueden considerarse como una medida relativa de los movimientos moleculares asociados al comportamiento en frecuencia del módulo complejo. Cuando el valor del orden fraccionario disminuye los movimientos moleculares son más localizados. Fig. 9. Comparación de las curvas teóricas del MZFE con datos experimentales. Tabla I. Parámetros utilizados en el MZFE en la comparación con las curvas experimentales. C o m p o r t a m i e n t o Parámetros del MZFE reológico Transición vítrea Flujo a 0.33 b 0.915 Eu Eo 1x1010 Pa ta tb 5x10-9 s c 0.98 tc 3x10-1 s 2x106 Pa 7x10-9 s A partir de la figura 9 y de la tabla I, podemos establecer que el MZFE puede describir tanto la transición vítrea como el flujo de los polímeros amorfos, por otra parte se observa que los órdenes fraccionarios de los “spring-pots” se incrementan conforme disminuye la frecuencia, a y b describen principalmente la transición vítrea. El orden del “spring-pot” a con un valor de 0.33 describe la transición vítrea a altas frecuencias e indica una respuesta más elástica y menor disipación de energía, mientras que el orden del “spring-pot” b que modela la transición vítrea a baja frecuencia tiene un valor de 0.915 e indica una respuesta más cercana a un amortiguador (mayor disipación de energía), ambos parámetros a y b definen el pico de la transición vítrea. El orden del “spring-pot” c asociado al flujo tiene un valor cercano a 1. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 CONCLUSIONES Por medio del cálculo fraccional ha sido posible extender el MZF para desarrollar un modelo matemático denominado MZFE con el cual es posible estudiar las propiedades reológicas de materiales poliméricos amorfos en un intervalo de frecuencia que abarca la transición vítrea y el flujo del material. Los resultados teóricos del MZFE son consistentes con datos experimentales. AGRADECIMIENTO Los autores agradecemos al CONACYT (Beca No. 195203) y a la UANL (Proyecto PAICYT CA1264-06) por el apoyo proporcionado para el desarrollo del presente trabajo. REFERENCIAS 1. M. Ward; Mechanical properties of solid polimers. Wiley, 1993. 2. Heymans N; Podlubny I Rheol Acta.2006, 45, 765. 3. Carpinteri A; Chiaia B; Cornetti P Z. Angew. Math. Mech. 2004, 84, 128. 4. Debnath L IJMMS. 2003, 54, 3413. 5. Hilfer R Fractals. 2003, 11, 251. 6. Podlubny I Fractional Calculus and Applied Analysis. 2002, 5. 7. Schmit A; Lothar G Nonlinear Dynamics. 2002, 29, 37. 8. Novikov V; Wojciechowski K. J Phys. Conden. Matter. 2000, 12, 4869. 9. Schiessel H; Metzler R; Blumen A; Nonnenmacher T Phys: A. Math. Gen. 1995, 28, 6567. 10. Heymans N Signal processing. 2003, 83, 2345. 11. Reyes M; Martinez J; Guerrero C; Ortiz U. Journal of Applied Science. 2006, 102, 3354. 55 �Aplicación del cálculo fraccional a la reología de materiales poliméricos /Felipe R. García Cavazos, et al. 12.Moshrefi M; Hammond J J. Franklin Inst. 1998, 335B, 1077. 13.Matsuoka S J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 1997, 102, 213. 14.Alcoutlabi M; Martínez J Polymer. 2003, 44, 7199. 56 15.Alcoutlabi M; Martínez J Polymer. 1998, 25, 6269. 16. Reyes M; Martínez J; Guerrero C; Ortiz. U. Journal of Applied Polymer Science, 2004, 94, 657. 17.D Ferry, Viscoelastic Properties of Solid Polymers, John Wiley & Sons, 1980. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Miguel Ángel Platas Garza, José Antonio de la O Serna Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL jdelao@mail.uanl.mx , jdelao@ieee.org RESUMEN Se obtienen estimaciones del fasor dinámico y de sus derivadas mediante la solución de mínimos cuadrados ponderados de una aproximación de Taylor, usando ventanas clásicas como factores de ponderación. Esta solución conduce a diferenciadores con respuestas en frecuencia ideales en la frecuencia fundamental, y con un bajo nivel de lóbulos laterales en la banda de rechazo, lo cual implica baja sensibilidad al ruido. Los diferenciadores son máximamente lisos en el intervalo centrado en la frecuencia fundamental, y tienen una respuesta de fase lineal, por lo que sus estimaciones son inmunes a la distorsión de amplitud y fase, y se obtienen mediante una única transformación lineal. Además no requieren etapas posteriores de procesamiento para mejorar su exactitud como la técnica convencional. Se ilustran ejemplos de estimación del fasor dinámico bajo condiciones transitorias, poniendo especial atención en los estimados de frecuencia. PALABRAS CLAVE Fasor dinámico, estimación fasorial, estimación de frecuencia, diferenciadores digitales, filtros máximamente lisos, diferenciadores máximamente lineales. Publicado originalmente en: Ingenierías, Julio-Septiembre 2010, Vol. XIII, Número 48, pp. 64-74. Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos en oscilaciones de potencia ABSTRACT Estimates of the dynamic phasor and its derivatives are obtained through the weighted least-squares solution of a Taylor approximation using classical windows as weighting factors. This solution leads to differentiators with ideal frequency response around the fundamental frequency, and very low sidelobe level over the stopband, which implies low noise sensitivity. The differentiators are maximally flat in the interval centered at the fundamental frequency, and have linear phase response. So their estimates are free of amplitude and phase distortion, and obtained at once. No further patch is needed to improve their accuracy. Examples of dynamic phasor estimates are illustrated under transient conditions. Special emphasis is put on frequency measurements. KEYWORDS Dynamic phasor, phasor estimation, frequency estimation, digital differentiators, maximally flat filters, maximally linear differentiator. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 57 �Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos... / Miguel Ángel Platas Garza, et al. INTRODUCCIÓN La estimación fasorial bajo condiciones dinámicas es fundamental para controlar y monitorear los sistemas eléctricos de potencia. La regulación de los intercambios de potencia en las redes de área amplia (wide area networks, WAN) y la estabilidad del sistema dependen de la exactitud y retraso de las estimaciones fasoriales. El concepto de fasor dinámico fue propuesto en la referencia1 como la envolvente compleja de la oscilación, interpretada como una señal paso banda, tal como se usa en sistemas de transmisión digital. Se propusieron también estimadores interesantes y se ilustraron las respuestas en frecuencia de los filtros asociados. Se demostró que los estimados eran generados por filtros digitales con ganancias constantes, lineal y cuadrática en la banda de paso, correspondientes a diferenciadores ideales. Sin embargo, persistió el alto nivel de lóbulos laterales, lo que indica susceptibilidad a la infiltración de armónicas. En este trabajo se extiende el método de estimación usando ventanas clásicas para ponderar los errores de la solución de mínimos cuadrados y reducir el nivel de lóbulos laterales. Se presentan los filtros obtenidos con las ventanas de Hamming, y se ilustran las posibilidades de diseño que ofrece la ventana de Kaiser, la cual permite controlar el ancho de banda y el nivel de lóbulos laterales. Este método no corresponde al método de diseño clásico de filtros de respuesta impulsional finita usando ventanas,2 ya que la solución de mínimos cuadrados ponderados modifica los coeficientes de la matriz de Gramm, en vez de modificar solo las respuestas impulsionales multiplicándolas por la ventana. El método propuesto reconfigura los elementos del modelo de señal y proporciona diferenciadores con respuestas en frecuencia ideales alrededor de la frecuencia fundamental, por lo que esta técnica genera estimaciones del fasor y sus derivadas con filtros máximamente lisos,3 i. e. filtros cuya respuesta en frecuencia es la ideal más un error de Taylor, con derivadas nulas en la frecuencia fundamental. En la actualidad, la norma de sincrofasores4 se encuentra en revisión. Esta norma todavía asume una forma de onda sinusoidal en estado estacionario (amplitud, frecuencia y fase constantes) para las mediciones de sincrofasores,5 a pesar de que esta característica es contradictoria a la naturaleza 58 dinámica de una oscilación. En un trabajo reciente,6 los autores proponen el uso del filtro de Fourier de un ciclo para estimar los sincrofasores, y después, a partir de los sincrofasores estimados, estimar otros parámetros dinámicos importantes, tales como la frecuencia usando algoritmos de post-filtrado. Para mitigar los errores dinámicos de la estimación fasorial, recomiendan el método de compensación usado en la referencia.7 En este trabajo, se emplea el modelo de señal basado en aproximaciones de Taylor usado en la referencia 1 para compensar los errores del filtro de Fourier de un ciclo. La principal desventaja de este método, además de la pobre respuesta en frecuencia del filtro, es que los estimados de frecuencia se obtienen con una ecuación en diferencias finita, la cual es muy sensible al ruido, o con filtros de fase no lineal, que destruyen la sincronía de las estimaciones, la cual es la característica más importante de la aplicación. Por lo que ambas soluciones son paliativas. El método propuesto en este trabajo de investigación obtiene todos los parámetros dinámicos en una sola etapa a partir de un banco de filtros de fase lineal, en los cuales todos los filtros tienen respuestas en frecuencia ideales en la banda de paso, y bajos lóbulos laterales en la banda de rechazo. Por su naturaleza de fase lineal, los retardos de los estimados son iguales e independientes de las variaciones en frecuencia, tan importantes en una oscilación. El trabajo se desarrolla de la siguiente manera: Primero, se formula el problema de mínimos cuadrados ponderados para una aproximación de Taylor, usando ventanas clásicas como factores de ponderación. Se muestra el diseño de filtros paso banda con las ventanas rectangular, Hamming y Kaiser. Las respuestas en frecuencia ilustran el efecto de la ventana ensanchando el lóbulo principal, y reduciendo el nivel de lóbulos laterales. Luego se discute el desempeño de los diferenciadores estimando fasores de ejemplos prácticos. Se comparan los errores de amplitud y fase obtenidos con el conjunto de diferenciadores de orden 0 y 3. Se estima también el nivel de error de infiltración armónica. Finalmente, los errores en frecuencia son evaluados comparando los resultados con un método recientemente propuesto el cual usa el tradicional filtro de Fourier con una etapa de post-filtrado para la estimación de frecuencia. En nuestro método la Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos... / Miguel Ángel Platas Garza, et al. estimación de frecuencia se realiza sin necesidad de una etapa adicional de post-filtrado. SOLUCIÓN DE MÍNIMOS CUADRADOS PONDERADOS El concepto de fasor dinámico fue propuesto en1 como la envolvente compleja de una señal paso banda s(t), la cual modela adecuadamente una oscilación de potencia: s (t ) = Re{ p (t )e j 2pf1 t }, (1) en la cual f 1 es la frecuencia fundamental, p(t) = a(t)ejφ(t) es el fasor dinámico, del cual a(t) y φ(t) representan las modulaciones en amplitud y fase, respectivamente. Se asume que s(t) es una señal de banda estrecha, i. e. el ancho de banda de Re{p(t)} es mucho más pequeño que f1.8 Es posible entonces aproximar el fasor dinámico por un polinomio de Taylor de κ-ésimo orden para pk (t )= p(0)+ p '(0)t + p ′′(0) 2 k (k ) t t ++ p (0) , 2! k! T T para − ≤t≤ 2 2 (2) sobre un intervalo de observación lo suficientemente corto como para mantener el error bajo una cota específica. Por ejemplo: si el ancho de banda es más pequeño que la frecuencia fundamental (f1) por un factor de diez, entonces el fasor dinámico es lo suficientemente suave dentro de intervalos inferiores a cinco ciclos de la fundamental. Esto implica que es posible estimar el fasor y sus derivadas en el centro del intervalo al aplicar el criterio de mínimos cuadrados ponderados. Si la κ-ésima aproximación a la señal paso banda en cualquier intervalo es de la forma: sk (t )=Re{ pk (t )e j 2p f1 t}, (3) entonces, el intervalo centrado en la ℓ-ésima muestra se da por: sk , =Bk pk , (4) la cual es mostrada en (5) para ℓ = 0. Asumiendo jN hw 1 k (− N h ) k −1e jN hw1  s k (− N h )  (− N h ) e        s k (−n)   (−n) k −1e jnw1 (−n) k −1e jnw1         1 0 0  s k (0)  = 2        k −1 − jnw 1  s k (n)   n k e − jnw1 n e           s k ( N h )   N h k e − jN hw1 N h k −1e − jN hw1 Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78          e jN hw1  e jnw1  1  e − jnw1  e − jN hw1 que la señal es muestreada con N1 muestras por ciclo T1 = 1∕f1, N muestras corresponden al intervalo de Taylor de tamaño T, con N = [(T∕T1)N1], donde el operador [ ] selecciona el número impar más cercano a (T∕T1)N1, entonces N = 2Nh + 1, note que se elige un número impar de muestras por intervalo para incluir una muestra al centro del mismo. También note que las columnas de Bκ son de la forma ejnω1,nejnω1,…,nκ−1ejnω1, nκejnω1, y sus complejos conjugados, n ∈ [−Nh,…,0,…,Nh], donde ω1 = 2π∕N1 es la frecuencia angular fundamental. Note también que los coeficientes pk se relacionan con las derivadas del fasor dinámico pk = p(k)(0)∕(k!(N1f1)k). para k = 0,1,…,κ. Para la κ-ésima aproximación, el error es dado por: ek =s−Bk pk (6) y los mejores estimados de pκ en el sentido de mínimos cuadrados son: p̂k =(BkH Bk )−1BkH s (7) H donde representa al operador hermitiano. Para un orden de aproximación dado κ, el error de Taylor es expansivo, i. e. aumenta hacia ambos extremos del intervalo de tiempo. Entonces, una manera efectiva de reducir el error en los extremos del intervalo es ponderarlo con una ventana. Entonces (6) se convierte en We= Ws−WBk pk (8) donde  w1 0  0  0 w2 , W= (9)     wn  0 La solución de mínimos cuadrados de (8) es:9 p̂k ,WLS =(BkH W H WBk )−1BkH W H Ws. (10) La matriz de Gramm en (10) se puede convertir en singular si se elige un número muy pequeño de muestras, o un polinomio de alto orden.10 Note en (10) que la solución de mínimos cuadrados ponderados e − jN hw1  e − jnw1  1  e jnw1  e jN hw1  (− N h ) k −1e − jN hw1 (− N h ) k e − jN hw1    pk     k −1 − jnw 1 k −1 − jnw 1   p k −1   (−n) e (−n) e        p   0 0  0    p0        k −1 jnw 1 k jnw 1  n e n e   p k −1       p  k l  N h k −1e jN hw1 N h k e jN hw1  (5) 59 �Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos... / Miguel Ángel Platas Garza, et al. consiste en modificar tanto los vectores de la base Bκ como la señal s con los pesos en W. Esta solución minimiza el siguiente criterio de error: JW =ekH W H Wek (11) si y sólo si (vea apéndice A) BkH W H WBk >0, (12) H pero como W W es positiva definida, la condición anterior se relaja a BkH Bk >0 (13) 11 Como sabemos por la referencia si una señal analítica es aproximada por un polinomio de Taylor de κ-ésimo orden, la aproximación es buena dentro de un vecindario alrededor del punto en el cual la señal fue aproximada, en el cual los términos de bajo orden de la serie son dominantes. Entonces, al dar más peso a los errores cercanos al centro del intervalo, se esperaría una mejora de los coeficientes de bajo orden de la serie, porque ellos son dominantes en cierto vecindario alrededor del centro del intervalo. En lo que sigue los pesos al cuadrado wn2 en H W W serán definidos por ventanas clásicas usadas ampliamente en procesamiento de señales, es importante enfatizar que la solución en (10) no es la misma que el tradicional método de diseño de filtros FIR usando ventanas.2 Si la matriz pseudoinversa B+ =(BkH Bk )−1BkH (14) contiene las respuestas impulsionales invertidas de los filtros tradicionales, los filtros enventaneados en2 se dan por Bκ+WHW , los cuales no corresponden a los presentados en (10), porque la matriz de Gramm es modificada también por los factores de ponderación (BκHWHWBκ). Respuesta en frecuencia La respuesta en frecuencia de los filtros en (10) es útil para evaluar el comportamiento del estimador en términos del contenido frecuencial de la señal, en particular el rechazo al ruido. Ésta se encuentra al estimar los parámetros de señales exponenciales {s(n) = e−jωn}n=−Nh,…,Nh con π < ω < π. La figura 1 muestra la respuesta en frecuencia de 4th p̂ 0 obtenida con los algoritmos WLS y LS. Una ventana de Hamming de 4 ciclos fundamentales de longitud fue aplicada para ponderar el error. Es aparente que el efecto de dicha ponderación 60 Fig. 1. Respuesta en frecuencia del estimador fasorial de 4 ciclos, Hamming WLS (línea continua), LS (línea discontinua), y el tradicional diseño de filtros FIR mediante ventanas (línea punteada). preserva las ganancias planas alrededor de la frecuencia fundamental, aumenta el ancho de banda y reduce el nivel de lóbulos laterales. Note también que al ponderar el error se mejora el rechazo del componente de frecuencia fundamental negativa, al mejorar el alisamiento de la ganancia nula localizada alrededor de la frecuencia fundamental negativa f = −f1. Esto es debido a la inclusión del complejo conjugado de los vectores en la base. Finalmente, note que el diseño tradicional de filtros FIR usando ventanas (línea punteada) no preserva las ganancias planas en u = ±f1. La figura 2 muestra la respuesta en frecuencia de los diferenciadores de primer y segundo orden. Fig. 2. Respuesta en frecuencia del primer y segundo derivador con longitud de 4 ciclos, (línea continua) WLS Hamming, (línea discontinua) LS , y (línea punteada) el tradicional diseño de filtros FIR mediante ventanas. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos... / Miguel Ángel Platas Garza, et al. Note que, nuevamente, el efecto de la ventana es aumentar el ancho del lóbulo principal y reducir el nivel de lóbulos laterales. Alrededor de la frecuencia fundamental se tiene que los diferenciadores de primer y segundo orden presentan ganancias lineales y cuadráticas respectivamente. Note que la descomposición de Taylor del fasor dinámico, se hace al pasar la señal paso banda s(t) a través de un banco de filtros con ganancias igualadas a potencias sucesivas (u − 1)n para n = 0,1,2,…κ alrededor de la frecuencia fundamental: constante, lineal, cuadrática, etc. Si la señal es limitada en banda, los estimados se encontrarán libres de error (mediciones) cuando la máxima frecuencia de la señal se encuentre dentro de las ganancias ideales. Finalmente, note que la solución pura de ventanas no trabaja apropiadamente para el segundo diferenciador. La ventana de Hamming no permite controlar el ancho del lóbulo principal y la reducción de los lóbulos laterales como la ventana de Kaiser. En lo que sigue, se usará la ventana de Kaiser. Dicha ventana depende de un parámetro real no negativo α. Cuando α = 0 la ventana de Kaiser es idéntica a la ventana rectangular, y conforme α aumenta la ventana se torna más selectiva alrededor del centro del intervalo. En nuestra aplicación, α no debe de ser muy grande, ya que en este caso, las muestras en los extremos pueden alcanzar el valor de cero y entonces la matriz gramiana (BκHWHWBκ) no podrá ser invertida. En la figura 3 se muestra la reducción de lóbulos laterales en la respuesta en frecuencia de Fig. 3. Respuesta en frecuencia del estimador fasorial obtenido con LS y WLS con la ventana de Kaiser (α = 4, and 8). Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 los estimados WLS del fasor dinámico p̂03th cuando el error es ponderado por diferentes ventanas de Kaiser α = 0,4,8. Este conjunto de estimadores será usado en la siguiente sección. Como puede verse, la reducción de lóbulos laterales puede ser grande. Una característica interesante de la respuesta en frecuencia del diferenciador Taylor-Fourier es la ganancia obtenida alrededor de u = −1. Esta ganancia (en dB) exhibe la típica respuesta logarítmica del residuo de Lagrange alrededor de u = −1. La ganancia nula en u = −1 es obtenida en todos los diferenciadores como puede verse en las figuras: 1, 2, y 4 que muestra la respuesta a la frecuencia de los primeros tres diferenciadores. Fig. 4. Respuesta en frecuencia del estimador TaylorFourier de 4 ciclos, usando WLS con ventana de Kaiser (κ = 3, α = 8) (línea continua), y sus complejos conjugados (línea discontinua). Diferenciadores máximamente lisos Los resultados anteriores merecen una explicación. ¿Por qué la aproximación de mínimos cuadrados de un polinomio de Taylor a una señal paso banda alcanza una estructura espectral tan interesante como las mostradas en la sección anterior? El espectro del fasor dinámico es acotado en banda y se localiza alrededor de la frecuencia fundamental, entonces se puede representar por una señal paso banda, para la cual un polinomio de Taylor es adecuado ya que es analítica. Es conocido que una aproximación de mínimos cuadrados a una función en el dominio del tiempo corresponde a una aproximación a su espectro (Producto punto en el tiempo es producto punto en 61 �Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos... / Miguel Ángel Platas Garza, et al. la frecuencia (con un factor de escala) a través del teorema de Parseval).12 Entonces, en ambos centros el error es muy pequeño cuando el modelo de señal de Taylor es aproximado a la señal. En13 se prueba que la respuesta en frecuencia de los diferenciadores es máximamente lisa en la frecuencia fundamental, lo cual significa que la ganancia de cada estimador alrededor de la banda central es muy cercana a la ganancia ideal, más una desviación dada por un residuo de Taylor con sus primeras κ derivadas nulas en ω = f1. Entonces se obtiene una bella estructura espectral de la pareja Taylor-Fourier, y todo a la vez. RESULTADOS EXPERIMENTALES El estimador propuesto, desarrollado en las secciones previas y referido como filtro TaylorFourier (Taylor-Fourier Filter, TFF), es evaluado con la norma para medición de sincrofasores,4 y sus resultados son comparados con los obtenidos de un filtro de Fourier (Fourier Filter, FF). Ambos estimadores poseen una longitud de cuatro ciclos con respecto a la fundamental. Se elige un orden de Taylor κ = 3 y una ventana de Kaiser con α = 8 para el TFF. La figura 4 muestra la respuesta en frecuencia de los primeros tres diferenciadores. Note que dichos diferenciadores poseen ganancias máximamente lisas en la banda de paso y un nivel de lóbulos laterales bajo en la banda de rechazo. Estimados fasoriales El desempeño de cada estimador es comparado introduciendo señales moduladas en amplitud y fase, para las cuales el fasor dinámico instantáneo p(n) es conocido. Así es posible evaluar para ambos filtros el error normalizado de mínimos cuadrados (Normalized Root Mean Square Error, NRMSE) de la aproximación fasorial. El NRMSE se define como: NRMSE= ∑ p(n)− pˆ (n) ∑ p(n) n 2 n 2 n∈P (15) El conjunto P donde se calcula el NRMSE corresponde a los ciclos de oscilación para los cuales ambos estimadores se encuentran llenos de muestras en cada simulación. En todos los casos, la simulación se realiza sobre 40 ciclos de la fundamental 1∕f1 a 64 62 muestras por ciclo. La ventana de observación es desplazada muestra por muestra en todos los casos presentados (estimados fasoriales instantáneos). El siguiente modelo de señal es usado como entrada a los estimadores: sk (t )=ak (t ) cos(2p kf1t +j k (t )) (16) con f1 = 60 Hz, y los siguientes conjuntos representando las variaciones en amplitud y fase ak (t )=ck ,1+ck ,2 sin(2p fat ) j k (t )=ck ,3 +ck ,4 sin(2p fj t ) con fa = 0,1,2,5 Hz y fφ = 0,1,2,5 Hz, y constantes reales ck,i para i = 1,2,3,4. En la figura 5 se muestra un ejemplo del conjunto {s1(t)} con oscilaciones de 1 Hz en amplitud y fase. Note que el fasor dinámico p1(t) = a1(t)ejφ1(t) modula la amplitud y fase de la señal. En la práctica, es frecuente encontrar el conjunto de señales dadas por la ecuación16 en sistemas de potencia bajo oscilación. Fig. 5. Señal de entrada a los estimadores, con modulaciones en amplitud (a(t) = 1 + .1 sin(2πt)) y en fase (φ(t) = .1 sin(2πt)) Los resultados para el conjunto {s 1(t)} son presentados en la tabla I, en la cual las reducciones en la función de costo (15) para el FF y el TFF son mostradas, al igual que el factor de reducción del error β dado por el cociente de los dos errores definido por: NRMSETFF y NRMSE FF NRMSETFF b= . (17) NRMSEFF Note que el error fasorial sufre un incremento al aumentar la frecuencia de las señales modulantes Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos... / Miguel Ángel Platas Garza, et al. Tabla I. NRMSE para un fasor dinámico con c1,1 = 1, c1,2 = .1, c1,3 = 0 Y c1,4 = .1, para los casos TFF Y FF respectivamente, y su relación b= NRMSETFF . NRMSEFF Parámetros de la señal NRMSEFF NRMSETFF fa = 0 Hz, fφ = 0 Hz 7.06×10−15 7.08×10−15 1.0019 fa = 0 Hz, fφ = 1 Hz 7.84×10 fa = 0 Hz, fφ = 2 Hz 2.26×10−3 2.16×10−6 9.59×10−4 fa = 0 Hz, fφ = 5 Hz 1.25×10 8.77×10 −5 6.97×10−3 fa = 1 Hz, fφ = 0 Hz 7.48×10−4 1.24×10−7 1.66×10−4 fa = 1 Hz, fφ = 1 Hz 1.08×10−3 2.32×10−7 2.15×10−4 fa = 1 Hz, fφ = 2 Hz 2.42×10 2.38×10 −6 9.82×10−4 fa = 1 Hz, fφ = 5 Hz 1.26×10−2 8.85×10−5 7.01×10−3 fa = 2 Hz, fφ = 0 Hz 2.31×10 2.02×10 −6 8.77×10−4 fa = 2 Hz, fφ = 1 Hz 2.43×10−3 2.09×10−6 8.61×10−4 fa = 2 Hz, fφ = 2 Hz 3.24×10−3 3.31×10−6 1.02×10−3 fa = 2 Hz, fφ = 5 Hz 1.28×10 8.79×10 −5 6.85×10−3 fa = 5 Hz, fφ = 0 Hz 1.25×10−2 8.22×10−5 6.56×10−3 fa = 5 Hz, fφ = 1 Hz 1.25×10−2 8.24×10−5 6.56×10−3 fa = 5 Hz, fφ = 2 Hz 1.28×10 8.40×10 −5 6.54×10−3 fa = 5 Hz, fφ = 5 Hz 1.78×10−2 1.34×10−4 7.54×10−3 −4 −2 −3 −3 −2 −2 1.42×10 β −7 1.81×10−4 (fondo de la tabla). TFF produce errores en el rango de mil a diez mil veces más pequeños que los errores del FF. Esto se debe a que el TFF posee una base más completa, la cual permite cambios dinámicos en el fasor, mientras que dichos cambios no son tomados en cuenta en el modelo del FF.5 De hecho, los primeros términos de Taylor presentes en la señal de entrada y predominantes en el intervalo de tiempo, pero no tomados en cuenta en el FF, se infiltran en sus estimados de magnitud y fase, generando errores más grandes que en TFF, el cual los filtra por canales separados para componentes de velocidad y aceleración. Note que ambos estimadores poseen un error muy pequeño en la primera columna, esto es porque los fasores estáticos pertenecen al subespacio generado por las bases de ambos estimadores. De hecho, los errores en la primera fila corresponden a redondeos computacionales. Finalmente, en la figura 6 se ilustra la evolución de los estimados para el peor caso (fa = fφ = 5 Hz) durante dos ciclos. Figura 6.a y figura 6.b muestran los estimados instantáneos de amplitud y fase. Note que en ambas figuras los estimados poseen Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 Fig. 6. Estimados de (a) amplitud y (b) fase con TFF y FF, para un fasor dinámico con fa = fφ = 5, y errores absolutos en escala logarítmica base 10 para (c) amplitud y (d) fase (parámetros verdaderos - parámetros estimados). un comportamiento similar. De todas formas, los estimados del FF presentan una visible atenuación debido a la distorsión en amplitud generada por la banda de paso curva del FF. Esta atenuación no se presenta en el caso del TFF. En la figura 6.c y la figura 6.d se muestran los errores absolutos en escala logarítmica. Ambos errores son periódicos y los errores del TFF son menores a los del FF. Infiltración armónica El desempeño de ambos estimadores ante infiltración armónica es comparado cuando los conjuntos {s3(t)} o {s5(t)} se encuentran presentes en la señal de entrada. Dichos conjuntos corresponden a armónicas dinámicas, i. e. armónicas oscilantes para las cuales su espectro no se concentra en una línea, sino que es denso alrededor de la frecuencia central f = kf1. La tabla II muestra la función de costo para una tercera armónica dinámica con los siguientes parámetros: c3,1 = .2, c3,2 = .1, c3,3 = 0 y c3,4 = .1. Note que nuevamente, el error tiende a incrementar al fondo de la tabla, y que la infiltración armónica de los estimados fasoriales del TFF es menor que la del FF por un factor de diez. Los resultados para la quinta armónica con los mismos parámetros son de diez veces menores para ambos estimadores y no son tabulados. 63 �Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos... / Miguel Ángel Platas Garza, et al. Tabla II. NRMSE para la infiltración de la tercera armónica dinámica en la estimación fasorial, con c3,1 = .2, c3,2 = .1, c3,3 = 0 Y c3,4 = .1, para los casos TFF Y FF respectivamente, y su relación b= NRMSETFF . NRMSEFF 3th DH parámetros NRMSEFF fa,3 = 0 Hz, fφ,3 = 0 Hz 5.48×10 −3 NRMSETFF 9.11×10 −4 β 1.66×10−1 fa,3 = 0 Hz, fφ,3 = 1 Hz 4.96×10−3 9.17×10−4 1.84×10−1 fa,3 = 0 Hz, fφ,3 = 2 Hz 5.76×10−3 9.09×10−4 1.57×10−1 fa,3 = 0 Hz, fφ,3 = 5 Hz 6.09×10−3 9.10×10−4 1.49×10−1 fa,3 = 1 Hz, fφ,3 = 0 Hz 6.06×10−3 9.07×10−4 1.49×10−1 fa,3 = 1 Hz, fφ,3 = 1 Hz 5.71×10−3 9.12×10−4 1.59×10−1 fa,3 = 1 Hz, fφ,3 = 2 Hz 5.94×10−3 9.11×10−4 1.53×10−1 fa,3 = 1 Hz, fφ,3 = 5 Hz 6.59×10−3 9.07×10−4 1.37×10−1 fa,3 = 2 Hz, fφ,3 = 0 Hz 9.06×10−3 9.17×10−4 1.01×10−1 fa,3 = 2 Hz, fφ,3 = 1 Hz 8.77×10−3 9.24×10−4 1.05×10−1 fa,3 = 2 Hz, fφ,3 = 2 Hz 9.31×10−3 9.14×10−4 9.81×10−2 fa,3 = 2 Hz, fφ,3 = 5 Hz 9.58×10−3 9.13×10−4 9.53×10−2 fa,3 = 5 Hz, fφ,3 = 0 Hz 1.37×10−2 8.87×10−4 6.46×10−2 fa,3 = 5 Hz, fφ,3 = 1 Hz 1.35×10−2 8.92×10−4 6.56×10−2 fa,3 = 5 Hz, fφ,3 = 2 Hz 1.38×10−2 8.86×10−4 6.42×10−2 fa,3 = 5 Hz, fφ,3 = 5 Hz 1.39×10−2 8.86×10−4 6.36×10−2 Estimados frecuenciales en señales moduladas en amplitud y fase Las derivadas del fasor son parámetros muy importantes, ya que indican el comportamiento dinámico del sistema de potencia. Algunas de esas derivadas poseen un gran interés, por ejemplo la frecuencia instantánea del sistema está relacionada con la primera derivada de la fase con respecto al tiempo, dicha variable es crucial en un sistema de potencia y debe de monitorearse tan adecuadamente como sea posible. La segunda derivada de la fase corresponde a la razón de cambio de la frecuencia, un indicador del flujo de potencia en una WAN. En equipos comerciales, los estimados frecuenciales son obtenidos de los estimados fasoriales. La mayoría de ellos usa ecuaciones en diferencias finitas, las cuales son muy sensibles a ruido debido a su alta ganancia en altas frecuencias. Entonces una etapa de prefiltrado o postfiltrado mediante un filtro pasa bajo es usado para atenuar los componentes de alta frecuencia o el error de fase de los estimados fasoriales, pero esta etapa requiere un cálculo extra e introduce distorsiones de 64 amplitud y fase (retardo variable) en los estimados, generando errores que pueden provocar problemas de regulación o estabilidad en la red. Un diferenciador reciente, usado para calcular la frecuencia del sistema fue propuesto en.6 El cual ajusta la fase estimada con el lado derecho de un polinomio de Taylor de segundo orden usando el algoritmo de mínimos cuadrados. Es conocido1 que dicho procedimiento corresponde a un banco de filtros paso bajo: el obtenido con el método de Shanks. En la referencia14 se demostró que el método de Shanks no preserva las ganancias máximamente lisas del conjunto en la referencia.1 La figura 7 muestra las respuestas en magnitud y fase de los diferenciadores de orden cero y uno propuestos en la referencia.6 Es aparente que la banda de frecuencia de la ganancia plana y lineal es muy estrecha en ambos diferenciadores. Note también que dichos filtros poseen un alto nivel de lóbulos laterales. Además, el primer diferenciador tiene una respuesta en fase no lineal en la banda frecuencial de interés, lo cual indica que los estimados frecuenciales tendrán un retardo variable en el tiempo, el cual a su vez depende de la frecuencia de la oscilación, que es precisamente el parámetro a estimar. Dicha variación en el retardo de la estimación constituye una seria fuente de error, y peor aún, una pérdida de sincronía, la característica más preciada de un sincrofasor. Por otro lado, en el caso del TFF, todas las derivadas son estimadas al mismo tiempo a partir de la señal de entrada y no de los estimados fasoriales, Fig. 7. Respuesta en frecuencia del estimador LS de cuatro ciclos, para los diferenciadores de orden 0,1. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos... / Miguel Ángel Platas Garza, et al. las estimaciones son realizadas con filtros con ganancias máximamente lisas en la banda de paso y lóbulos laterales bajos en la banda de rechazo, y todos de fase lineal, lo cual significa que, con la excepción de un retardo de tiempo constante, no existe distorsión en amplitud ni en fase. La figura 8 muestra los errores frecuenciales obtenidos con el FF seguido de mínimos cuadrados, y el TFF para s1(t) con fa = fφ = 5 Hz y c1,4 = 0.1 (φ’(t) = π sin(2πfφt)). El error del método FF-LS fue calculado sincronizando los estimados frecuenciales con la frecuencia ideal, de otra manera éste sería más grande por un factor de diez. Note que el error del método TFF se encuentra siempre acotado por ±0.3% del error (±10−2∕π). En base a los resultados, es posible concluir que el uso de la ventana como ponderación en el caso del TFF juega un papel crucial en la obtención de mejores estimados. Estos resultados ciertamente contribuyen a la revisión actual del estándar.4 El error absoluto debido a la presencia del ruido es: p̂−p=B+ e (19) donde B+ es la matriz pseudoinversa. Para el caso LS se tiene que B+ = (BHB)−1BH, y para el de WLS B+ = (BHWHWB)−1BHWHW . El comportamiento del error de mínimos cuadrados debido a la presencia de un ruido blanco gaussiano aditivo (Additive White Gaussian Noise, AWGN) en la señal de entrada es ilustrado aquí. El error medio cuadrático debido a la infiltración del ruido a través de los filtros de LS y WLS, ambos de 4 ciclos, es ilustrado en la figura 9, junto con el error producido por el FF. La figura 9 muestra el error medio cuadrático normalizado de los primeros estimados p3, para los casos de WLS y LS. Note que el error en los estimados de fasor (varianza) WLS es mayor (1.3 veces para el estimado de orden cero) que el de los estimados LS. Esto significa que el efecto de la ventana sobre el lóbulo principal predomina sobre la disminución de lóbulos laterales. Pero recuerde que estos resultados son para ruido blanco. En una aplicación en un sistema de potencia, los componentes armónicos tienen una importancia mayor que el ruido blanco, y en este caso, la reducción en los lóbulos laterales juega un rol fundamental para una buena estimación. Por otro lado, la infiltración del FF es también menor a la del TFF, pero en este caso, no sólo las cargas armónicas son importantes, sino también la distorsión en oscilación generada por la infiltración de los términos de Taylor no considerados en el modelo de orden cero (vea tablas I, y II). Fig. 8. Errores en la estimación de frecuencia obtenidos con FF-LS y TFF, estimados a partir de fasor dinámico con: fa = fφ = 5 Hz Infiltración de ruido blanco El estimado del vector de estados fasoriales propuesto es un estimado LS en el caso sobredeterminado15 para el modelo aditivo de señal-ruido: s=Bp+e (18) asumiendo que B es conocido, p es determinístico y e es un ruido distribuido por N[0,σ2I]. Entonces la señal se origina a partir del subespacio generado por el modelo, más un ruido aditivo. En este caso p̂ es una estimación insesgada de p, y s es distribuido como N[Bp,σ2I]. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 Fig. 9. Infiltración de ruido en los estimados fasoriales, con filtros LS y WLS de cuatro ciclos 65 �Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos... / Miguel Ángel Platas Garza, et al. Respuesta al escalón Finalmente, la respuesta al escalón del estimador TFF para κ = 0,3,5,7 es mostrada en la figura 10, siguiendo la referencia en transitorios de amplitud del actual estándar.4 Note que a pesar de que todos los filtros son de 4 ciclos de longitud, mejores aproximaciones a la discontinuidad pueden ser alcanzadas con altos órdenes. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo de la Universidad Autónoma de Nuevo León para la realización de este trabajo de investigación bajo el proyecto PAICYT CA-1615-07: “Filtros digitales ultraplanos para medición fasorial”. APÉNDICE A Prueba corta para las ecuaciones (11)-(13) tomada de.16 El criterio de error dado en:(11) es una función escalar de pk,k = 0,1,…,κ. Se interesa obtener los coeficientes óptimos de k que dan como resultado un valor mínimo de (11). Se escribe la serie de Taylor para un incremento en J como: 2 (20) dJ = ∂J dp+ 1 dpT ∂ J2 dp+O(3) 2 ∂p Fig. 10. Respuestas al escalón en amplitud con el TFF estimador de cuatro ciclos κ = 0,3,5,7. Donde κ = 0 corresponde al FF. CONCLUSIONES Un método general para estimación del fasor dinámico mediante diferenciadores máximamente lisos fue presentado. El método se basa en la aproximación por mínimos cuadrados ponderados de un polinomio de Taylor al fasor dinámico. Las estimaciones del fasor dinámico y sus derivadas son buenas (mediciones) cuando el contenido frecuencial del mismo se encuentra dentro de la banda de paso de los diferenciadores. El uso de ventanas como factores de ponderación aumenta el ancho de banda y disminuye el nivel de lóbulos laterales, reduciendo la infiltración armónica y de ruido fuera de banda. El método propuesto posee varias ventajas: una base más completa produce mejores resultados porque reserva lugar para los cambios dinámicos; provee la obtención de un número arbitrario κ de derivadas a la vez; y finalmente, es más flexible, ya que su respuesta en frecuencia depende de tres parámetros de diseño, en lugar de sólo uno. Entonces, el método propuesto no sólo es más adecuado a la aplicación, sino también más efectivo. 66 ∂p ∂J donde O(3) representa los términos de orden 3, ∂p es 2 conocido como el gradiente, y ∂ J2 como la matriz ∂p Hessiana. Un punto estacionario es alcanzado cuando el incremento en (20) es cero para todos los incrementos en dp, entonces, para un punto estacionario se requiere que: ∂J =0 ∂p (21) 2 dJ = 1 dpT ∂ J2 dp+O(3) 2 ∂p (22) ∂2 J >0 ∂p2 (23) lo cual, en el caso de mínimos cuadrados, corresponde a las ecuaciones normales. Suponga un punto estacionario, entonces se cumple (21), y (20) se convierte en: y para el mínimo local, (22) debe de ser positiva definida para todos los incrementos dp, lo cual es garantizado si la matriz Hessiana es positiva definida, como en (12). APÉNDICE B Glosario de Términos: • Envolvente compleja: Es la función temporal compleja que multiplica a la exponencial compleja para formar una modulación (variación temporal) en amplitud y fase. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Estimando el fasor dinámico y la frecuencia con diferenciadores máximamente lisos... / Miguel Ángel Platas Garza, et al. • Ventana clásica: Las ventanas clásicas en procesamiento de señales son la de Hanning, Hamming, Kaiser, etc. reconocidas en la mayoría de los libros de texto. Sirven para ponderar la señal en la parte central del intervalo. • Lóbulos laterales: En los espectros de las ventanas son las pequeñas variaciones obtenidas a los lados del lóbulo central. En los filtros son ganancias pequeñas, cercanas a cero en la banda de paro. • Sincrofasor: Es la medición fasorial estampada con instantes de tiempo. La sincronización se obtiene mediante pulsos temporales finos transmitidos por una red satelital. REFERENCIAS 1. J. A. de la O, “Dynamic phasor estimates for power system oscillations,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 56, no. 5, pp. 1648–1657, Oct 2007. 2. J. G. Proakis and D. G. Manolakis, Digital Signal Processing, 4th ed. New Jersey: Prentice Hall, 2007. 3. S. Samadi, H. Iwakura, and A. Nishihara, “Multiplierless and hierarchical structures for maximally flat half-band filters,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, vol. 46, no. 9, pp. 1225–1230, Sept. 1999, p. 1226. 4. IEEE Standard for Synchrophasors for Power Systems. IEEE Std. C37.118-2005, 2006. 5. K. Martin, D. Hamai, M. Adamiak, S. Anderson, et al, “Exploring the IEEE standard C37.1182005 synchrophasors for power systems,” IEEE Trans. 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Modelos para la generación de rutas, y técnicas de reducción de espacio de búsqueda en redes de transporte público, 24 de enero. Nelly Monserrat Hernández González, Doctor en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de Sistemas. A stochastic location inventory problem complexity and mathematical formulations, 1 de febrero. Javier Humberto Ramírez Ramírez, Doctor en Ingeniería de Materiales. Comportamiento al desgaste de aleaciones avanzadas a alta temperatura, 23 de febrero. Carlos Alberto Vázquez Rodríguez, Doctor en Ingeniería de Materiales. Modelo de predicción para determinar la vida útil del acero galvanizado y pintado, 28 de abril. Paulina Alejandra Avila Torres, Doctor en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de Sistemas. Planificación multiperiodo de las frecuencias de paso y las tablas de tiempo con incertidumbre en demanda y tiempo de viaje, 15 de junio. Nancy Maribel Arratía Martínez, Doctor en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de Sistemas. Metodología de apoyo a la decisión en la selección y planificación de carteras de proyectos de investigación y desarrollo bajo incertidumbre en organizaciones del sector público, 28 de junio. Jobish Vallikavungal Devassia, Doctor en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de Sistemas. Flexible jobshop scheduling problem with resource recovery constraints, 24 de julio. Sergio Alejandro Leal Alanís, Doctor en Ingeniería de Materiales. Influencia del laminado en frío sobre el esfuerzo y la evolución superficial, comportamiento a la oxidación y resistencia a la corrosión de un acero TWIP grado automotriz, 31 de julio. Laura Patricia del Bosque Vega, Doctor en Ingeniería con orientación en Tecnología de la Información. Detección automática de ciberacoso en redes sociales, 1 de agosto. Mario Alberto López Vega, Doctor en Ingeniería Eléctrica. Análisis y síntesis de un conjunto de controladores robustos mediante acotamiento de sus parámetros para sistemas LTI con incertidumbre paramétrica, 8 de agosto. Flor Yanhira Rentería Baltiérrez, Doctor en Ingeniería de Materiales. Comportamiento mecánico y eléctrico de materiales híbridos con matriz polimerica: una ampliación del cálculo fraccional, 26 de septiembre. Pablo Ernesto Tapia González, Doctor en Ciencias de la Ingeniería Aeronáutica. Estudio analítico y experimental de aislantes de vibración por impacto con rigidez y amortiguamiento lineal, 20 de octubre. Luis Alejandro Benavidez Vázquez, Doctor en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Año XXI, No. 78 69 �Tesistas titulados de Doctorado en 2017 en la FIME-UANL Sistemas. Optimización e inferencia en procesos físicoquímicos representados mediante autómatas celulares, 6 de diciembre. Francisco Javier Vázquez Rodríguez, Doctor en Ingeniería de Materiales. Efecto de la adición de micropolvos de caliza en las propiedades de 70 cementos híbridos alcalinos para uso como material de construcción sustentable, 6 de diciembre. José Treviño Martínez, Doctor en Ingeniería Eléctrica. Sistema multi-agente para el control distribuido en tiempo real de sistemas eléctricos de distribución, 15 de diciembre. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Año. XXI, No. 78 �Colaboradores Cabrera Ríos, Mauricio Ingeniero Industrial y de Sistemas por el ITESM Campus Monterrey, Maestro en Ciencias y Doctor en Ingeniería Industrial y de Sistemas por The Ohio State University en Columbus, Ohio. Actualmente trabaja en la Universidad de Puerto Rico. Cabriales Gómez, Roberto Carlos Ingeniero Mecánico Electricista, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor Investigador de la FIME-UANL. Profesor Perfil deseable (PRODEP), Ganó el premio a la mejor Tesis de Maestría de la UANL en el área de ingeniería y tecnología en el 2003. Investiga la luminiscencia en polímeros semiconductores, desarrollo de nuevos materiales orgánicos luminiscentes para dispositivos optoelectrónicos, amplios conocimientos en diseño mecánico y transferencia de calor. Integrante del cuerpo académico en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. De la O Serna, José Antonio Doctor en Telecomunicaciones por la Escuela Nacional Superior de Telecomunicaciones de París, Francia, en 1982. Entre 1982 y 1986 trabajó en el ITESM. En 1987 ingresó a la UANL, donde actualmente es Profesor Investigador. De 1988 a 1993 trabajó en el Politécnico de Yaoundé Camerún. Es miembro del SNI. Habib Mireles, Lizbeth Ingeniero Mecánico Administrador. Maestría en Ciencias de la Administración con especialidad en Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 relaciones industriales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (2002 y 2005 respectivamente). Doctorado en Educación por la Universidad José Martí de Latinoamérica (2015). Es miembro del SNI, Nivel candidato, docente con perfil Prodep. Fundadora del Cuerpo Académico en Consolidación “Diseño de Modelos de Formación Integral del Ingeniero ante la Internacionalización” Ha fungido como tutora de estudiantes en la modalidad de inducción y movilidad académica por 12 años. Actualmente es la Coordinadora de Movilidad Académica de la FIME. García Cavazos, Felipe Raymundo Ingeniero Mecánico Electricista y Maestro en Ciencias Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL. García Loera, Antonio Ingeniero Mecánico Administrador y Maestro en Ciencias de la Ingeniería de los Materiales por la FIME-UANL. Doctorado en Materiales Compósitos y Poliméricos por el Institut Nacional des Sciences Appliquées de Lyon Francia. Actualmente es profesor investigador de la FIME-UANL. González González, Virgilio Ángel Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la FCQ-UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Ha sido investigador en el campo de los polímeros desde 1975. Es miembro del SNI nivel II. Es profesor de tiempo completo de la FIME desde 1998. 71 �Colaboradores Guerrero Salazar, Carlos Alberto Doctor en Ingeniería Química por la École Polytechnique de Montreal, Canadá en 1986 y desde 1991 profesor de tiempo completo del posgrado de la FIME. Miembro del SNI, y de la Academia Mexicana de Ciencias. Ganador en 4 ocasiones del Premio de Investigación UANL y en 2 ocasiones del Premio a la Mejor Tesis de Maestría UANL en calidad de asesor. Galardonado con el Reconocimiento al Mérito a la Investigación, por la FIME-UANL en 2004. Longoria Rodríguez, Francisco E. Licenciado en Química Industrial y Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería Cerámica por la UANL. Su línea de investigación son las reacciones de inserción de litio. Martínez de la Cruz, Azael Licenciado en Química Industrial por la UANL y Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid. Actualmente es profesor investigador de FIME-UANL. Es miembro del SNI, nivel 2. Moreno Armendáriz, Jesús Anselmo Ingeniero Industrial y Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Automotriz por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Supervisor de laboratorio de Investigación y Desarrollo de la empresa CEMM MEX. Experiencia profesional en el diseño de ingeniería, más de 7 años de experiencia en la industria automotriz. Habilidades de análisis mediante elemento finito, modos de falla y 72 vibraciones mecánicas. Experiencia en el desarrollo de nuevos componentes para sistemas de iluminación exterior e interior. Platas Garza, Miguel Ángel Ingeniero en Electrónica y Automatización (2006), y Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático (2008) por Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Actualmente es profesor de la FIME y estudiante en el doctorado en ingeniería eléctrica de la misma institución. Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales en la FIME UANL. Doctorado en Ingeniería de Materiales en la Université Paul Sabatier de Toulouse, Francia, en el 2004. Ganador de la Mejor Tesis de Maestría UANL 1999 y del Premio de Investigación UANL 1999 y 2004. Es catedrático investigador en la FIME-UANL. Reyes Osorio, Luis Arturo Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor Investigador de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1 y Profesor con Perfil deseable (PRODEP). Experiencia profesional en el estudio de procesos de unión, desarrollo de recubrimientos, fundición Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Colaboradores de aleaciones no ferrosas y modelación de procesos mecánicos. Participa en el posgrado en Ingeniería Aeronáutica, líder del cuerpo académico en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Sotomayor Castellanos, Javier Ramón Licenciatura en Ingeniería en Tecnología de la Madera, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, México. Maestría en Ciencias de la Madera, Universidad Laval, Canadá. Maestría en Ingeniería Civil, Universidades del Miño, Portugal y Técnica de la República Checa. Doctorado en Ciencias de la Madera, Universidad Laval, Canadá. Experiencia de Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 trabajo e investigación en Tailandia, Japón, España, Alemania y Estados Unidos. Profesor-Investigador en la Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, México. Especialidad en investigación: comportamiento mecánico de la madera. Urbano Vázquez, Miguel Ángel Ingeniero Administrador de Sistemas (2005) y Maestro en Ciencias en Ingeniería de Sistemas (2007) egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Sus áreas de interés son la optimización y la investigación de operaciones. 73 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de 74 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Revisores Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 75 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. 76 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. Ingenierías, Enero-Marzo 2018, Vol. XXI, No. 78 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2018 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 21 Número Número de la revista 78 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2018, Año 21, No 78, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2018 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020841 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Baterías de litio Bronces de tungsteno Estimación fasorial Fasor dinámico Polímeros https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20800/Ingenierias_2017_Ano_20_No_77_Octubre-Diciembre.pdf 0c285b7c6596086f4fbe53ef3f52658f PDF Text Text ��77 Contenido Octubre-Diciembre de 2017, Año XX, No. 77 3 Editorial: 20 Aniversario de la revista Ingenierías 5 Sistema semifísico difuso aplicado a la estimación de temperatura en laminación en caliente Rogelio Guillermo Garza Rivera José Ángel Barrios Gómez, Alberto Cavazos González, Luis A. Leduc Lezama, Jorge Ramírez Cuellar 12 Nuevo material orgánico luminiscente para dispositivos optoelectrónicos Roberto Carlos Cabriales Gómez, Virgilio A. González González Ivana Moggio, Eduardo Arias Marín 18 Evaluación de condiciones de maquinado por medio de emisiones infrarrojas F. Eugenio López G., Miguel A. Ruiz S., Lionel S. Méndez P. 24 Aproximando la función de consumo de combustible en compresores de gas natural Yanet Villalobos Morales, Roger Z. Ríos Mercado 29 Análisis de los modelos de transformadores para la simulación de la protección diferencial Víctor Marines Castillo, Gina Idárraga Ospina, Enrique Esteban Mombello 40 Hematina como catalizador biomimético en la síntesis de polianilina conductora Iván Eleazar Moreno Cortez, Virgilio A. González González Jorge Romero García, Rodolfo Cruz Silva 48 Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos 57 Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor Nicolás González Fonseca, Jesús de León Morales Paola Gómez López, Virgilio González González, Marco Garza Navarro, Reynaldo Esquivel González 66 Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas en concreto polimérico Rodolfo Morales Ibarra, Elsa Abigail Duncan Flores, Saida Mayela García Montes, Alma Gisela Martínez Arellano, Juan Francisco Barrón Granados, Denisse Arantxa Cepeda Mújica 72 Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera contra uno convencional Melvyn Álvarez Vera, Severio Affatato, Geo Rolando Contreras Hernández, Arturo Juárez Hernández, Marco Antonio Loudovic Hernández Rodríguez Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Año XX, No. 77 � �DIRECTORIO Ingenierías, Año XX N° 77, octubre- diciembre 2017. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, Nuevo León, México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de octubre de 2017. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2017 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Mtro. Rogelio G. Garza Rivera Rector M.A. Carmen del Rosario de la Fuente García Secretario General Dr. Santos Guzmán López Secretario Académico Dr. Celso José Garza Acuña Secretario de Extensión y Cultura Lic. Antonio Ramos Revillas Director de Editorial Universitaria FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván M.C. Jesús G. Puente Córdova Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIDESI / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL. COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñán, FIME-UANL. � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Año XX, No. 77 �Editorial: 20 Aniversario de la revista Ingenierías Rogelio G. Garza Rivera Universidad Autónoma de Nuevo León, rogelio.garza@uanl.mx Me dirijo en esta ocasión en forma especial a todas las personas que conforman la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica por la celebración de su 70 aniversario, y sobre todo, por los logros que han tenido a lo largo de su vida, partiendo de una escuela hasta ser la facultad con el reconocimiento del que hoy goza y que a la vez la compromete. La FIME, como parte de la Universidad Autónoma de Nuevo León, siempre ha sido promotora solidaria de muchos de sus proyectos. En su momento, una de ellos fue la creación de revistas institucionales como órganos de divulgación del quehacer universitario, La FIME ya había explorado en esa posibilidad hasta que maduró las diferentes iniciativas para llegar a contar con una revista que se ha mantenido activa y vigente como uno de los órganos de difusión de la Universidad Autónoma de Nuevo León durante 20 años. Es motivo de orgullo para mi expresar esta doble felicitación, por el aniversario de la facultad y por el 20 aniversario de su revista, que contribuye a la creación de contenido de la UANL, siguiendo las iniciativas de acceso abierto, estando disponible en el sitio de publicaciones de la UANL desde su primer número, además de que los artículos se encuentran en el repositorio institucional, fomentando la contribución de la FIME a la difusión del conocimiento, tal como lo plantea la Visión UANL 2020. Los estudiantes son el centro de la universidad porque es a quienes se educa y son a la vez los elementos transformadores, por esta razón me parece acertado que este número para celebrar el aniversario, este compuesto de algunos de los trabajos publicados en estos 20 años en los que participaron estudiantes de la FIME, con la intención de ofrecer una muestra de sus capacidades para presentar sus resultados que en muchos casos utilizaron para graduarse. Apreciamos su trabajo y observamos que la selección en efecto es una muestra de la vigencia, comunicación y hasta enseñanza de la escritura científica, sin demérito en lo absoluto al resto de los artículos que no pudieron incluirse. La participación en estudiantes en las publicaciones es sin duda, parte del avance en la formación integral de recursos humanos competitivos ya que promueve la difusión del conocimiento que generan, además de que es una forma de cumplir con la responsabilidad de rendir cuentas a la comunidad, que tiene una opción de enterarse de la producción que se genera. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Año XX, No. 77 � �20 Aniversario de la revista Ingenierías / Rogelio G. Garza Rivera Felicito calurosamente a la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica por contribuir en la formación de la idea positiva que en lo cotidiano tenemos las personas sobre la educación durante 20 años, confío en que su espíritu continuará fortaleciéndose en los años venideros, informando sobre el progreso, es decir como promotores perennes de la valoración de la virtud transformadora de la educación en la sociedad, como un ejemplo más de la filosofía de una universidad que educa para transformar y se transforma para educar. � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Año XX, No. 77 �Publicado originalmente en: Ingenierías, Julio-Septiembre 2008, Vol. XI, Número 40, pp. 5-11. Seleccionado para este número especial de 20 Aniversario de la revista Ingenierías. Sistema semifísico difuso aplicado a la estimación de temperatura en laminación en caliente José Ángel Barrios Gómez, Alberto Cavazos González, Luis A. Leduc Lezama, Jorge Ramírez Cuellar Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica - UANL joseangel_barrios@yahoo.com.mx RESUMEN Actualmente en la mayoría de los procesos industriales, como es el caso de la laminación de acero en caliente, las mediciones de las variables de proceso presentan generalmente incertidumbre. Para minimizar los efectos de la incertidumbre sobre el proceso de laminación y la calidad de la cinta de acero se han desarrollado y aplicado diversas técnicas. En el presente artículo se utiliza una técnica de inteligencia artificial conocida como Lógica Difusa (Fuzzy Logic), la cual es utilizada en muchas áreas de ingeniería, y en este caso se aplica para reducir la incertidumbre en la estimación de la temperatura a la entrada de la caja de descascarado (Scale Braker) mediante un modelo semifísico difuso. PALABRAS CLAVE Laminación en caliente, sistemas híbridos, modelado semifísico, lógica difusa. ABSTRACT Nowadays, in industrial processes, such as hot strip milling, measurements generally present uncertainties. In order to overcome inaccuracies on the process, and hence on the steel strip quality, several techniques have been proposed. In this paper, an artificial intelligence technique, known as Fuzzy Logic (FL), is applied for reducing uncertainities on the estimation of the entry temperature at the Scale Breaker Box (SB) by means of a semiphysical fuzzy model. KEYWORDS Hot strip mill, hybrid systems, semiphysical modelling, fuzzy logic. INTRODUCCIÓN Con frecuencia en la industria se manejan variables, como tiempo, velocidad, temperatura, etc., de las cuales de alguna forma es necesario obtener sus valores. Sin embargo, las mediciones son afectadas por factores ajenos al proceso, los cuales generan cierto error en los resultados de la medición provocando un grado de incertidumbre. La mayoría de los procesos industriales requieren controles para lograr que sus sistemas tengan un mejor desempeño y una mayor eficiencia, el conocer qué factores del proceso son los más críticos da lugar a diversas investigaciones para tratar de realizar una mejor estimación de estos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 � �Sistema semifísico difuso aplicado a la estimación de temperatura... / José Ángel Barrios Gómez, et al. En el caso de la industria de laminación en caliente de acero existen numerosas variables en el proceso que presentan incertidumbre, las cuales se pretenden predecir de la forma más precisa. En una línea de laminación en caliente los planchones de acero se preparan térmicamente en un horno de recalentamiento en los cuales es crítico realizar una estimación de las variables de laminado en línea de los planchones de acero que están entrando continuamente. Los planchones atraviesan un rompedor de óxidos, un molino desbastador, una mesa de tranferencia, un descascarado secundario (SB), hasta llegar a un molino continuo de laminación; estos planchones presentan pérdida de calor durante este proceso, en la figura 1 muestra el planchón atravesando por el molino continuo. Fig. 1. Molino y la cinta laminada. Dentro de las variables críticas que se pueden presentar se tiene la temperatura superficial de los planchones. La temperatura que se mide en la superficie de cada planchón presenta incertidumbre debido a la formación de óxidos dada la interacción con el ambiente que lo rodea. ANTECEDENTES En la actualidad algunos investigadores han optado por el uso de técnicas de Inteligencia artificial (IA), como Sistemas de Inferencia Difusa (FIS) y Redes Neuronales Artificiales (ANN) para aplicarlos en la industria. Este tipo de técnicas son muy útiles por su � capacidad de aprendizaje y adaptación. Además estas técnicas ofrecen la ventaja de estimar parámetros de un sistema no lineal sin tener gran conocimiento del proceso y tienen capacidad de predicción bajo diversas condiciones de funcionamiento. Algunos investigadores han realizado trabajos para la predicción de la temperatura a la entrada de un molino usando lógica difusa (FL) tipo-2 con aprendizaje híbrido, G.M. Méndez y otros han propuesto la predicción de temperatura en barras de molinos de laminación en caliente usando un algoritmo híbrido de lógica difusa tipo-2, incluyendo en este sistema el uso de Retropropagación (BP) con míınimos cuadrados recursiva y BP con el filtro de la ráız de los cuadrados.1,2 Min-You Chen ha propuesto una red híbrida neuro-difusa basada en un enfoque de modelado difuso adaptativo, que incluye la autogeneración del modelo difuso inicial, selección de entrada significativa, validación de partición y la optimización de parámetros, fue desarrollado para la predicción de propiedades de material de aleación.3 D. A. Linkens y otros presentan las metodologías de caja Gris (también llamados modelos híbridos o semifísicos), y su aplicación a tratamiento de materiales, su justificación es que existe gran demanda en los modelos de predicción en la elaboración de materiales, con mayor exactitud en una más amplia gama de condiciones.4 Los sistemas híbridos o semifísicos son aquellos que combinan un sistema físico con cualquier otro sistema pudiendo ser lógica difusa. Wouter Geerdes realizó un análisis entre los modelos físicos, neuronales e híbridos para la predicción de la temperatura en un molino de laminación en caliente. Menciona que el uso de sistemas híbridos tiene ventajas potenciales sobre el uso de una red neuronal o un modelo físico solo.5 Se han publicado trabajos donde se muestran resultados experimentales de diferentes estructuras semifísico basadas en ANN, desarrolladas para la estimación de la temperatura de entrada del scale bracker (SB) en un molino de laminación en caliente.6 LAMINACIÓN EN CALIENTE En un molino de laminación en caliente (MLC) los planchones son cargados al horno de calentamiento Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Sistema semifísico difuso aplicado a la estimación de temperatura... / José Ángel Barrios Gómez, et al. (HC) por su lado posterior, en este lugar se mantienen almacenados hasta que son laminados en las corridas o turnos de producción. El proceso de laminación inicia en el HC y termina en los enrolladores (CLR). Las dimensiones de los planchones varían de acuerdo a la cinta que se desea producir y se presenta de 101.0 mm a 304.8 mm de espesor, con ancho de 508.0 mm a 1,981.0 mm y de longitudes desde 9.75 m a 12.18 m. Los pesos de cada planchón varían de 5 a 45 Ton. Para comprender mejor el proceso de laminación en caliente (LC), se explican a continuación brevemente las etapas principales de este proceso (ver figura 2). a) Horno de recalentamiento: La temperatura de los planchones se eleva a 1,300°C para que tengan las propiedades adecuadas para la deformación mecánica. b) Rompedor horizontal de óxido: Es en donde una serie de chorros de agua a alta presión remueve la capa de óxido formada en la superficie de los planchones. c) Molino desbastador (RM): En este molino se realiza la reducción vertical y horizontal, para producir el planchón de transferencia. En algunos casos es reversible, el planchón se mueve hacia adelante y atrás hasta reducir la barra de transferencia. d) Molino continuo (FM): Conocido también como molino acabador, en este molino es donde se obtiene el espesor y ancho deseado. e) Enrrolladores: La cinta proveniente del FM es enrrollada manteniendo una tensión constante proporcionada por el último castillo del FM, existiendo también una temperatura determinada de enrollado. Para esto tenemos en cuenta que las principales especificaciones para tener un producto laminado en caliente, son el espesor, ancho, temperatura de acabado y temperatura de laminación. INFORMACIÓN PARA LA EXPERIMENTACIÓN Para el desarrollo de este proyecto son necesarios algunos datos mencionados a continuación. Las entradas requeridas son, la temperatura superficial medida a la salida del RM, y el tiempo de traslado del planchón de acero desde la salida del RM hasta la entrada del SB. Finalmente el modelo estima la temperatura a la entrada del SB. El tiempo de traslado también es calculado, sin embargo en este trabajo se utilizará el medido, ya que es la comparación que se lleva a cabo para ajustar el modelo. Los datos utilizados para llevar a cabo la experimentación, fueron recolectados del Molino de laminación en caliente No.1 de HYLSA, y éstos consisten en un total de 748 rollos de diferentes grados de acero. Originalmente el modelo físico fue programado para realizar una estimación por corrida, debido a esto, se llevó a cabo una modificación en la estructura del programa para que el modelo efectuara las predicciones en una sola corrida. Fig. 2. Proceso de laminación en caliente. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 � �Sistema semifísico difuso aplicado a la estimación de temperatura... / José Ángel Barrios Gómez, et al. MODELADO DE LA TEMPERATURA DE ENTRADA AL SB MEDIANTE LÓGICA DIFUSA Acerca de lógica difusa La lógica difusa, es esencialmente el conjunto de lógicas multivaluadas que extienden a la lógica clásica. Esta última impone a sus enunciados únicamente valores de falso o verdadero. Bien que éstas han modelado satisfactoriamente a una gran parte del razonamiento “natural”, es cierto que el razonamiento humano utiliza valores de verdad que no necesariamente son “tan deterministas”. La lógica difusa procura crear aproximaciones matemáticas en la resolución de ciertos tipos de problemas. Pretenden producir resultados exactos a partir de datos imprecisos, por lo cual son particularmente útiles en aplicaciones electrónicas o computacionales. El adjetivo “difuso” aplicado a ellas se debe a que los valores de verdad no-deterministas utilizados en ellas tienen, por lo general, una connotación de incertidumbre. Descripción general de los sistemas En este trabajo se propone modelar la temperatura de entrada al SB utilizando lógica difusa, se presentan dos tipos de modelos difusos los cuales son: Modelo difuso tipo Mamdani y tipo Sugeno. En cada uno de estos se utilizan reglas difusas las cuales son un conjunto de proposiciones IF - THEN que modelan el problema que se requiere resolver. Una regla difusa tiene la forma siguiente: • Mamdani: if (x is A) and (y is B) then (z is C ) • Sugeno: if (x is A) and (y is B) then (z=f (x, y)) Donde los términos A y B son conjuntos difusos definidos en los rangos de x y y (entradas) respectivamente. Una regla expresa un tipo de relación entre los conjuntos A y B cuya función característica sería µA∩B→C (X, Y ) y representa lo que se conoce como implicación lógica, esta parte se llama “antecedente” y a la parte donde se utiliza el término then se le conoce como “consecuente”. La elección apropiada de esta función característica está sujeta a las reglas de la lógica proporcional. En el caso de los sistemas tipo Sugeno el consecuente es una función determinista. � Fig. 3. Reglas de sistema. Las variables de entrada tienen las etiquetas lingüísticas de temperatura y tiempo, cada una de estas entradas a su vez cuenta con 5 funciones pertenencia (MF), estas funciones mapean cada elemento del conjunto difuso a un grado de pertenencia entre 0 y 1, las MF de temperatura son: MuyBaja, Baja, TempMedia, Alta, MuyAlta, con un rango de [988, 1124] y las de Tiempo: Muy Corto, Corto, Time Medio, Largo, MuyLargo, con un rango de [23, 162]. En el caso de la variable de salida temperatura nombrada con la etiqueta de Temp, cuenta con 25 funciones pertenencia, teniendo como rango [810, 1027]. Se realizan las posibles combinaciones de las funciones pertenencia de entrada temperatura y tiempo con las de salida Temp logrando así 25 reglas difusas, que son la base del conocimiento. Tanto como entradas y salidas se utilizan funciones pertenencia tipo gaussiana (ver figuras 3, 4 y 5). Sistema difuso Mamdani y Sugeno Para el caso particular de este trabajo, ambos sistemas: Mamdani y Sugeno, están compuestos por una base de 25 reglas, que fueron establecidas de una forma racional y empírica, basado en conocimiento humano del área en cuestión. Estas reglas están compuestas por dos entradas (antecedentes) y una salida (consecuente). Ingenierías, Octybre-Diciembre 2017, Vol. XXI, No. 77 �Sistema semifísico difuso aplicado a la estimación de temperatura... / José Ángel Barrios Gómez, et al. Fig. 4. Función Pertenencia. En los modelos Mamdani y Sugeno al igual que en el modelo físico se utilizan dos entradas, temperatura y tiempo, para obtener una estimación de Temperatura. Las simulaciones se realizan con el Toolbox de Lógica Difusa de Matlab. La diferencia entre el sistema Sugeno y el Mamdani, es que el primero tiene funciones lineales a la salida. Para la evaluación de los sistemas se utilizan medidas de desempeño (desviación estándar, media, media absoluta, RMS, y banda de tolerancia), aplicados a el error de estimación. Los resultados obtenidos de este análisis para los sistemas Sugeno y Mamdani, se muestran en la tabla I. Tabla I. Desviación estándar, media, media absoluta, RMS, banda de tolerancia, para los sistemas Mamdani y Sugeno. Mamdani Sugeno Comp.+PI Desviación estándar 28.1137 28.0815 20.6479 Media -0.5028 -0.4802 -18.9096 Media absoluta 22.847 22.8181 23.3486 RMS 28.0709 28.0383 27.973 Banda de tol. 50.1684 50.5051 47.8114 Fig. 5. Funciones de pertenencia (MH) para las variables de entrada: temperatura y tiempo, y para la variable de salida: Temp. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 � �Sistema semifísico difuso aplicado a la estimación de temperatura... / José Ángel Barrios Gómez, et al. SISTEMA SEMIFÍSICO DIFUSO PARA ESTIMACIÓN DE LA TEMPERATURA DE ENTRADA AL SB Un sistema híbrido o semifísico es aquel que combina un sistema físico (planta) con otro sistema en este caso lógica difusa. En esta sección se presentarán los resultados de la aplicación de sistema semifísico difuso para la predicción de temperatura en la caja de descascarado. Descripción del sistema Este sistema semifísico esta formado por dos sistemas, uno de ellos es un Sistema de Inferencia Neuro Difuso Adaptativo (ANFIS por sus siglas en inglés), y el otro es el modelo +PI (modelo compensado por un control Proporcional Integral), utilizado en planta. En este trabajo se propone utilizar un esquema semifísico de error aditivo apoyado en sistemas difusos, para la estimación de la temperatura de entrada al SB, como se muestra en la figura 6. En la figura 6 las entradas son: temperatura y tiempo; Eˆ FIS es el error estimado por el sistema FIS o ANFIS; Tˆmod . es la temperatura estimada por el modelo físico; Tˆtotal es la temperatura estimada por el sistema semifísico; Tmedida es la temperatura medida en la planta; y Esemi es el error de estimación del sistema semifísico. Este modelo cuenta con dos entradas: errores de temperatura y tiempo. El sistema difuso, de tipo Sugeno, cuenta también con 25 reglas. Este sistema ANFIS se utiliza para la estimación de el error, el cual sirve para compensar el sistema de planta, como se muestra en el diagrama en paralelo. Se considera como una época a cada ocasión en que el conjunto de datos se presenta a la entrada del sistema para ser evaluado y obtener así el vector Fig. 6. Esquema semifísico de error aditivo. 10 de datos necesario para la compensación. A este procesos se le conoce como “entrenamiento”, y se llevo a cabo en diez épocas utilizando el sistema ANFIS. Con el resultado obtenido por ANFIS, se realiza la operación en paralelo con el modelo de planta, para así obtener la temperatura ya corregida. En la tabla II, se muestran los resultados estadísticos del sistema semifísico. Tabla II. Desviación estándar, media, media absoluta, RMS, banda de tolerancia, para el sistema semifísico. Desviación estandar Media Media absoluta RMS Banda de tol. Semifísico 16.308 7.4905 14.506 17.921 73.064 Análisis de los resultados Como ha sido mencionado, los resultado obtenidos de los sistemas Mamdani y Sugeno, se realizaron como sistemas difusos puros, para obtener una temperatura estimada a la entrada del SB, resultando el sistema Sugeno con mejor desempeño. Del sistema semifísico se obtuvo un modelo aditivo compensador, el cual genera un error de predicción. Un análisis estadístico fue llevado a cabo para evaluar el desempeño del error de predicción en el sistema difuso Sugeno (ANFIS), modelo semifísico y modelo compensado con PI como se utiliza comúnmente en planta. Los datos de modelo compensado con PI es proporcionado por la planta. Los resultados mostrados en la tabla III, permiten realizar una comparación estadística de: desviación estándar, media, media absoluta, y RMS, presentando el sistema ANFIS y Semifísico desempeños semejantes. Se busca reducir la desviación estándar, media, media absoluta y RMS. En el caso de la media es deseable que esté cercana a cero, mientras que el parámetro de barras dentro de la banda de tolerancia debe incrementarse. En la figura 7 se muestra un histograma de los resultados obtenidos, del error de predicción de los modelos semifísico, ANFIS, y compensado +PI. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Sistema semifísico difuso aplicado a la estimación de temperatura... / José Ángel Barrios Gómez, et al. Tabla III. Desviación estándar, media, media absoluta, RMS, banda de tolerancia, para los sistemas: ANFIS, el sistema semifísico y el modelo +PI. Desviación estandar Media Media absoluta RMS Banda de tol. ANFIS Semifísico Comp.+PI 16.2819 16.308 20.6479 -7.5311 7.4905 -18.9096 14.4958 14.506 23.3486 17.9144 73.064 17.921 73.064 27.973 47.8114 Fig. 7. Histograma de modelos Semifísico, ANFIS y modelo +PI CONCLUSIONES En este artículo se presentan los resultados de la evaluación de los modelos difusos de estimación de temperatura, Mamdani y Sugeno sin aprendizaje. De estos dos, el sistemas Sugeno resultó ser ligeramente mejor en cuanto a las medidas de desempeño, y ambos superaron al modelo +PI en cuanto a media (valores más cercanos a cero). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 En las pruebas (simulaciones) de los Sistemas de Inferencia Neurodifusos Adaptativos (ANFIS), semifísico, y compensado +PI, se utilizaron datos reales de planta. También se demostró que para la estimación de temperatura a la entrada de la caja de descascarado (SB), para las condiciones establecidas, los esquemas semifísico y ANFIS presentan un desempeño mejor que el sistema compensado +PI en términos de desviación estándar, media, media absoluta, RMS, y banda de tolerancia. REFERENCIAS 1. Gerardo M. Méndez, Alberto Cavazos, Rogelio Soto & Luis Leduc (2006). Entry temperature prediction of a hot strip mill by a hybrid learning type-2 FLS. Journal of Intelligent and Fuzzy Systems. 2. G.M. Méndez, Lopez-Juarez, L.A. Leduc, R. Soto & A. Cavazos. Temperature Prediction in hot strip mill Bars using a Hybrid Type-2 Fuzzy Algorithm. I.J of Simulation. 3. Min-You Chen. Material Property Prediction Using Neural Fuzzy Network (2000). Proceedings of the 3rd World Congress on Intelligent Control and Automation. 4. D. A. Linkens, J. H. Beynon & C. M. Sellars (1997). Grey Box Modelling Methodologies and Their Application to Materials Processing. Australasia Pacific Forum. 5. Wouter Geerdes. An analysis physical, neural and Hybrid models for temperature prediction in a Hot Strip Mill (2005). Universidad of Twente en cooperacion con Hylsa Monterrey. 6. Miguel A. Torres, Alberto Cavazos, Diana Melo, Luis Leduc & Jorge Ramírez. Modelado Semifísico para la estimación de la temperatura de entrada a la concha de descascarado en un molino de laminación en caliente basada en RNA. 11 �Roberto Carlos Cabriales Gómez, Virgilio González González DIMAT FIME-UANL. Pedro de Alba S/N, San Nicolás, 66451, Nuevo León, México. gonzal@ccr.dsi.uanl.mx Ivana Moggio, Eduardo Arias Marín Centro de Investigación en Química Aplicada. Blvd. E. Reyna 140, Saltillo, 25100, Coahuila, México. RESUMEN Desde el descubrimiento, en los años 70, de que algunos polímeros conjugados presentan propiedades semiconductoras, que anteriormente eran sólo reconocidas en materiales inorgánicos, se abrieron nuevas áreas de investigación, desde ciencia básica hasta aplicaciones tecnológicas. La aplicación de mayor relevancia de estos materiales es la fabricación de pantallas o “displays”. Nuestra contribución en el área es la síntesis de un nuevo oligómero conjugado fluorescente, obtenido mediante condensación aldólica cruzada entre el 2,5-bis (octiloxi) tereftaldehído y la acetona. Se presentan los resultados preliminares de la obtención del oligómero y sus características de fluorescencia y autoensamblaje, que lo hacen un material con fuerte potencial para la construcción de dispositivos optoelectrónicos. PALABRAS CLAVE Polímeros conjugados, luminiscencia, diodos orgánicos, condensación aldólica. Publicado originalmente en: Ingenierías, Julio-Septiembre 2004, Vol. VII, Número 24, pp. 6-11. Seleccionado para este número especial de 20 Aniversario de la revista Ingenierías. Nuevo material orgánico luminiscente para dispositivos optoelectrónicos ABSTRACT The discovery of certaina polymers that presented semiconducting properties, in the 70’s, previously recognized exclusively in inorganic materials, opened new research lines, from basic science to technologic applications. The most important application of this materials is display’s manufacturing for the elaboration of flexible plastic screens for TVs and computers. In this paper is reported the synthesis of a new fluorescent molecule prepared for the first time by condensation of acetone with 2,5-bis (octyloxy) terephthalaldehyde. Preliminary results on its synthesis and photoluminescent and selfassembling characterization are presented, which suggest that this material could be used for the realization of optoelectronic devices. KEYWORDS Conjugated polymers, luminescence, organic diodes, aldol condensation. 12 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Nuevo material orgánico luminiscente... / Roberto Carlos Cabriales Gómez, et al. INTRODUCCIÓN Los polímeros y oligómeros conjugados son una nueva clase de materiales orgánicos que presentan una elevada deslocalización de electrones p en su cadena principal. Esta característica les imparte propiedades electrónicas y ópticas inusuales que pueden aprovecharse en la construcción de dispositivos electroluminiscentes,1,2 de óptica no lineal3 y de reconocimiento molecular como los biosensores.4 Los sistemas �-conjugados combinan las propiedades de los materiales semiconductores cristalinos inorgánicos (Germanio, Silicio, Galio) con la ventaja que tienen los plásticos de poder ser moldeados y procesados para recubrir grandes superficies,5,2 hecho que permite la fabricación de paneles luminosos a bajos precios y útiles en la fabricación de pantallas de computadora, de televisión, etc. El fuerte impacto que están teniendo estos materiales en el ámbito científico y tecnológico es tal que el Premio Nobel de química del año 2000 fue otorgado a los investigadores Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa, quienes han dedicado su trabajo de investigación al estudio de las propiedades semiconductoras en polímeros conjugados. Hasta ahora, las aplicaciones comerciales importantes que involucran materiales orgánicos como elementos dispositivos optoelectrónicos han sido en la xerografía, específicamente en las fotocopiadoras, las cuales emplean el poli(vinil carbazol) como material fotorefractivo y pantallas planas y delgadas, cabe señalar 6 que Pioneer Electronics fue la primera compañía en introducir en 1998 una pantalla monocromática para automóviles fabricada a partir de nanopelículas orgánicas. A raíz de este suceso, diferentes compañías como la Philips, la Seiko y la Dupont, han venido fabricando prototipos de pantallas a colores, basándose en las técnicas desarrolladas para la construcción de pantallas de cristales líquidos. Como se sabe, los cristales líquidos no son electroluminiscentes y en cambio el oligómero aquí reportado, al estar constituido por segmentos rígidos y flexibles podría, además de ser luminiscente presentar propiedades mesomorfas,7 es decir, de cristal líquido, lo que implica la posibilidad de ser aprovechado en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 ambos sentidos, como luminiscente y como cristal líquido. Un dispositivo orgánico electroluminiscente (figura 1), cuenta con cuatro partes principales:2,8 1. Un sustrato rígido que generalmente es vidrio o un polímero flexible como el poli(carbonato) o el poli(etilen tereftalato). 2. Un electrodo trasparente y conductor del tipo ITO (por sus siglas en ingles “Indium-Tin-Oxide” que es un óxido mixto de indio y estaño muy usado en la fabricación de pantallas de cristal líquido), por el cual se inyectan huecos y el que se polariza positivamente cuando el diodo se pone bajo tensión eléctrica. 3. Una película nanométrica constituida del material orgánico semiconductor. 4. Un electrodo que inyecta electrones, constituido normalmente por un metal (por ejemplo magnesio, calcio o aluminio) que se deposita sobre la película emisora por evaporación a alto vacío. Fig. 1. Estructura de un diodo electroluminiscente orgánico.2 Las propiedades de procesado de los polímeros conjugados permite obtener diodos flexibles y con bajo costo de fabricación. El proceso físico que da lugar a la electroluminiscencia en materiales orgánicos se describe (figura 2), como un proceso de cuatro etapas.8 1. La inyección de electrones y huecos al material (mediante electrodos). 2. La captura de portadores de carga con la consecuente deformación de la molécula (recombinaciones electrón/hueco). 3. La redistribución de la carga eléctrica en la molécula que genera estados excitados o excitones. 13 �Nuevo material orgánico luminiscente... / Roberto Carlos Cabriales Gómez, et al. Fig. 2. Etapas básicas del fenómeno de electroluminiscencia en materiales orgánicos. 1. Inyección de portadores de carga, 2. Transporte de portadores de carga, 3. Formación de excitones, 4. Emisión de radiación electromagnética. 4. Paso al estado electrónico fundamental de los excitones con emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas (fotoluminiscencia) o calor. Los excitones pueden ser singuletes (espines de los electrones opuestos) o tripletes, (espines paralelos) y la desexcitación que produce energía luminosa es solo la de los exitotes singuletes, los tripletes producen energía en forma de calor. El material orgánico emisor debe satisfacer dos requisitos principales: 1. Presentar una estructura electrónica deslocalizable así como una buena característica de fluorescencia a la longitud de onda de su máxima absorción. 2. Debe ser compatible con la técnica de fabricación del dispositivo, es decir, debe poder ser procesado en nanopelículas sin defectos, para lo cual es importante que sean solubles, y que las películas sean uniformes y estables. Entre las substancias formadas por moléculas conjugadas de más relevancia tanto científica como tecnológica, están: los poli(p-fenil vinilidenos),1,2,7 poli(tiofenos)9 y los poli(fluorenos).10 Sin embargo, muchos de los polímeros actualmente en estudio aún no satisfacen completamente los requisitos necesarios para la fabricación de pantallas planas con características y costos competitivos con las de cristales líquidos. De allí la importancia de buscar nuevos materiales con emisión de luz cada vez más específicas y a bajos voltajes así como realizar estudios que evalúen los efectos morfológicos de la película emisora sobre las propiedades ópticas.7,11 14 CONDENSACIÓN ALDÓLICA En general, la condensación aldólica es una reacción muy conocida de adición nucleófila entre una acetona y un aldehído y procede en dos etapas:12,13 1. Los hidrógenos α (C=O) de la acetona son ácidos y se desprenden por la acción de una base fuerte formando un nucleófilo. 2. Este nucleófilo se adiciona al carbocatión del aldehído para formar un β-aldol intermediario. En esta etapa y dado que el medio sigue siendo básico, puede ocurrir, por un lado la formación de otro nucleófilo y por otro lado, la formación de otro carbocatión que darían lugar a la formación de dímeros, trímeros, etc. Ahora bien, en una última etapa el aplicar calor al medio de reacción provoca que los β-aldol se deshidraten formando los dobles enlaces, figura 3. Por esta ruta de síntesis, nótese que las moléculas siempre tienen como grupos funcionales terminales aldehídos o cetonas. Fig. 3. Ruta de síntesis mediante condensación aldólica de substancias con moléculas conjugadas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Nuevo material orgánico luminiscente... / Roberto Carlos Cabriales Gómez, et al. OBJETIVO Sintetizar y caracterizar un nuevo polímero conjugado aprovechando la reactividad que tiene un aldehído con una acetona, mediante la ruta conocida como condensación aldólica. Evaluar las propiedades ópticas del polímero y la factibilidad de elaborar nanopelículas con buenas características morfológicas que permitan su posible aplicación en la construcción de dispositivos electroluminiscentes. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Síntesis: A una solución de NaOH (1 mmol) y tereftaldehido (0.5 mmol) en 20 ml de etanol/H2O (1:1) y 5 ml de tetrahidrofurano, previamente calentada a 60°C, se le añaden lentamente y con agitación 0.5 mmol de acetona disuelta al 16.6 %v también en etanol/H2O (1:1), después de 20 min. Se enfría el medio de reacción, se filtra y el precipitado se lava repetidas veces con agua destilada. Caracterización: El espectro infrarrojo (IR) se obtuvo en forma de película con un espectrofotómetro IR-FT Nicolet Magna-550. La resonancia magnética nuclear se hizo con espectrofotómetro JEOL de 300 MHz usando cloroformo deuterado como disolvente. Los espectros UV-Vis y de fluorescencia se obtuvieron con un espectrofotómetro Shimadzu 2401PC y con un espectrofluorimetro Perkin Elmer LS50B, respectivamente. El peso molecular se obtuvo por GPC utilizando un Cromatógrafo de Permeación en Gel (GPC) de alta temp. “Watters” en solución de 1g/L en THF, con un flujo de 1 ml/min, habiendo usado estándares de poliestireno para su calibración. Películas. Las películas se prepararon en substratos de cuarzo previamente tratados según el procedimiento RCA.14 Se utilizaron disoluciones en CHCl3 grado espectroscópico de concentración de 2.8 g/L. Se elaboraron por autoensamblaje, con tiempo de inmersión de 20 minutos y secado al aire. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En el espectro IR del producto de condensación aldólica, se evidenciaron las bandas características del grupo carbonilo (a 1740 cm-1), de los enlaces C=C vinílicos (1710 cm-1), del anillo aromático (1610 cm-1) así como de las terminaciones (2850 cm-1), Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 coincidiendo todas estas señales con la estructura propuesta (Figura 3). En la figura 4 se muestra el espectro de 1HNMR y esta figura, junto con la figura 5 describe la asignación de los picos de acuerdo, apreciándose que se corrobora la estructura química esperada, observando que hay grupos funcionales terminales cetona y La cromatografía de permeación en gel reporta los siguientes valores de pesos molecular: Mn = 1,680, Mw = 2,864 y MWD = 1.7, lo que indica, de acuerdo al peso molecular de la unidad repetitiva, que el Fig. 4. Espectro 1HNMR del producto de condensación aldólica, las letras sobre los picos corresponden a su asignación la cual se muestra en la figura 5. Fig. 5. Estructura del producto de condensación aldólica y asignación de picos de 1HNMR aldehído. 15 �Nuevo material orgánico luminiscente... / Roberto Carlos Cabriales Gómez, et al. producto es principalmente un heptámero mezclado con otros oligómeros de menor y mayor tamaño. De acuerdo a reportes en la literatura, 2,7,11,14 la extensión efectiva de la conjugación de un heptámero se aproxima a la de un polímero de alto peso molecular, de manera que se espera que las propiedades luminiscentes del PBTA sean análogas a las del polímero correspondiente y por lo tanto sea más conveniente el oligómero para evitar la disminución de solubilidad y la posible pérdida de las propiedades de autoensablaje. Las propiedades ópticas del sistema en disolución y en películas se resumen en la tabla I. En la figura 6 se reportan los espectros UV-Vis y de fluorescencia del PBTA en disolución y en película. En absorción se observan dos bandas con máximos a 330 y 427 nm para la muestra en disolución y a 340 y 441 nm para las películas. La banda a menor longitud de onda se puede asignar al anillo aromático substituido y el de baja energía a transiciones electrónicas en las cadenas conjugadas. Tabla I. Máximos de absorción U.V. Vis. y emisión del PBTA Forma de la muestra La fluorescencia en ambas muestras se presenta con un máximo en la región del verde aunque con corrimientos batocrómicos de alrededor de 10 nm, fenómeno observado comúnmente en otros polímeros y conocido como solvatocromismo,15 resultado de cambios en el empaquetamiento molecular. La figura 7 muestra los espectros UV-Vis de películas de número variable de capas de PBTA hasta llegar a 6. Las propiedades ópticas en todas ellas son parecidas a las que se discutieron para las muestras de la figura 6, a excepción de una mayor contribución de la línea de base conforme aumenta el número de capas. Sin embargo, el valor de absorbancia al pico de 338 nm normalizado para eliminar la contribución de la línea de base, aumenta de forma lineal en función del número de capas. Este comportamiento, de acuerdo con la ley de Lambert-Beer, indica que se está transfiriendo la misma cantidad de material en cada inmersión. Este resultado es de importancia ya que indica la capacidad del PBTA de formar multicapas por autoensamblaje,7,11,14 característica que le da grandes ventajas si se llegara a utilizar en la construcción de diodos luminiscentes. Longitud de onda (nm) Absorción Emisión Máx 1 Máx. 2 Máx 1 Disolución 330 427 523 Película 340 441 533 Fig. 7. Espectros UV-Vis de muestras con PBTA con diferente número de capas (hasta 6, se indican en figura), inserto; gráfica de la absorbancia a 338 nm normalizada con respecto al valor a 650 nm, vs. número de capas (cada capa es doble, una a cada lado del substrato). Fig. 6. Espectros de absorción U.V. Vis. del PBTA a) en disolución, b) en película y sus espectros de fluorescencia, c) en disolucón y d) en película. 16 Análisis preliminares de la morfología por AFM (figura 8), indican que las películas presentan una topografía granular uniforme y de baja rugosidad (Rugosidad media cuadrada RMS = 0.89 nm), análoga a las encontradas en otros sistemas conjugados. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Nuevo material orgánico luminiscente... / Roberto Carlos Cabriales Gómez, et al. Fig. 8. Imagen de AFM de 2 µm de barrido, de una película de PBTA depositada por autoensamblaje. Fig. 9. Heptámero obtenido, con diferentes concentraciones presenta diferentes colores. CONCLUSIONES Se reporta por primera vez la utilización de la reacción de condensación aldólica cruzada para obtener oligómeros con estructuras conteniendo dobles enlaces conjugados. En particular, los resultados preliminares de caracterización del producto de la reacción entre un equivalente de 2,5-bis(octiloxi)tereftaldehído y uno de acetona indican que el material obtenido es un heptámero con dobles enlaces conjugados en su cadena principal, fluorescente en la región del verde y propiedades de solubilidad y autoensamblaje que en su conjunto le dan gran potencial de ser electroluminiscentes útil en la construcción de diódos luminiscentes y otros dispositivos optoelectrónicos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 REFERENCIAS 1. Burroughes J.C.; Bradley D.D.C.; Brown A.R.; Marks R.N.; Mackay K.; Friend R.H.; Burns P.L.; Colmes A.B., Nature V347, 539, (1990). 2. Akelrud L. Prog. Polym. Sci., V28, 875, (2003). 3. Zyss J., Molecular NonLinear Optics, ed., Academic Press, Inc., (1994). 4. Charych D.; Cheng Q.; Reichert A.; Kuziemko G.; Stroh M.; Nagy J.; Spevak W.; Stevens R.C.; Chemistry and Biology, V3, 113, 113, (1996). 5. Bredas J.L.; Silbey R., Conjugated polymers: The Novel Science and Technology of Highly Conducting and Nonlinear Optically Active Materials, Academic Publishers (March, 1999). 6. De Paoli M-A.; Gazotti W.A.; J. Braz., Chem. Soc. V13(4), 410, (2002). 7. Arias-Marin E.; Moggio I.; Navarro D.; Romero J.; Larios L.; Le Moigne J.; Guillon D.; Maillou T.; González V.; Geffroy B., Rev. de la Soc.Quím. de Méx. V41, 23, (2002). 8. Friend R.H.; Gymer R.W.; Holmes A.B.; Burroughes J.H.; Marks R.N.; Taliani C.; Bradley D.D.C.; Santos D.A.D.; Bredas J.L.; Lögdlund M.; Salaneck W.R., Nature V397, 121, (1999). 9. Mazzeo M.; Pisignano D.; Favaretto L.; Barabarella G.; Cingolani R.; Gigli G.; Synth. Met,139, 671, (2003). 10. Kim D.Y.; Cho H.N.; Kim C.Y.; Prog. Polym. Sci. 25, 1089, (2000). 11. Arias-Marin E. ; Arnault J. C. ; Guillon D. ; Maillou T. ; Le Moigne J.; Geffroy B.; Nunzi J.M., Langmuir 16 (2000), 4309. 12. Yurkanis Bruice P., Organic Chemistry, Englewood Cliffs, New Jersey, Prentice Hall ed., 1995. 13. Palomo C.; Oiarbide M.; García J.M. Chem. Soc. Rev. 33, 65, (2004). 14. Espinosa C.; Moggio I.; Arias-Marín E.; RomeroGarcía J.; Cruz-Silva R.; Le Moigne J.; OrtizCisneros J., Synth. Met., en prensa. 15. He G.; Yang Ch.; Wang R.; Li Y., Displays 21, 61, (2000). 17 �F. Eugenio López G., Miguel A. Ruiz S., Lionel S. Méndez P.* * Sistemas Integrados de Manufactura, División de Ingeniería Mecánica, FIME-UANL, México. E-mail: elopez@uanl.mx ABSTRACT Requirements of high-quality standards have become essential in manufacturing technology. Thus, the conditions of the process must be related with the surface finish achieved. One of those conditions is the thermal energy generated during the machining process. This energy can be measured in terms of temperature increments and depends of the feed, depth of cut and tool cutting speed. As a complement for the series of experiments exposed in the preceding articles this work presents the theoretical fundamentals and experiments based in the effects of tool feed on the temperature behavior during the machining process. KEYWORDS: thermal energy, cutting speed, tool feed. INTRODUCCIÓN En los procesos actuales de manufactura se requiere de acabados precisos, de características superficiales específicas y de tolerancias cada vez menores para las piezas maquinadas. Son varios los factores que intervienen en estos procesos que están relacionados con las características finales de la pieza. Uno de estos factores es la temperatura generada. Como complemento de los experimentos y conclusiones presentadas en los artículos anteriores sobre la trayectoria de herramienta1 y el espesor de viruta,2 el presente trabajo se enfoca en el comportamiento de la energía térmica generada durante el fresado, proponiendo un método que relaciona el avance de la herramienta con la temperatura registrada durante la remoción de material. Es deseable conocer el comportamiento de la temperatura durante el maquinado para asociarla con las probables características de acabado superficial de la pieza, ya que las altas temperaturas ocasionan alteraciones de la superficie.1 Además, a través de la temperatura se pueden inferir los límites de uso y vida útil de la herramienta de corte. A lo largo del proceso de maquinado, aproximadamente el 98% de la energía utilizada se transforma en energía térmica,3, 4 el resto es absorbido por el material de trabajo en forma de deformación plástica. El conocer los niveles de energía térmica permite seleccionar adecuadamente los materiales y las herramientas para diferentes tipos de trabajos. Esta energía puede ser determinada con base a los cambios de temperatura medidos (figura 1) en un punto de referencia determinado. 18 Publicado originalmente en: Ingenierías, Julio-Septiembre 2002, Vol. V, Número 16, pp. 12-17. Seleccionado para este número especial de 20 Aniversario de la revista Ingenierías. Evaluación de condiciones de maquinado por medio de emisiones infrarrojas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Evaluación de condiciones de maquinado por medio de emisiones infrarrojas / F. Eugenio López G., et al. La ley de Stefan-Boltzman5 propone el cálculo de la cantidad de radiación emitida en todas direcciones y sobre todas las longitudes de onda simplemente a partir del conocimiento de la temperatura de un cuerpo utilizando su emitancia ε y la constante σ denominada “constante de Stefan-Boltzman”. (2) Fig. 1. Medidor de emisión infrarroja acoplado en la máquina-herramienta. OBJETIVOS Los objetivos que este trabajo pretende alcanzar son: a) Establecer una relación entre la temperatura registrada en el proceso y el avance fijado para la herramienta de corte. b) Predecir el comportamiento de los cambios de temperatura para diferentes avances por medio de un modelo validado experimentalmente. c) Establecer las bases para determinar posteriormente la relación entre la temperatura registrada y la calidad superficial del material así como los parámetros óptimos de maquinado. K. donde: P: Potencia emisiva de la superficie en W/m2. T: Temperatura de la superficie del cuerpo en ε: Emitancia del material. (3) Conociendo el rango de temperaturas a las que se somete un material, es posible graficar el comportamiento de su potencia emisiva. En la figura 2 se representa este comportamiento para el caso del aluminio puro, el cual tiene una emitancia6 de 0.25. MARCO TEÓRICO A la capacidad de un cuerpo de emitir energía radiante se le conoce como emisividad. A un cuerpo con emisividad igual a uno se le conoce como cuerpo negro. A la capacidad de un cuerpo real de emitir energía respecto al cuerpo negro se le conoce como emitancia. Esta propiedad difiere en cada cuerpo y depende de la estructura y características del mismo. (1) donde: ε: Emitancia. Jr: Densidad de flujo radiante del material. J cn: Densidad de flujo radiante del cuerpo negro. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 Fig. 2. Potencia emisiva del aluminio puro a temperaturas de emisión entre 25 y 100 °C. Así, despejando de (2) y con la conversión adecuada de la cantidad de radiación puede conocerse la temperatura a la cual se emite esa energía. Debido a que la zona del espectro infrarrojo abarca un amplio rango de longitudes de onda de la radiación 19 �Evaluación de condiciones de maquinado por medio de emisiones infrarrojas / F. Eugenio López G., et al. térmica (desde los 0.78 mm hasta los 500 mm), es de gran utilidad para el registro de energía térmica emitida en cualquier material, ya que la radiación de ondas aumenta con la temperatura. Las siguientes condiciones se consideran en la experimentación para relacionar la potencia emisiva espectral7 con la temperatura: 1. La radiación emitida varía en forma continua con la longitud de onda. 2. En cualquier longitud de onda la magnitud de la radiación emitida aumenta con la temperatura. 3. La región espectral en la que la radiación se concentra depende de la temperatura. 4. Para temperaturas menores o iguales a 527°C, la emisión se encuentra de manera predominante en la región infrarroja del espectro y no es visible para el ojo humano. La fórmula (4) desarrollada por Cook9 puede ser utilizada para predecir el incremento de temperatura de la interfase herramienta-viruta durante el proceso de maquinado. Se deriva del análisis dimensional y de datos experimentales de torneado de diferentes materiales para establecer los valores constantes de la ecuación: (4) donde: ∆T: Incremento de temperatura en la interfase en °C. Vc: Velocidad de corte en m/s. U: Energía específica de remoción de material en N- m/mm3. ρ: Densidad del material en gm/cm3. C: Calor específico en J/kg-°C. α: Difusividad térmica en m2/s. h: Espesor de viruta en mm. Al incremento de temperatura obtenido por esta ecuación debe sumarse la temperatura de referencia, considerada en este experimento como la temperatura ambiente a 25°C. donde: T: Temperatura media del proceso. 20 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Las mediciones se efectuaron en las instalaciones del Centro de Manufactura Integrada por Computadora y del Programa Doctoral de Materiales de la FIME UANL. Se utilizaron los siguientes equipos: · Centro de Maquinado EMCO VMC 300. · Termómetro de Emisiones Infrarrojas Raytek modelo Raygner MX4. Considerando las condiciones experimentales de potencia emisiva mencionadas en el marco teórico, se utilizó un espectrómetro infrarrojo para el registro de la temperatura, el cual se colocó dentro del centro de maquinado en la posición más cercana a la zona de remoción para obtener una captación completa de las ondas emitidas por el material (figura 1). Los datos registrados por el espectrómetro se almacenaron en archivos de computadora y se procesaron con software Raytek Graphic. El material usado en los ensayos fue un perfil extruído de aluminio comercial para maquinado. El análisis electroquímico identificó el material como aluminio 6063 de acuerdo a las tablas del Manual de Aluminios de la ASM. Los resultados de las pruebas de tensión revelan que el material es una aleación de aluminio 6063 con tratamiento térmico clase T6 ó T8. CONDICIONES DE MAQUINADO Para los ensayos se maquinó la barra de aluminio con condiciones de corte fijas utilizando un programa de CNC (figura 3) en el centro de maquinado EMCO VMC 300. (5) Fig. 3.- Programa de CNC para el maquinado utilizado en la experimentación. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Evaluación de condiciones de maquinado por medio de emisiones infrarrojas / F. Eugenio López G., et al. El corte se hizo a 2.54 mm ( 0.1 in). No se utilizó refrigerante. El resto de los valores de corte experimentales se muestran en la tabla I. Se realizaron cinco ensayos a diferentes velocidades de corte, las cuales se muestran en la tabla II. RESULTADOS OBTENIDOS Después de procesar los datos registrados y ajustarlos a curvas, se obtiene el comportamiento característico de temperatura de cada ensayo, los cuales se muestran en la figura 4. Este ajuste corresponde a una ecuación exponencial de la forma: (6) donde: T: Temperatura del proceso. t: Número de muestreos. k: Coeficiente del ensayo. n: Exponente del ensayo. Ajustando a una curva conveniente los valores de temperatura en el punto terminal de cada ensayo, se obtiene una ecuación experimental (5). Esta ecuación de tipo exponencial coincide con las conclusiones obtenidas por Trigger8 en su trabajo referido al comportamiento de la temperatura. Fig. 4. Gráficas del comportamiento de la temperatura en los 5 ensayos realizados. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 21 �Evaluación de condiciones de maquinado por medio de emisiones infrarrojas / F. Eugenio López G., et al. (7) La ecuación (7) es característica de la temperatura del proceso para la muestra de material Al6063. Sustituyendo en (4) y (5) las propiedades térmicas correspondientes y la densidad de la aleación Al6063 para espesor de viruta de 1 mm y energía específica de: (8) se obtiene el comportamiento teórico de la temperatura de la aleación Al6063 para cualquier valor de velocidad de corte. Las ecuaciones (5) y (7) pueden compararse para obtener una referencia del comportamiento teórico y experimental de la temperatura en el proceso de maquinado (figura 5). Fig. 5. Comparación de las temperaturas de acuerdo a la ecuación de Cook y la obtenida experimentalmente. CONCLUSIONES La temperatura generada durante el maquinado permite evaluar condiciones determinantes del proceso. La interpretación del comportamiento implica que: 1. La temperatura tiende a alcanzar un estado de estabilidad. 22 2. La temperatura del proceso se incrementa al incrementarse la velocidad de corte. 3. Existe una relación del comportamiento de la temperatura entre cada ensayo. 4. Algunas variables determinantes del proceso pueden calcularse con la metodología mostrada. 5. El análisis mostrado sobre la relación temperatura-velocidad de avance es similar a trabajos publicados referidos al tema y muestra los mismos resultados. La metodología presenta la ventaja de ser fácilmente implementable en un laboratorio, pero no lo es en un tren productivo. MEJORAS A DESARROLLAR Se propone la comprobación de los valores de emitancia de los materiales involucrados. Se recomienda repetir la experimentación bajo otros criterios que permitan evaluar las condiciones de maquinado para diferentes materiales y/o herramientas de corte. Como complemento es deseable realizar un registro de la rugosidad superficial de la pieza en cada ensayo para buscar una relación entre la temperatura del proceso y la calidad superficial de la pieza maquinada. RECONOCIMIENTOS El presente trabajo fue realizado por los autores como parte de su proyecto de investigación en el Doctorado de Materiales FIME-UANL bajo el apoyo de PROMEP, PAICYT 2001 (contrato CA556-01) y CONACYT (clave 37668-U). Los autores agradecen la colaboración del ingeniero José Luis Castillo Ocañas y la Dra. Patricia Zambrano de la Coordinación de Automatización así como al Dr. Alan Castillo y al Dr. Juan Antonio Aguilar Garib del programa doctoral de materiales de la FIME. REFERENCIAS 1. López, E., Ruiz, M.A., Colás, R., “Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado 1ª Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Evaluación de condiciones de maquinado por medio de emisiones infrarrojas / F. Eugenio López G., et al. 2. 3. 4. 5. Parte”, Ingenierías, Vol. IV, No. 13, pp. 40-47, Diciembre 2001. López, E., Ruiz, M.A., “Modelaje de la viruta en el proceso de maquinado 2ª Parte”, Ingenierías, Vol. V, No. 14, pp. 36-41, Marzo 2002. 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Universitaria, San Nicolás, N.L. 66450 México roger@uanl.mx RESUMEN En una red de transporte de gas natural, una estación compresora tiene el papel primordial de incrementar la presión del gas para mantenerlo fluyendo en el sistema. El combustible que se consume en cada estación compresora representa el costo más importante en una red de gasoductos. Cada estación está conformada por unidades compresoras individuales, las cuales pueden ser de diversos tipos y estar conectadas de formas diversas dentro de la estación. La función que representa el consumo de combustible en una unidad compresora depende de las presiones nodales a la entrada y salida de la estación, así como del flujo del gas transportado a través de la unidad compresora. Sin embargo, la función es típicamente no lineal, no convexa y difícil de evaluar computacionalmente. En este artículo se lleva a cabo una evaluación computacional de algunas funciones de aproximación (que son más fáciles de evaluar) sobre un grupo de datos de nueve compresores tomados de la industria. Los resultados obtenidos confirman que una de las funciones propuestas aproxima a la función objetivo con bastante precisión ya que el error máximo relativo de la función es menor al 6% y el error promedio relativo es menor al 1% en 8 de los nueve compresores probados. Este resultado puede servir para investigaciones posteriores, en las cuales se puede usar a esta función como una excelente aproximación de la función real con la ventaja de que su evaluación es más económica computacionalmente hablando. PALABRAS CLAVE: Optimización, red de transporte, consumo de combustible, compresor centrífugo, gas natural. Publicado originalmente en: Ingenierías, Abril-Junio 2005, Vol. VIII, Número 27, pp. 48-52. Seleccionado para este número especial de 20 Aniversario de la revista Ingenierías. Aproximando la función de consumo de combustible en compresores de gas natural ABSTRACT In a natural gas pipeline network, a compressor station plays the roll of increasing gas pressure to keep it moving through the system. The consumed fuel at each station represents the most important cost factor in a pipeline system. Each station is conformed of individual compressor units, which can be of different types or be hooked-up in a number of ways inside the station. The fuel consumption function in a compressor depends on the node pressures and the mass flow rate through the station. However, this function is typically nonlinear, nonconvex, and difficult to evaluate computationally. In this paper we carry out evaluation 24 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Aproximando la función de consumo de combustible... / Yanet Villalobos Morales, et al of this function with several approximation functions over a set of collected data from nine compressors units taken from industry. The results confirm that one these proposed functions does a very good job at approximating the real function, obtaining a maximum relative error of 6% and an average relative error of 1%. KEYWORDS: Optimization, transmission network, fuel consumption, centrifugal, compressor, natural gas. INTRODUCCIÓN El gas natural se transporta a través de un sistema de redes de gasoductos. Al fluir el gas por la red, se pierden energía y presión debido a la fricción que existe entre el gas y las paredes internas de la tubería y a la transferencia de calor que existe entre el gas y sus alrededores. Para sobreponer esta pérdida de energía y mantener el gas en movimiento, estaciones compresoras son instaladas en varios puntos de la red. Típicamente las estaciones consumen un 3-5% del gas que está siendo transportado resultando en un costo por consumo de combustible relativamente alto. Este costo de transportación es significativo porque la cantidad de gas que se transporta anualmente en cualquier sistema es de millones de metros cúbicos. El problema de toma de decisiones consiste en figurarse la manera de operar los compresores y la red con el objetivo de transportar el gas desde centros de almacenamiento o producción (donde se inyecta gas al sistema) a los diferentes centros de distribución (donde se requiere el gas) al menor costo posible. Ahora bien, la función que representa el consumo de combustible en un compresor es una función no lineal y no convexa. La evaluación de ésta es complicada y como cualquier algoritmo típico para resolver problemas de optimización no lineal (ej. Método del gradiente reducido, Método de descenso más profundo, etc.1) requiere evaluar la función objetivo cientos o miles de veces, el tiempo computacional consumido resulta ser relativamente grande. Por tal motivo, se han propuesto otras funciones las cuales aproximan a la función objetivo y cuya evaluación es más económica desde el punto de vista computacional. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 Estas funciones fueron evaluadas en4 utilizando datos de un compresor centrífugo y se observó que una de ellas, la función g6, fue la que mejor aproximó a la función objetivo. En este artículo se extiende esta evaluación a un grupo más amplio de compresores diferentes (nueve en total) con datos tomados de la industria, lo cual constituye la principal aportación de este trabajo. Los resultados obtenidos en esta evaluación confirman que la función g6 es la que mejor aproxima a la función objetivo. El error máximo relativo de esta función es menor al 6% y el error promedio relativo es menor al 1% en ocho de los nueve compresores probados, por lo tanto concluimos que esta función puede representar fielmente a la función objetivo en trabajos posteriores que surjan para el problema de minimización de consumo de combustible en una red de gas natural en estado estable. DESCRIPCIÓN DEL COMPRESOR En la industria del gas natural se manejan dos tipos de compresores los cuales son los centrífugos y reciprocantes. En este trabajo se consideran compresores de tipo centrífugo, los cuales son los más comúnmente utilizados en la industria ya que su construcción sencilla y libre de mantenimiento permite un funcionamiento continuo durante largos periodos y porque pueden trabajar con grandes caudales lo que no pueden hacer los compresores reciprocantes ya que estos se limitan a una capacidad mucho más pequeña de caudal. Las relaciones que describen el dominio de operación factible de un compresor centrífugo se definen de la siguiente forma: 2 H Q  Q Q = AH + BH   + CH   + DH   2 S S S S 3 (1) SL ≤S ≤SU QL ≤Q≤QU donde los coeficientes A H, B H, C H y D H en (1) son estimados mediante el método de Mínimos Cuadrados en base a una colección de datos tomados del compresor de las cantidades de Q, H y S las cuales son variables que representan el flujo volumétrico (ft 3/min), carga adiabática (lbf-ft/lbm°R) y la velocidad del compresor (ft/min), respectivamente. 25 �Aproximando la función de consumo de combustible... / Yanet Villalobos Morales, et al Los parámetros SL y SU representan los límites de velocidad mínima y máxima respectivamente que puede alcanzar el compresor. QL y QU son también parámetros que indican los límites mínimo y máximo de flujo volumétrico de gas que puede pasar por el compresor, ver figura 1. Fig. 1. Dominio de operación del compresor en función de Q, S y H Todo compresor tiene cierto rendimiento según el tipo de construcción. A este rendimiento se le conoce como la eficiencia del compresor. Ésta constituye un factor muy importante en cualquier análisis que involucre un compresor, ya que cuando la eficiencia es alta el compresor consumirá menos cantidad de combustible porque necesitará menos trabajo para impulsar el flujo de gas. La eficiencia del compresor h se describe de la siguiente forma: 2 3 (2)  Q  Q  Q h = AE + BE   + CE   + DE   S S S donde los coeficientes AE, BE, CE y DE son también estimados de la misma forma que en (1) usando el método de Mínimos Cuadrados para el ajuste de la curva del compresor. Desde el punto de vista de modelación de redes es preferible trabajar en términos de flujo de masa y presión del gas ya que el flujo de masa se conserva en cada nodo de la red, lo cual no ocurre en el flujo volumétrico. Por tal motivo, se efectúa una transformación del dominio original de operación del compresor (en función de las variables (H, Q, S) a un dominio en función de las variables (w,Ps,Pd) denotado como D, donde w (lbm/min) es el flujo de masa a través del compresor, Ps (lbf/in2) es la presión de succión, es decir la presión a la cual el compresor toma el gas del ducto y Pd (lbf/in2) es la presión de descarga o presión a la cual sale el gas del compresor. Como el papel primordial del compresor es incrementar la presión del gas para mantenerlo en circulación se tiene que Ps < Pd. La relación que existe entre este dominio (w, Ps, Pd) y el dominio que conoce el operador en la industria (H, Q, S) es la siguiente:  P H = ZRTs  s  Pd m    − 1    w Q = ZRTs    Ps  (3) (4) donde m = (k-1)/k, k es la razón de calor específico, Z es el factor de compresibilidad, R es la constante del gas y Ts es la temperatura promedio que se supone constante. DESCRIPCIÓN DE LA FUNCIÓN DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE El consumo de combustible para un compresor centrífugo se representa mediante la siguiente función: g (w, Ps , Pd ) = a wH h (6) donde α es un factor constante que por simplicidad se toma α = 1. Esta función expresa el trabajo que tiene que 26 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Aproximando la función de consumo de combustible... / Yanet Villalobos Morales, et al realizar el compresor al transportar cierto flujo (w) a temperatura constante con determinada eficiencia, sus unidades (lbf-ft/min). Como puede apreciarse el principal costo computacional para evaluar a g en función de (w, Ps, Pd) estriba en la evaluación del denominador η. Para evaluar éste es necesario: (a) calcular H y Q de (3) y (4), respectivamente, (b) obtener S de (1) lo cual implica hallar las raíces de una función no lineal, y (c) evaluar (2). Un estudio más detallado de esta función de consumo de combustible puede ser encontrado en.4 Como se puede observar, efectuar este procedimiento cada vez que se quiera evaluar un punto en el dominio (w, Ps, Pd) implica un tiempo computacional relativamente alto. Como en los algoritmos típicos de optimización no lineal la función objetivo se tiene que evaluar cientos o miles de veces, no es recomendable usar este tipo de funciones. Una forma de solventar este dilema es usar funciones que se aproximen a la función y que sean más fáciles de evaluar. En5 se proponen seis funciones polinomiales para intentar aproximar a la función de consumo de combustible. Los autores llegaron a la conclusión que una de éstas fue superior a las otras en aproximar a la función objetivo. Sin embargo, una limitante de ese trabajo fue que en la evaluación se usó un sólo compresor en la estación compresora. Desde luego, para poder generalizar éste resultado es necesario efectuar una evaluación sobre un rango más amplio de compresores, lo cual es la parte medular de este trabajo. Las funciones de aproximación que se utilizaron para la evaluación se muestran a continuación: g1(w, Ps, Pd)= A1w +B1Ps +C1Pd + D1 g2(w,Ps, Pd)= A2w2 +B2wPs +C2wPd +D2Ps2 +E2PsPd +F2Pd 2 + G2w + H2Ps +I2Pd + J2  w Pd  g3(w, Ps, Pd)= Ps  A3 + B3 +C3  Ps   Ps 2   w 2 w Pd  Pd w Pd  +C4  + D4 +E4 + F4  g4(w, Ps, Pd)= Ps  A4  +B4 Ps Ps Ps Ps Ps Ps         w Pd g5(w, Ps, Pd)= wA5 + B5 +C5  Ps   Ps   w 2  Pd2 w Pd w Pd   +D6 +E6 + F6  g6(w,Ps, Pd)= w A6   +B6  + C6 Ps Ps Ps Ps Ps Ps       (7 -12) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 EVALUACIÓN COMPUTACIONAL Para llevar a cabo el experimento se usó el paquete Matlab 63 en una estación de trabajo Sun Ultra 10 bajo el sistema operativo Solaris 7. En primera instancia, se estimaron los coeficientes de cada función de aproximación mediante el método de Mínimos Cuadrados utilizando una muestra de 8000 puntos del dominio (w, Ps, Pd). Posteriormente se procedió a efectuar la evaluación de las funciones. Para esto se generó una malla de 20x20x20 del dominio (w, Ps, Pd). En cada punto de la malla se evaluaron todas las funciones, registrando el error relativo de cada función de aproximación con respecto a la función original de consumo. Esto se hizo en cada uno de los nueve compresores. El error relativo en punto (w,Ps,Pd) de la malla se calcula como g-real(w,Ps,Pd) g-aproximada(w,Ps,Pd) | /g-real(w,Ps,Pd). Los valores de los parámetros son: exponente isoentrópico k = 1.287, factor de compresibilidad Z = 0.95, y constante del gas R = 85.2 (lbf-ft)/(lbm-°R). Los datos de los compresores así como su terminología se toman de.2 La tabla I muestra los resultados del error máximo relativo, la tabla II muestra el error promedio relativo de cada función para cada compresor. En las tablas I y II, la primer columna muestra el nombre técnico del tipo de compresor según la industria, en cada celda restante se despliega el máximo error relativo y el error promedio relativo respectivamente para Tabla I. Error máximo relativo (%) de las funciones de aproximación. Funciones de aproximación Nombre del compresor g1 g3 g5 g6 CPID SNARLIN-K1 18.32 18.32 11.19 1.708 CPID RAKEEY-K1 18.60 18.60 11.10 1.844 CPID RAKEEY-K2 19.07 19.07 12.28 2.923 CPID HAMPER -K1 29.56 29.56 22.46 19.25 CPID BELLVAN-K1 21.75 21.75 11.16 1.863 CPID BELLVAN -K2 21.75 21.75 11.16 1.863 CPID BELLVAN-K3 44.30 44.30 12.14 2.760 CPID BETHANY-K1 39.48 39.48 12.15 6.109 CPID BETHANY-K2 14.88 14.88 9.750 1.659 27 �Aproximando la función de consumo de combustible... / Yanet Villalobos Morales, et al Tabla II. Error promedio relativo de las funciones de aproximación. Funciones de aproximación Nombre del compresor g1 g3 g5 g6 CPID SNARLIN-K1 4.53 4.53 4.74 0.51 CPID RAKEEY-K1 4.60 4.60 4.75 0.52 CPID RAKEEY-K2 5.03 5.03 5.10 0.98 CPID HAMPER -K1 6.22 6.22 8.41 5.43 CPID BELLVAN-K1 4.97 4.97 4.70 0.48 CPID BELLVAN -K2 4.97 4.97 4.70 0.48 CPID BELLVAN-K3 8.49 8.49 3.00 0.73 CPID BETHANY-K1 8.75 8.75 3.74 0.39 CPID BETHANY-K2 3.95 3.95 3.82 0.52 cada compresor (fila) y función (columna). Nótese que no se muestran los resultados de las funciones 2 y 4, ya que éstas arrojaron errores demasiado grandes comparados con los errores que arrojaron las funciones 1, 3 y 5. Se observó que la función g6 se aproximó mejor a la función objetivo. En ocho de los nueve compresores el error máximo relativo de g6 es menor al 7% y el error promedio relativo es menor al 1%, comparando estos resultados con los resultados de las demás funciones podemos ver claramente que en las funciones g1 y g3 sólo en un compresor el error más pequeño del error máximo relativo se acerca al 15% y los demás están muy por arriba de éste. En la función g5 el error máximo relativo más bajo está cercano al 10%, y el error promedio más bajo en g1 y g3 es casi el 4% y en g5 el error promedio más bajo es del 3% en solo uno de los compresores para estas tres funciones. Estos resultados verifican que, efectivamente g6 resulta ser la mejor aproximación consistentemente sobre cada uno de los compresores probados. confiabilidad que ésta puede utilizarse en reemplazo de la función original esperando un margen corto de error. Como es bien conocido, los algoritmos de optimización no lineal típicos requieren evaluar esta función un número muy grande veces. Aquí es donde puede redituar el usar una función más fácil de evaluar computacionalmente. AGRADECIMIENTOS El presente trabajo fue apoyado financieramente por el CONACYT (proyecto J33187-A) y el PAICYT de la UANL (proyecto CA355-01). REFERENCIAS 1. M. S. Bazaraa, H. D. Sherali, and M. Shetty. Nonlinear Programming: Theory and Algorithms. Wiley, New York, EUA, 1993. 2. S. Wu. Steady-State Simulation and Fuel Cost Minimization of Gas Pipeline Networks. Ph.D. Dissertation, University of Houston, Houston, EUA, 1998 3. S. Wu, R. Z. Ríos-Mercado, E. A. Boyd, and L.R. Scott. Model relaxations for the fuel cost minimizatión of steady-state gas pipeline networks. Mathematical and Computer Modelling, 31(2-3): 197-220, 2000. 4. The Math Works, Inc. MATLAB: Using Matlab Graphics. Natick, Massachussetts, EUA, 2000. 5. S. Kim. Minimum-Cost Fuel Consumption on Natural Gas Transmission Network Problem. Ph.D. Dissertation, Texas A&M University, College Station, EUA, 1999. CONCLUSIONES En este trabajo se evaluaron funciones para aproximar la función objetivo del problema de minimización de consumo de combustible en una red de gas natural en estado estable usando nueve compresores centrífugos diferentes. Se observó que una de las funciones, en particular la g6, fue la que mejor aproximó la función objetivo en todos los compresores. Por lo tanto, se puede concluir con más 28 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Publicado originalmente en: Ingenierías, Enero-Marzo 2010, Vol. XIII, Número 46, pp. 65-75. Seleccionado para este número especial de 20 Aniversario de la revista Ingenierías. Análisis de los modelos de transformadores para la simulación de la protección diferencial Víctor Marines Castillo, Gina Idárraga Ospina, Programa Doctoral en Ingeniería Eléctrica en FIME-UANL vic.gmarines@gmail.com , gidarraga@gmail.com Enrique Esteban Mombello Instituto de Energía Eléctrica, Universidad Nacional de San Juan, Argentina mombello@iee.unsj.edu.ar RESUMEN En el presente trabajo se realiza un análisis de las características de distintas herramientas de simulación de transitorios electromagnéticos para la simulación de la operación de la protección diferencial de transformadores. Se evaluaron las características de los programas EMPT/ATP, PSCAD y Matlab/Simulink considerando la característica de magnetización, la corriente de magnetización y las condiciones de sobreexcitación del núcleo de un transformador de potencia. Finalmente se presentan los resultados de la simulación de una protección diferencial con restricción por armónicas realizada en PSCAD, para realizar la discriminación entre corrientes de magnetización y corrientes de cortocircuito. PALABRAS CLAVE Corriente de energización, transformador saturable, protección diferencial, transitorios electromagnéticos, ATP, PSCAD, MatLab. ABSTRACT This paper describes the characteristics of three electromagnetic transients simulation programs for the simulation of differential protection scheme in power transformers. The evaluation was done for the programs EMPT/ATP, PSCAD and Matlab/Simulink, considering the following model featuring, magnetization curve, inrush current and over excitation conditions in the transformer core. Finally, the results of differential protection simulation in PSCAD with harmonic restriction are presented, the proposed scheme discriminates between inrush and short circuit currents. KEYWORDS Inrush current, Saturable transformer, Differential protection, Electromagnetic transients. ATP, PSCAD, Matlab. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 29 �Análisis de los modelos de transformadores para la simulación de la protección diferencial / Víctor Marines Castillo, et al. INTRODUCCIÓN Los transformadores de potencia forman parte del equipo primario del sistema eléctrico de potencia (SEP), y son elementos indispensables para transmitir los bloques de energía a través de las grandes distancias que separan los centros de generación y los consumidores. La calidad y continuidad de la energía eléctrica depende en gran medida del buen estado de estos equipos, a pesar de que los transformadores son elementos muy confiables, están expuestos a fallas de cortocircuito las cuales, pueden llegar a ser muy severas, al grado de destruir por completo el transformador. Para proteger el transformador se cuenta en la actualidad con el relevador de protección diferencial,1 el cual es el encargado de realizar la detección de cortocircuitos en terminales y devanados del transformador (fallas internas). Dicho relevador basa su operación en la suma fasorial entre las corrientes de entrada y salida del transformador,2 como puede verse en la figura 1. Es decir, en estado estable y en condición de falla externa, esta suma siempre es prácticamente cero (ideal). Por el contrario, cuando ocurre una falla interna la suma fasorial toma valores muy elevados, haciendo que el relevador reconozca el alto valor de corriente como una falla y entre en operación. Sin embargo, la protección diferencial de transformadores puede operar incorrectamente ante corrientes de energización (inrush). La corriente de energización del transformador, producida por la conexión inicial o por re-cierre de un interruptor automático de liberación de falla, es transitoria con valores muy elevados (hasta 30 veces la corriente a plena carga).1 La misma fluye desde la fuente hacia el transformador sin fluir fuera de él Fig. 1. Diagrama de conexión del relevador de porcentaje diferencial.7 30 (similar a una falla interna), por esta razón se presenta una corriente diferencial. Dicha corriente puede provocar un mal funcionamiento en el esquema de protección diferencial, motivo por el cual la corriente de energización debe ser detectada de forma tal que la protección permanezca sin actuar durante el periodo de energización del transformador, lo que convierte en una de las mayores preocupaciones en los esquemas de protección diferencial de transformadores la distinción exacta y rápida entre corrientes de energización y corrientes de falla. Lo anterior, debido a que la corriente de magnetización de energización presenta características diferentes a las corrientes de falla, la más significativa es su contenido armónico, presente en los transformadores por la característica no lineal del núcleo magnético, por tener sobreexcitación o también por presentar magnetización residual en el núcleo.3 Actualmente el esquema de protección diferencial más utilizado para la detección de la corriente de energización, es la protección diferencial con retención por armónicas. La retención se lleva a cabo discriminando la corriente de energización de una corriente de cortocircuito a partir del contenido de la segunda armónica y, utiliza el quinto armónico para discriminar condiciones de sobreexcitación. El algoritmo de retención por armónicas compara el valor de la segunda armónica con respecto a la componente de frecuencia fundamental y, si ésta relación es mayor que un valor predeterminado, se bloquea la operación de la protección.4 Sin embargo, el esquema de protección diferencial con retención por armónicas no realiza una adecuada discriminación entre la corriente de energización y la corriente de falla, causando una incorrecta operación del relevador, ya que el segundo armónico puede presentarse durante fallas internas en los transformadores, esto es debido a la saturación de los transformadores de corriente (TC), o a la presencia de capacitancias en el sistema que alimenta al transformador, así que el segundo armónico generado bajo estas circunstancias puede ser mayor que el segundo armónico generado por la corriente de energización del transformador.5 Aunado a esto, el uso de materiales amorfos para la elaboración de núcleos magnéticos de mejor calidad, y que generen menos pérdidas, disminuye el contenido armónico de la corriente de energización.6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Análisis de los modelos de transformadores para la simulación de la protección diferencial / Víctor Marines Castillo, et al. En el presente artículo se analiza el modelo del transformador saturable para su aplicación en el diseño de algoritmos de protección diferencial de transformadores, mediante una comparación de programas de simulación de fenómenos electromagnéticos. Cada programa de simulación tiene sus ventajas, por ello los autores no pretenden hacer una comparación exhaustiva de las funciones que tiene cada programa sino modelar el transformador tan real como sea posible para determinar el modelo que presenta las mejores características, que a criterio de los autores, son las necesarias para la aplicación en el diseño de algoritmos aplicables en la protección diferencial. PROTECCIÓN DIFERENCIAL DE TRANSFORMADORES En la figura 1 se presenta el esquema de protección de porcentaje diferencial conectado en las terminales de un transformador de potencia a través de los transformadores de corriente (TC). En el recuadro se muestra la característica del relevador, donde la región de operación es representada por el área sombreada sobre la pendiente (SLP). Por lo tanto, el relevador genera la señal de disparo si la corriente de operación IOP es mayor que un porcentaje de la corriente de retención IRET según. (1) I OP > SLP × I RET + I min donde las corrientes de operación y retención son obtenidas como. → → (2) I OP = I S 1 + I S 2 → → I RET = k I S 1 − I S 2 (3) En la (1), la comparación de una corriente de retención (escalada por la pendiente SLP) con la corriente de operación, se realiza para evitar falsas corrientes de operación en la protección diferencial, debido a la corriente de desbalance o de error, principalmente, por errores de relación de los TC; el porcentaje SLP es calculado de forma tal que represente un valor mayor a dicha corriente de desbalance. Los errores de relación de los TC no son la única causa de producir corrientes falsas de operación en el relevador diferencial. La tabla I enumera los principales factores que causan corrientes falsas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 de operación y la solución típica a cada problema. Los primeros 3 problemas de la tabla I, tienen una solución directa al seleccionar conexiones apropiadas de los TC ó utilizar características de porcentaje diferencial en el esquema de protección diferencial, pero un problema muy complejo es el discriminar entre corrientes de falla interna y corrientes de energización. MODELO DEL TRANSFORMADOR SATURABLE Los programas de simulación de fenómenos electromagnéticos PSCAD, 8 ATP 9 y MatLab 10 presentan una gran variedad de modelos de Tabla I. Factores que afectan la aplicación de la protección diferencial en transformadores de potencia. Problema Desplazamiento de fase entre la corriente del primario y secundario del transformador de potencia. Causa Solución Conexión deltaestrella de los devanados del transformador de potencia. Conexión apropiada de los TC como: estrella-delta. Compensación interna en relevadores digitales. Relación de transformación Cambiadores de variable del Tap para control de transformador voltaje de potencia. Diferentes niveles de voltaje entre el primario y Desajuste entre secundario del relación de transformador de transformación potencia tiene del como consecuencia transformador diferentes tipos de potencia y de TC, relación de TC. transformación y característica de funcionamiento. Característica de porcentaje diferencial en el relevador típicamente resuelve este problema Corriente de magnetización de energización, Desbalance en sobreexcitación, la corriente saturación en TC, aplicada al Algoritmos de transitorios en el relevador discriminación. SEP, energización (corriente de transformadores diferencial). paralelos al que esta puesto en servicio. 31 �Análisis de los modelos de transformadores para la simulación de la protección diferencial / Víctor Marines Castillo, et al. transformadores dentro de sus librerías, desde el transformador ideal hasta el modelo del transformador saturable, monofásico y trifásico, además de permitir el desarrollo e implementación de nuevos modelos. Un resumen del estado del arte en modelos de transformadores para la simulación de transitorios de baja frecuencia (corriente de energización, ferroresonancia e interacciones armónicas) puede verse en la referencia11. La figura 2 muestra el modelo circuital del transformador saturable monofásico el cual por su sencillez discutiremos en esta sección. El modelo considera la característica de magnetización la cual modela la rama de excitación con una resistencia Rm, que simula las pérdidas en el núcleo, y una inductancia saturable Lsat. Fig. 2. Modelo circuital del transformador monofásico saturable. Sin considerar las pérdidas en el núcleo, las expresiones matemáticas que describen el circuito equivalente del transformador, mostrado en la figura 2 se pueden escribir de la siguiente forma: di df v1 = R1i1 + L1 1 + N1 (4) dt dt di df (5) v2 = R2/ i2 + L/2 2 + N 2 dt dt donde, Φ es la suma de los flujos que ligan una bobina con los producidos por la otra. Podemos asumir, que estos flujos mutuos son producidos por la acción combinada de las corrientes que actúan simultáneamente, esto permitirá que los efectos no lineales sean incluidos y, por lo tanto, Φ se puede mirar como la suma de flujos separados. Para modelar la característica no lineal entre flujo y corriente, los programas de simulación generalmente utilizan la curva de saturación y advierten al usuario de la necesidad de un modelo más riguroso para condiciones específicas como lo es modelar el lazo de histéresis (aspecto que se explicará posteriormente). Como el fenómeno transitorio de energización de transformadores se presenta por la relación no lineal 32 flujo-corriente es importante definir, con base a pruebas, el modelo del transformador que se requiere para su aplicación en el diseño de un algoritmo para la protección diferencial. Modelo de saturación sin histéresis Dicho modelo también es conocido como el modelo que representa la característica no lineal del núcleo del transformador mediante un lazo de histéresis sin área, como se muestra en la figura 3, los programas de simulación; PSCAD®, MatLab® y ATP, presentan éste modelo mediante secciones o trozos lineales del primer cuadrante de la característica de saturación. Ésta curva puede ser diseñada como flujo contra corriente de magnetización ó también como tensión (en RMS) contra corriente de magnetización (en RMS). Otro de los modelos de saturación sin histéresis es el que presenta PSCAD® y se conoce como método de compensación de fuente de corriente.12 EMTDC utiliza un algoritmo de ajuste de curvas para representar la saturación del transformador en una forma lisa y continua. Para realizar el ajuste de curva, el método necesita la reactancia del núcleo de aire XAIR, la corriente de magnetización IMR, y el punto de la rodilla XKNEE. Fig. 3. Curva de saturación sin histéresis. Modelo de saturación con histéresis En MatLab® (Simulink) se puede modelar la no linealidad de Lsat mediante el lazo de histéresis, con ayuda de una herramienta llamada psbhysteresis, la cual genera un archivo con dirección *.mat necesaria cuando se requiere de la modalidad de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Análisis de los modelos de transformadores para la simulación de la protección diferencial / Víctor Marines Castillo, et al. histéresis, los parámetros requeridos para diseñar la curva de histéresis son el flujo remanente φr, el flujo de saturación φS, la corriente de saturación IS, la corriente coactiva IC y la pendiente dφ/dt; como se muestra en la figura 4, MatLab® realiza el ajuste de curva utilizando la expresión analítica arctangente. En ATP se puede añadir al modelo de saturación sin histéresis una inductancia Lsat con histéresis y de esta forma se obtiene un modelo del transformador con histéresis. PSCAD no presenta este modelo. Fig. 4. Lazo de histéresis. Corriente de magnetización El fenómeno transitorio de magnetización de transformadores es considerado un fenómeno complejo y difícil de modelar para un transformador en particular, debido a que existe un gran número de diseños del núcleo del transformador y que algunos de sus parámetros son no-lineales y dependientes de la frecuencia. Actualmente, existen diversas funciones analíticas que ajustan adecuadamente la curva de saturación,13-16 pero pueden llegar a ser muy complejas y requerir de mucha información. Despreciando las pérdidas, la corriente de magnetización se encarga de establecer el flujo en el núcleo circulando principalmente por la rama de excitación del transformador, en estado estable esta corriente se encuentra en un rango de 0.1% - 5% del valor de corriente nominal del transformador. La figura 5 muestra la energización de un transformador en el instante que la forma de onda de voltaje corresponde al flujo magnético residual del momento en que fue desconectado, si se presenta una continuación uniforme del flujo φr entonces el fenómeno transitorio de magnetización no existe. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 En la práctica, el fenómeno transitorio de corriente de energización es inevitable ya que el instante de la conmutación no puede ser controlado fácilmente. La figura 6 presenta el caso de máximo valor de corriente de energización cuando el transformador es desenergizado, la corriente de excitación sigue la curva de histéresis y se reduce a cero, mientras que el valor del flujo magnético disminuye hasta ubicarse en φr como se puede ver en figura 4. Cuando el transformador es re-energizado en el valor máximo negativo -φMAX y el flujo residual tiene un valor positivo, la densidad de flujo magnético no inicia en -φMAX comenzará en φr y alcanzará su valor máximo positivo en (φr + 2φMAX). Fig. 5. Caso de energización con corriente de energización nula. Fig. 6. Caso de energización con corriente de energización máxima. Sobreexcitación de transformadores La densidad de flujo magnético que circula por el núcleo del transformador es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la frecuencia del sistema V/Hz. Una sobreexcitación puede producir niveles de flujo magnético que saturan el núcleo, teniendo como resultado un incremento de la corriente 33 �Análisis de los modelos de transformadores para la simulación de la protección diferencial / Víctor Marines Castillo, et al. de magnetización y consigo la operación de la protección diferencial, sin embargo el transformador puede tolerar como máximo entre 105% y 110%17 con respecto a los valores nominales de V/Hz y no es deseable que su protección diferencial opere cuando el transformador se encuentre por debajo de su tolerancia por lo cual se utilizan métodos de bloqueo de la protección diferencial. Una característica de la corriente de sobreexcitación es su alto contenido de armónicas impares, en especial la tercera y la quinta, siendo ésta ultima utilizada para bloquear la protección diferencial en condiciones de sobreexcitación. La tercera armónica no se usa debido a la conexión delta-estrella de transformadores la cual anula naturalmente la tercera armónica, adicionalmente el uso de dicha armónica puede confundirse con condiciones de desbalance. ANÁLISIS DE RESULTADOS Descripción del sistema de prueba El sistema de prueba monofásico se muestra en la figura 7. Dicho sistema y sus parámetros son tomados como base para la implementación en cada programa de simulación, ya que corresponde a un ejemplo del toolbox de MatLab®10 y consiste en un transformador monofásico de 150MVA, 288/132 kV, alimentado por una fuente de tensión que suministra 288 kV rms a 60 Hz. Fig. 7. Diagrama del sistema de prueba. Después de hacer un gran número de simulaciones de la corriente de energización en diferente instante de tiempo de energización, y con una curva de saturación sin histéresis en cada programa, se comprobó que no existe diferencia significativa entre los programa de simulación, todos representan a la corriente de energización con el contenido armónico que la caracteriza, como se muestra en figura 8. 34 a b c Fig. 8. Caso de energización en el máximo valor (cruce por cero de tensión), a) Simulink, b) ATP, c) PSCAD. C o m p a ra c i ó n e n t r e e l m o d e l o d e l transformador saturable con histéresis y sin histéresis La característica no lineal flujo-corriente que presentan los transformadores puede ser modelada con la característica de saturación o con un modelo aún más elaborado considerando la curva de histéresis. Es importante discutir las características que presenta cada modelo desde el punto de vista de la aplicación de la protección diferencial y de esta forma discernir las ventajas y limitaciones de cada modelo. 1) Energización en el punto de flujo máximo Energizar un transformador para condiciones de flujo máximo no presenta diferencia significativa alguna entre el modelo con histéresis y sin histéresis, ésta comparación es mostrada en figura 9. La semejanza de los resultados se debe a que durante la energización el transformador opera en la zona de saturación lugar donde el lazo de histéresis es tan delgado que no tiene área, la figura 10 muestra el lazo de histéresis formado. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Análisis de los modelos de transformadores para la simulación de la protección diferencial / Víctor Marines Castillo, et al. a) Fig. 9. Energización en el máximo valor (modelo con histéresis). a) Fig. 10. Lazo de histéresis formado al arrancar el transformador en el valor de flujo máximo. 2) Condiciones de flujo residual Una de las diferencias que se presentan entre el modelo con histéresis y sin histéresis, además de la carga computacional, radica en el flujo residual (φr). El modelo de transformador con histéresis tiene la capacidad de recordar el flujo residual cuando ha sido desconectado del sistema mientras que una característica de saturación como la que se muestra en la figura 3, no tiene esta capacidad. La figura 11 muestra la desconexión y conexión del transformador modelado en Simulink® con histéresis y sin histéresis; en la grafica superior, figura 11(a), se muestra el comportamiento del flujo magnético, se puede observar que cuando el transformador es desenergizado y re-energizado el flujo magnético tiene un valor de (φr + 2φMAX ) mientras que para el modelo sin histéresis el valor de flujo es (2φMAX ). Esto repercute en el valor esperado de pico de corriente como se puede ver en figura 11(b). Cabe mencionar que para modelar el flujo residual con una característica sin histéresis se puede utilizar el modelo de trozos lineales y representar la curva de saturación con dos pendientes donde la primera se encuentra en el eje vertical con un valor máximo de φr y la segunda pendiente corresponde a la inductancia en el núcleo de aire correspondiente a la zona de saturación, de esta forma es posible obtener flujo residual y simular adecuadamente condiciones de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 b) b) Fig. 11. Energización en el valor máximo, a) con histéresis, b) sin histéresis. desenergización y re-energización de transformadores. La figura12 muestra el comportamiento del flujo y la corriente cuando se diseña una característica de saturación de dos pendientes simulada en PSCAD; se puede observar que el flujo se mantiene en el valor de φr correspondiente al modelo con histéresis, figura 12(a). Resultados semejantes se obtienen en ATP y MatLab. 3) Condiciones de sobreexcitación Para modelar condiciones de sobreexcitación, en los programas de simulación empleados, cuando se utiliza una curva de saturación sin histéresis, es necesario diseñar el codo de saturación con suficientes puntos y una característica de dos 35 �Análisis de los modelos de transformadores para la simulación de la protección diferencial / Víctor Marines Castillo, et al. Fig. 12. Re-energización en el valor máximo de flujo magnético con una curva de saturación de dos pendientes. pendientes no serviría para representar correctamente condiciones de sobreexcitación ya que su contenido armónico se ve afectado. Para analizar condiciones de sobreexcitación es recomendable modelar la característica no lineal del transformador mediante el lazo de histéresis o en su defecto una curva de saturación por trozos con los puntos que representen adecuadamente la zona de saturación. SELECCIÓN DEL MODELO PARA SU APLICACIÓN EN LA PROTECCIÓN DIFERENCIAL Modelar la corriente de magnetización suele ser una tarea compleja y demandante de mucho tiempo, por tal motivo se recurre a los programas de simulación de fenómenos electromagnéticos. Modelar la corriente de magnetización no es la única característica que se debe cumplir en la evaluación de algoritmos de protección diferencial de transformadores, los siguientes son requerimientos para dicha tarea: • Modelar corriente de magnetización de energización. • Modelar condiciones de sobreexcitación. • Simular la corriente de energización con flujo residual. • Modelar condiciones de falla interna. • Modelar condiciones de falla externa. • Modelar condiciones de saturación de TC. • Simular fallas interna con alto contenido de 2da armónica. • Simular transitorios como, tensión de restablecimiento (TRV). • Simular la energización de un transformador en paralelo al que se encuentra en servicio. Tabla II. Características de los programas para la aplicación en la protección diferencial. Saturación Programa Con Sin Histéresis Histéresis PSCAD 36 Pu ● ATP MatLab Simulink Unidades ● ● ● ● ● SI Otras características ● Programa de Transitorios electromagnéticos (EMTP). El modelo de transformador tiene opción de graficar la corriente del primario. Para simular el caso de máximo valor de corriente de energización asegurarse que el ángulo de la fuente de tensión sea 90°, 270°. Se puede modelar la característica de saturación con lazo de histéresis añadiendo una rama no lineal de inductancia con histéresis. ● Programa de simulación de sistemas dinámicos generales. El modelo de transformador tiene opción de graficar la corriente del primario, corriente de magnetización, densidad de flujo. MatLab es una herramienta poderosa para el tratamiento digital de la señal. Programa de Transitorios electromagnéticos (EMTP). El modelo de transformador tiene opción de graficar la corriente del primario y secundario, corriente de magnetización (modelo clásico) y densidad de flujo. Presenta dos métodos para modelar la característica de saturación. Cuenta con una librería de protecciones, donde se encuentran modelos de TC, filtros digitales y relevadores de protección (distancia, sobrecorriente, diferencial). Cuenta con un modelo de transformador para fallas internas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Análisis de los modelos de transformadores para la simulación de la protección diferencial / Víctor Marines Castillo, et al. Los requerimientos mencionados son incluidos en el criterio de elección. La tabla II presenta las características principales consideradas en cada programa. Con el análisis de resultados obtenidos y las características de cada programa de simulación presentadas en la tabla II, se hace la elección de PSCAD como el programa de simulación de transitorios electromagnéticos para su aplicación a la protección diferencial. Considerado por los autores como la herramienta que presenta las mejores características para la tarea de obtención y evaluación. En la figura 13 puede verse el esquema de protección diferencial con restricción por armónicas, implementado en PSCAD®. Fig. 13. Esquema de protección diferencial con restricción por armónicas. Implementado en PSCAD®; a) sistema de prueba, b) filtros digitales (fundamental, 2da, 4ta y 5ta armónica), c) lógica de operación del relevador diferencial instantáneo (87U1) y lógica de operación del esquema diferencial con retención por armónicas (87R1). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 En el esquema diferencial de la figura 13 se utilizaron TC’s, con modelos Jiles-Atherton no mostrados en la figura. En la figura 14 se muestra la operación de los relevadores con el método de discriminación tradicional de armónicos, ante una corriente de energización figura 14a) y una corriente de falla de cortocircuito figura 14b). En la figura 14a) y figura 14b), se puede ver que el relevador diferencial instantáneo 87U1 no opera debido a que la corriente no es lo suficientemente severa como para hacer operar esta unidad, ésta unidad solo opera para fallas muy severas. En la figura 14a), la unidad de restricción por armónicas 87R1 hace una identificación correcta, al no operar, debido a que la finalidad de ésta unidad es aumentar la región de no falla, sumando el contenido de 2da y 4ta armónica en la pendiente SLP. En la figura 14b), Fig. 14. Operación del relevador diferencial con retención por armónicas. a)corriente de energización, b)falla interna de cortocircuito. 37 �Análisis de los modelos de transformadores para la simulación de la protección diferencial / Víctor Marines Castillo, et al. la unidad de restricción por armónicas 87R1 hace una identificación correcta de la falla, mandando la señal de disparo del interruptor. PROPUESTA PARA REALIZAR LA DISTINCIÓN ENTRE CORRIENTE DE ENERGIZACIÓN Y FALLAS INTERNAS EN TRANSFORMADORES Buscando contribuir en la mejora del esquema de la protección diferencial se propone una metodología basada en dos etapas. En dichas etapas se busca realizar un algoritmo que discrimine entre corrientes de energización y corrientes de falla; finalmente se realizará la validación del nuevo algoritmo usando datos reales obtenidos en laboratorio. • Etapa 1. Desarrollo del algoritmo de protección. Se incluye la investigación y desarrollo de los algoritmos y su evaluación por simulación digital. Se tomarán datos de las simulaciones requeridas para la validación de algoritmos de protección diferencial de transformadores, mencionado en IV-C, y obtenidos previamente de.8 Con ésta base de datos se probará y verificará el algoritmo desarrollado. • Etapa 2. Validación del algoritmo en tiempo real. Se propone crear una versión virtual de la protección diferencial desarrollada. La versión virtual consta de una computadora equipada con una tarjeta de adquisición de datos. La corriente de falla y energización del transformador será adquirida por dicha tarjeta, después será procesada mediante los algoritmos desarrollados. CONCLUSIONES En el presente artículo se realizó una comparación de los modelos existentes en los programas de simulación de fenómenos electromagnéticos: EMTP/ATP©, PSCAD® y MatLab® (Simulink), y se seleccionó, revisando los parámetros del transformador que reconoce cada programa, el modelo que presenta las mejores características para su aplicación en el estudio del esquema de protección diferencial. Se expuso como la corriente de magnetización de energización, sobreexcitación, saturación de TC, transitorios en el SEP, y la energización de un 38 transformador paralelo puesto en servicio, son los factores que afectan el esquema de protección de porcentaje diferencial de transformadores. Se demostró que para desarrollar un algoritmo capaz de discriminar entre corrientes de magnetización y corrientes de fallas, para la protección diferencial de transformadores, no es necesaria la modelación del transformador con histéresis. Lo anterior debido a que las características esenciales de la corriente de energización, requeridas en la protección diferencial, son obtenidas de modelos sin histéresis y para estas mismas características no se requiere de una curva de saturación que represente el codo de la curva de forma exacta, por lo que se puede recurrir a características de saturación de dos pendientes cuando se requiera modelar condiciones de flujo residual. REFERENCIAS 1. J. Lewis Blackburn, Thomas J. Domin. Protective relaying principles and applications. Third edition. Taylor and Francis group, New York, 2006. 2. Ed. Phillip, A. Laplante, Electrical Engineering Dictionary. Boca Raton: CRC Press LLC, 2000 3. W. K. Sonnemann, C. L. Wagner, G. D. 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González González FIME-UANL morivano@gmail.com Jorge Romero García, Rodolfo Cruz Silva Centro de Investigación en Química Aplicada, Saltillo, Coahuila jromero@ciqa.mx RESUMEN El propósito de este trabajo fue la polimerización de la anilina utilizando la hematina como catalizador biomimético en un medio de reacción ácido utilizando como disolvente el ácido acético, lo cual permitió realizar la síntesis de polianilina sin la necesidad de usar “plantillas” las cuales afectan las propiedades electroquímicas del producto final. El polímero sintetizado mediante esta técnica mostró buenas características estructurales tal y como lo demostraron los espectros de FTIR y UV-Vis. Además de contar con una buena cristalinidad y estabilidad térmica, como se pudo constatar en las pruebas de DRX y TGA respectivamente. La conductividad eléctrica, la electroactividad y la reversibilidad oxidativa de la polianilina sintetizada fueron bastante aceptables considerando las condiciones de síntesis. Finalmente el proceso de optimización de la reacción llevó a rendimientos de hasta 70%. PALABRAS CLAVE Polianilina, hematina, catalizador biomimético. Publicado originalmente en: Ingenierías, Enero-Marzo 2007, Vol. X, Número 34, pp. 36-43. Seleccionado para este número especial de 20 Aniversario de la revista Ingenierías. Hematina como catalizador biomimético en la síntesis de polianilina conductora ABSTRACT The purpose of this work was to polymerize aniline using hematin as biomimetic catalyst in acid medium using acetic acid as solvent, this allowed to make the polyaniline synthesis without “templates” that difficult to obtain good electrochemical properties in the final product. The FTIR and UV-Vis spectrums and TGA analysis showed that the synthesized polymer using this technique shows good structural characteristics, high yield (70%) and good thermal behavior. Furthermore, synthesized polyaniline shows good crystalline degree in the DRX spectrum. This polymer also shows good redox reversibility and electrical conductivity in consideration of the synthesis conditions. KEYWORDS Polyaniline, hematin, biomimetic, catalyst. 40 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Hematina como catalizador biomimético en la síntesis... /Iván Eleazar Moreno Cortez, et al INTRODUCCIÓN Dentro del estudio de la polianilina como polímero conductor, el método utilizado en su síntesis ha jugado uno de los aspectos básicos, con miras a lograr su procesabilidad1 o bien para mejorar sus propiedades. Para alcanzar estos objetivos se han implementado diversas técnicas tales como polimerización en emulsión1 o simplemente variando la naturaleza y estructura del dopante utilizado. Sin embargo la mayoría de estas innovaciones se han suscrito dentro del contexto de la síntesis química. Este método ha sido adoptado como el método tradicional para la síntesis de este polímero conductor.2 La oxidación química de la anilina se realiza por lo general a pHs bajos, estas condiciones de síntesis favorecen el acoplamiento cabeza-cola de la anilina y la obtención de un polímero sin ramificaciones o defectos estructurales, que como es bien conocido repercuten en la buena conductividad eléctrica de este material2. Paradójicamente estas condiciones de síntesis tan drásticas han limitado su uso a gran escala en la industria química. Esta situación ha estimulado a varios grupos de investigación alrededor del mundo a buscar alternativas no contaminantes y viables desde el punto de vista comercial para la síntesis de polianilina conductora. Una de las alternativas más prometedoras que se han presentado en los últimos años es la síntesis enzimática, mediante este método, la síntesis de polianilina (PANi), se puede realizar en condiciones ambientalmente benignas,3 se utiliza un catalizador de origen natural, no hay formación de subproductos y además en el proceso de reacción no se presenta período de inducción, ni tampoco es autocatalítico. Las enzimas son macromoléculas de origen biológico, cuya estabilidad depende grandemente del pH0 del medio de reacción.3 Comúnmente se han utilizado enzimas peroxidasas en la síntesis de la PANi y dentro de estas la más utilizada es la de rábano picante (HRP), la cual ha demostrado ser un catalizador apropiado para la síntesis de PANi.4 Aunque en los últimos años la peroxidasa de soya (SBP) ha mostrado contar con un excelente desempeño en condiciones críticas de temperatura y pH0.10 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 Este tipo de síntesis por lo general se han realizado a pH altos pero obteniéndose materiales entrecruzados. Debido a esto último, la PANi producida por vía enzimática no presentaba características de conductividad eléctrica, electroquímicas y de procesabilidad comparables con la PANI sintetizada por el método químico.5 No obstante se han realizado esfuerzos importantes para la obtención de polianilina vía enzimática eliminando estos inconvenientes a través de la utilización de polielectrolitos,6 matrices, micellas,7 polimerización en la interfase aire-agua y modificando del monómero de la anilina en soluciones acuosas. Aunque todas estas técnicas mejoran la solubilidad del monómero produciendo polímeros de mayor peso molecular; únicamente las micellas así como los polielectrolitos producen polímeros con un alto nivel de linealidad. Estos actúan como “plantillas” (figura 1) que proporcionan un ambiente ácido a una escala local, el cual favorece el acoplamiento cabeza-cola requerido para la linealidad de la molécula aún y cuando el pH en la mezcla se mantenga a valores más altos. No obstante estas técnicas presentan el inconveniente de un alto grado de acomplejamiento entre la PANi y el electrolito haciendo difícil su producción a gran escala e influyendo en las propiedades tanto ópticas como de conductividad eléctrica del producto final.6,7 Fig. 1. Manera en la que actúan las plantillas para inducir la linealidad en los polímeros sintetizados. Una alternativa interesante a la síntesis enzimática es la síntesis biomimética8 la cual en principio utiliza especies químicas más simples que imitan la función de las peroxidasas, sin el inconveniente de la complicada y delicada estructura tridimensional de éstas, la cual se ve grandemente afectada con los cambios en pH dificultando la obtención de la sal de emeraldina (la única forma conductora de la PANi) que se sintetiza únicamente a pHs abajo de 3. 41 �Hematina como catalizador biomimético en la síntesis... /Iván Eleazar Moreno Cortez, et al En este trabajo se plantea la utilización de la hematina (figura 2) como catalizador biomimético a pH0 ácido cercano a un valor de 1. En la literatura únicamente se han reportado trabajos de síntesis enzimática de PANi, (sin utilizar plantillas), a pHs neutros ligeramente alcalinos.8 Esto último impide la obtención de una polianilina sin defectos estructurales y con el grado de oxidación (50%) óptimo, ambas condiciones indispensables para la ocurrencia del fenómeno de conducción en la PANi. En este trabajo se utilizó la hematina como catalizador de la polimerización de la anilina en un sistema en solución utilizando ácido acético como disolvente. Fig. 2. Estructura de la hematina. En trabajos previos de síntesis biomimética de PANI, la hematina fue modificada con polietilenglicol y además se utilizó poliestirensulfónico como plantilla de modo que se permitiera un acoplamiento cabezacola de la anilina para dar lugar a una estructura lineal de la forma conductora de la polianilina. Este método tiene como inconvenientes tales como la dificultad para la modificación de la hematina, el alto grado de acomplejamiento de la PANI con la plantilla y la imposibilidad para recuperar la hematina del medio de reacción. ácido acético. En cada polimerización se utilizó ácido p-toluensulfónico (TSA) como dopante en una relación molar de 1:1, así como también se utilizó peróxido de hidrógeno como oxidante en una relación molar de 1:1. Las polimerizaciones se llevaron a cabo en una matraz de tres bocas de 250 ml, en el matraz primero se agregaron 50 ml de las diferentes soluciones diluidas de ácido acético a diferentes concentraciones (50%,75%), agregándose después el TSA como dopante, después se procedió a la medición inicial del pH del medio de reacción (pH0). Posteriormente se adicionó la anilina (0.5g) disuelta en los 50 ml de solución e inmediatamente después se adicionó la hematina en diferentes cantidades (5, 7.5, 10, 15 mg). En las primeras 6 corridas se dio énfasis al efecto del medio de reacción, cantidad de catalizador añadido y el tiempo de reacción en la producción obtenida en cada corrida. Todas las reacciones se llevaron a cabo en una atmósfera inerte y a una temperatura de reacción controlada de 1°C. Después de transcurrido el tiempo de incubamiento (0 y 24 Hrs.) en reposo a una temperatura de 0 ºC y atmósfera inerte, la reacción se filtró y el precipitado se lavó con metanol y posteriormente se desdopó a través de un lavado con una solución de NH4OH. Finalmente el polímero se filtró de nuevo y se secó por liofilización, la polianilina así sintetizada la identificaremos como BPANi. Vía enzimática: La PANi se sintetizó enzimáticamente siguiendo el siguiente procedimiento: La polimerización de anilina fue efectuada en medio acuoso. Un procedimiento típico es el siguiente: La anilina se añade al medio de reacción (60 mL de agua desionizada). El pH0 fue ajustado a un valor de 3 mediante la adición de una solución de TSA. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Síntesis de polianilina Vía biomimética: La polimerización de la polianilina se llevó a cabo utilizando la hematina como catalizador biomimético en un sistema en solución, aprovechando la solubilidad de ésta en 42 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 17 �Hematina como catalizador biomimético en la síntesis... /Iván Eleazar Moreno Cortez, et al La solución se pone en un reactor de 250 mL con chaqueta de enfriamiento y es desgasificado mediante vacío. Posteriormente el reactor es conectado a un baño de temperatura constante (Polystat 12101-50) de agua-metanol para mantenerlo a 1ºC y mantenido en una atmósfera inerte. La enzima peroxidasa de soya (30 mg de SBP), se añadió a la solución y se disolvió bajo agitación magnética. Inmediatamente después se añadió una solución de peróxido de hidrógeno al 30 % en peso utilizando una bomba peristáltica al 9% de su capacidad y por espacio de 62 minutos hasta alcanzar una relación molar de 1:1 con la anilina. Después de 3 horas de iniciada la reacción la mezcla de reacción se filtró y el precipitado se lavó con metanol y finalmente con una solución de NH4OH acuoso (0.2N) con el fin de desdoparla. El polímero se filtró y se secó por liofilización. Este polímero fue usado como material de referencia y será citado como EPANi. Vía química: Esta PANi se sintetizó siguiendo el procedimiento reportado por Wei y col.9 Y usada como material de referencia,10 la polianilina así obtenida se identificará como CPANi. Caracterización: La estructura de los polímeros obtenidos fue comprobada mediante espectros UVVis e infrarrojo. Los espectros de infrarrojo con transformada de fourier (FTIR) fueron medidos en la modalidad de transmitancia utilizando pastillas de KBr en un equipo Nicolet Magna 550 FTIR. Los espectros de UV-Vis de las soluciones de polímero se obtuvieron con un equipo Shimadzu 2401 utilizando N-metilpirrilidona (NMP) como disolvente. El análisis termogravimétrico de las diferentes polianilinas sintetizadas se llevó a cabo en un equipo Shimadzu TGA-50. Los difractogramas de rayos X a ángulo alto fueron obtenidos en un equipo Siemens D-5000 con una fuente de radiación de CuKα (25 mA de intensidad, 35 kV de voltaje de aceleración), operando en modo 2θ con una velocidad de 0.3 º / min. Las mediciones de conductividad fueron realizadas mediante la técnica de dos puntos utilizando un multímetro electrómetro Keithley 6517 A. Para las pruebas de voltametría cíclica las muestras fueron depositadas sobre electrodos de grafito, utilizando una solución de HCl 1 N como electrolito. En todos los casos se utilizó un electrodo de Calomel saturado (ECS), como electrodo de referencia. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Debido a que en la literatura se ha recalcado la influencia del medio de reacción tanto en la producción como en las características fisicoquímicas del producto final, en este trabajo se decidió estudiar primero el comportamiento de la hematina en diferentes medios de reacción. Se utilizaron diferentes porcentajes de ácido acético en el medio de reacción durante el proceso de síntesis (tabla I) para determinar el efecto que este ácido tiene sobre el rendimiento de la reacción. Simultáneamente se evaluó el contenido de hematina sobre este mismo parámetro. En las corridas 1 y 2 se puede notar la influencia negativa que tiene el mayor porcentaje de ácido acético en el rendimiento de la reacción. Estos resultados están acorde a lo reportado por Adams11, en donde se hace mención a la importancia de una alta constante dieléctrica en el medio de reacción, como medio para evitar defectos estructurales y ramificaciones en el producto final. Es por eso que el uso de disolventes orgánicos (en nuestro caso el ácido acético) afecta de forma importante el rendimiento de la reacción y la estructura del producto final, al disminuir la constante dieléctrica de la reacción. En cambio de los resultados obtenidos en la corrida 6 podemos apreciar que el tiempo de reacción no afecta al rendimiento tanto como el contenido de ácido acético. Por otra parte si analizamos la cantidad de catalizador añadido (corridas 3, 4 y 5) Tabla I. Producciones de la polianilina (BPANi) sintetizada bajo diferentes condiciones de síntesis. Cantidad Rendimiento de Cat. (%) (mg) Corrida AcOH (% v/v) pH0 1a 75 0.15 5 15.5 2 a 50 1.02 5 45 3 a 50 1.02 7.5 38.8 4a 50 1.02 10 46 5a 50 1.02 15 70 6 50 1.02 5 25 b a) Tiempo de reacción 2 hrs y 24 h de incubamiento. b) Tiempo de reacción 12 hrs y 0 h de incubamiento. 43 �Hematina como catalizador biomimético en la síntesis... /Iván Eleazar Moreno Cortez, et al podemos observar un incremento en el rendimiento de la reacción conforme se incrementa la cantidad de catalizador utilizado en la reacción. En la figura 3 se muestran los espectros de UV-visible de los materiales sintetizados biomiméticamente en medios de reacción con diferentes porcentajes de ácido acético, en la misma gráfica se presentan los espectros de la polianilina sintetizada por medio de oxidación química de la anilina (CPANi) y oxidación enzimática (EPANi) utilizando peroxidasa de soya (SBP). Como se mencionó anteriormente la CPANi presenta las bandas de absorción características de la emeraldina base que es la única forma conductora de la polianilina, en este estudio se tomó como referencia para comparar los espectros de la polianilina obtenida bajo diferentes condiciones de reacción. En todos los espectros se puede apreciar la aparición de las dos bandas de absorción típicas de la emeraldina base. La banda en la región de 320330 corresponde a la transición p - p * de los anillos quinoides y la banda en el intervalo de 610-638 que corresponden a la transición excitónica de los anillos quinoides.12 La relación entre la absorbancia de estos dos picos se ha utilizado en diferentes trabajos sobre polianilina para deducir el grado de oxidación del polímero, siendo de 1.1-1.4 el característico de la emeraldina base.13 En la tabla II se presentan los valores de absorción máxima de las bandas características para la emeraldina base (obtenidos de los espectros de mostrados en la figura 3), así como la relación de absorbancia entre estos. Como se puede Tabla II. Relación de absorbancias entre las dos bandas principales de las polianilinas sintetizadas bajo diferentes rutas y condiciones de síntesis. Fig. 3. Espectros de UV-Vis de la PANi sintetizada bajo diferentes medios de reacción: a) BPANi a pH0= 1, en medio de AcOH 50% v/v, b) BPANI a pH0 = 0.15 en medio de AcOH 75% v/v, c) EPANi , d) CPANi. Fig. 4. Espectros de FTIR de PANi bajo diferentes rutas y medios de reacción: a) BPANi a pHo = 1 en medio de AcOH 50% (v/v), b) BPANi a pHo de 0.15 en medio de AcOH 75% (v/v), c) EPANi, d) CPANi. 44 Muestra Bandas BI/BII I II CPANi 330.5 637.5 1.2 EPANi 326.5 637 1.15 BPANI-75% AcOH 323 617 1.4 BPANI-50% AcOH 324.5 633 1.33 observar todas caen dentro del intervalo esperado, incluso no se observa gran diferencia entre la BPANi sintetizada con el menor porcentaje de ácido acético y la CPANi lo cual es indicativo de un grado de oxidación aceptable para la primera. La figura 4 muestra los espectros de infrarrojo correspondientes a las muestras de la tabla I. Las cuatro muestras presentan espectros muy similares y que en general corresponden a los esperados para una estructura del tipo emeraldina base, por ejemplo, para la BPANi en un medio de reacción de 50%AcOH se aprecian señales a 1588 cm-1 y 1501 cm-1 correspondientes al estiramiento del anillo en las diiminas quinoides y las diaminas bencenoides respectivamente.12 Así como los picos a 1372 cm-1 y 1301 cm-1 que corresponden al estiramiento de los enlaces C-N entre las unidades quinoides y bencenoides. También se observan picos en 1142 cm-1 y 830 cm-1 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Hematina como catalizador biomimético en la síntesis... /Iván Eleazar Moreno Cortez, et al correspondientes a las flexiones dentro y fuera del plano respectivamente de los enlaces C-H que a su vez corresponden a los anillos aromáticos sustituidos en la forma 1-4.14 Esto último resulta importante resaltar debido a que indican la estructura de un polímero lineal y sin defectos estructurales, por lo tanto susceptible de contar con buena conductividad eléctrica. En esta muestra también se detectaron picos en las regiones de 1010, 1030 y 696 que en otros estudios se han asociado al estiramiento del enlace S=O originado por los residuos del acido p-toluensulfónico (TSA), en las muestras de PANi las cuales no fue posible eliminar de estos materiales durante el proceso de desdopaje.15 El análisis termogravimétrico de las muestras sintetizadas biomiméticamente (figura 5) indican que la polianilina sintetizada por este método muestra una buena estabilidad térmica y en el caso de la muestra donde la reacción se realizó con 50% de ácido acético su estabilidad térmica fue la más parecida a la de aquella obtenida por síntesis química (CPANi). Esta baja en la estabilidad térmica del polímero se ha atribuido10 a defectos estructurales en la estructura molecular de polímeros sintetizados bajo condiciones de síntesis parecidas a las utilizadas en este trabajo, esto no fue posible detectar con nuestras pruebas de caracterización estructural. En la figura 6 se muestran los espectros de difracción de rayos X de las distintas muestras de Fig. 5. Termogramas de PANi sintetizada por diferentes vias y condiciones de reacción. a) CPANi, b) BPANi a pHo = 1 en AcOH al 50% (v/v), c) BPANi a pHo = 0.15 en AcOH al 75% (v/v), d) EPANi. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 Fig. 6. Espectro de difracción de rayos X a ángulos altos de las muestras sintetizadas por vías: a) CPANi, b) EPANi y c) BPANi. trabajo. Como se puede observar la que presenta el mayor grado de cristalinidad es la CPANi con picos de difracción en 9.29°,15.9°, 22°, 25.5° y 27° característicos de la sal de emeraldina.16 La polianilina sintetizada por el método biomimético presenta un grado de cristalinidad bastante aceptable, pero sin llegar al grado de cristalinidad alcanzado por la CPANi o la EPANi. En la tabla III se muestran los resultados de conductividad eléctrica de las diferentes muestras sintetizadas por oxidación química, enzimática y la biomimética con el mejor rendimiento. Como se Tabla III. Conductividades de las muestras sintetizadas con los distintos métodos estudiados en este trabajo. Mecanismo de Ox. Cat. pH0 Rend. (%) Cond. (S/m) CPANi -- 1 75 0.4 EPANi SBP 3 73 1.78 BPANi Hematina 1 70 1.32 puede observar las tres muestras entran en el rango de los materiales conductores(S/m>10-2). Como se puede observar la muestra sintetizada biomiméticamente muestra una buena conductividad, aunque menor que el material polimerizado enzimáticamente. Como se pudo apreciar en la caracterización por DRX y TGA, el polímero sintetizado biomiméticamente cuenta con baja cristalinidad en comparación con la CPANi y defectos 45 �Hematina como catalizador biomimético en la síntesis... /Iván Eleazar Moreno Cortez, et al estructurales que afectan su estabilidad térmica. Lo anterior es típico de las polianilinas sintetizadas en medios parcialmente orgánicos, 13,17 como es nuestro caso. Lo anterior lleva como consecuencia a una disminución en las interacciones moleculares, afectando considerablemente la conductividad del polímero sintetizado. Sin embargo el bajo pH0 de la reacción sin duda ayudó a mejorar la conductividad eléctrica en comparación con las polianilinas reportadas con anterioridad, las cuales se sintetizaron bajo condiciones de síntesis parecidas.17 La electroactividad y la reversibilidad oxidativa de las polianilina sintetizada biomiméticamente fue estudiada mediante la caracterización por voltametría cíclica que se muestra en la figura 7. En estas se pueden apreciar dos picos anódicos en la región de los +300 mV y +690 mV para la polianilina sintetizada con el método biomimético, correspondientes a las Fig. 7. Curva voltamétrica de la polianilina sintetizada biomiméticamente (BPANi). conversiones de leucoemeraldina base a emeraldina y de la oxidación de emeraldina a pernigranilina respectivamente.18 Posteriormente en el proceso de optimización de la reacción se observó que el mayor rendimiento se obtuvo con la relación 1:1 dopante/anilina, así como una relación 1:1 peróxido/anilina pero aumentando la cantidad de catalizador (15 mg de hematina), obteniéndose un rendimiento del 70% bajo estas condiciones de síntesis. 46 CONCLUSIONES En este trabajo se logró polimerizar la anilina siguiendo un método biomimético utilizando un catalizador de bajo costo como lo es la hematina en condiciones ácidas con pHs de 1 en la mayoría de las reacciones, condiciones que no se habían reportado antes en la utilización de hematina en la síntesis de polianilina. Debido a lo anterior se obtuvo la síntesis de un polímero con buenas características estructurales, como lo demuestran los espectros de UV-Vis y FTIR y con un grado de oxidación aceptable. Aunque como se comprobó en la caracterización por difracción de rayos X y en las pruebas de TGA existen defectos estructurales que no fue posible detectar con las pruebas mencionadas anteriormente, los cuales obstaculizan los saltos intercadena de los portadores de carga así como tampoco permitieron una adecuada cristalización del polímero, afectando de esta manera las propiedades fisicoquímicas del polímero final así como de conductividad eléctrica. Sin embargo, el que se haya podido realizar la síntesis de una polianilina conductora bajo esas condiciones de reacción y sin el uso de “plantillas”, es sin duda un gran adelanto en la búsqueda de métodos cada vez más efectivos y accesibles para la síntesis de este polímero conductor, considerado el más versátil en cuanto a su síntesis y aplicaciones tecnológicas. Además variando las condiciones de síntesis en el proceso de optimización de la reacción se obtuvieron rendimientos tan altos como 70%. Como resultado de lo anterior se comprueba la utilidad de la hematina en la síntesis de una polianilina con relativamente buenas propiedades fisicoquímicas y de conducción, lo que la presenta como una alternativa económicamente viable en la polimerización de anilina tanto en la industria química como en la investigación científica. REFERENCIAS 1. a) Cao, Y., Smith, P. and Heeger, A.J. U.S. Patent 5,232,631, 1993; b) Osterholm,J.-E.,Cao, Y., Klavetter, F. and Smith P, P. 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Pruneanu, S.; Veress, E.; Marian, I.; Oniciu, L.; Characterization of polyaniline by cyclic voltammetry and UV-Vis absorption spectroscopy. J. Mat. Sci. 1999, 34, 27. 47 �Nicolás González Fonseca, Jesús de León Morales Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL nicolasgzz@gmail.com; drjleon@gmail.com RESUMEN El retraso en sistemas teleoperados es uno de los problemas más importantes en control y para disminuir sus efectos negativos se han implementado diversas técnicas. Una de las opciones más interesantes para los investigadores en el área de control es el uso de control en modos deslizantes. Más importante aún es la combinación de las técnicas de modos deslizantes con los controles basados en impedancia, la cual permite disminuir el ‘chattering’ asociado con el funcionamiento normal de modos deslizantes. El uso de observadores ha sido analizado ampliamente en la literatura, sin embargo en muy pocos casos se aborda el caso no lineal. Este trabajo presenta un nuevo esquema de control de sistema de teleoperación de modos deslizantes basado en impedancia. Además se proponen dos posibles observadores que evitarían el uso de sensores de velocidad en el sistema esclavo, reduciendo costos y las dimensiones del control. La comparación del observador super twisting con el Lyapunov-Krasovskii es una de las aportaciones más importantes de este trabajo. PALABRAS CLAVE Teleoperación, control, retardos, impedancia, deslizantes. ABSTRACT Delay in teleoperatorated systems is one of the most important problems in control, and for reducing its effects; several techniques have been implemented. One of the most interesting options for the researchers working on control is the application of sliding mode control. It is even more important the combination of control of sliding mode with impedance based controls, which allows the reduction of chattering, associated to normal functioning of sliding controls. The use of observers has been widely reviewed in literature, however, non linearity is considered in very few cases nonlinear observers has been proposed to be used in teleoperation, specially considering time delayed. This paper presents a new scheme for a teleoperation control system of sliding mode based on impedance. Besides two possible observers which would avoid use of high speed sensors in the slave system, reducing costs and control dimensions. The comparison of the super-twisting observer with the Lyuapunov-Krasovskii one, is one of the main contributions of this work. KEYWORDS Teleoperation, control, delays, impedance, sliding. 48 Publicado originalmente en: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2011, Vol. XIV, Número 53, pp. 64-72. Seleccionado para este número especial de 20 Aniversario de la revista Ingenierías. Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. INTRODUCCIÓN Recientemente ha habido gran interés por el estudio de los sistemas que presentan retardos en el tiempo. Muchos sistemas físicos muestran este tipo de fenómeno, por ejemplo en comunicaciones, la transmisión de datos está siempre acompañada de un retardo, así mismo ocurre en sistemas biológicos. El efecto de los retardos en el tiempo en un sistema no lineal en lazo cerrado puede provocar inestabilidades en éste; y por este motivo es importante realizar estudios de estos sistemas bajo los efectos del retardo en el tiempo. Los retardos en el tiempo se pueden presentar tanto en el propio estado (las variables internas del sistema) como en las entradas del sistema, y pueden provocar comportamientos complejos, tales como: oscilaciones, inestabilidad, y mal desempeño, entre otros. Por ejemplo un pequeño retardo podría desestabilizar un sistema, mientras que uno más grande podría estabilizar otros. Un retardo que aparece en el estado de un sistema no lineal podría generar un comportamiento caótico, mientras que un sistema caótico podría ser estabilizado con un retardo en la salida del sistema. Por lo tanto, el estudio de los efectos de los retardos en el tiempo en un sistema dinámico es de gran importancia porque permitirá entender el comportamiento dinámico de un sistema y diseñar estrategias de control que mejoren el desempeño.1 Los retardos en un sistema no lineal se pueden presentar ya sea en la entrada del sistema o en el estado. Un problema particular donde se aprecian los efectos de los retardos en el tiempo es en los teleoperadores. Un teleoperador es una máquina que permite mover, medir y manipular objetos a distancia. Por lo general está constituido de sensores y dispositivos que permiten su manipulación y/o movilidad, además de un dispositivo de comunicación entre el proceso a manipular y el operador, los cuales se encuentran físicamente separados a una distancia considerable. 2 La manipulación a distancia se logra mediante un manipulador controlado por un operador, llamado el sistema maestro, denotado por rm, este provee los comandos o acciones que se deben ejecutar en el proceso, el cual es denominado sistema esclavo, y denotado por re (ver figura 1). Si el sistema Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 Fig. 1. Modelo de teleoperador de dos puertos. esclavo posee sensores, entonces puede transmitir o retroalimentar información del estado del entorno remoto al sistema maestro, y en tal caso se dice que el teleoperador es bilateral. La comunicación entre el sistema maestro y el sistema esclavo permite aplicar el control sobre el entorno remoto, sin embargo esta misma comunicación puede generar inestabilidad debido a la presencia de retardos en la comunicación o en la transferencia de información. En la figura 1 se muestra la descripción general de un teleoperador bilateral (de dos canales), donde los sistemas maestro y esclavo se pueden agrupar en un solo elemento. El problema de la inestabilidad debida a los retardos constantes en el tiempo en un sistema no lineal retroalimentado ha sido resuelto en,3 donde se derivó un esquema de compensación de retardos constantes en el tiempo, el cual garantiza la estabilidad del sistema. Sin embargo, no mucho se ha podido desarrollar para un sistema con retardos variables en el tiempo, y en tales casos en su mayoría para sistemas lineales,4,5 y 6 Este problema de inestabilidad en la presencia de retardos ha supuesto un limitante en el uso de algunas tecnologías útiles en teleoperación, tales como Internet.7 Actualmente, la red de Internet ha sido ampliamente utilizada como medio de comunicación, ya que se encuentra accesible para todo tipo de usuario y prácticamente no tiene limitantes en cuanto a la distancia del dispositivo a teleoperar. Los dispositivos a teleoperar (figura 2) pueden ser muy diversos pero en estos casos se hará referencia a brazos mecánicos con un comportamiento dinámico similar a un sistema masa-resorte. ANTECEDENTES El problema del retardo en el tiempo en sistemas no lineales ha sido tratado mediante diferentes técnicas y métodos, entre los cuales se encuentran los siguientes: 49 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. Nuevas arquitecturas de comunicación. Anderson y Spong3 propusieron una nueva arquitectura de comunicación, la cual está basada en la teoría dispersión. En esta arquitectura se representa al teleoperador como esquemas conectados en serie de uno y dos puertos, con un flujo de esfuerzo que se intercambia entre cada uno de los puertos. La relación entre las fuerzas y las velocidades de todos los puertos es entonces representada por una matriz híbrida, la cual cumple con la definición de operador de dispersión. Por otro lado, en este esquema se garantiza la pasividad de dicho sistema. Posteriormente, Niemeyer y Slotine8 desarrollaron un método para caracterizar los retardos en el tiempo cuando estos son constantes. Esto se logró mediante la transmisión de una combinación de señales de onda desde el sistema maestro rm, luego obteniendo las señales en el sistema esclavo (figura 2). Utilizando estas herramientas se logra recuperar las señales de onda original con un retardo que garantiza una conexión sin perdidas en el teleoperador. Fig. 2. Algunos dispositivos que podrían utilizarse en teleoperación. Análisis de Impedancias. En el contexto de líneas de transmisión, es bien conocido que si la carga al final de la línea tiene una diferente impedancia que la impedancia característica de la línea de transmisión, entonces ocurre una reflexión de onda. En teleoperación, tal reflexión disminuye el desempeño del sistema. Esto lleva a la introducción de los conceptos de compatibilidad de impedancias. La compatibilidad de impedancias fue abordada por Hogan en,9 y el trabajó sobre la compatibilidad de impedancia robusta basada en un modelo de la impedancia deseada y diseñando un control de modo deslizante fue presentado por Cho y Park en.10 50 Uso de observadores para compensar retardos. Brady y Tarn11 estudiaron el problema del retardo variable en el tiempo y diseñaron un observador para estimar el retardo y el estado del sistema en un aplicación de Internet. Por otro lado, aunque de manera similar, Munir y Book12 usaron un Filtro de Kalman y un observador para predecir las variables de onda y compensar los retardos utilizando los resultados obtenidos en3 y aprovechando la pasividad del sistema. Controladores aplicados a sistemas con retardos. Sano et al.13 diseñaron un controlador H∞ para estabilizar el teleoperador para un retardo en el tiempo constante. En14 se muestra un controlador adaptable que tiene el mismo efecto en un teleoperador unilateral o bilateral. Además en15 se considera un esquema adaptable que permite trabajar con incertidumbres paramétricas. Se ha desarrollado un control óptimo combinado con la ecuación funcional de Bellman en16 la cual es válida para un sistema con retardos. La teoría de control de modos deslizantes también ha sido analizada para sistemas con retardos, ante la presencia de un sistema con retardo en el estado el procedimiento es similar al aplicado a un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias, este se muestra en.17 Por otro lado en18 y 19 es introducido el control con retardo en el tiempo, una técnica que introduce voluntariamente un pequeño retardo en el diseño del control con la finalidad de reducir el efecto de perturbaciones. Control de seguimiento adaptable. Con esta técnica se aborda el problema principal de la teleoperación bilateral el cual es, garantizar la estabilidad mientras el esclavo es capaz de efectuar un adecuado seguimiento del maestro. Bajo la suposición que el operador pasivo y el ambiente remoto son pasivos en tal caso la estabilidad del sistema completo está asegurada.3,8 Sin embargo, en la mayoría de las aproximaciones basadas en scattering es imposible asegurar el seguimiento de la posición. Esquemas tipo PD que son capaces de superar este problema se pueden encontrar en4,20,21 CONTROL DE IMPEDANCIA PARA SISTEMA MAESTRO En muchas tareas de teleoperación, los robots manipulados frecuentemente interactúan con su Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. ambiente remoto. Cualquier fuerza de contacto excesiva entre el robot y el ambiente puede dañar el sistema, por lo que esta situación debe ser evitada. Debido a esto, a pesar de lo exacto que pueda ser un buen control de seguimiento es muy importante desempeñarlo con seguridad. En este campo es bien sabido que un control de impedancia, el cual controla la relación entre la fuerza aplicada y la velocidad del actuador en el maestro, es adecuado para este tipo de objetivos en un sistema teleoperado. Considere que las siguientes ecuaciones diferenciales representan las dinámicas de los sistemas maestro y esclavo en un sistema teleoperado: mm xm + bm xm = fh + um (1) ms xs + bs xs = us − fe (2) Donde x i representa la posición, y ẋ i, ẍ i la velocidad y la aceleración respectivamente; ui es el torque generado por el control; mi y bi representan los coeficientes de la masa y de fricción respectivamente, con i=m,s denotando maestro y esclavo; fh es la fuerza aplicada en el maestro por el operador humano, entendiéndose como la señal de referencia; y fe es la fuerza reflejada en el esclavo por el ambiente remoto. Este esquema de teleoperación bilateral puede ser representado también por el diagrama de la figura 3 donde la posición y la fuerza del maestro son transmitidas al esclavo y la fuerza de contacto del esclavo es enviada al maestro a través del canal de comunicación con un retardo T2. Durante todo el análisis de este trabajo se asume que el retardo tiene un valor constante. Es importante aclarar este punto ya que los retardos que varían en función del tiempo tienen otro tipo de implicaciones en sistemas teleoperados. Como se percibe, en este canal de comunicación existe un retardo, de manera que la Fig. 3. Esquema de señales con retardo para Teleoperación bilateral. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 relación de las señales está dada por las siguientes ecuaciones: xmd (t ):= xm (t −T1 ) (3) xmd (t ):= xm (t −T1 ) (4) fhd (t ):= fh (t −T1 ) (5) f d e (t ):= fe (t −T2 ) (6) Donde x , x y f son la posición, la velocidad del maestro, y la fuerza ejercida por un operador humano respectivamente, las cuales son transmitidas al esclavo a través de un canal de comunicación; f_e^d es la fuerza externa en el esclavo transmitida a través del maestro; T1 es un retardo de tiempo de la señal que fluye desde el maestro al esclavo, y T2 es el retardo en la dirección opuesta. Se asume razonablemente que la fuerza exógena, es decir la fuerza que el operador humano aplica al sistema maestro está acotada por arriba. Además, no se considera expresión matemática alguna que modele el comportamiento del operador humano. Otras suposiciones importantes tienen que ver con el canal de comunicación. En este caso asumimos que no hay pérdidas en los paquetes de transmisión, por lo que se puede decir que no habrá espacios vacíos en cada instante de muestreo. Esto significa que los controladores siempre tendrán datos disponibles en su respectivo instante de muestreo. Se asume que el tiempo de muestreo TS es el mismo en el maestro y el esclavo y además que los paquetes de información no llegan en desorden, como se ve en la figura 4. Las señales retardadas al salir del canal de comunicación son escaladas dependiendo de los requerimientos de la teleoperación. Usando coeficientes de escalamiento, la posición y la velocidad quedan de la siguiente manera: d m d m d h xs = k p xmd (7) f h = k f f ed (8) Fig. 4. Esquema de señales con retardo T 1 para teleoperación bilateral. 51 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. Donde kp y kf son factores que escalan la posición y la fuerza respectivamente. Reescribiendo la ecuación diferencial (1) del sistema maestro en la forma de variables de estados, se obtiene las siguientes ecuaciones. xm1 = xm 2 (9) xm 2 = − bm 1 1 xm 2 + um + fh mm mm mm (10) De manera análoga se reescribe la ecuación (2) para el sistema esclavo: xs1 = xs 2 (11) xs 2 = − bs 1 1 xs 2 + us − fe ms ms ms Donde mm , bm , km > 0 son la inercia, el factor de amortiguamiento y de rigidez respectivamente, de una impedancia deseada. Sustituyendo esta ecuación en la ecuación diferencial del sistema maestro (1), el error en la impedancia en lazo cerrado se muestra como mm f h − k f f ed −bm xm − km xm mm ( ) (14) Es decir, aplicando el control um el sistema maestro se comporta con la dinámica deseada por el operador dada por la ecuación de impedancia deseada. Se puede ver como el control en el maestro impone una dinámica deseada, entre la velocidad del maestro y la combinación de la fuerza del operador humano y de la fuerza retardada de contacto.9 CONTROL MODOS DESLIZANTES BASADO EN IMPEDANCIA PARA SISTEMA ESCLAVO Bajo un criterio similar, se considera el diseño del control en el esclavo para producir una impedancia deseada considerando la fuerza de contacto y que sea robusto a un tiempo de retardo desconocido. El control se diseña como un control de modos deslizantes de alta orden. Para este fin se considera 52 ⋅⋅ ⋅ ms x s + bs x s + kxs : = − f e (15) Donde ms , bs , k s > 0 son la inercia, el factor de amortiguamiento y de rigidez, y xs : = xs − k p xmd , xs : = xs − k p xmd , xs : = xs − k p xmd son los errores de seguimiento para la aceleración, la velocidad y la posición respectivamente. Como el interés es obtener la ecuación anterior (15) en lazo cerrado, entonces se entiende que la superficie deslizante es la siguiente ⋅⋅ (12) Con el control de impedancia es posible establecer la impedancia deseada entre la fuerza del humano y la fuerza externa (la fuerza de contacto en el ambiente). Suponga que la dinámica que se desea imponer en el maestro está dada por: mm xm + bm xm + km xm = f h − k f f ed (13) um =− f h +bm xm + la impedancia deseada en el esclavo como: ⋅ I e = ms x s + bs x s + k xs + f e = 0 (16) Ahora se puede definir el error extendido de la siguiente manera t ts 1  Ω=  I e (t )dt + ki ∫∫sign (I e (t ))dt ds ms ∫0 00   (17)  Donde ki>0 es la ganancia del modo deslizante. Sustituyendo estas dos ecuaciones, e integrando, el resultado del error es el siguiente ⋅ Ω = xs + t bs 1  ks xs + f e  dt + xs + m ms ms ∫0  ki ms ts ∫∫sign (I (t ))dt ds (18) e 00 El control para el sistema esclavo us tiene por lo tanto la siguiente forma us = − ms mm ms  ⋅ t  bs x s + k s xs + f e + ki ∫sign (I e (t ms  ( 0  ))dt  +  ) k p f hd − k f f edd − bm xmd − km xmd + f e + bs xs − k g Ω (19) Donde f edd = f e (t − 2T ) , el índice dd se refiere a la señal con un doble retardo 2T , k g > 0 , y sign(∙) es la función signo. El término k g Ω se ha agregado para asegurar estabilidad6 su propósito queda claro al realizar un análisis de estabilidad en lazo cerrado, pero que aparece en un trabajo previo.22 También note que el uso de este control requiere de contar con una medición de aceleración debido al uso de Ie. Para evitar el uso de la medición, así como del uso del equipo, la aceleración y la velocidad son estimadas, mediante el uso de un observador de modos deslizantes tal y como en el ejemplo anterior. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. OBSERVADOR SUPER-TWISTING Con el propósito evitar el uso de sensores de velocidad para la implementación del control en el sistema esclavo se utiliza un observador de estado. Para poder hacerlo las ecuaciones del sistema esclavo (11) y (12) se deben reescribir en la siguiente forma canónica. (20) x1 = x2 x2 = F (x1 , x2 )+Φ (u , y ) (21) Con b F (x1 , x2 ) = − s x2 ms 1 1 Φ (u , y ) = us − fh ms ms (23) xˆ2 = E1 Θ + ë 2  (25) x2 − x2 sign (x2 − xˆ2 ) (26)  Θ = E2a 2 sign (x2 − xˆ2 ) (27) Donde xˆ1 y xˆ2 son los estados estimados por el observador. Por otro lado x1 es la posición del sistema esclavo utilizada para generar el error de estimación que excitará las dinámicas del observador. Las ganancias λ1 y λ 2 serán sintonizadas de acuerdo con el comportamiento deseado, así como α1 y α 2 . Es de resaltar el uso que hace el observador de la función signo sign( )?. Por otro lado las variables E1 y E2 puede tomar los valores 1 o 0 de acuerdo al siguiente criterio: Ei = 1 si e j = x j − xˆ j ≤ ε, ∀j ≤ 1 de lo contrario Ei = 0 . OBSERVADOR LYAPUNOV-KRASOVSKII Otra opción para estimar los estados del sistema esclavo es el observador Lypaunov-Krasovskii. En este método consideramos un sistema de forma triangular dado por: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 (28) Donde τc es el retardo, y en este caso el retardo también se considera constante en el tiempo. Para un sistema que cumple con esta estructura triangular un observador Lyapunov-Krasovskii está dado por: z = Az + Ψ (x, xrc , u , urc ) − (29) θ∆ θ−1S −1C T C {z − x} (22) Para el sistema de teleoperación bilateral considerado, el cual cumple con la forma canónica, un observador super-twisting23 está dado por las siguientes ecuaciones xˆ1 = x2 + l 1 x1 − xˆ1 sign (x1 − xˆ1 ) (24) x2 = a 1sign (x1 − xˆ1 ) x = Ax + Ψ (x, xrc , u , urc ) y = Cx x (s ) = ϕ (s ); ∀sò [−τc , 0] yˆ = Cz (30) 1 ∆ θ = diag (1, , Donde θ , 1 ) θn −1 con θ > 0 es un parámetro sintonizable (ganancia) del observador. Por otro lado S es la solución única de la ecuación algebraica de la Ecuación de Lyapunov: S + AT S + SA − C T C = 0 (31) Se utilizan entonces estas ecuaciones para obtener un observador Lyapunov-Krasovskii para el sistema de teleoperación utilizado. Consideramos que para el caso de las dinámicas del sistema esclavo dadas por las ecuaciones (11) y (12), la matriz A y el valor de Ψ(x, xrc, u, urc) están dados por: 0 1  A=  ; Ψ (x, xrc , u , urc ) = 0 0  0   1   us − f ed − bs z2   ms  ( ) Por lo tanto, usando estas matrices en la forma canónica (29) y (30), además resolviendo la ecuación de Lyapunov (31) para el valor obtenido de A, entonces el observador Lyapunov-Krasovskii para el sistema teleoperado bilateralmente con retardos constantes está dado por las siguientes ecuaciones: z1 = z2 − 2θ (z1 − x1 ) (32) z2 = 1 us − f ed − bs z2 − θ2 (z1 − x1 ) ms ( ) (33) 53 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. SIMULACIÓN A continuación se realizó una simulación que permitiera comprobar la eficiencia de dicho esquema, además de poder obtener una comparación entre ambos observadores. Para la simulación se utilizaron los siguientes parámetros para el maestro: mm = 1.7, cm = 0.4, mm = 1.9, cm = 2, km = 0.01, k f = 0.9. De manera similar para el sistema esclavo : ms = 7, cs = 0.9, ms = 0.3, cs = 0.5, k s = 15, k p = 10.69, ki = 1, k g = 50. Los parámetros utilizados para sintonizar el observador supertwisting λ1 = 10, λ 2 = 10, α1 = 20, α 2 = 1. Así mismo se utilizó una θ=5. La sintonización del las ganancias del observador se hace de manera experimental y se debe probar con distintos valores para asegurar el mejor desempeño. Los resultados de ambos observadores con los controles antes citados se muestran en las siguientes figuras. En la figura 5, se muestra el seguimiento del sistema esclavo al maestro, es además visible el retardo en la reacción del sistema esclavo debido al retardo inducido por el canal de comunicación. Fig. 6. En esta gráfica se muestra el comportamiento de los observadores Lyapunov-Krasovskii (LK) y el Super Twisting (ST) al estimar los estados del sistema esclavo sin retardo con retardo de 1s. reacción que pueda dañar al dispositivo, utilizando las mediciones aportadas por el observador. Finalmente en la figura 7 se muestra el efecto que tiene el retardo en los observadores particularmente. La diferencia en la trayectoria de ambos observadores es apenas notoria en el transitorio, y casi imperceptible una vez que han alcanzado la trayectoria. Es notorio como al incrementarse el retardo el desempeño se empobrece. Sin embargo, las oscilaciones que se presentan se deben al efecto del retardo en el sistema retroalimentado en general, i.e. la sincronización maestro esclavo, y no únicamente a un mal desempeño del observador. Fig. 5. Seguimiento del sistema esclavo (líneas punteadas) al sistema maestro (línea continua) con un retraso de 1s. En la figura 6, la estimación de los observadores en el sistema esclavo, aunque con oscilaciones, los parámetros pueden ser sintonizados para tener un estimado aceptable. En ellas se aprecia, como el control del sistema esclavo sigue de manera aceptable al sistema maestro considerando el objetivo de un control basado en impedancia el cual es evitar una 54 Fig. 7. El efecto del retardo en el tiempo sobre los observadores. a) considerando un retardo de 1s. b) considerando un retardo de 3s. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Técnica de control en teleoperación bilateral con retardos / Nicolás González Fonseca, et al. CONCLUSIONES En este trabajo se presentó una solución al problema de inestabilidad en presencia de retardos para un sistema de teleoperación bilateral. Además el esquema propuesto no requiere ningún sensor de velocidad ya que utiliza un observador de estados para obtenerla. Se ofrecieron dos esquemas de observación super-twisting y Lyapunov-Krasovskii, para el esquema de control propuesto. Mediante simulación se presentó una comparación en el desempeño de estas dos diferentes técnicas de observación bajo el efecto de un retardo constante. Se verificó el funcionamiento de los esquemas mediante simulación en MatLab. Los resultados obtenidos muestran que utilizando observadores de estimación de estados es posible obtener buenos resultados al acoplarlo con un sistema de control basado en modos deslizantes aun y con cierta cantidad de retardos. Por otro lado, al considerar un retardo en los canales de comunicación, una situación muy práctica y apegada a la realidad, se muestra que el esquema control-observador es estable para un retardo constante y acotado, si bien al aumentar dicho retardo se empobrece el buen desempeño del esquema. Comparando ambos observadores es notorio que ambos tienen un buen desempeño en simulación. El observador super-twisting tiene como ventaja que no requiere conocer los parámetros del sistema lo cual lo hace especialmente robusto a incertidumbres paramétricas, pero tiene como desventaja que su sincronización puede llegar a ser complicada debido al número de ganancias envueltas. Por otro lado como desventaja del observador LyapunovKrasovskii es que sí se requiere la información completa del modelo, pero de su forma dinámica su comportamiento es más suave y además es mucho más sencilla y práctica su sintonización al solo elegir un valor adecuado para θ. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Niculescu, S., Delay Effects on Stability., Springer-Verlag 2001. 2. Sheridam, T.B., Teleoperation, Telerobotics and Telepresence: A Progress Report., Control Eng. Practice, Vol.3, No.2, pp. 205-214, 1995. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 3. Anderson, R..J., and Spong, M.W., Bilateral Control of Teleoperators with Time Delay. IEEE Trans. Automat. Contr., AC-34, No.5, pp. 495501. 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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor Paola Gómez López, Virgilio González González, Marco Garza Navarro, Reynaldo Esquivel González Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-UANL Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo y Tecnología paolaggomez@gmail.com, virgilio.gonzalezgnz@uanl.edu.mx, ingmarcogarza@gmail.com, reynaldoegzz@gmail.com RESUMEN Se reporta la obtención de un material nanocompósito bifuncional (magnéticoluminiscente), por medio de una síntesis vía co-precipitación in situ. Las especies utilizadas son el polímero semiconductor de condensación aldólica poli-(4-metil1-fenilpenta-1,4-dien-ona) y un óxido de hierro, en forma de nanopartículas, las cuales fungen como matriz y fase dispersa. La caracterización de este nanocompósito se realizó por las técnicas de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM), espectroscopía de ultravioleta visible (U.V.-Vis), fluorescencia, infrarrojo y magnetometría de muestra vibrante (SQUID-VSM). Los resultados muestran que las partículas sintetizadas presentan morfología cuasiesférica con una distribución estrecha de aproximadamente 4.8 nm, presentando propiedades luminiscentes, optoelectrónicas que colocan como un semiconductor y características magnéticas de un material tipo ferromagnético. PALABRAS CLAVE Nanocompósitos, polímeros conjugados, co-precipitación, nanopartículas magnéticas. ABSTRACT We report the obtaining of a bifunctional nanocomposite material (magneticluminescent), by a synthesis via co-precipitation in situ. The species used in this synthesis are the semiconducting polymer by condensation aldolic poly(4-methyl-1-fenilpenta-1,4-dien-one) and an oxide of iron in nanoparticle, which act as matrix and dispersed phase. The characterization for the study of this nanocomposite was performed by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), spectroscopy of ultraviolet visible (UV/Vis), spectroscopy of fluorescence and vibrant sample magnetometry (VSM). The results show that the synthesized particles have quasi-spherical morphology with a narrow distribution of aprox. 4.8 nm, showing luminescent properties, optoelectronics that put this material how a semiconductor and with magnetic characteristics typical of a ferromagnetic material. KEYWORDS Nanocomposites, conjugated polymer, co-precipitation, magnetic nanoparticles. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 57 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. INTRODUCCIÓN En la actualidad es cada vez mayor el interés por estudiar y desarrollar materiales nanoestructurados, aprovechando así sus propiedades únicas en nuevas y variadas aplicaciones. Las nanoestructuras tienen propiedades químicas, estructurales, y magnéticas únicas,1-8 con aplicaciones potenciales que incluyen: almacenamiento de información,9 imágenes a color, bio-procesamiento, refrigeración magnética10,11 y ferrofluidos.12-15 Es importante señalar que las nanopartículas no son termodinámicamente estables, siendo necesario aislarlas con matrices orgánicas o inorgánicas, teniendo como resultado la obtención de nanocompósitos donde es posible aprovechar tanto las propiedades particulares de las nanopartículas como las de la matriz en la cual se encuentran dispersas. La síntesis de sistemas de nanopartículas magnéticas es actualmente una línea de investigación científica de gran relevancia, en virtud de sus potenciales aplicaciones. 16-18 Una de las áreas de estudio más importantes es el desarrollo de materiales nanocompósitos magnéticos, debido a sus innumerables aplicaciones en la medicina y la electrónica. Reportes consultados muestran la posibilidad de utilizar núcleos de especies magnéticas recubiertos de polímero capaces de absorber moléculas de medicamento para utilizarse en sistemas de entrega localizada de medicamento.19-22 En la literatura se han encontrado diversas rutas de síntesis para la estabilización y el control de la dispersión en el tamaño de partícula, en los que destacan los métodos de sol-gel, precipitación y co-precipitación, donde cada uno de ellos se caracteriza por utilizar surfactantes orgánicos/o matrices poliméricas, ya que además de delimitar su crecimiento, estas matrices localizan su nucleación durante la síntesis,23 logrando el control de las dimensiones y morfología de las nanoestructuras resultantes. Específicamente, el desarrollo de materiales nanocompósitos utilizando como fase dispersa nanopartículas magnéticas, de diferentes fases de óxidos de hierro y matrices poliméricas, ha sido tema de numerosas publicaciones,24-28 debido a sus amplias aplicaciones en el área médica y electrónica. El polímero utilizado en esta síntesis se obtuvo de una condensación aldólica a partir de butanona 58 y tereftaldehído, este polímero destaca por ser fluorescente y sus propiedades optoelectrónicas lo colocan como un semiconductor, con conductividad del orden de 10-5 a 10-4 S/cm y anchos de banda prohibida de entre 2.21-2.39 eV.29 En virtud de todas las aplicaciones y propiedades que se pueden obtener a partir de nanocompósitos de matrices poliméricas y nanopartículas magnéticas, se ha desarrollado el nanocompósito entre un polímero semiconductor de condesación aldólica [poli-(4metil-1-fenilpenta-1,4-dien-ona)] y magnetita, a través de una metodología de síntesis por coprecipitación in situ. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Todos los reactivos y disolventes utilizados se adquirieron con grado reactivo (Sigma-Aldrich). Se desarrollaron 4 composiciones variando el porcentaje de concentración de la magnetita y el polímero. La tabla I muestra la composición de matriz y fase dispersa de cada muestra, así como el nombre asignado a cada una de estas. La síntesis de los nanocompósitos Polímero/Fe3O4 fue llevada a cabo utilizando cantidades estequiométricas de sales de cloruro férrico (FeCl3-6H2O) y cloruro ferroso (FeCl2-4H2O). Tabla I. Composiciones esperadas de los nanocompósitos. Nombre del Contenido de Contenido Fe3O4 material híbrido Polímero (% w/w) (% w/w) 75P-25Fe3O4 0.75 0.25 85P-15Fe3O4 0.85 0.15 90P-10Fe3O4 0.90 0.10 95P-05Fe3O4 0.95 0.05 100Fe3O4 0 100 100P 100 0 Para la síntesis del nanocompósito se disolvió en THF los precursores por separado, como sol.1 el polímero y como sol.2 las sales inorgánicas, en las proporciones necesarias para la obtención de nuevas disoluciones polímero/ Fe3O4 para la elaboración de cada una de las muestras de material que indica la tabla I. Una vez disueltas cada una de las soluciones se mezcló (sol. 1 y 2), obteniendo así una nueva solución polímero y sales de hierro en THF (sol. 3). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. Las disoluciones resultantes se vertieron en cajas Petri a fin de evaporar el disolvente bajo condiciones de temperatura ambiente. Una vez evaporado el disolvente, la muestra resultante se trató con una disolución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH, variando su concentración en relación con el contenido en peso de magnetita), con la finalidad de precipitar las nanopartículas de magnetita dentro de la matriz polimérica. Luego de ser tratadas con NaOH, las muestras se lavaron con agua desionizada en repetidas ocasiones y finalmente fueron secadas bajo condiciones ambiente. Ya secas, las muestras se pulverizaron para su caracterización. Las técnicas empleadas para la caracterización de las muestras fueron: IR, para esta caracterización las muestras se prepararon en comprimidos a partir de una mezcla de material a analizar y bromuro de potasio, se usó un espectrómetro Nicolet 6700 en la modalidad de transmitancia, realizando 32 barridos para cada espectro; para la caracterización por U.V.Vis. se usó un equipo Perkin Elmer modelo Lambda 35 por reflectancia difusa, utilizando una esfera de integración, en un intervalo de longitud de onda de 900 a 250 nm; la caracterización por fluorescencia se realizó en un equipo Perkin Elmer modelo LS 55 en un intervalo de longitud de onda de 800 a 250 nm, para su caracterización cristalina y morfológica se realizó microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM), lograda en un microscopio TITAN FEI. Solo a una de las muestras le fueron evaluadas sus propiedades magnéticas en un magnetómetro Quantum Design PPMS-VSM. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La figura 1 muestra la apariencia de los materiales obtenidos por co-precipitación in situ, donde se puede observar que las muestras dejan ver una tonalidad poco brillante y oscura. Es importante mencionar que las muestras con mayor porcentaje de magnetita 75P-25 Fe3O4 y 85P-15 Fe3O4, mostraron propiedades magnéticas obvias, es decir, estas muestras son atraídas por un imán permanente. La figura 2, muestra los espectros FTIR obtenidos de las muestras b) 90P-10Fe3O4, c) 75P-25Fe3O4, incluyendo el espectro FTIR del polímero utilizado como matriz; como se puede apreciar en esta figura, hay dos regiones donde se observan corrimientos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 Fig. 1. Materiales nanocompósitos obtenidos por coprecipitación in situ: a) 75P-25 Fe3O4, b) 85P-15 Fe3O4, c) 90P-10 Fe3O4, d) 95P-05 Fe3O4. Fig. 2. Espectros FTIR de muestras obtenidas del a) polímero, b) 90P-10Fe3O4, c) 75P-25Fe3O4. en los espectros del nanocompósito con respecto al polímero puro, una región de los 3450 cm -1 correspondiente a grupos hidróxilo, y otra región a números de onda entre 420 y 700 cm-1.30 La figura 3 muestra la asignación de bandas (tabla II) y comparación con el espectro FTIR de Fig. 3. Espectros de infrarrojo correspondientes a: a) Polímero, b) Magnetita, c) Compósito 75P-25Fe3O4. 59 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. Tabla II. Asignación de bandas de absorción del infrarrojo de los espectros del polímero, magnetita y el nanocompósito 75P-25Fe3O4.30 Grupo funcional OH CH3 Ar C=C C=O Fe3O4 Vibración Estiramiento O-H Estiramiento C-H Balanceo asimétrico C-H Estiramiento Ar-H Balanceo Ar-H para sustituido Balanceo del anillo fuera del plano Balanceo C-H sobre doble enlace cis Estiramiento C=C conjugado Cetona Aldehído Cristal Posición en Cm-1 75PPolímero Fe3O4 25Fe3O4 3475 3423 3382 2971 2971 2877 1456 3052 3025 2877 1456 3052 3025 827 827 534 422 978 978 1608 1608 1714 1655 1714 1655 675 570 la magnetita, el polímero y el nanocompósito; en los espectros se observa la presencia de grupos hidroxilo (banda ancha con pico entre 3382 y 3475 cm-1), indicando que la reacción de deshidratación de las β-hidroxicetonas no fue completada, por lo que considerando la presencia de grupos carbonilo aldehídicos (1655 cm-1) y cetónicos (1714 cm-1), podemos suponer que tenemos un copolímero de unidades estructurales con grupos cetona y otras βhidroxicetona (sin deshidratar) y con un buen número de grupo terminales aldehído.30 El hecho de que no se haya completado la condensación aldólica, puede considerarse como bueno, ya que se puede apreciar que el estiramiento OH, se mueve a mayores energías (menores números de onda) en el compósito, ya sea en relación a los O-H del polímero (Δ = 93 cm-1) o de la magnetita (Δ = 41 cm-1), indicando que se formaron puentes de hidrógeno entre el polímero y la magnetita de mayor fuerza de atracción que los que se forman entre moléculas de polímero o entre moléculas de magnetita, resultando así una contribución al control y estabilización del tamaño de las partículas de magnetita. 60 La figura 4 muestra los espectros de U.V.-Vis. del polímero y los compósitos de composiciones 75P25Fe3O4 y 90P-10Fe3O4; en esta figura se observa que las tres muestras denotan una banda cuyo máximo se encuentra aproximadamente a 394 nm, mientras que los dos compósitos presentan, además, un hombro con un máximo aproximadamente a 492 nm, sugiriendo la formación de un nuevo cromóforo o bien, nuevas transiciones electrónicas en el cromóforo correspondiente al polímero. Fig. 4. Espectros de U.V.-vis. de las muestras: a) Polímero, b) 75P-25Fe3O4,c) 90P-10Fe3O4. El cálculo del ancho de banda prohibida óptica (Eg), se realizó graficando el cuadrado de la absorbancia (que es proporcional al coeficiente de extinción) contra la longitud de onda expresada en unidades de energía. En la figura 5 se muestra un ejemplo de la gráfica y la extrapolación para el cálculo del ancho de banda prohibida. Fig. 5. Gráfica de la sección del espectro U.V.-vis. en forma de A2 vs E(eV), utilizada para el cálculo del ancho de banda prohibida de la muestra 75P-Fe3O4. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. La tabla III reporta las magnitudes Eg encontradas para las muestras analizadas. Tabla III. Energías de banda prohibida (óptica), calculadas para el polímero y dos compósitos. Muestra polímero 75P-25Fe3O4 90P-10Fe3O4 ancho de banda prohibida nm eV 470 2.64 596 2.08 562 2.21 La figura 6 muestra los espectros de excitación y emisión del compósito 75P-25Fe3O4. Se aislaron dos transiciones, la primera, a bajas longitudes de onda que presentan dos máximos, tanto en excitación como en emisión, mientras que la segunda transición a grandes longitudes de onda, sólo muestra un máximo. Tanto en la figura 6 como en la tabla IV se reportan los máximos. La figura 7 muestra una imagen obtenida por HRTEM del compósito con 25% de magnetita. En esta figura se aprecian nanopartículas cuasi- Fig. 7. Imagen de HRTEM de la muestra 75P-25Fe3O4 a 145 kX. esféricas, y salvo algunas excepciones, la mayoría se encuentran dispersas en la matriz del polímero.31-33 De esta misma figura se calcularon los diámetros promedio de 141 nanopartículas, y se puede decir que la muestra 75P-25Fe3O4 es un nanocompósito formado por nanopartículas de diámetro promedio de 4.8 nm, y que las nanopartículas están en su mayoría, circundadas por la matriz, habiendo pocas partículas que coalecieron. En la figura 8 se muestran imágenes a altas magnificaciones de nanopartículas seleccionadas Fig. 6. Espectro de fluorescencia del nanocompósito 75P25Fe3O4. a.a’) excitación y emisión respectivamente de transición 1 y (b.b’) excitación y emisión respectivamente de transición 2. Tabla IV. Máximos de los espectros de emisión de magnetita, polímero y el compósito 75P-25Fe3O4. Muestra Magnetita Polímero 75P25Fe3O4 T1 T2 Excitación nm eV 273 4.54 465 2.66 2794.44342 3.62 458 2.70 Emisión nm eV 419 2.96 513 2.41 4842.56543 2.28 644 1.93 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 Fig. 8. Imagen de HRTEM obtenidas para las muestras 75P-25 Fe3O4, que muestran en (a) la presencia de un arreglo regular de átomos a 620 kX. En (b) se muestra la imagen filtrada utilizando transformación de Fourier. El inserto mostrado en la figura (b) corresponde a la imagen filtrada en el plano de Fourier. El vector B corresponde al eje de zona de la imagen. 61 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. de la muestra 75P-25Fe3O4. En la figura 8 (a) se aprecia, un arreglo regular de pequeñas esferas cuyas posiciones pueden interpretarse como las posiciones que ocupan los átomos que componen la nanopartícula. La figura 8 (b) corresponde a la imagen filtrada, mediante transformación de Fourier, de la zona indicada de la figura 8 (a), las distancias medidas entre los planos del arreglo son de aproximadamente 2.29 Å y 2.3 Å iguales a las reportadas para las familias de planos {222}, de 2.42, y {220}, de 2.97 Å, de la magnetita, respectivamente [véase JCPDS 19-0629]. La figura 9 muestra el lazo de histéresis magnética, (campo magnético en Oe), obtenido de la muestra 75P-25 Fe3O4 a una temperatura de 1.9 K. Como se observa en la figura, la curva muestra un comportamiento tipo ferromagnético, con una coercitividad Hc = 360.19 Oe, una remanencia de MR= 2.93 emu. Fig. 9. Lazo de histéresis obtenido de la muestra 75P-25 Fe3O4 a una temperatura de 1.9 K, en presencia de un campo magnético de 5 T. La razón de que la remanencia sea muy pequeña sugiere que la muestra exhibe importantes fenómenos de frustración magnética, que pudieran estar relacionados a la manera en que los espines se acoplan al interior de las nanopartículas, o inclusive a interacciones entre nanopartículas. La figura 10 muestra las curvas ZFC y FC de la magnetización en función de la temperatura, a un campo magnético constante de 100 Oe. La curva ZFC muestra un incremento en la magnitud de la magnetización a medida que la temperatura aumenta hasta llegar a un máximo, luego comienza a decaer. A bajas temperaturas, los espines se encuentran 62 Fig. 10. Curvas ZFC (círculos sólidos) y FC (círculos huecos) de la magnetización en función a la temperatura, obtenida de la muestra 75P-25 Fe 3O 4, a un campo magnético constante de 100 Oe. bloqueados en la dirección más energéticamente favorable, a medida que la temperatura aumenta, los espines comienzan a ser capaces de fluctuar lejos del eje preferencial de las nanopartículas, y de alinearse en el sentido del campo aplicado. Por lo tanto, el incremento progresivo de la magnetización en la curva ZFC corresponde a la relajación de los espines de las nanopartículas sobre su barrera energética, misma que, en promedio, es superada por todos los espines del sistema magnético a la temperatura en que la curva ZFC exhibe su máximo. La temperatura a la que ocurre el máximo de la curva ZFC puede atribuirse a la temperatura de bloqueo TB; para esta muestra TB = 124 K., a medida que la temperatura aumenta por encima de TB, la energía térmica agregada al sistema magnético supera el trabajo magnético realizado por el campo aplicado sobre los espines, y en consecuencia su orientación fluctuará lejos de la orientación impuesta por el campo. La magnetización entonces comenzará a decaer, en virtud de que la orientación de los espines no es dirigida por el campo aplicado, sino por las fluctuaciones térmicas asociadas a la energía térmica.34 Como se observa en la figura 10, existe una irreversibilidad entre las curvas ZFC y FC, en donde se observa un incremento de la magnetización de la curva FC hacia valores por encima del máximo de la curva ZFC; la irreversibilidad comienza a partir de aproximadamente 155 K. Esta irreversibilidad puede ser explicada como una respuesta conjunta de los espines de las nanopartículas de la magnetita, que se encuentran bloqueados en el sentido del Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Síntesis y caracterización de nanocompósitos de óxido de hierro en un polímero semiconductor / Paola Gómez López, et al. campo aplicado, y la respuesta de los espines de una fase magnética desordenada, cuya orientación se encuentra congelada a temperaturas por debajo a la que ocurre la irreversibilidad, TF.35 Lo anterior permite concluir que se logró la obtención del nanocompósito de magnetita con matriz polimérica, a través de co-precipitación in situ; obteniendo así materiales bifuncionales (magnéticosluminiscentes) para posibles aplicaciones potenciales en el área médica y electrónica. CONCLUSIONES Se obtuvo mediante condensación aldólica de tereftaldehído y co-precipitación in situ, un nanocompósito de óxido de hierro, muy probablemente magnetita, en matriz de un polímero u olígomero semiconductor, con propiedades fluorescentes y magnéticas. Los materiales obtenidos mostraron anchos de banda prohibida o band gap óptico que los colocan como materiales semiconductores. La estabilización de las nanopartículas se da principalmente por interacciones puente hidrógeno entre la superficie de la magnetita y los hidróxilos residuales en el polímero producto de que la reacción de deshidratación no fue completa. Morfológicamente, el nanocompuesto que contiene 25% en peso de óxido de hierro muestra nanopartículas cuasi-esféricas bien dispersas en el polímero (diámetro medio: 4.8 nm), siendo éste un material cristalino semejante a la magnetita; este mismo nanocompuesto tiene un comportamiento ferromagnético con una temperatura de bloqueo de 124 K. REFERENCIAS 1. J. Eastman, J. 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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Portadas de las revistas en las que se publicaron los artículos seleccionados para este número de aniversario Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 65 �Rodolfo Morales IbarraA, Elsa Abigail Duncan FloresA, Saida Mayela García MontesA, Alma Gisela Martínez ArellanoB, Juan Francisco Barrón GranadosB, Denisse Arantxa Cepeda MújicaA FIME-UANL Reacciones Químicas S.A. de C.V. rodolfo.moralesbr@uanl.edu.mx A B RESUMEN En el presente trabajo se utilizaron materiales compuestos de fibra de vidrio y resina poliéster considerados de fin de ciclo de vida pulverizados como cargas en concreto polimérico para analizar su efecto en las propiedades mecánicas de concreto polimérico. El objetivo de esta investigación fue sustituir la mayor cantidad de carbonato de calcio contenido en el concreto polimérico(20%) por material reciclado manteniendo sus propiedades mecánicas y a la vez reduciendo su porcentaje de volumen de resina utilizado, en busca de la reducción de costos de fabricación con un impacto medio ambiental positivo. Los resultados que se obtuvieron como consecuencia de reducir la fórmula a 10% de resina con 90% de carga con un máximo de 2% de material reciclado corresponde en propiedades relativamente buenas. PALABRAS CLAVE Vidrio-poliéster, concreto polimérico, reciclado. ABSTRACT Recycling of composite materials was studied using pulverized fiberglasspolyester composite materials as fillers in polymeric concrete for this research. The objective of this research was to increase as much as possible the amount of recycled filler in the polymeric concrete without maintaining the mechanical properties of the material, reducing the percentage of volume of resin used and thus, reducing manufacturing costs with a positive environmental impact. Positive results were obtained: resin percentage has been reduced to 10% with 90% fillers using up to 2% of recycled material while maintaining relatively good mechanical properties. KEYWORDS Polyester-glass, polymeric concrete, recycling. Publicado originalmente en: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, Número 61, pp. 48-53. Seleccionado para este número especial de 20 Aniversario de la revista Ingenierías. Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidriopoliéster como cargas en concreto polimérico INTRODUCCIÓN El concreto polimérico es un material relativamente nuevo de alto rendimiento que ha sido comercializado desde 1960. Este material se produce a partir de una 66 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. resina líquida y agregados inorgánicos figura 1. La producción del concreto polimérico es la siguiente: pequeñas dosis de iniciadores y promotores se añaden a una resina para iniciar el curado o el proceso de endurecimiento. Donde los iniciadores dan partida a la polimerización y los promotores aceleran la reacción. Inmediatamente después de la adición del iniciador y promotores, la resina líquida se mezcla con los agregados gruesos y finos tales como piedra, grava o arena triturada. Después del curado, el material se compone de agregados inorgánicos bien graduados unidos entre sí por un aglutinante de resina. El curado puede ser tan corto como unos pocos segundos o largo como unas horas , dependiendo de la cantidad de iniciador y promotor añadido a la resina poliéster. El uso de concreto polimérico en la producción de componentes prefabricados parece muy prometedor. Las ventajas del concreto polimérico son su buena resistencia y buena durabilidad. El rápido tiempo de curado es otra importante ventaja en muchas aplicaciones estructurales e ingenieriles ya que el concreto cura en pocos minutos u horas cuando a materiales a base de cemento les toma días o semanas curarse por completo. Comercialmente, la principal desventaja del concreto polimérico es su alto costo comparado con otros materiales a base de cemento. La mayor parte del costo de los concretos poliméricos proviene de la resina; los costos de las cargas son comparativamente insignificantes. No es de extrañar que existan estudios recientes sobre reducción de costos en la resina como futura necesidad de concreto polimérico.1 Una de sus principales propiedades es la resistencia a la compresión, donde los sistemas prefabricados llegan a soportar hasta 30.2MPa frente a los 7-9MPa que soporta el concreto tradicional. Otra de sus principales propiedades es la de evacuación de fluidos, que es gracias a su superficie tipo espejo, y facilita el rápido desalojo de los fluidos. Su resistencia a productos químicos es otra de su propiedades, la resistencia a la helada, desgaste por abrasión y resistencia al choque son mas propiedades que lo caracterizan. En cuanto a sus aplicaciones el concreto polimérico en sistemas prefabricados se ha ganado un lugar importante en la industria de la construcción gracias a sus principales propiedades. Principalmente en los sectores de edificación para la elaboración de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 vierteaguas, albardillas y jambas, en prefabricados para drenaje tanto para la canalización de fluidos como la conducción de instalaciones y servicios, y en fachadas como revestimiento de edificios que es tanto una característica estética como en términos de aislamiento y por lo tanto de ahorro. El crecimiento del uso de materiales poliéster reforzado con fibras en las industrias de construcción y transporte implica cantidades mayores y el aumento de desechos de este material, producidos en diferentes etapas de su ciclo de vida. La mayor preocupación es en relación a las soluciones limitadas para la gestión de los residuos de estos materiales termostables no re procesable.2 Los compuestos fabricados en plásticos reforzados con fibra de vidrio son ampliamente utilizados en todo tipo de industria alrededor del mundo. Actualmente en nuestro país se producen más de 1,030,648 toneladas por año y se consumen alrededor de 497,914 toneladas por año de fibra de vidrio,3 pero ¿qué pasa cuando las piezas que están hechas de este material terminan su ciclo de vida?. En México solo existen 8 empresas dedicadas a la recolección de residuos sólidos4 y solo el 11% del material recuperado en sitio de disposición final es reciclado lo cual es un problema ya que el resto se queda desechado en el medio ambiente.5 Las técnicas para el reciclado de materiales poliéster reforzados con fibra se identifican en dos principales grupos: métodos mecánicos, que involucra técnicas de trituración para reducir el tamaño de los residuos y métodos térmicos que consisten en el uso de calor para descomponer los residuos en las materias primas y finalmente, energía.6 EXPERIMENTAL Para la matriz polimérica del concreto se utilizó una resina poliéster PCP 9652 de Reacciones Químicas S.A. de C.V., que es una resina de muy baja viscosidad; cuenta con muy buenas características de humectación a fibra de vidrio y cargas minerales, excelentes propiedades de resistencia a la compresión y buena velocidad de liberación de burbujas de aire atrapadas en la pasta; lo que la hace adecuada para trabajar con estos tipos de materiales. Se utilizaron arenas sílicas de distintos tamaños de mallaje 10/20, 20/30 y 40/50 donde las arenas 10/20 y 20/30 representan las arenas gruesas y las 40/50 junto 67 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. con el carbonato de calcio que se utiliza para la reducción de costo y mejorar las propiedades del material son parte de las arenas finas. El conjunto de estas dos arenas (finas y gruesas) conforman las cargas o refuerzos del concreto polimérico, además se utilizaron residuos de compuestos de fibra de vidrio/poliéster que sustituiría un 2% y 4% el contenido en peso de carbonato de calcio en el concreto polimérico. El proceso de preparación de mezcla tal como lo muestra la figura 1.consiste en integrar todas las arenas con el carbonato de calcio y/o los residuos de fibra de vidrio/poliéster; una vez que los materiales están completamente integrados se agregan a la resina que ya contiene el catalizador y se mezclan hasta la homogeneidad con una mezcladora Hobart N50; la mezcla es vertida en los moldes de compresión(cubos) y flexión(barras); una vez que el material ya ha polimerizado se dejan reposar por un lapso de 7 días, pasando este período las muestras están listas para ser sometidas a los ensayos requeridos. En base a la composición original para la elaboración de concreto polimérico que se maneja en la industria siendo 88% cargas y 12% resina se hizo un diseño de experimentos como se muestra en la tabla I. Donde el experimento 1 es la composición original y a partir de esta formulación se varió el porcentaje de resina contenido en el concreto polimérico hasta un 2% menos del porcentaje usado y a la vez se varió la cantidad de material reciclado hasta un 4% como sustituto del carbonato de calcio. Se llevaron a cabo un total de 8 experimentos cada uno con 6 muestras esto acorde a las normas ASTM (American Society for Testing and Materials) Tabla I. Diseño de experimentos. Experimento Cargas (%) Resina Poliéster (%) Material Reciclado (%) 1 88 12 0 2 88 12 2 3 88 12 4 4 89 11 0 5 89 11 2 6 89 11 4 7 90 10 0 8 90 10 2 Fig. 1. Proceso de mezclado del concreto polimérico. 68 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. que en el caso del concreto polimérico corresponde a las normas C-579 y C-580 para los ensayos de compresión y flexión respectivamente. RESULTADOS Se tomaron imágenes con Microscopía de Barrido de Electrones figura 2 (SEM, Scanning Electron Microscope) a los diferentes granos de arenas, al carbonato de calcio y a los residuos de fibra de vidrio/poliéster. Se observa la morfología de las arenas sílicas que es básicamente granular en donde resultaba interesante y de particular necesidad conocer exáctamente los tamaños de las partículas para diferir en los métodos a ser utilizados de acuerdo a ASTM, los cuales dependen básicamente del tamaño de los agregados; en el caso del carbonato de calcio resulta interesante observar su morfología la cual difiere de la del material pulverizado de fibra de vidrio-poliéster. La figura 3. muestra una grafica de esfuerzodeformación con las curvas promedio de cada uno de los experimentos. Se observa la curva del experimento 1 que corresponde a la producción de línea o producción de base y se puede observar que las curvas que corresponden a los experimentos 2 y 7 son mayores que el experimento 1 y las demás curvas son inferiores a ésta lo cual nos dice que la variación de resina y material reciclado si afecta significativamente en el concreto polimérico. En los ensayos de flexión no se obtuvo una gran variación en cuanto a los esfuerzos ya que presentaban un esfuerzo promedio máximo muy similar o con una diferencia muy insignificante figura 4; en cuanto al ahorro de resina se obtuvieron muy buenos resultados ya que si las propiedades mecánicas no se afectan eso quiere decir que es posible utilizar una configuración de cargas/resina con un porcentaje de resina menor al utilizado actualmente (experimento 1) y así lograr un ahorro de la resina de más de un 8% como se muestra en la tabla III que por ejemplo el experimento 4 que tiene formulación de 88% de cargas y un 11% de resina muestra una ganancia en propiedades mecánicas de hasta un 2.06% en comparación con el experimento 1 y un importante ahorro de más del 8% de total de resina consumida. Fig. 2. Imagen de SEM de: a) arena 10/20 a 36X, b) arena 20/30 a 36X, c) arena 40/50 a 36X, d) carbonato de calcio a 400X, e) compuesto de fibra de vidrio/poliéster a 40X, f) compuesto de fibra de vidrio/poliéster a 400X. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 69 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Fig. 3. Grafica de esfuerzo/deformación donde se muestran las curvas promedio de los 8 experimentos. CONCLUSIONES Después de efectuar esta investigación y observar detenidamente los resultados presentes se puede decir que el método presentado es adecuado para la caracterización del concreto polimérico además que se sugiere una revisión en el proceso de mezcla porque al sustituir un material denso por uno menos denso se dificulta preparar la mezcla, por lo que se propone partir de la composición 90% de carga, 10% de resina y 2% de material reciclado de fibra de vidrio/poliéster ya no es posible trabajar con composiciones que contengan mayor cantidad de material reciclado. Los experimentos 1, 4 y 7 que son experimentos que no contiene ningún porcentaje de material reciclado las muestras presentan un capa en la superficie de resina lo cual indica que la resina no está completamente en el material y esto se debe a que cuando el material esta curando la resina, al ser menos densa que las arenas, sube a la superficie, por lo tanto se recomienda usar períodos de curado más cortos. En cuanto a las pruebas de compresión el experimento 5 presenta propiedades mecánicas relativamente altas y presenta un interesante ahorro del mas de 8% del consumo de resina además de un sustituto de carbonato de calcio por material de fibra de vidrio/poliéster de 2%. Por otro lado en flexión es el experimento 4 el que más destaca teniendo una ganancia en propiedades mecánicas y un importante ahorro en el consumo total de la resina. Fig. 4. Curvas esfuerzo-deformación de las muestras del experimento 1 en flexión. 70 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Tabla II. Resultados de los análisis de propiedades mecánicas de compresión. Experimento Cargas (%) Resina poliéster (%) Material reciclado (%) Esfuerzo (Mpa) Δ propiedades mecánicas (%) Porcentaje de ahorro (%) 1 (baseline production) 88 12 0 49.22 0 0 2 88 12 2 50.52 2.6 0 3 88 12 4 35.03 -28.8 0 4 89 11 0 41.83 -15 8.3 5 89 11 2 45.48 -7.5 8.3 6 89 11 4 40.11 -18.5 8.3 7 90 10 0 51.39 4.4 16 8 90 10 2 45.01 -8.55 16 Tabla III. Resultados de los análisis de propiedades mecánicas de flexión. Experimento Cargas (%) Resina poliéster (%) Material reciclado (%) Esfuerzo (Mpa) Δ propiedades mecánicas (%) Porcentaje de ahorro (%) 1 (baseline production) 88 12 0 25.69 0 0 2 88 12 2 23.99 -6.6 0 3 88 12 4 22.18 -13.66 0 4 89 11 0 26.22 2.06 8.3 5 89 11 2 22.37 -12.92 8.3 6 89 11 4 22.13 -13.85 8.3 7 90 10 0 23.46 -8.68 16 8 90 10 2 23.53 -8.4 16 REFERENCIAS 1. K. S. Rebeiz. Precast use of polymer concrete using unsaturated polyester resin based on recycled pet waste Construction and Building Materials, Vol. 10, No. 3, pp. 215-220, 1996. 2. joão R. 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Se empleó software comercial para simular los movimientos de flexión, abducción y rotación interna a 90º de flexión para determinar el pinzamiento entre el cuello femoral y el acetábulo. Por otro lado, el efecto de carga en borde como consecuencia de varias inclinaciones y microseparaciones del componente acetabular fue analizado utilizando Método de los Elementos Finitos en ambos diseños. Además, este efecto fue validado en el simulador de articulación de cadera FIME II. Los resultados del nuevo diseño exhibieron un significativo incremento en el movimiento antes del pinzamiento de 12.8º ± 1.3° para la flexión, 7.8º ± 1.9º para la abducción y 13.1º ± 3.2° para la rotación interna. Asimismo, el nuevo diseño mostró reducción en el esfuerzo de contacto y desgaste de tipo franja durante la fase de asentamiento causado por el efecto de microseparación. PALABRAS CLAVE Diseño acetabular MARMEL, implante de cadera de superficie, rango de movimiento, daño por pinzamiento, método de elementos finitos, contacto de borde. Publicado originalmente en: Ingenierías, Enero-Marzo 2013, Vol. XVI, Número 58, pp. 52-62. Seleccionado para este número especial de 20 Aniversario de la revista Ingenierías. Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera contra uno convencional ABSTRACT This paper presents the assessment and comparison of a new hip resurfacing prosthesis design in terms of kinematics and contact stress in contrast with that of the conventional hip resurfacing prosthesis. To perform such assessment and comparison, both designs were virtually implanted in a cadaveric computer-aided design model. Commercial software was employed to simulate the movements of flexion, abduction and internal rotation at 90° of flexion to determine the impingement between the femoral neck and the acetabulum. On the other hand, the edge load effect as consequence of various inclinations and microseparations of the acetabular component was analyzed in both designs by means of Finite Element Analysis. In addition, this effect was validated in the FIME II hip joint 72 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. simulator. The results of the new design exhibited a significant increase in movement before impingement of 12.8° ± 1.3° for flexion, 7.8° ± 1.9° for abduction and 13.1° ± 3.2° for internal rotation. Moreover, the new design showed a reduction in contact stress and stripe wear during the running-in due to the microseparation effect. KEYWORDS MARMEL acetabular design, hip resurfacing implant, range of movement, impingement, finite element method, edge contact. INTRODUCCIÓN La artroplastia de cadera de superficie (HRA) ha sido usada ampliamente en las últimas dos décadas para pacientes jóvenes y activos como una alternativa al reemplazo total de cadera (THR). Esto se debe a ventajas importantes como son: conservación de masa ósea femoral proximal, optimización de la transferencia de esfuerzo hacia el fémur proximal dado el amplio diámetro de la articulación y el ofrecer mayor estabilidad.1-5 Sin embargo, actualmente el éxito de la HRA depende de la selección adecuada de paciente, de la curva de aprendizaje del cirujano, y de la correcta técnica quirúrgica.6,-10 A pesar de dichas ventajas, se ha reportado una reducción significativa en el rango teorético de movilidad (ROM) de la HRA con respecto de la THR,11 no obstante hay controversia debido a los resultados contradictorios entre ROM teórico y clínico de la THR y la HRA.12-14 Otro problema reportado en la HRA ha sido la anormalidad de la relación cabeza-cuello femorales. Se ha reportado que una relación reducida de cabezacuello es un factor que resulta en: pinzamiento, ROM reducido, mayor probabilidad de dislocación y patrones de desgaste anormales.15 Aparte de estas complicaciones, el pinzamiento del cuello femoral sobre el borde del componente acetabular de la HRA debido al mal posicionamiento de la copa ha sido relacionado con la fractura del cuello femoral,16 y notable desgaste de tipo franja sobre la cabeza femoral por impacto con el borde de la copa causado por la microseparación en la fase de contacto del talón en el ciclo normal de marcha.17-19 Este tipo de desgaste, llamado por varios autores como “desgaste de franja”,20,21 ha sido encontrado utilizando el Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 simulador de cadera FIME II con modo de prueba de microseparación.22,23 Además, estos hallazgos han coincidido con componentes revisados debido a la presencia de pseudotumores que han sido observados cerca del borde del implante, coincidiendo con el desgaste de franja producido por carga en el borde del implante.20,21,24 Para profundizar más en esta materia, en este artículo ha sido evaluado el comportamiento cinemático y el esfuerzo de contacto de un nuevo diseño académico de HRA llamado MARMEL. Asimismo, se discutió su posible efecto sobre la carga en borde y el mecanismo de desgaste de franja. MATERIAL Y MÉTODOS En este trabajo se propone un nuevo diseño de prótesis de HRA llamada MARMEL con el propósito de conseguir un mejor ROM antes de producirse el pinzamiento en el cuello femoral y el borde del componente acetabular. Por otro lado, se incorpora un radio del borde en la copa para disminuir el esfuerzo de contacto producido por el efecto de microseparación. Para evaluar y comparar el comportamiento cinemático de esta nueva propuesta, los diseños HRA convencional y MARMEL fueron implantados virtualmente en el mismo modelo de diseño cadavérico asistido por computadora (CAD). Posteriormente se llevó a cabo una simulación cinemática utilizando software comercial para calcular el comportamiento del ROM en ambos diseños. Además, se realizó una simulación tridimensional de elementos finitos para estudiar el efecto de carga en borde como consecuencia de diferentes inclinaciones del componente acetabular. Diseño de prótesis MARMEL Las características de diseño de los componentes femoral y acetabular de la HRA convencional se muestran en la figuras 1a y 1b. En la figura 1c y 1d se muestran los componentes femoral y acetabular de diseño MARMEL. Las principales diferencias del MARMEL con respecto del diseño de la HRA convencional son un corte de 45° del material y 1 mm en el radio de la 73 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. Fig. 1. Análisis de las características de los diseños de los implantes de superficie de cadera. a) Componente femoral de HRA convencional, b) acetábulo de HRA convencional, c) componente femoral del diseño MARMEL y d) acetábulo del diseño MARMEL. parte interna del borde acetabular, que se muestran en la figura 1d. Esta modificación en la geometría fue diseñada para mejorar el ROM antes de que ocurra el pinzamiento y mejorar la distribución de esfuerzos de contacto. El ángulo de cobertura del componente acetabular MARMEL es de 165°. El componente femoral puede ser adaptado para tamaños de 38 a 54 mm, resultando en una relación cabeza-cuello mayor que 1.2 para todos los casos. El diámetro exterior del componente acetabular es 6 mm mayor que su diámetro interior, teniendo así un espesor de pared de 3 mm. Parámetros del modelo El tamaño de cabeza femoral [Dcabeza] seleccionado para este estudio fue de 46 mm debido a que es un tamaño comúnmente utilizado.25 El diámetro del cuello [Dcuello] fue de 38.3 mm, resultando en una relación anatómica de diámetro cabeza-cuello de 1.227, el cual es un valor mayor que el recomendado por otros investigadores.11,15,26 Los componentes femoral y acetabular del MARMEL y de la HRA convencional fueron virtualmente implantados en el mismo modelo cadavérico CAD para evitar diferencias por geometrías particulares de fémur y huesos pélvicos, y otras por edad y sexo de acuerdo a otros trabajos.12,27,28,29,30 74 Simulación cinemática En acuerdo con otros autores,31,32 dos sistemas anatómicos, uno para la pelvis y otro para el fémur, fueron utilizados para definir la orientación neutral de la cadera. El plano pélvico anterior que representa el sistema de coordenada pélvico fue construido por los puntos: espina ilíaca anterior superior (ASIS) y el punto medio de los tubérculos púbicos (PT). El eje femoral (FA) corre a través de la cadera y del centro de la rodilla (KC) con la línea intercondilar pasando paralelamente al plano pélvico anterior. La figura 2 ilustra lo descrito. El componente femoral de superficie de cadera (cabeza de 46 mm) fue virtualmente implantado en la posición apropiada acorde a las características de orientación mencionadas anteriormente, manteniendo el centro físico de la articulación de la cadera a 0° de anteversión y ángulo cervicodiafisario a 135°. El componente acetabular fue colocado en siete posiciones de anteversión (-15º, -10º, -5º, 0º, 5º, 10º y 15º) y tres de inclinación (40º, 45º y 50º). Estas 21 combinaciones de posiciones de implante fueron examinadas en los diseños MARMEL y HRA convencional hasta que ocurriera pinzamiento en la prótesis o el hueso; el ROM máximo fue determinado por el indicador de colisión Fig. 2. Orientación neutral del sistema de coordenadas de referencia. Espina ilíaca anterior superior (ASIS), Tubérculos púbicos (PT), Centro de la rodilla (KC) y Eje femoral (FA). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. del software. En este análisis no fue considerada la interposición de tejidos blandos. Se examinaron los movimientos de flexión, abducción y rotación interna de las posiciones de implante a 90° de flexión de acuerdo a otros autores.33,34,35 El centro de rotación fue idéntico en ambos diseños. La posición neutral de inicio para flexión y abducción fue de 0° de flexión, 0° de abducción, y 0° de rotación. Para obtener rotación interna a 90° de flexión, el primer movimiento fue 90° de flexión y el segundo fue la rotación interna. En la figura 3 se muestra el modelo CAD pélvico con el componente acetabular posicionado a 45° de inclinación y 0° de anteversión. La figura 3a muestra la posición de inicio, la figura 3b muestra Fig. 3. Vista lateral del modelo CAD. a) Posición de inicio, b) flexión máxima con HRA convencional y c) flexión máxima con el diseño MARMEL. la flexión máxima del componente acetabular de la HRA convencional y la figura 3c muestra la misma del componente acetabular de MARMEL. Simulación de modelo de elementos finitos Una simulación tridimensional por el método de elementos finitos (FEM) fue llevada a cabo para determinar el efecto de carga en borde como consecuencia de distintas inclinaciones del componente acetabular de los diseños de MARMEL y la HRA convencional. Los componentes acetabulares fueron orientados en dos posiciones de inclinación (30° y 60°) con el fin de representar la peor situación de implante posible, tal y como se muestra en la figura 4. Un total de 3,760 y 8,428 elementos de 8 nodos se utilizaron para construir la copa y la esfera. Se aplicó una carga fijada en 2,500 N en el centro del componente femoral orientado a 13° desde la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 Fig. 4. a) Modelo tridimensional de elementos finitos, b) HRA posicionada con un ángulo de inclinación de 30° y c) con una inclinación de 60°. dirección vertical, vector de contacto típico durante una caminata normal.36 En este estudio se utilizaron un módulo elástico de 230 GPa y una relación de Poisson de 0.3 para los componentes de aleación Co-Cr-Mo. El huelgo diametral fue establecido a 120 μm para las simulaciones con base en diseños actualmente disponibles.2,37 Se modeló el efecto de microseparación para ambos diseños. Este efecto se consiguió separando perpendicularmente el componente femoral 380 μm del componente acetabular y luego recolocando el componente femoral en dirección vertical para generar un contacto en el borde acorde con otros autores.22,38 El modelado FEM fue resuelto utilizando el software ANSYS Workbench 13.0™. Prueba del simulador de cadera FIME II Dos implantes de Co-Cr-Mo fueron fabricados por el método de fundición para producir la configuración metal sobre metal de los componentes femoral y acetabular de 46 mm de diámetro tanto para el diseño MARMEL como para el de HRA convencional. Los componentes fueron maquinados y terminados siguiendo especificaciones controladas de implante. Para este propósito se midieron el huelgo diametral (Cd), la rugosidad (Ra) y la esfericidad utilizando una máquina de medición de coordenadas (CMM) y un Table I. Dimensiones principales de los componentes cabeza y copa. Muestra Huelgo diametrial principal Cd(μm) Rugosidad del componente Ra(nm) Esfericidad del componente (μm) HRA (n=2) 90.8-102.4 17.2-18.5 1.273-2.831 MARMEL (n=2) 95.2-107.1 24.1-21.8 1.892-2.056 75 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. perfilómetro. Estos parámetros de los componentes de la articulación se muestran en la tabla I. Se realizaron pruebas de desgaste de las muestras de articulación hasta 5 x 105 ciclos en un simulador de articulación de cadera FIME II tri-axial con microseparación. 39 Las muestras de implantes fueron montadas con una orientación de 60° de inclinación de las copas acetabulares por encima de las cabezas femorales. El perfil de carga utilizado fue el ciclo de marcha40 con un máximo de 2500 N. Las cabezas femorales fueron montadas en una cámara con movimiento rotatorio en un ángulo de 23° con respecto del plano horizontal y fueron rotadas sobre un eje vertical a una frecuencia de 1.2 Hz, llegando a ±23° de flexión-extensión, ±23° de abducciónaducción y ±7.5° de rotación interna-externa. Se programó la microseparación de 0.5 mm entre la copa y la cabeza para cada ciclo. Se utilizó suero fetal bovino (INVITROGEN 10091148) como lubricante en la prueba de desgaste. El suero fue diluido a 25 por ciento usando agua desionizada. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados de este estudio muestran que el ROM es directamente influenciado por la posición en que el componente acetabular es implantado. Los resultados están de acuerdo con los hallados por otros autores.15,16 Las figuras 5-8 muestran una visión general del ROM máximo de flexión, abducción y rotación externa e interna a 90° de flexión. La simulación cinemática para cada combinación de movimiento y para todas las posiciones del implante fue examinada hasta que ocurriera el pinzamiento entre el componente o en el hueso tanto para el diseño MARMEL como el de HRA convencional. En las figuras 5a y 5b se muestran los resultados para el ROM máximo de flexión. Se observó que así como incrementaron los ángulos acetabulares de anteversión e inclinación, incrementó la flexión del ROM tanto para el diseño MARMEL como para el HRA convencional. Sin embargo, fue notable que en este movimiento el diseño MARMEL exhibió un ROM 12.8º ± 1.3° superior con respecto al diseño de HRA convencional, como lo muestra la figura 5c. En la figura 6 se muestra el ROM máximo de abducción a 0° de flexión y 0° de rotación. En las figuras 6a y 6b es posible observar una línea 76 Fig. 5. Ángulos de flexión máximos. a) HRA convencional, b) diseño MARMEL y c) aumento del ROM con el diseño MARMEL. Fig. 6. Ángulos de abducción máximos. a) HRA convencional, b) diseño MARMEL y c) aumento del ROM con el diseño MARMEL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. punteada que marca el máximo ROM fisiológico antes de que se diera el pinzamiento en el hueso. Sin embargo, cuando el daño óseo ocurrió, se continuó con la simulación cinemática hasta que el pinzamiento del cuello femoral llegara al borde del componente acetabular con el fin de investigar el ROM teórico del nuevo diseño MARMEL. Con respecto al movimiento de abducción de la Figura 6c, es posible observar que el ROM incrementó 7.8º ± 1.9º en el diseño MARMEL con respecto al de HRA convencional. En la figura 7 se muestra el máximo ROM de rotación interna a 90° de flexión. En las figuras 7a y 7b se muestran los resultados de máximo ROM para la rotación interna. La simulación cinemática para rotación interna a 90° de flexión presentó una colisión por el límite fisiológico natural del ROM a 12.9° antes de que ocurriera el pinzamiento óseo. No obstante, la simulación continuó hasta el pinzamiento óseo para investigar el ROM teórico. Además, en algunos casos fue imposible conseguir los 90° de flexión para la posición de inicio sin pinzamiento, y por ello la rotación interna en esa posición no fue considerada para estos casos. En la figura 7c se muestra el incremento en el movimiento de 13.5º ± 2.5º para el diseño MARMEL con respecto al de HRA convencional para rotación interna a 90° de flexión. El ROM máximo para rotación externa a 90° de flexión se muestra en la figura 8. Los resultados del ROM máximo para rotación interna se muestran en las figuras 8a y 8b. Se observó que conforme se incrementaron los ángulos acetabulares de anteversión e inclinación, se incrementó el ROM de rotación externa en ambos diseños. El incremento de ROM en este movimiento en el diseño MARMEL fue de 13.4° ± 1.8° con respecto al de HRA convencional. En la tabla II es posible observar los resultados de varios autores que han reportado daño femoralacetabular en el ROM máximo de flexión, abducción y rotación interna con flexión de 90°. Como era esperado, la mayoría de la literatura incluye comparaciones entre la HRA y el THR convencional con diferentes tamaños de implante y posiciones del componente acetabular. Con base en estos resultados, el análisis computarizado para la HRA convencional llevado a cabo en este estudio concuerda con la mayoría de los autores, excepto Kluess et al., Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 Fig. 7. Rotación interna máxima a 90° de flexión. a) HRA convencional, b) diseño MARMEL y c) aumento del ROM con el diseño MARMEL. Fig. 8. Rotación interna máxima a 90° de flexión. a) HRA convencional, b) diseño MARMEL y c) aumento del ROM con el diseño MARMEL. 77 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. Table II. Comparación de los estudios sobre ROM de la cadera para pinzamiento femoro. Autores Implante Tamaño del implante Orientación acetabular (inclinación, anteversión) (mm) Kubiak et al. Kluess et al. Incabo et al. Newman et al. Lavigne et al. Williams et al. Stulberg et al. Howie et al. NH HRA HRA HRA HRA HRA HRA HRA ND 48 AV AV 46 44 AV AV THR Robinson et al. THR 28 Burroughs et al. THR 44 NH Cadera normal HRA Artroplastia de cadera de superficie THR Reemplazo total de cadera ND 45°,+15° 45°,+20° AV ND 30°,+25° AV AV 45°,+20° ND como lo muestra la tabla. Se sugiere que el método implementado en este estudio fue satisfactorio. Basado en ello, el incremento del ROM en todos los tipos de movimientos con el diseño acetabular MARMEL podría ser una contribución importante para mejorar el desempeño, reduciendo la posibilidad de luxación por causa del efecto de palanca que se da en el borde de contacto en las prótesis de HRA. No obstante, es necesario más trabajo para elucidar de forma detallada el efecto del tamaño femoral y los tejidos suaves. Por otro lado, en la figura 9 se muestran los resultados de la simulación de esfuerzo de contacto con una microseparación de 380 μm seguido por contacto con el borde (ver sección 2.4) en ambos diseños. En las figuras 9a y 9b se muestran la distribución equivalente de esfuerzos de contacto Von Mises a 30° de inclinación para los diseños de HRA convencional y MARMEL, respectivamente. Las figuras 9c y 9d corresponden a la distribución equivalente Von Mises de esfuerzo de contacto a 60° para los diseños de HRA convencional y MARMEL, respectivamente. A 30° de inclinación, los esfuerzos máximos en la cabeza femoral para el diseño HRA convencional y MARMEL fueron de 33.8 y 32.95 MPa, respectivamente. Los esfuerzos de contacto en ambos componentes femorales fueron similares 78 Flexión 122±16º 78º 111º 94±12º 90º 108º 104º 95° 100° 132° 107° ND No hay datos AV Promedio IR Rotación Interna ER Rotación externa Movimientos analizados IR a Abducción 90º de flexión 63±10º 35±6º ND 14° ND 8° 25±8º ND 40° ND 60° ND 45° ND 70° ND 50° ND 28° ND 24° ER a 90º de flexión 102±14º ND 41° ND ND ND ND ND ND ND Fig. 9. Vista isométrica de la distribución equivalente de esfuerzos Von Misses para la copa y la cabeza. a) HRA convencional a 30° de inclinación de la copa, b) MARMEL a 30° de inclinación de la copa, c) HRA convencional a 60° de inclinación de la copa y d) MARMEL a 60° de inclinación de la copa. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. en comparación con aquellos de los componentes acetabulares, las cuales fueron de 90.56 y 64.05 MPa para el diseño de HRA convencional y MARMEL, respectivamente. Observando las figuras 9a y 9b, es evidente que en el diseño MARMEL la distribución de esfuerzos es más amplia con respecto a la distribución de tipo franja presente en el de HRA convencional. Por su parte, a 60° de inclinación, los esfuerzos máximos en la cabeza femoral fueron de 43 y 3,221 MPa en el diseño de HRA convencional y MARMEL, respectivamente, mientras que en los componentes acetabulares fueron de 94.83 y 68.65 MPa en el HRA convencional y MARMEL, respectivamente. Es posible observar en las Figuras 9c y 9d un comportamiento similar a 30° con mejor distribución de esfuerzo en el MARMEL con respecto de la HRA convencional. El esfuerzo de contacto producido por el efecto de microseparación mostró diferencias con respecto a los ángulos de inclinación de 30° y 60°. Esto era esperado y puede ser explicado en términos de área de contacto nominal entre la esfera y el borde de la copa, la cual depende de la posición inicial de la copa, que está sujeta a ángulo de inclinación.41 Estas observaciones pueden estar relacionadas con la técnica quirúrgica indicada para este tipo de prótesis donde la posición femoral sugerida está levemente desviada en posición valga para reducir el riesgo de fractura del cuello femoral.3 Por otro lado, el nuevo diseño MARMEL de componente acetabular tiene la habilidad de reducir la distribución de la presión de contacto cuando está más cerca del borde en ambos ángulos de inclinación. También se observa que los patrones de distribución de contacto fueron similares en ambos ángulos para ambos diseños. El patrón de distribución de esfuerzo de tipo franja exhibido por la HRA convencional en este estudio es consistente con superficies femorales dañadas de prótesis de HRA removidas “in vivo”. En contraste, el diseño MARMEL mostró menor esfuerzo de contacto en el borde con un patrón de distribución de esfuerzo circular definido para ambos ángulos de inclinación. Además, el esfuerzo máximo de contacto en los componentes de HRA con distribución de franja (ver figuras 9a y 9c) es mayor que la encontrada en el diseño MARMEL con una distribución circular pequeña (ver figuras 9b y 9d). El análisis FEM fue validado cuando las superficies dañadas de la articulación del diseño MARMEL y de la HRA convencional fueron observadas (ver figura 10). En ambas condiciones se observó desgaste de franja a causa del contacto de metal de la esfera sobre metal de la copa en el implante de articulación de cadera, con proteínas adheridas a la superficie. Fue evidente que el daño por desgaste de franja fue menor en el MARMEL. La pérdida total regular por desgaste volumétrico fue medida a 5 x 105 ciclos de carga, como se muestra en la figura 11. En términos de desgaste, estas observaciones sobre la distribución máxima de esfuerzos aunados a un menor esfuerzo de contacto en el borde confirman que las asperezas involucradas durante el contacto con deslizamiento pueden llevar a menor daño de superficie en el diseño MARMEL con respecto al de HRA. Además, de acuerdo con Fig. 10. Desgaste de tipo franja en diseños a) HRA convencional y b) MARMEL a 60° de inclinación. Fig. 11. Desgaste volumétrico regular de HRA convencional y de MARMEL a 5 x 105 ciclos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2017, Vol. XX, No. 77 79 �Comparación cinemática y de esfuerzo de un diseño de prótesis total de cadera... / Melvyn Álvarez Vera, et al. la teoría de lubricación, la geometría del diseño acetabular MARMEL con un corte en el borde de 45º y un radio producen superficies con geometrías no paralelas que resulta en un mejor escenario para un régimen hidrodinámico. Sin embargo, son necesarios futuros estudios para analizar el escenario elastohidrodinámico por medio de la ecuación de Reynolds para teoría de lubricación. CONCLUSIONES En este trabajo se confirmó el efecto del diseño MARMEL en el incremento del ROM en todas las posiciones acetabulares con cambios menores en el diseño de HRA convencional, el cual puede ser fácilmente adoptado para la industria médica. Por otra parte, este diseño tiene un alto potencial para reducir la distribución de la presión de contacto cuando ocurre el contacto con el borde debido a la microseparación entre el borde del componente acetabular y el cuello femoral. REFERENCIAS 1. Ebied, A., Journeaux, S., 2002. Hip Replacement (iv) Metal-on-metal hip resurfacing. Curr. Orthop. 16, 420-425. 2. Grigoris, P., Roberts, P., Panousis, K., Bosh, H., 2005. The evolution of Hip Resurfacing Arthroplasty. Orthop. Clin. N. Am. 36, 125-134. 3. Radcliffe, I.J., Taylor, M., 2007. Investigation into the effect of varus–valgus orientation on load transfer in the resurfaced femoral head: A multifemur finite element analysis. Clin. Biomech. 22, 780-786. 4. Roberts, P., Gregoris, P., Bosch. H., Talwaker, N., 2005. (iii) Resurfacing arthroplasty of the hip. Curr. Orthop. 19, 263-279. 5. Seyler, M.T., Marulanda, A.G., Delanois, E.R., Mont, A.M., 2006. Limited Approach Surface Replacement Total Hip Arthroplasty. Oper. Tech. 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Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2017 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 20 Número Número de la revista 77 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2017, Año 20, No 77, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2017 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020840 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores ATP MATLAB Optimización Polianilina PSCAD Teleoperación https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20799/Ingenierias_2017_Ano_20_No_76_Julio-Septiembre.pdf 3f5d9fa35cc0cdcb23191fcaf35daa26 PDF Text Text ��76 Contenido Julio-Septiembre de 2017, Vol. XX, No. 76 2 Directorio 3 Editorial: Juntos por FIME con identidad y orgullo Jaime Arturo Castillo Elizondo 6 Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad de señal pequeña Gina Idárraga Ospina, Gerardo Blanco Bogado, Arturo Conde Enríquez, Vicente Cantú 18 Transmisión de datos mediante onduletas Battle-Lemarié Francisco Javier Pío Mendoza, José Antonio de la O Serna 29 Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software José Luis Cantú Mata 42 Proceso de automatización para el envío de información contable a un sistema SAP Sergio Alcaraz Corona, Joel Estrada Gámez 55 Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB Jesús G. Puente Córdova, Edgar Reyes Melo, Beatriz López Walle 73 Eventos y reconocimientos 75 Tesistas titulados de Maestría en la FIME-UANL 76 Colaboradores 78 Información para colaboradores 79 Código de ética Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 � �DIRECTORIO Ingenierías, Año XX N° 76, julio- septimbre 2017. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, Nuevo León, México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de julio de 2017. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2017 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Mtro. Rogelio G. Garza Rivera Rector M.A. Carmen del Rosario de la Fuente García Secretario General Dr. Santos Guzmán López Secretario Académico Dr. Celso José Garza Acuña Secretario de Extensión y Cultura Lic. Antonio Ramos Revillas Director de Editorial Universitaria FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván M.C. Jesús G. Puente Córdova Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIDESI / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL. COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñán, FIME-UANL. � Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 75 �Editorial: Juntos por FIME con identidad y orgullo Jaime Arturo Castillo Elizondo Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica jaime.castilloe@uanl.mx Suelo cerrar mis mensajes con esta expresión: “Juntos por FIME con identidad y orgullo”, que, aunque parece sencilla, lleva el compromiso de la historia que hemos pasado y la que estamos construyendo para el futuro, por lo que es algo que tengo presente en todo momento que dedico a la facultad. Este compromiso me motiva para presentarles una reflexión al respecto de esta expresión con la que seguramente muchos ya estamos familiarizados, y confío que identificados. Precisamente, de los tres elementos que componen esta expresión el más contundente en cuanto a su significado es la identidad, el cual es un concepto que puede tener cierto grado de complejidad porque no se refiere a algo que construimos nosotros mismos, es algo que se recibe como herencia, y se tiene la obligación de fortalecer para transferirlo más adelante, de manera que es común que la descripción de la identidad comience por narraciones en las que hay decisiones acertadas y actuaciones brillantes, que sólo pueden ser valoradas hasta que la historia da constancia de su trascendencia y fundamento de lo que hoy somos. La identidad no puede darse mediante un decreto, sino que se va formando con el trabajo colaborativo, no solo entre contemporáneos, sino que va trascendiendo generaciones. La identidad de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica comenzó a construirse desde su fundación, en parte como heredera de la identidad universitaria, cuyo origen podría rastrearse hasta el Real y Tridentino Colegio Seminario de Monterrey del siglo XVIII, la Escuela de Medicina fundada por el doctor José Eleuterio González “Gonzalitos”, la Escuela de Jurisprudencia y el Colegio Civil. De esa misma manera, la identidad de la FIME se sustenta y se fortalece con la obra de cada generación, o administración de la facultad. Si se hace una comparación con la descripción común de la identidad nacional, se podrá apreciar que se fundamenta en muchos sucesos, los héroes que nos dieron patria son apenas el principio, y aunque son elementos esenciales de la identidad, no lo fueron hasta que se entiende en el presente la importancia de sus actos. Sobre este principio, tan importante como lo que se hizo es lo que se siguió haciendo después y se hace hoy en favor del engrandecimiento social, cultural y económico de México. Cada persona que hace cabalmente lo que le corresponde hacer, contribuye a ese proyecto de nación, y guardando toda proporción, igual ocurre con el proyecto de la FIME. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 � �Juntos por FIME con identidad y orgullo / Jaime Arturo Castillo Elizondo Las manifestaciones de la identidad están presentes en todas las actividades, ya sean culturales, académicas, artísticas y de folklore. En la FIME se reflejan externamente de la manera más simple en los colores verde y blanco, en la huella y en el oso, pero lo esencial son los valores que nos identifican y que se suman al carácter universitario, al de nuevoleoneses, al de norteños y mexicanos, que en común gustan del trabajo bien hecho. Todo esto se transmite de generación a generación, de padres a hijos, de maestros a alumnos, de compañero a compañero, de modo que se genera un sentido de permanencia y pertinencia que proviene de nuestros intereses y valores comunes y del sentimiento de que, así como los fundadores tuvieron su parte en el nacimiento de la FIME, nosotros tenemos la nuestra en su crecimiento y reputación, y a la vez somos los fundadores de elementos que serán tomados en el futuro. Un ejemplo de la amplitud de la identidad es el número de foros y reuniones que se organizan en diferentes países sobre este concepto, especialmente en su acepción de identidad nacional, a fin de entenderla, fortalecerla y mostrarla. Sin embargo, para los fines de este mensaje considero que ha sido descrita suficientemente y puedo pasar a los otros dos aspectos: juntos y orgullo. Juntar significa reunir, no necesariamente en lo físico, pero si en lo que son nuestros principios comunes que nos invitan a unirnos, en este caso, “juntos” es un recordatorio de que aprovechando la riqueza que brinda la diversidad ideológica propia de un medio universitario, la unión en una causa hace la fuerza, así de simple. El orgullo por otra parte resulta mucho más natural, convencidos de que lo que hacemos tiene valor, y los logros nos proporcionan un cierto sentido de satisfacción, y los hacemos nuestros en trabajo y mérito, independientemente del lugar de la universidad en el que se generen. El crecimiento del país, la UANL y la FIME, depende de las acciones de todos, recordando que ninguna se puede considerar tan pequeña que no sea digna de crédito ni tan grande que vuelva insignificantes a las demás. Entre las muchas formas que tiene la FIME de mostrar su obra, aparte de la propia formación de ingenieros y científicos, está la difusión del conocimiento mediante la revista Ingenierías, y quiero aprovechar la ocasión para felicitar a la FIME por esta publicación que celebra en este año su 20 aniversario. Esta revista también construye su propia identidad a partir de sus antecedentes en boletines departamentales y publicaciones que a pesar de su vida corta, proporcionaron enseñanzas que fueron de gran utilidad para lanzar en 1998 esta revista. Quiero agradecer a todos los autores que han enviado trabajos para su arbitraje y posible publicación en esta revista, especialmente a los autores que proveyeron los primeros artículos, aceptando la invitación para escribir y ofreciendo su reputación en favor de la identidad de nuestra facultad, ya que su alcance no se limita a la comunidad universitaria por estar en el sitio web de publicaciones de la UANL, sino que puede ser consultada desde cualquier parte del mundo. También quiero reconocer a los estudiantes que han presentado su primera publicación arbitrada en esta revista, ya que cumplen con un ejercicio esencial en la formación de investigadores y muy importante en la formación de profesionistas. � Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 75 �Juntos por FIME con identidad y orgullo / Jaime Arturo Castillo Elizondo Al igual que muchos logros de la FIME, tales como el Reconocimiento Internacional Europeo sello EUR-ACE para los programas IAS e IMA, además de las certificaciones de CACEI, CIEES y ABET, la revista Ingenierías es también objeto de identidad y orgullo. De algún modo todos apreciamos la unión, la identidad y el orgullo por nuestra facultad, y en lo particular suelo expresarlo en voz alta, suelo escribirlo y recalcarlo, porque así lo siento: “Juntos por FIME con identidad y orgullo”, es un reconocimiento al trabajo colaborativo de muchos y a la labor que fortalece la identidad y el sentido de pertenencia, al mismo tiempo que es un llamado para que todos asumamos el compromiso de actuar en favor de nuestra facultad. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 � �Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad de señal pequeña Gina Idárraga Ospina*, Gerardo Blanco Bogado**, Arturo Conde Enríquez*, Vicente Cantú Gutierrez* *Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME **Universidad Nacional de Asunción, Asunción, Paraguay gidarraga@gmail.com RESUMEN En este trabajo se presenta un modelo de turbina eólica de velocidad variable con generador de inducción doblemente alimentado, para análisis de estabilidad de pequeña señal. Los modelos de los componentes del sistema en espacio de estados son presentados en una estructura general. Los resultados obtenidos muestran la respuesta del modelo ante una señal de velocidad de viento generada y el análisis de estabilidad de pequeña señal realizado para diferentes escenarios de red. Se define claramente el efecto de la robustez de la red eléctrica sobre la estabilidad de pequeña señal de este sistema de turbina eólica y generador, conectada a la red por medio de una línea de transmisión. PALABRAS CLAVE Turbina eólica de velocidad variable, generador de inducción doblemente alimentado, estabilidad de pequeña señal. ABSTRACT A model of a variable speed eolic turbine with a double fed induction generator for analysis of small signal is presented in this work. The models of the components of the system in space state are presented in a general structure. The results show the response of the model before a generated signal of wind speed and the stability analysis of the small signal for different network scenarios. The effect of robustness of the electric network over the stability of the small signal in this system of eolic turbine and generator connected to the network by means of transmission lines is clearly defined. KEYWORDS Variable speed eolic turbine, double fed induction generator, small signal stability. � Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad... / Gina Idárraga Ospina, et al. INTRODUCCIÓN Las energías renovables han tenido un importante desarrollo como generación distribuida en los sistemas eléctricos de potencia (SEP) como una alternativa de bajo costo para alimentar zonas de consumo aisladas reduciendo las pérdidas de suministro al evitar la construcción de líneas de transmisión y aprovechando los recursos naturales existentes en la región, principalmente la energía solar y la energía eólica. Además, la generación eólica se ha desarrollado rápidamente debido a que disminuye la producción de gases de efecto invernadero y apoya a la sustentabilidad del medio ambiente. Por otro lado, el aumento en la penetración de energía eólica hacia el SEP está incrementando la preocupación del impacto de las turbinas eólicas (TE) en la estabilidad del SEP. En ese sentido, se presenta el desarrollo de un modelo completo de la generación eólica para realizar estudios dinámicos en corto intervalo, con el fin de apreciar el efecto que pueda tener la integración de este tipo de generación en puntos claves de la red eléctrica. Debido principalmente a la naturaleza estocástica del viento, se han presentado nuevos desafíos relativos al control, modelado y simulación de la operación integrada de sistemas de generación eólicos en los SEP modernos. Es importante representar este comportamiento del viento porque de ahí proviene la energía mecánica que hace girar a la TE. Es necesario, para el análisis de la red eléctrica, entender cómo la penetración de energía eólica afecta a un SEP existente interconectado, especialmente para el análisis de estabilidad de pequeña señal (AEPS). Se han publicado trabajos relacionados al modelado, control y AEPS de TE con generador de inducción doblemente alimentado (GIDA),2-8 pero en su mayoría se realiza el AEPS enfocado a evaluar las técnicas de control para los convertidores. Por ejemplo, se presentan modelados del convertidor hasta de 16 variables de estado, simplificando los modelos de la red eléctrica, como son las líneas de transmisión y la compañía eléctrica, y el análisis de la interacción de sistemas. El caso de estudio del presente trabajo, se basa en el modelado de cada uno de los subsistemas que conforman una turbina eólica de velocidad variable (TEVV) con generador de inducción doblemente alimentado GIDA. Se realizan simulaciones para apreciar la respuesta del modelo completo ante señales de velocidad de viento generadas. Para el AEPS se consideran dos escenarios, la conexión a una red robusta y la conexión a una red débil para analizar su impacto en la red eléctrica. MODELADO COMPLETO DE LA TEVV CON GIDA La figura (1) muestra la estructura general del modelo de la TEVV con GIDA. A su vez, la figura (2) muestra el diagrama de la TEVV con GIDA conectada a un sistema SEP en un esquema máquina bus infinito. En breve se describen cada uno de los bloques. La primera señal necesaria para modelar una TE es la velocidad del viento. Una forma de modelar la velocidad del viento, es con base en mediciones, pero en este caso utilizaremos un enfoque clásico presentado en.1,2,9-11 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 � �Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad... / Gina Idárraga Ospina, et al. Fig. 1. Estructura general del modelo de la TEVV con GIDA, Fig. 2. Configuración de la TEVV con GIDA. La manera convencional de representar al rotor de una TE es utilizando la ecuación de potencia extraída del viento expresada como (1) donde PV es la potencia extraída del viento en W; ρ es la densidad del aire en kg⁄m3; Cp es el coeficiente de potencia; λ es la relación de velocidad de punta, entre la velocidad de punta de las aspas (ωtR/VV, donde ωt y R son la velocidad rotacional y el radio de la TE respectivamente y VV es la velocidad del viento); β es el ángulo de inclinación de las aspas en grados y por último At es el área cubierta por el rotor de la TE en m2. Cp se representa empíricamente como (2) donde y c1=0,5176, c2=116, c3=0,4, c4=5, c5=21 y c6=0,0068. Las ecuaciones que describen al GIDA son idénticas a las del generador de inducción de jaula de ardilla y se encuentran en.12 Sin embargo, no es conveniente utilizarlas directamente de esta forma para el AEPS. Se deben � Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad... / Gina Idárraga Ospina, et al. respetar los requerimientos resultantes de los principios en los cuales están basados los programas de simulación dinámica; esto es, considerar sólo las componentes fundamentales de frecuencia de voltajes y corrientes. Para cumplir con estos requerimientos, es necesario deducir un modelo práctico con ciertas simplificaciones, basado en las siguientes suposiciones: • Despreciar la saturación magnética. • Considerar los voltajes y corrientes del GIDA sinusoidales a frecuencia fundamental. • Todas las masas rotatorias se representan por un elemento: es decir, se utiliza la representación masa concentrada. • Despreciar los transitorios y resistencia en el estator. Por lo tanto, las ecuaciones de voltajes y corrientes del GIDA se pueden reescribir como (3) (4) (5) (6) (7) (8) donde ut es el voltaje en terminales, el cual se mantiene constante durante el AEPS; y Xs=Xsσ+Xm. Las ecuaciones de potencia activa y reactiva del estator se simplifican y resultan de la siguiente manera: (10) Las potencias activa y reactiva del rotor y total del GIDA se expresan en las siguientes ecuaciones: (11) (12) (13) (14) En estado estable, de acuerdo a las Ecs. (9) y (11), se puede probar que Pr=sPs, y como el deslizamiento, s, es usualmente pequeño, Pr puede ser ignorada. Finalmente asumimos que PTOT≈Ps. La ecuación de movimiento del generador es: Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 � �Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad... / Gina Idárraga Ospina, et al. (15) donde Hm es la constante de inercia de la máquina y Tm es el par mecánico. El convertidor se modela como fuentes de corriente de voltaje controlado a frecuencia fundamental. Por lo tanto, los puntos de ajuste de corriente serán las corrientes del rotor. Los diagramas de bloque de los controladores del convertidor se presentan en la figura (3), mientras que las ecuaciones de control están dadas por: (16) (17) (18) (19) (20) (21) El controlador del ángulo de inclinación se activa sólo para altas velocidades del viento. El ángulo de inclinación se modifica para limitar la eficiencia aerodinámica del rotor. Si se aumenta el ángulo de inclinación β, se disminuye el coeficiente de potencia Cp y por lo tanto disminuye PV. Esto permite que la velocidad del rotor no sea muy alta, evitando así un daño mecánico para la TE. El controlador del ángulo de inclinación se muestra en la figura (4). Fig. 3. Diagrama de los controladores: a) control de velocidad y b) control de voltaje. Fig. 4. 10 Diagrama del controlador del ángulo de inclinación. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad... / Gina Idárraga Ospina, et al. RESPUESTA DEL MODELO SIMULADO Después de la integración del modelo de la turbina eólica de velocidad variable con GIDA en MATLAB/Simulink se simuló un caso de estudio usando una turbina eólica de 2 MW. Se analiza la respuesta de los modelos al aplicarse una secuencia de viento generada. Los parámetros del generador y de la turbina se presentan en las tablas I y II. La velocidad del viento inicial está por debajo de la velocidad nominal. A los 5 s inicia una rampa de velocidad, lo cual significa un incremento en la velocidad promedio del viento de 4 m/s en 30 s. Después de 10 s, ocurre una ráfaga de viento con una amplitud de -3 m/s con una duración de 10 s. Se asume que la turbina eólica está montada en un terreno con las siguientes parámetros: KN=0,004, F=600 y μ=11,5 m/s. Se ha tomado en cuenta que el nodo de conexión es un nodo robusto, Xl/Xm =0,01, donde Xl es la reactancia entre las terminales de la turbina y la barra infinita. Los resultados se muestran en las figuras (5). En esta figura podemos observar la velocidad del viento, la velocidad del rotor, el ángulo de inclinación de las aspas del rotor, y las potencias activa y reactiva. Un poco después de los 20 s se observa cómo se alcanza el valor de potencia nominal y, en ese instante, actúa el controlador del ángulo de inclinación para prevenir sobre-velocidades. Cabe destacar que gran parte de la turbulencia es filtrada por la inercia del rotor una vez que se alcanza la velocidad nominal de la turbina, y es poco notable en la potencia de salida. Este alisamiento de las fluctuaciones de la potencia de salida causadas por ráfagas de viento y turbulencias es una de las principales ventajas de las TEVV sobre las turbinas eólicas de velocidad fija. También, podemos concluir que el desempeño del controlador de voltaje en terminales es bueno porque mantiene el voltaje en 1,0 pu, aun cuando la velocidad del viento y la potencia generada cambian constantemente durante el intervalo de simulación. Tabla I. Parámetros del GIDA. Inductancia mutua, Lm, (pu) 3,0 Inductancia de encadenamiento del estator, Lsσ, (pu) 0,10 Inductancia de encadenamiento del rotor, Lrσ, (pu) 0,08 Resistencia del estator, Rs, (pu) 0,01 Resistencia del rotor, Rr, (pu) 0,01 Constante de inercia, Hm, (seg) 3,5 Tabla II: Parámetros de la TE. Diámetro del rotor, (m) Área de barrido del rotor (“m” ^2) Potencia nominal (MW) 75 4418 2 Velocidad nominal del viento (m/s) 11,5 Velocidad nominal del rotor (rpm) 18 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 11 �Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad... / Gina Idárraga Ospina, et al. Fig. 5. Respuesta del modelo ante una señal de velocidad de viento simulada. 12 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad... / Gina Idárraga Ospina, et al. ESTABILIDAD DE PEQUEÑA SEÑAL CON GIDA La estabilidad de pequeña señal es la habilidad de los SEP para mantener el sincronismo durante pequeños cambios de las condiciones de operación básicamente relacionados con variaciones de cargas y generación. La estabilidad de pequeña señal depende del estado de operación inicial del sistema ya que en este tipo de análisis son consideradas pequeñas perturbaciones, aquellas en las que es posible linealizar el sistema de ecuaciones algebraicas diferenciales (EAD) simulando el comportamiento del sistema. El objetivo de realizar el AEPS con el modelo desarrollado es visualizar su capacidad para mantenerse estable ante alguna pequeña perturbación. La simplicidad de las ecuaciones reducidas que resultaron de las simplificaciones tomadas en cuenta facilita la linealización y por ende el análisis. Por otro lado, en un SEP siempre están presentes las variaciones de carga y generación consideradas como pequeñas perturbaciones, por lo que se justifica así la realización del AEPS considerando la integración de energía eólica al SEP. MODELO DINÁMICO NO LINEAL El modelo no lineal del sistema del GIDA conectado a la red se puede escribir como un conjunto de EAD de la siguiente manera: (22) (23) donde x, z, y u son las variables de estado, algebráicas y de entrada, respectivamente, mientras que y son las variables de salida. El conjunto de EAD del sistema del GIDA conectado a la red se resume en la tabla III. Tabla III: EAD del modelo del GIDA. f(x,z,u) (7) (8) (15) (16) (17) (19) g(x,z,u) (5) (6) x idr, iqr, ω, x1, x2, x3 z ids, iqs u Tm, uqs y udr, uqr CONDICIONES INICIALES El punto de partida de un AEPS es la inicialización del modelo del SEP, la cual se realiza calculando flujos de potencia. Después, se inicializa el sistema resolviendo sus EAD con todas las derivadas iguales a cero para obtener así los puntos de equilibrio (x0,z0,u0). Para el caso de estudio de la figura (2), la red se modela por su equivalente de Thevenin; es decir, una barra infinita detrás de una reactancia (de la línea) Xl. Una red robusta se modela con un valor pequeño de Xl (mayor relación de corto circuito) y viceversa. Las ecuaciones de flujos de potencia en pu, de acuerdo a la figura (2) son: (24) Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 13 �Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad... / Gina Idárraga Ospina, et al. (25) donde γ es el ángulo del voltaje en terminales del GIDA y Xl es la reactancia de la línea. LINEALIZACIÓN Como se asume que las perturbaciones son pequeñas, las Ecs. (22) y (23) se linealizan por un expansión de series de Taylor. Despreciando los términos de segundo orden y mayor, y eliminando las variables algebraicas, z, el modelo lineal correspondiente se obtiene de la siguiente manera: (26) donde: (27) La matriz A es la matriz de estados del sistema. Sus valores propios, reales y/o complejos, dan los modos naturales del sistema y permiten la valoración de la estabilidad de pequeña señal. Si A es real, y tiene valores propios complejos, estos siempre aparecerán en pares conjugados. RESULTADOS La solución de flujos de potencia se realiza con las ecuaciones (24) y (25). Para los parámetros dados por la tablas I y II, la tabla IV muestra algunos valores en estado estable correspondientes a las siguientes condiciones de post-disturbio en pu: PTOT =0,9 pu y ut=1,0 pu, considerando una red robusta (Xl/Xm=0,01). Tabla IV. Valores iniciales para el sistema de generación eólico de la figuras (1) con PTOT =0,9 pu y ut=1,0 pu, donde us0=|usdq0 |, is0=|isdq0 |, ur0=|urdq0 |, ir0=|irdq0 |, PTOT0 y QTOT0= potencia activa y reactiva total entregada a la red, Tm0= par mecánico de entrada, con Xl/Xm=0,01. us0 PTOT0 QTOT0 Tm0 ur0 ir0 is0 1,0 0,9 0,013 0,775 0,267 1,049 0,985 En la tabla V, λ = σ ± j ω son los valores propios, donde la parte real proporciona el amortiguamiento y la componente imaginaria da la frecuencia de oscilación. ξ es el factor de amortiguamiento, dado por Tabla V: Valores propios para el modelo de la TEVV con GIDA con PTOT=0,9 pu y ut=1,0 pu conectada a una red robusta. Valor propio σ ω ξ f λ1, λ2 -28,37 320,56 0,0882 51,019 λ3, λ4 -63,76 49,01 0,792 7,8 λ5 -98,13 0 1 0 λ6 -43,95 0 1 0 14 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad... / Gina Idárraga Ospina, et al. el cual determina la taza de decaimiento de la amplitud de la oscilación y f=ω/(2π) es la frecuencia de oscilación en Hz. La tabla VI contiene los factores de participación de cada variable de estado con respecto a cada modo. Como se puede observar, todos los valores propios tienen partes reales negativas, por lo tanto el sistema de la figura (1) es estable ante pequeñas perturbaciones. Los resultados validan que el sistema de generación eólico es estable. En particular, se presentan dos modos oscilantes con frecuencias de 51,019 Hz y 7,80 Hz. De acuerdo a la tabla VI, los factores de participación indican que estos modos oscilantes se deben a la corriente del rotor y a la velocidad rotacional de la máquina. Los modos de oscilación rápida, λ1 y λ2, se asocian en mayor medida a los transitorios en el rotor (idr, iqr). Los modos de oscilación media, están asociados mayormente con los transitorios del tren de mando, ωm. Por último los modos λ5 y λ6 son debidos a las variables de control x2 y x3 las cuales están en función de la potencia activa y reactiva respectivamente. Considerando ahora una red débil, (Xl/Xm=0,1), y tomando en cuenta que las condiciones de post-disturbio en pu son las mismas que en el caso anterior, resolvemos flujos de potencia y se obtienen los valores iniciales presentes en la tabla VII. Se puede observar que, para la red débil, la potencia reactiva requerida del GIDA es substancialmente mayor que la potencia reactiva requerida en el caso de una red robusta. Tabla VI: Factores de participación del modelo de la TEVV con GIDA. λ1, λ2 λ3, λ4 λ5 λ6 0,589 0 0,043 0,043 idr 0,565 0,018 0,035 0,035 iqr 0 0,512 0 0 wm 0 0,003 0 0 x1 0,023 0,007 0,478 0 x2 0,024 0,005 0 0,396 x3 Tabla VII: Valores iniciales para el sistema de generación eólico de la figura (1) con PTOT =0,9 pu y ut=1,0 pu, donde us0=|usdq0 |, is0=|isdq0 |, ur0=|urdq0 |, ir0=|irdq0 |, PTOT0 y QTOT0= potencia activa y reactiva total entregada a la red, Tm0= par mecánico de entrada, con Xl/Xm=0,1. us0 PTOT0 QTOT0 Tm0 ur0 ir0 is0 1,0 0,9 0,136 0,764 0,267 1,101 0,998 En la tabla VIII se presentan los valores propios de la matriz de estados del modelo de la TEVV con GIDA conectada a una red débil. El sistema sigue siendo estable, pero su respuesta es más lenta con respecto al caso de una red robusta, porque el valor de λ1 se hace menos negativo. Además, aumenta la frecuencia de oscilación en el modo oscilante λ2. Este aumento conlleva a una disminución en el factor de amortiguamiento ξ, lo cual significa que la respuesta asociada a estos valores propios tendrá una mayor duración. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 15 �Modelado de turbina eólica con generador de inducción para análisis de estabilidad... / Gina Idárraga Ospina, et al. Tabla VIII: Valores propios para el modelo de la TEVV con GIDA con PTOT =0,9 pu y ut=1,0 pu conectada a una red débil. Valor propio σ ω ξ ƒ λ1, λ2 -18,151 359,43 0,0504 57,21 λ3, λ4 -63,603 50,018 0,795 7,961 λ5 -99,428 0 1 0 λ6 -32,395 0 1 0 CONCLUSIONES La respuesta del modelo ante una secuencia de velocidad de viento generada mostró un acertado grado de correspondencia. Esto otorga confianza en los modelos derivados y muestra que los resultados de las simplificaciones y suposiciones realizadas son aceptables. Con la realización del AEPS se derivaron las siguientes conclusiones: resultó que todos los valores propios tienen parte real negativa, por lo tanto el sistema es estable, tanto para el caso de una red robusta, como para el caso de una red débil; se presentaron dos modos oscilantes, los cuales se asociaron a las corrientes del rotor y a la velocidad rotacional del GIDA. Estos modos fueron más severos en el caso de una red débil, que aunque no se perdió estabilidad, la respuesta asociada a esos modos es más lenta. En relación a este resultado, se puede concluir también que el impacto de la conexión de turbinas eólicas en puntos débiles de la red conlleva a riesgos de estabilidad. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Ing. César Heberto Ochoa Ruiz por la realización de su tesis de maestría en el tema relacionados, los datos aportados ayudaron en la realización del presente artículo. BIBLIOGRAFÍA 1. Ackermann T. Wind Power in Power System, Chichester: John Wiley & Sons, 2005. 742p. 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Se definen parámetros de diseño para su implementación como base vectorial sintetizadora de símbolos. Se realizan experimentos de transmisión de datos y se evalúa el esquema usando los criterios de BER, BE y PAR. Se compara con sistemas basados en OFDM. PALABRAS CLAVE Onduletas, Battle-Lemarié, modulación digital. ABSTRACT It is shown that a digital modulation scheme based on Battle-Lemarie wavelets (BL) has notable noise immunity and low intersymbolic interference. This is supported on the orthogonality, the fast decay of the BL wavelets and its energy lumped in limited regions of the time-frequency plane. The analytic construction of BL wavelets and scaling functions is studied. Design parameters for its implementation as a symbol synthesizer vector base are defined. Data transmission experiments are conducted and the scheme is evaluated using the criteria of BER, BE and PAR. Comparison is made with OFDM based systems. KEYWORDS Wavelets, Battle-Lemarie, digital modulation. INTRODUCCIÓN En una modulación digital,1 existe una relación biyectiva entre los elementos del conjunto de secuencias binarias y los elementos del conjunto de símbolos sn (t), ver figura 1. Existen diferentes esquemas y métodos de modulación que permiten obtener un conjunto de señales simbólicas adecuado para la representación de las secuencias binarias. De la teoría de onduletas,2- 4 una función φ(x) es refinable si puede ser expresada como la sumatoria de dilataciones trasladadas y escaladas de ella misma. El análisis multiresolución (multiresolution analysis, MRA) es un conjunto de condiciones aplicadas sobre una función refinable φ(x) y un conjunto de espacios 18 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Transmisión de datos mediante onduletas Battle-Lemarié / Francisco Javier Pío Mendoza, et al. Fig. 1. Relación biyectiva entre secuencias binarias y símbolos. funcionales definidos por φ(x). Si φ(x) satisface al MRA, se le denomina función escalante (scaling function). Luego, la función escalante, tras un proceso similar al de un filtrado, da lugar a la función onduleta madre ψ(x) (mother wavelet function). La onduleta madre, por medio de dilataciones y traslaciones temporales, genera onduletas de menor escala temporal y en un espectro de frecuencia más elevado. La función escalante y las onduletas conforman una base funcional con la que es posible representar otras funciones. Adicionalmente, cada una concentra su energía en regiones del plano tiempo-frecuencia independientes entre sí; ver figura 2. Fig. 2. Localización de la función escalante φ y funciones onduletas ψ en el plano tiempo-frecuencia. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 19 �Transmisión de datos mediante onduletas Battle-Lemarié / Francisco Javier Pío Mendoza, et al. ¿Existe alguna ventaja en la utilización de una base de onduletas como base funcional que genere el conjunto de símbolos de un esquema de modulación digital? En el presente trabajo, se estudian las propiedades de las onduletas BattleLemarié (BL) para proponer un esquema de modulación digital. La tabla I indica que las onduletas BL se caracterizan por su ortogonalidad, ya sea entre onduletas de distintas escalas, así como entre onduletas de la misma escala pero trasladadas. Aunado a esto, las onduletas BL tienen un decaimiento rápido y su energía se concentra en un intervalo de tiempo y en un ancho de banda acotados. Tabla I. Clasificación de onduletas spline con sus propiedades principales.5 Tipo de onduleta Spline ortogonal (Battle-Lemarié, Mallat) Ortogonalidad Soporte compacto Sí No Propiedades clave *Simetría y regularidad *Ortogonalidad Spline semiortogonales (ChuiInter-escala Wang, Unser-Aldroubi) *Simetría y regularidad Análisis o *Localización en tiemposíntesis frecuencia óptima Spline ortogonal recorrido Intra-escala (Unser-Thévenaz-Aldroubi) No *Simetría y regularidad *Cuasiortogonalidad *Decaimiento rápido Spline biortogonal ( C o h e n - D a u b e c h i e s - No Feauveau) Sí *Simetría y regularidad *Soporte compacto Se plantea la hipótesis de que un esquema de modulación digital basado en onduletas BL tendrá inmunidad al ruido notable y baja interferencia intersimbólica. Lo anterior debido a que: a) la ortogonalidad facilita recuperar la señal afectada por el ruido del canal ya que propicia que la proyección del ruido en los vectores que componen la base sea uniforme. La ortogonalidad elimina la interferencia intersimbólica y facilita la demodulación y detección de las señales recibidas. Además, b) el decaimiento exponencial facilita su implementación en dispositivos digitales sin que el truncamiento de la onduleta signifique pérdida de ortogonalidad considerable. Como antecedente, la aplicación de onduletas en sistemas de comunicaciones ha sido propuesta en esquemas de modulación del tipo OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing). En este caso, se remplazó el uso de exponenciales complejas portadoras basadas en el análisis Fourier por una base de onduletas ortonormales. Fueron utilizadas onduletas Haar y Daubechies.6 Por otro lado, existe el antecedente del uso de onduletas BL de spline cúbico, y principalmente de onduletas Daubechies como formas de onda para codificación en banda base de esquemas BPSK (binary phase-shift keying) y QPSK (quaternary phase-shift keying).7 20 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Transmisión de datos mediante onduletas Battle-Lemarié / Francisco Javier Pío Mendoza, et al. ONDULETAS BATTLE-LEMARIÉ El término de spline se refiere a las funciones que se definen por segmentos mediante polinomios. Las denominadas onduletas spline son construidas a partir de un B-spline. Los B-spline centrados B1 y B(m+1) se definen como:4 (1) y (2) respectivamente. Luego, los espectros de frecuencia de B1 y Bm son: (3) y (4) respectivamente. En la figura 3, se observa el B-spline de quinto orden en el dominio temporal y su densidad espectral de energía. Para obtener las funciones escalante φ(x) y onduleta ψ(x) a partir de un Bspline, se procede, en un primer paso, a normalizar el B-spline en la frecuencia Fig. 3. B-spline de quinto orden B5 en el tiempo (arriba) y su densidad espectral (abajo). mediante4: (5) donde (6) Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 21 �Transmisión de datos mediante onduletas Battle-Lemarié / Francisco Javier Pío Mendoza, et al. El desarrollo algebraico de (6) permite obtener en (5) una expresión en el dominio temporal consistente en una suma de versiones trasladadas y ponderadas del B-spline original de la forma: (7) donde φ†(x) es la función escalante que satisface el MRA, son los coeficientes de ponderación, δ(x) es la función impulso y el símbolo * indica la operación de convolución. La figura 4 muestra la función escalante y su densidad espectral. La tabla II contiene los primeros coeficientes para m = 5. Fig. 4. Función escalante normalizada φ† de orden m = 5 (arriba) y su densidad espectral (abajo). Tabla II. Coeficientes de ponderación utilizados en la obtención de función escalante correspondiente al B-spline B5(x). 0 4.9833 5 − 0.1442 10 0.0085 15 1 − 2.1660 2 1.0055 6 0.0801 11 − 0.0049 16 0.0003 7 − 0.0451 12 0.0029 17 − 0.0002 3 − 0.5035 4 0.2651 8 0.0257 13 − 0.0017 18 0.0001 9 − 0.0147 14 0.0010 19 − 0.0001 − 0.0006 El segundo paso es hallar las funciones H0(γ) y H1(γ) que satisfacen las ecuaciones:4 (8) y (9) 22 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Transmisión de datos mediante onduletas Battle-Lemarié / Francisco Javier Pío Mendoza, et al. donde H0(γ) y H1(γ) se relacionan mediante: (10) El desarrollo de (8), (9) y (10) conducen al resultado: (11) donde ψ(I)(x) hace referencia a la onduleta madre (el subíndice indica la ordinalidad con respecto a las onduletas de las siguientes escalas), indica el B-spline centrado y normalizado, y hm,k son coeficientes de ponderación. Aplicando operaciones de dilatación y traslación sobre ψ(I)(x) se generan las onduletas de las siguientes escalas. Por ejemplo, la siguiente generación se expresa con: (12) y (13) La figura 5 muestra la función onduleta madre de orden 5 y su densidad espectral. La tabla III indica los primeros coeficientes h5,k no nulos. Fig. 5. Función onduleta madre ψ de orden m = 5 (arriba) y su densidad espectral (abajo). Tabla III. Coeficientes de ponderación utilizados en la obtención de función onduleta correspondiente del B-spline B5(x). k h5,k k h5,k k h5,k k h5,k 1 j0.471151 11 −j0.010772 21 −j0.007183 31 j0.000176 3 −j0.119680 13 −j0.024218 23 j0.000766 33 j0.001296 5 −j0.097851 15 j0.004107 25 j0.004016 35 −j0.000089 7 j0.031501 17 j0.013048 27 −j0.000361 37 −j0.000745 9 j0.046451 19 −j0.001713 29 −j0.002271 39 j0.000046 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 23 �Transmisión de datos mediante onduletas Battle-Lemarié / Francisco Javier Pío Mendoza, et al. BASE VECTORIAL La implementación de los resultados analíticos previos en un esquema de modulación digital requiere crear una base vectorial. La base funcional contiene P funciones: una función escalante más P-1 funciones onduletas (onduleta madre y onduletas hijas de las escalas subsecuentes). En el presente trabajo, se propone fijar en 16 el número de elementos de la base. Si P < 16, se complementa la base de funciones onduletas BL con la modulación por exponenciales complejas de la P-tupla de funciones originales, similar a lo desarrollado en 8 y 9. Para ello, se definen parámetros y constantes de diseño, ver tabla IV. La figura 6 muestra la densidad espectral de un ejemplo de base vectorial. MODULACIÓN DIGITAL La base vectorial, mediante combinaciones lineales, genera un espacio vectorial. Los coeficientes que ponderan la combinación de los vectores se utilizan para codificar información. En el presente trabajo, la simulación del sistema de transmisión de datos emplea el esquema BPSK. Los bloques binarios para determinar cada coeficiente o amplitud compleja son de un solo bit. En consecuencia, las amplitudes que modulan a los vectores de la base son de 1 y −1. Las señales simbólicas, o símbolos, se generan con la suma de las 16 señales moduladas. Por lo tanto, cada símbolo representa la información de palabras binarias de 16 bits. El símbolo se sintetiza en forma discreta mediante: (14) Tabla IV. Parámetros y constantes de diseño de la base vectorial. Par. o cons. Significado Unidad S Intervalo de soporte finito P Rango de funciones onduletas no Adimensional moduladas BWP Ancho de banda de onduletas no Frecuencia moduladas Q Frecuencia fundamental de Frecuencia modulación kmax Armónica máxima de Q Adimensional fmax Frecuencia máxima de BWΦ Frecuencia BWΦ Ancho de banda de la base extendida Frecuencia por modulación fs Frecuencia de muestreo Nsam Número de elementos del vector Elementos (muestras) Tiempo Valores sugeridos o dados > 4 seg 1, 2, 4, 8 ó 16 Muestras / Tiempo Factor de corrección entre tiempo Adimensional continuo y discreto 24 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Transmisión de datos mediante onduletas Battle-Lemarié / Francisco Javier Pío Mendoza, et al. Fig. 6. Densidad espectral de funciones de la base vectorial de orden m = 5 con S = 4 s, P = 4, Q = 7.5 Hz, fs = 64 Hz. Para P = 4, cada P-tupla consiste en función escalante (línea sólida), onduleta madre (línea intermitente) y dos onduletas hijas de primera generación (línea punteada). y en su forma continua se expresa como: (15) donde αk,l son las amplitudes complejas. La figura 7 da un ejemplo de señal simbólica. En la recepción, la señal recibida contiene una componente de ruido. La base vectorial se emplea como operador de análisis o correlador y permite encontrar los coeficientes de la señal dentro del espacio vectorial que es proyectada ortogonalmente por la señal recibida. Los coeficientes obtenidos son comparados con el conjunto de amplitudes complejas predefinidas por la modulación BPSK para establecer la correspondencia a los datos binarios. Las propiedades de las onduletas permiten dos escenarios en la transmisión de símbolos. En el primero, no existe superposición entre símbolos consecutivos; y en el segundo, el símbolo siguiente se genera una unidad temporal después y se superpone al previo pese a que su transmisión no haya concluido. La ortogonalidad de las onduletas BL permite este caso. Los resultados en las simulaciones muestran que la afectación por el ruido del canal es menor con la no superposición de símbolos y es comparable con el de un sistema basado en OFDM. Lo anterior, en términos de tasa de error binario (bit error rate, BER). Mientras que, para la superposición, se tiene un desempeño inferior de la BER. La figura 8 muestra BER para ambos casos en presencia de ruido blanco aditivo gaussiano (additive white gaussian noise, AWGN). Por otro lado, se verificaron aspectos que exhiben resultados poco alentadores. La eficiencia de ancho de banda (bandwidth efficiency, BE) depende del parámetro Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 25 �Transmisión de datos mediante onduletas Battle-Lemarié / Francisco Javier Pío Mendoza, et al. Fig. 7. Señal simbólica s(x) de la secuencia binaria correspondiente al número 5432110 (arriba) y su densidad espectral (abajo) usando los parámetros m = 5, P = 8, Q = 10 Hz, S = 4 s. Fig. 8. Tasa de error binario vs relación señal a ruido por bit para base vectorial BL con m = 5, P = 4, Q = 5 Hz, S = 4 s y fs = 64 Hz y base vectorial OFDM con 16 portadoras. 26 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Transmisión de datos mediante onduletas Battle-Lemarié / Francisco Javier Pío Mendoza, et al. S y la constante BWΦ para la no superposición; y solamente de BWΦ para la superposición simbólica. Las ecuaciones: (16) y (17) calculan la BE para la no superposición y la superposición simbólica, respectivamente. Conforme la tabla IV, los valores mínimos sugeridos para S = 4 s, Q = BWP implican un valor de BWΦ = 20 Hz. Por lo que la BE es 0.2 bps/Hz para la no superposición y 0.8 bps/Hz para la superposición simbólica; ambos casos son inferiores a un sistema OFDM con BE = 1 bps/Hz. La razón de valor pico a valor promedio (peak-to-average ratio, PAR) presenta valores elevados para la no superposición de símbolos, lo cual es indeseable, ver figura 9; y mejora con la superposición simbólica (máximo detectado de 16 dB) pero sin superar a los sistemas OFDM (≈12 dB). CONCLUSIONES En la construcción de las funciones onduletas BL, se obtienen expresiones formuladas y conjuntos de coeficientes que permiten la obtención numérica de los vectores que representan a las funciones analíticas. Esto facilita la implementación en los esquemas de modulación y los sistemas de transmisión de datos. Se verifica que el truncamiento del soporte infinito no compromete la ortonormalidad de la base resultante. Se observa que la base puede comprender las Fig. 9. PAR en función de P y S para bases de onduletas expandidas por modulación y base OFDM. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 27 �Transmisión de datos mediante onduletas Battle-Lemarié / Francisco Javier Pío Mendoza, et al. escalas de onduletas como sea requerido, o bien, que es posible extender la base por medio de modulación con exponenciales complejas. Cada escala de onduletas tiene un ancho de banda definido. Las onduletas BL mejoran sus características en frecuencia conforme aumenta el orden del B-spline asociado. Para un orden m > 3, se acerca bastante a la respuesta en frecuencia de filtros ideales. Cuando la implementación como sistema de transmisión de datos se realiza mediante el uso de símbolos no superpuestos, la tasa error binario es comparable con los sistemas OFDM. Sin embargo, la eficiencia de ancho de banda y la razón de valor pico a valor promedio distan notablemente de un valor comparable con el de OFDM. Aprovechando la ortogonalidad entre translaciones, la superposición de símbolos permite sacrificar, en cierta medida, la BER para que la BE y la PAR se vean beneficiados. De tal forma que, solo en aplicaciones donde la eficiencia en el uso del ancho de banda y los picos en las señales simbólicas sean criterios desestimables, el esquema propuesto basado en onduletas BL representa una alternativa a los sistemas OFDM. REFERENCIAS 1. Proakis, John G. y Masoud Salehi. Digital Communications. 5th ed. McgrawHill Higher Education. Boston: McGraw-Hill, 2008. 2. Chui, C K. Wavelet Analysis and Its Applications. Vol. v. 1, An Introduction to Wavelets. Boston: Academic Press, ©1992. 3. Keinert, Fritz. Wavelets and Multiwavelets. Studies in Advanced Mathematics. Boca Raton, FL: Chapman & Hall/CRC Press, ©2004. 4. Christensen, Ole. 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Los resultados cumplen con el ajuste del modelo, y aunque no demuestran relaciones causa efecto entre las variables, si es posible realizar una cuantificación de la relación. PALABRAS CLAVE Outsourcing, software, competencias del desarrollador de software. ABSTRACT This research aims to analyze the impact of the variables: outsourcing investment (Y1) and performance of the software developer (Y2), from the perspective of an organization that hires software outsourcing service, through a structural model. To perform this analysis, a multivariate model was designed and filled with data from a sample of 32 organizations that contracted this service, measured using a Likert scale. The results comply with the model fit, although they do not demostrate cause - effect relationships among the analyzed variables, still quantifying the relationship is possible. KEYWORDS Outsourcing, Software, software developer performance. INTRODUCCIÓN El empeño de las empresas por ser más competitivas les genera la necesidad de buscar nuevas formas de alcanzar sus metas, ordinariamente asociadas al costo del producto que ofrecen. El outsourcing es una estrategia de negocios para las organizaciones que les permite reducir sus costos operativos, delegando actividades no centrales a proveedores que las entregan como bienes o servicios. Lo más común es que sean actividades intensivas en capital humano, por lo que en ese caso esta estrategia repercute en ahorro en el reclutamiento y selección de personal, transfiriendo las prestaciones laborales a la empresa outsourcing. Uno de los departamentos en los que es posible aplicar esta estrategia es el de Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 29 �Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software / José Luis Cantú Mata informática, en el que de paso, la disminución de necesidades de personal ha propiciado que la competencia vaya en ascenso, ya que, como señala Arora,1 las empresas no desean invertir en personal con capacidades fuera de sus áreas de competencia. Un ejemplo de la reducción de costos mediante outsourcing es el caso de Kodak, que a finales de la década de los 80’s contrató a un proveedor para administrar sus sistemas de información, ya que detectaron que gastaban sumas considerables en un rubro que no correspondía al de su giro empresarial. Al externalizar el departamento de informática, la empresa obtuvo las mismas funciones con personal especializado, evitando invertir en su contratación y en herramientas tecnológicas dedicadas a esa área. Sin embargo, no es posible imitar simplemente el caso de Kodak porque no es garantía que el outsourcing por si mismo resulte en la reducción de costos o que constituya alguna ventaja competitiva. La valoración de la inversión realizada en outsourcing para desarrollo de software requiere el análisis de la administración de costos,2 la innovación 3 y el desempeño del desarrollador 4. Esta último factor es el objeto de este trabajo: Determinar si además de que la paga el servicio implica por si misma una entrega con un grado de satisfacción acorde a esa pago, validar si esa inversión repercute en una mejora en el desempeño del desarrollador de software. ANTECEDENTES Outsourcing de procesos informáticos La informática es un área altamente dependiente de la tecnología de cómputo y comunicaciones, y ha sido un elemento de gran importancia para mejorar la eficiencia, la productividad y la competitividad de las organizaciones. Las empresas que requieren servicios informáticos, sin que la informática sea su actividad preponderante, son algunas de las que encuentran adecuado recurrir al outsourcing, a fin de evitar distracciones de su giro principal cuidando aspectos que corresponden a la obsolescencia debida a los rápidos avances tecnológicos en materia de los equipos que se requieren para mantener la operación de esos servicios. Como definición, el outsourcing representa los procesos del negocio que son realizados por un proveedor. Hacer que el proveedor asuma la responsabilidad de desarrollar este tipo de proceso del negocio no es una tarea fácil para los administradores a cargo debido a la especificación de sus propias necesidades y las respectivas actividades que van a ser realizadas por el proveedor,5 analizando los costos involucrados en las actividades a externalizar.2 Es común considerar a la reducción de costos como factor principal de contratación de un proveedor. Del caso Kodak se puede resaltar que el proceso de decisión para reducir costos comenzó por identificar los rubros en los que se estaba gastando y decidir quién puede realizar las mismas actividades, por lo menos con la misma calidad, sin incurrir en costos que no correspondieran rigurosamente a su actividad central. Este caso es un claro ejemplo de que los costos operativos internos pueden llegar a ser altos en relación a la contratación de un proveedor. 30 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software / José Luis Cantú Mata De acuerdo a la OCDE y EUROSTAT,6, la innovación se refiere a la introducción de un bien o servicio, ya sea nuevo o mejorado, en relación a sus características o al uso destinado. Las empresas se enfocan en su actividad principal con la finalidad de proporcionar su producto o servicio a sus clientes y el outsourcing se encarga de realizar sus otros procesos operativos.7 Ahora que la vida de un producto como novedad es cada vez más corta, el outsourcing permite disminuir el tiempo de salida al mercado de un producto.3 Desde este punto, el outsourcing es considerado un factor estratégico que permite a la empresa cliente lanzar nuevos productos o servicios al mercado debido a que la empresa está enfocada en desarrollar su actividad principal. Desempeño desarrollador de software El desempeño se refiere al comportamiento en el logro de los objetivos propuestos, y constituye la estrategia individual para alcanzarlos, centrándose en identificar las necesidades de capacitación y desarrollo, señalando las habilidades y destrezas de un individuo 9 con conocimientos especializados que involucran la mejora de la calidad del software.4 En este sentido, la actividad principal del proveedor representa el conjunto de habilidades y recursos aprovechados de la forma brinden valor agregado.9 Existen empresas que no piensan solamente en reducir costos operativos a través del outsourcing, sino que consideran contratar a un proveedor porque requieren de un bien o servicio de calidad que cumpla con sus necesidades y el proveedor, siendo el desarrollo de software su actividad principal, le permite ofrecerlo de acuerdo a la preparación del personal (diplomas, certificaciones, conocimiento de lenguajes de programación), en relación a la contratación de personal internamente. Entre algunas causas del por qué una empresa recurre al outsourcing son:10 a. La falta de mano de obra calificada. b. Reemplazar un mal servicio del personal. c. Recursos no disponibles internamente. d. Dificultad en administrar los procesos operativos. Entre algunos retos a los que se enfrentan las empresas de desarrollo de software es la contratación del capital humano, con las competencias que permitan desempeñar el proceso de desarrollo de software efectivamente: a. Experiencia, liderazgo, razonamiento lógico, y pensamiento creativo, entre otros.11 b. Toma de riesgos (por trabajo bajo presión) y las relaciones interpersonales.12 c. Identificar y resolver problemas complejos.13 MÉTODO Dado que en este trabajo no se lleva a cabo ningún análisis que relacione las variables en términos de causa y efecto, es decir que se desconoce la manera conceptual en que las variables se relacionan, teniendo acceso únicamente a parámetros que muestran la existencia de una relación antecedente - consecuencia, pero no a una del tipo causa efecto. Para explicar mejor esta afirmación, se puede Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 31 �Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software / José Luis Cantú Mata tomar un ejemplo que muestra la valoración empírica de una relación, se trata de la propuesta del cofundador de Intel, Gordon E. Moore, quien afirmó hace 50 años que cada año la cantidad de transistores en un circuito integrado se multiplicaría por dos. Esa afirmación provino de que esa fue la tasa de avance que se observó en los primeros años de producción de circuitos integrados y la extrapoló en una tendencia a la que se le llamó “Ley” de Moore. La relación mostrada no estaba fundamentada con algún reto conocido del mercado o meta establecida por las propias compañías. Llanamente se graficó el número de transistores de un circuito integrado contra el año en que fue producido y se observó la tendencia. La relación es empírica y no muestra alguna base con respecto a variables tecnológicas. Pronto la “ley” comenzó a mostrar variaciones y se realizaron algunos ajustes porque el tipo de circuitos integrados ha cambiado ya que no se han establecido funciones entre las variables tecnológicas y esa predicción. Aunque la relación empírica podría validarse con un buen número de casos, sus parámetros no se pueden utilizar de manera específica para interpretar las razones de ese avance o comportamiento en el futuro. Lo mismo ocurre en este trabajo, se tienen una tabla con las respuestas dadas a diferentes preguntas y se pueden establecer tantas hipótesis como combinaciones de variables pueda haber, de manera que se puedan calcular coeficientes mediante regresión, sin que tengan de por sí algún significado. De las combinaciones posibles se propusieron las siguientes hipótesis según las variables de la tabla I: H1: La administración de costos (X1) tiene impacto significativo en la inversión en outsourcing (Y1). H2: La innovación (X2) tiene impacto significativo en la inversión en outsourcing (Y1). H3: El liderazgo (X3) tiene impacto significativo en el desempeño del desarrollador de software (Y2). H4: La resolución de problemas (X4) tiene impacto significativo en el desempeño del desarrollador de software (Y2). H5: La experiencia (X5) tiene impacto significativo en el desempeño del desarrollador de software (Y2). H6: El desempeño del desarrollador de software (Y2) tiene impacto significativo en la inversión en outsourcing (Y1). En la presente investigación se abordó el enfoque cuantitativo con alcance exploratorio y el diseño es no experimental, transeccional, con recolección de los datos en un solo momento.14 El tamaño de la población fue determinado mediante la base de datos proporcionada por el Consejo de Software de Nuevo León (CSOFTMTY). Se aplicó un cuestionario que fue contestado por 32 empresas que corresponden: 31.25 % del sector industria, 9.375 % del sector comercio y 59.375 % del sector servicio. El género de los participantes corresponde a 90.63 % hombres y 9.37 mujeres, distribuidos por puesto de trabajo, donde los resultados son de 71.88 % directores de departamento de informática; 12.50 % subdirectores de tecnología; 6.25 % gerentes de sistemas; y 9.37 % líderes de proyecto. El instrumento de medida, está preparado para analizar el comportamiento de las organizaciones que están adquiriendo software administrativo a través del 32 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software / José Luis Cantú Mata Tabla I. Variables de estudio. Variables Definición Indicadores v 2 . El costo propuesto cumple con el presupuesto otorgado Es el proceso que permite a la contratación de servicios Administración planificar y controlar el costo informáticos. de costos X1 de un producto o servicio a v3. En caso de incrementar el costo adquirir del servicio, se ha otorgado un margen de error económico para concluir el proyecto Innovación X2 v4. La contratación del outsourcing Es la creación o mejora de un le permite lanzar nuevos productos producto o servicio o servicios al mercado con mayor frecuencia. Liderazgo X3 v 5 . El personal asignado tiene la habilidad para relacionarse con otros individualmente y en equipo. Es el individuo que posee un v . El personal tiene la determinación conjunto de habilidades que influye 6 e iniciativa para desarrollar en otros individuos para realizar una adecuadamente sus funciones. actividad v 7 . El personal toma los riesgos necesarios para cumplir adecuadamente con sus funciones. v8. El personal asignado demostró una visión a largo plazo para la usabilidad del producto final. Capacidad de solucionar las v9. El personal posee la habilidad para Resolución de dificultades que impiden cumplir resolver los problemas presentados problemas X4 durante el desarrollo del proyecto. con los objetivos propuestos v10. El criterio de decisión del personal en relación a la usabilidad del producto final fue el adecuado. Experiencia X5 v11. El personal demostró un adecuado manejo de las herramientas tecnológicas utilizadas para el desarrollo del proyecto. Conocimiento adquirido v12. El personal demostró un adecuado de acuerdo a la practica conocimiento para cumplir con los desarrollada objetivos propuestos. v13. El personal capacito adecuadamente al cliente para el uso del producto final. Inversión en Es la cantidad económica destinada v1. La inversión en outsourcing cumplió con sus expectativas outsourcing Y1 a adquirir productos o servicios v14. El personal asignado cumplió con Desempeño los objetivos de acuerdo al tiempo Cumplimiento de actividades desarrollador de estipulado. realizadas por un individuo software Y2 v15. El producto final fue entregado en el tiempo acordado. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 33 �Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software / José Luis Cantú Mata servicio de un proveedor que su actividad principal es el desarrollo de software, bajo el criterio de la escala Likert, donde el encuestado califica cada ítem según su percepción en puntuaciones de 1 a 5 para la recolección de los datos. Se utilizó el método de análisis factorial exploratorio mediante el software SMART – PLS. Modelo estructural Para analizar la información se utilizó el software SMART-PLS empleando ecuaciones estructurales. Esta técnica permite separar las relaciones de las variables para cada conjunto de variables dependientes, empleando el uso de variables latentes. Este tipo de variables simplifica la información contenida en los indicadores así como la cantidad de datos a manejar. En el análisis, se parte de variables observables que pueden ser medidas en unidades y pueden ser objetivas o subjetivas. Se propone este modelo para analizar el efecto sobre las variables dependientes, predecir su valor y la influencia de las variables latentes. En la figura 1 se muestra el modelo estructural que realiza el análisis de las variables dependientes: inversión en outsourcing (Y1) y desempeño del desarrollador de software (Y2). La primer variable se relaciona con la administración de costos (X), la innovación (X2) y desempeño del desarrollador de software (Y1) y la segunda variable se relaciona con liderazgo (X3), resolución de problemas (X4) y experiencia (X5). Fig. 1. Modelo estructural. Fuente: Análisis de resultados con SMART-PLS. 34 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software / José Luis Cantú Mata RESULTADOS Para complementar el análisis multivariante se realizaron dos preguntas a los participantes: 1. ¿Con que frecuencia realiza reuniones de planeación sobre outsourcing de software? A. 1 vez cada 2 años. B. 1 vez al año. C. 2 veces al año. D. 3 veces al año. E. 4 veces o más al año. Se identificó que los resultados se concentran en: 1 vez cada dos años con el 9.375 %, 1 vez cada año con el 43.75 %, 2 veces al año tuvo el 31.25 %, 3 veces al año con el 0 %, y 4 veces o más al año tuvo el 15.625 %. 2. ¿Como impactó la inversión del outsourcing en relación al costo de la producción interna? A. Disminuyó drásticamente. B. disminuyó ligeramente. C. sin cambios. D. incrementó ligeramente. E. incrementó drásticamente. El 12.5 % mencionó que sus costos disminuyeron drásticamente, el 28.125 % sus costos diminuyeron ligeramente, el 6.25 % mencionó que no tuvo cambios, el 43.75 % mencionó que sus costos se incrementaron ligeramente, y por último el 9.375 % respondó que sus costos incrementaron drásticamente. Consecuentemente se realizó un análisis de Pearson para comprobar el grado de correlación entre la planeación y el impacto de la inversión en la contratación de outsourcing. El resultado es de -0.516 con significancia de 0.003. Este resultado indica que la falta de planificación de las empresas ocasionó mayor inversión en outsourcing, es decir, el incremento ocasionado es gasto que genera pérdidas económicas a la organización, por lo tanto, como podría esperarse, la falta de planificación de las actividades aumenta el costo para la empresa. A fin de demostrar la validez del modelo estructural, se realizan los siguientes análisis: i. Multicolinealidad. En las tablas II y III de colinealidad se muestran los valores correspondiente a cada una de las variables latentes en su respectivo análisis con la variable dependiente, el Factor de Inflación de la Varianza (FIV) muestra valores por debajo de 4 y el índice de tolerancia se encuentran en un nivel aceptable (los valores no son bajos, cerca de 0, y no son altos, no sobrepasan el valor de 1). Esto nos indica que no hay presencia de colinealidad entre las variables latentes. En la tabla IV “Criterios de calidad” se evalúa lo siguiente: i. Validez convergente. Se refiere a evaluar si un conjunto de indicadores miden realmente un constructo determinado y no están midiendo otro concepto Tabla II. Estadísticos de colinealidad Y1 Tolerancia FIV X1 0.941 1.065 X2 0.950 1.053 Y2 0.966 1.038 Fuente: Análisis de resultados con SPSS. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 35 �Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software / José Luis Cantú Mata Tabla III. Estadísticos de colinealidad Y2 Tolerancia FIV X3 0.681 1.470 X4 0.484 2.065 X5 0.544 1.840 Fuente: Análisis de resultados con SPSS. Tabla IV. Criterios de calidad. AVE Confiabilidad compuesta Promedio cargas cruzadas X1 0.707 0.827 X2 1.000 X3 0.636 X4 R2 Alpha de Cronbach KMO - Sig. 0.116 0.601 0.500 – 0.014 1.000 -0.018 1.000 – 0.838 0.397 0.714 0.551 – 0.000 0.667 0.856 0.455 0.749 0.649 – 0.000 X5 0.683 0.866 0.401 0.768 0.665 – 0.000 Y1 1.000 1.000 0.086 0.757 1.000 – Y2 0.753 0.859 0.446 0.820 0.671 0.500 – 0.003 Fuente: Análisis de resultados con SMART-PLS. distinto.15 En primer lugar, la Varianza Extraída Media (AVE), es la variación promedio que una variable latente explica a las variables observables en relación a su teoría.16 Valores superiores a 0.5 son aceptables.17 Como se muestra en la tabla, todos los valores son superiores a 0.5, así mismo, se obtiene el promedio de la AVE, cuyo resultado es de 0.778. Por tanto, se cumple con la validez convergente.16-17 ii. Confiabilidad compuesta. Se refiere a la consistencia interna de una variable latente y no supone que los indicadores son fiables por el contrario los prioriza. Valores entre 0.6 y 0.7 son aceptables como límite inferior.17-18 El respectivo resultado, por variable, es superior a 0.8. iii. Validez discriminante. Se refiere a comprobar que un constructo mide un concepto distinto de otros constructos. Esta validez se realizó en dos partes, la primera parte consiste en el método Fornell – Larcker, el cual, compara el valor más alto de las correlaciones al cuadrado (0.617) con la AVE por variable, se puede comprobar que la AVE es superior. Por tanto, se procede a realizar la segunda parte, en donde, se obtiene el promedio por variable latente de las cargas cruzadas y se compara con los valores obtenidos de la confiabilidad compuesta. 15 Por variable latente, la confiabilidad compuesta es superior al promedio de las cargas cruzadas. iv. Se obtiene el resultado de R2 que corresponde a 0.757 para Y1 y 0.820 para la variable Y2. De acuerdo a Hair,17 valores superiores a 0.750 son denominados como “sustancial”. v. Alpha de Cronbach. Se refiere a la correlación interna o confiabilidad de un conjunto de indicadores observables para medir una variable que no es observable o medida directamente. En este caso, cada una de las variables propuestas X1, X3, X4, X5, Y2 han sido medidas con sus respectivos indicadores 36 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software / José Luis Cantú Mata y los resultados indican que son aceptables cumpliendo con el valor establecido de 0.6 como límite inferior según Hair.17 Por otro lado, las variables X2 y Y1 son medidas con un solo indicador y por esta razón tiene la puntuación más alta disponible (1.000). vi. Validez de contenido. Permite evaluar cada una de las variables latentes y comprobar su respectivo agrupamiento. El análisis se realiza en dos partes, la primera parte se realiza con la medida de adecuación muestral Kaiser-MeyerOlkin (KMO). Esta prueba indica si los factores analizados son candidatos a ser agrupados y conformar una variable.19 La segunda parte se realiza para definir si el análisis es apropiado utilizando la prueba de esfericidad de Bartlett. Esta prueba indica si es significativa mediante el p – valor (Sig.) del análisis realizado, comparando este resultado con el valor de significancia del nivel de confianza perteneciente al 95 % que corresponde a 0.05, basado en la suposición que la población es normal.19 Los valores son superiores a 0.500 de la prueba KMO e indica que la primera parte es aceptable, y la segunda parte con la prueba de esfericidad de Bartlett es significativa. La prueba se omitió para las variables X2 y Y1 debido a que son medidas con un indicador y por lo tanto, no suministran resultados. COMPROBACIÓN DE LAS HIPÓTESIS Para comprobar las hipótesis (Xi – Y) se utilizó el estadístico “t” para la prueba de una cola, el cual, tiene establecido como límite inferior 0.98 para un nivel de confianza del 95 %. 20 Este estadístico permite identificar cuáles son las variables de estudio significativas sobre las variables dependientes. De acuerdo a Anderson, 21 la forma de saber la representatividad de las variables latentes sobre la variable dependiente es comparar la “t” teórica (valor de 0.98) con el resultado de la “t” práctica. Se puede observar ambos estadísticos en la tabla Estadístico “t”, al realizar dicha comparación, se puede apreciar que el valor de la “t” práctica, en cada uno de los casos, es mayor que la “t” teórica. Por lo tanto, se acepta cada una de las hipótesis propuestas. Ver tabla V. DISCUSIÓN Con este estudio, se identificó que la correlación entre planeación e inversión es negativa, en medida que se realicen las reuniones de planeación para administrar la inversión del proyecto de outsourcing, no repercutirá en un incremento del costo en el bien o servicio. Por lo tanto, debido la baja cantidad de reuniones de planificación sobre outsourcing no se estipulan las propias necesidades de la empresa en relación al proyecto de outsourcing, además de no permitir analizar los costos involucrados en las respectivas actividades a realizar, coincidiendo con McIvor.2 Por otro lado, el modelo estructural permitió identificar lo siguiente en la variable inversión en outsourcing (Y1): la administración de costos (X1). Las empresas que han contratado el servicio no han presentado problemas de cancelación por incremento en costos, aunque han sufrido retrasos en la entrega de los objetivos propuestos, han culminado con el desarrollo del proyecto. Tiene relevancia predictiva alta por la capacidad de decisión de invertir o no de acuerdo Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 37 �Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software / José Luis Cantú Mata Tabla V. Estadístico “t”. Relación Estadístico Estadístico causal T (“t” T (“t” práctica) teórica) 1 Cola 0.98 Hipótesis Comentarios X1 -> Y1 0.697 16.825 H1: Se realizó la inversión con Aceptada el presupuesto necesario para la finalización del proyecto. X2 -> Y1 -0.372 5.909 H2: Las empresas se enfocan en Aceptada sus competencias centrales para desarrollar su producto o servicio, sin embargo, están fallando en la innovación de sus productos o servicios, ya que éstos no están disponibles a tiempo en el mercado. X3 -> Y2 0.417 6.094 H3: El personal demostró: tener Aceptada la capacidad de relacionase con el personal asignado de su cliente, tener determinación e iniciativa, además de tomar los riesgos necesarios para cumplir con sus funciones. X4 -> Y2 0.256 3.463 H4: El personal cumple con su Aceptada trabajo, pero con retraso. X5 -> Y2 0.408 5.477 H5: El personal demostró su Aceptada conocimiento al utilizar las herramientas tecnológicas y capacitar al cliente sobre el uso del producto final. Y2 -> Y1 -0.138 2.838 H6: El proveedor no está Aceptada cumpliendo a tiempo con los objetivos afectando la inversión de su cliente, lo cual lo obliga a distraerse de su actividad principal. Aunque esto constituye una ineficiencia, no ha afectado la finalización del proyecto. Fuente: Análisis de resultados con SMART-PLS. al presupuesto otorgado y su margen de error en caso de incremento económico; tiene relación negativa con innovación (X2) y relevancia predictiva alta. Las empresas contratan este tipo de servicio para que le permita enfocarse en su actividad principal, sin embargo, las empresas están fallando en la innovación de sus productos o servicios, estos no están siendo lanzados a tiempo al mercado por el incumplimiento de los objetivos propuestos, por lo tanto debe enfocarse al proyecto en lugar de enfocarse a su actividad principal; y, desempeño del desarrollador de software (Y2), el proveedor no está cumpliendo a tiempo con los objetivos y el 38 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software / José Luis Cantú Mata desarrollo de las actividades, está afectando la inversión de su cliente que pasa a transformarse en un gasto que genera pérdidas económicas. Tiene relevancia predictiva baja, coincidiendo con Balmelli,22 quienes han mencionado que los proyectos que no cumplen con el tiempo de entrega suelen tener mayor inversión en el proyecto. Esto ocasiona que el cliente no se enfoque a su actividad principal. Sin embargo, en este caso, esto no ha afectado la finalización del proyecto. Por otro lado, el desempeño del desarrollador de software (Y2) como variable dependiente fue explicada en un 82 % por sus respectivas variables. De acuerdo al análisis, se distingue la importancia que genera cada una de las competencias del desarrollador de software. El liderazgo (X3), en el presente estudio es considerada como sustancial, tiene relevancia predictiva alta, sin embargo, el personal del proveedor se integra adecuadamente con el personal cliente, lo cual, su determinación y toma de riesgos son apropiadas, sin embargo, no se comprenden los requerimientos y necesidades del cliente, probablemente esto se debe a la baja planificación y el no saber especificar sus necesidades informáticas; en la variable resolución de problemas (X4), el personal está cumpliendo con su trabajo, sin embargo, puede afectar en el cumplimiento a tiempo de los objetivos. Desde la perspectiva de Colomo,12 coincidimos teóricamente con la capacidad para identificar y resolver problemas complejos que el desarrollador de software debe tener, sin embargo, de acuerdo a nuestros hallazgos esta variable tiene relevancia predictiva media, probablemente este resultado es debido a que la resolución de problemas es una cualidad adquirida durante la preparación profesional y forma parte de la personalidad del desarrollador de software, es decir, ya está adaptada a su forma de trabajo al momento de comenzar a desarrollar sus habilidades en proyectos laborales. Por último, en el caso de la variable experiencia (X5) el proveedor cumple con el desarrollo de sus actividades, aunque no en el tiempo señalado. Desde la perspectiva de Gorla,23 la preocupación que tiene la empresa cliente sobre las habilidades, la capacidad y la experiencia del proveedor, ha sido demostrada. Tiene relevancia predictiva media. El proveedor asigna personal que no tiene la experiencia suficiente, el estudio comprueba que el personal no está actualizado en el uso de los lenguajes de programación utilizados para cumplir con el proyecto de desarrollo de software, no ha demostrado el conocimiento suficiente para cumplir con el tiempo de los objetivos propuestos y no proporcionó el curso de capacitación adecuadamente. CONCLUSIONES En el presente estudio se plantea un modelo estructural con dos variables dependientes, en la literatura no se encontró evidencia sobre el análisis de estas variables al mismo tiempo. Tampoco se encontró algún análisis del impacto de las variables desempeño del desarrollador de software e inversión de outsourcing. En este trabajo fue posible cuantificar la existencia de la relación, pero no es posible extraer la casusa - efecto, ya que no se deben tomar antecedentes por causas. De acuerdo al impacto de la inversión del outsourcing en relación al costo de producción interna, debido a la falta de planeación, las empresas presentaron incrementos de costo en sus proyectos, lo que inmediatamente se traduce en pérdidas. Aunque parecería obvio, se confirma que las reuniones de planeación deben realizarse durante toda la vigencia de los proyectos. También se confirma Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 39 �Impacto de la inversión en outsourcing y el desempeño del desarrollador de software / José Luis Cantú Mata que si el desempeño del desarrollador de software es de mala calidad, la inversión tiende a subir y se convierte en gasto. Por último, aunque el modelo cumple con los criterios de calidad mencionados, el análisis para cada variable dependiente ha sido hecho solamente con tres relaciones cada una y no permite establecer relaciones conceptuales porque se propusieron según la información disponible. Esta limitación no es exclusiva de este trabajo, sino que es propia de que se establecen hipótesis en busca de correlaciones estadísticas sin que se conozca la naturaleza de la relación entre ellas. El hecho de que algunas prácticas con afectación cuantificable, pero con consecuencias variables, obedece además a que no se consideraron interacciones entre variables como primera aproximación para relaciones empíricas. REFERENCIAS 1. Arora, A., Arunachalam, V. S., Asundi, J. and Fernandes, R., (1999). The Indian Software Services Industry. Research Policy, 30, 1267-1287. 2. McIvor, R. (2000) “A practical framework for understanding the outsourcing process”. Supply Chain Management: An International Journal, 5: 22 – 36. 3. Mierau A., Strategic Importance of Knowledge Process Outsourcing, Technical University of Kaiserslautern, Kaiseslautern, Germany 2007, pp. 4–17. 4. Abraham, K. y Taylor, S. K. (1993). Firms Use of Outside Contractors: Theory and Evidence. 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Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 41 �Proceso de automatización para el envío de información contable a un sistema SAP Sergio Alcaraz CoronaA, Joel Estrada GámezB Universidad Autónoma de Nuevo León CIDET, FIME Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME, Maestría en Ingeniería con orientación en Tecnologías de Información, sergio.alcarazcrn@uanl.edu.mx A B RESUMEN En este trabajo, presentamos el diseño e implementación de un proceso de automatización para el envío de información contable entre bases de datos de una empresa comercial siguiendo una metodología de desarrollo de software profesional. El proceso de automatización propuesto es indispensable para la correcta facturación de clientes de la empresa comercial en tiempo y forma, así como evitar diversos problemas tales como pérdidas económicas, múltiples retrasos e inconsistencias en la información contable que se derivan de realizar el envío de esta información tan importante de forma manual. PALABRAS CLAVE Desarrollo de software, bases de datos, sistemas administrativos empresariales, SAP, facturación electrónica. ABSTRACT In this work, we present the design and development of a process to automate the transmission of billing information between database systems of a commercial enterprise. The proposed automated process is necessary for the correct billing of customer information on a timely manner and also to avoid further problems such as, economic losses as well as multiple information delays and inconsistencies all due to the current manual transmission of this sensitive information. KEYWORDS Software development, databases, enterprise management systems, SAP, electronic billing. INTRODUCCIÓN Antecedentes La informática es un área de las ciencias computacionales y tecnologías de información que está en constante evolución, en donde es posible encontrar una amplia gama de productos o servicios cuya funcionalidad se basa o depende de alguna forma de software. En particular, el software se ha convertido en un componente fundamental en una creciente lista de aplicaciones prácticas en 42 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. diversos sectores productivos de cualquier país o región. Actualmente, existe una gran diversidad de aplicaciones de software construidas con una gran variedad de lenguajes de programación, estructuras, herramientas y ambientes de desarrollo, entre otros elementos. Por tanto, es muy común encontrar casos en donde una empresa u organización utilice un número considerable de aplicaciones o sistemas para diferentes propósitos o necesidades de información. A pesar de los grandes avances en materia de desarrollo del software, todavía es frecuente encontrar dentro de las organizaciones algunos sistemas que fueron desarrollados desde los años 80 y que continúan vigentes en la actualidad. Debido a las condiciones que existían en aquel entonces, dichos sistemas eran producidos en su totalidad por los pocos aunque grandes fabricantes de sistemas de información, lo cual a su vez generó una alta dependencia por parte de las organizaciones contratantes con los proveedores. Este tipo de sistemas son conocidos como sistemas legados (Legacy Systems) los cuales se caracterizan por estar creados con lenguajes llamados de tercera generación tales como Fortran, Cobol, Basic, Pascal, RPG, C, entre otros.1 Algunas otras de las características principales de los sistemas legados son:2 • Es un tipo de sistema principalmente dirigido a apoyar la parte operativa de una empresa por lo cual requiere estar disponible en todo momento por tratarse de una área crítica para una organización. • Suelen ser sistemas bastantes complejos y grandes, pudiendo llegar al orden de varios cientos de miles de líneas de código que contienen la mayoría o toda la lógica del negocio. • Su estructura es rígida y de tipo procedimental, es decir, todas las funciones están codificadas una seguida de otra en uno solo programa en lugar de distribuir cada una en diferentes subprogramas. • La documentación en este tipo de sistemas es escasa o nula lo cual en conjunto con los puntos anteriores dificulta las labores de mantenimiento, actualización, trazabilidad de funcionalidades, entre otras. Debido a lo anterior, las empresas han buscado otras alternativas con el fin de renovar sus sistemas de información y con ello hacer más eficiente la gestión de las diferentes funciones operativas y administrativas de la empresa. Una de estas medidas se ha enfocado en el traspaso gradual de cierta información relevante de los sistemas legados a plataformas tales como el sistema SAP (Systems, Applications, Products in Data Processing) en donde el procesamiento de la información pueda ser en general más eficiente.3 Básicamente, SAP es un sistema de gestión que permite a las empresas administrar sus recursos humanos, financieros, contables, productivos, logísticos, entre otros. Para lograr lo anterior, el sistema SAP está conformado por varios módulos que se encargan de soportar cada una de las áreas antes mencionadas. En términos generales, SAP se utiliza para gestionar todas las fases de los modelos de negocio pertenecientes a una corporación y debido a eso es también catalogado como un sistema ERP (Enterprise Resource Planning), es decir, un sistema de planificación de recursos empresariales que integra en un único sistema todos los procesos de negocio de una empresa.4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 43 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. Por otra parte, la informática también ha contribuido de manera importante en lo que se refiere a la automatización de procesos, con lo cual se busca mejorar la eficiencia de dichos procesos dentro de una empresa principalmente con el fin de satisfacer las expectativas de sus clientes. La automatización consiste en obtener información en o cercano a tiempo real de manera que este accesible para todo el personal involucrado. En general, la automatización de procesos es un mecanismo que, en varios casos, implica emplear un conjunto de técnicas de comunicación, computación y equipamiento, todo con el objetivo de aumentar la productividad y eficiencia de los procesos administrativos de rutina así como la actividad gerencial, mejorando el desempeño humano ante problemas complejos y dinámicos.5,6 Objetivo El objetivo de este trabajo es presentar el diseño e implementación de un proceso de automatización para el envío de información contable desde un sistema legado a un sistema SAP, en específico al módulo FI (Finanzas), el cual no solo se encarga de gestionar todos los procesos financieros y contables de una empresa sino que también es uno de los módulos más importantes del sistema SAP.7 Entre los diferentes tipos de movimientos que se pueden realizar en este módulo se encuentra el procesamiento de cuentas por pagar, cuentas por cobrar y la contabilización general de una empresa. El desarrollo de dicho proceso de automatización se realizó siguiendo una metodología de desarrollo de software empleada ampliamente en la industria como una secuencia ordenada de actividades cada una con su respectivo entregable. Justificación La organización para la cual se realiza este proyecto de automatización es Soriana la cual es una empresa mexicana de giro comercial que surgió en 1968 y actualmente está presente en 277 municipios a lo largo de los 32 estados de México. En el año 2014, la empresa OMONEL realizó un convenio con Soriana en el cual por medio de la tarjeta OMONEL, clientes terceros y empresas filiales de Soriana podrán realizar diversas compras. La problemática actual es que la información contable que fue facturada por la venta de bonos a clientes terceros y empresas filiales a través de dicho convenio no está siendo procesada de la manera correcta, además de no estar disponible en el momento que es requerida o bien la información presenta datos incorrectos o esta duplicada. El origen de esta problemática se debe a que la información de facturación de ventas y generación de notas de crédito se almacena en la base de datos del sistema legado. Dicha información debe ser enviada al módulo FI del SAP después de haber validado ciertos datos y generado la póliza contable correspondiente. En este caso, la información contable a procesar son Cuentas por Pagar (AP – Accounts Payable), Cuentas por Cobrar (AR – Accounts Receivable) y Contabilidad General (GL – General Ledger). Actualmente, el envío de esta información se debe hacer de forma manual, es decir, requiere de alguien que se encargue de realizar este traspaso diariamente mediante la ejecución de un programa que opera directamente en la base de datos del sistema legado para extraer la información, procesarla y enviarla a SAP. Por lo regular, lo anterior es una tarea que se lleva 44 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. de una a dos horas para completarlo. La forma de envío manual presenta los siguientes inconvenientes. Por un lado, afecta al cliente en su línea de crédito para liberar su saldo y pueda seguir con la adquisición de vales electrónicos debido principalmente a que la información contable todavía no haya podido ser procesada o bien contenía errores. Actualmente, se cuenta con solo dos personas capacitadas para realizar el traspaso manual de esta información, teniendo que dejar sus actividades diarias y dedicar dos horas de su tiempo para esto. Adicionalmente, el área de finanzas no puede conciliar las cuentas bancarias por falta de esta información, generando problemas críticos en los cierres de mes y anuales. Por lo tanto, la automatización de esta tarea es de alta importancia para la empresa Soriana ya que con ello se podrá eliminar o al menos reducir significativamente los inconvenientes anteriores que vienen sucediendo desde Junio de 2014.8 Básicamente, con la automatización del traspaso de la información contable será posible tenerla disponible en tiempo y forma de manera que el área de Control de Ingresos pueda realizar el cobro diariamente de todos los clientes que participan en el convenio. De igual forma, los clientes también se verán beneficiados ya que podrán hacer comentarios o aclaraciones sobre la información facturada. En general, el procesamiento de esta información representa el 10% de la facturación total de la empresa que a diario realiza a nivel nacional. Por último, el alcance de este trabajo va enfocado al área contable de la empresa, sin embargo, su impacto y relevancia es global debido a que su ausencia genera grandes pérdidas e inconvenientes. METODOLOGÍA DE DESARROLLO En general, cualquier software comercial o empresarial debe construirse utilizando una metodología que permita crear al final un producto de utilidad y de la más alta calidad. En la actualidad, existe una gran variedad de metodologías de desarrollo de software, cada una con diferentes características, formas y mecanismos para producirlo. Sin embargo, para una implementación eficiente y confiable, se decidió emplear la metodología de desarrollo de software llamada Programación Extrema o también conocida como XP. Dicha metodología se eligió debido principalmente a su naturaleza ágil, iterativa, en donde el software se va construyendo en pequeños incrementos de corta duración como comúnmente sucede en este tipo de metodologías. Cada incremento produce una versión cada vez más completa del sistema hasta eventualmente terminarlo. Adicionalmente, es adecuada para proyectos cortos con pocos desarrolladores concentrados en un solo cliente, que en este caso es el Departamento de Control de Ingresos. Al igual que prácticamente todas las metodologías de desarrollo de software, la metodología XP consta de 4 fases o etapas principales de trabajo que son:9,10,11 Planificación, Diseño, Codificación y Pruebas. Planificación Como su nombre lo dice, esta etapa inicial de cualquier proyecto de desarrollo de software se enfoca en definir cada uno de los requerimientos tanto funcionales y no funcionales del sistema o aplicación solicitada. Es indispensable que Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 45 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. cada requerimiento describa solamente una función específica, es decir, si un requerimiento abarca dos o más funciones entonces deberá dividirse en igual número de requerimientos. La definición de requerimientos anterior debe registrarse en un documento comúnmente llamado documento de especificación de requerimientos de software. Otra ventaja de utilizar la metodología XP es su flexibilidad para incorporar adecuaciones o ciertas modificaciones a los requerimientos durante el desarrollo.12 Por otra parte, en esta etapa también se realiza la planeación del proyecto con apoyo de un cronograma de actividades con sus respectivas fechas de inicio y terminación para un mejor control y administración de las actividades a realizar. El cronograma que se definió para este proyecto se muestra en la tabla I seguido de la lista de requerimientos. En general, en esta etapa se define el “que” deberá hacer el software. Tabla I. Cronograma de actividades. ETAPA Planificación Diseño Codificación Pruebas INICIO 13/06/2016 01/07/2016 02/09/2016 01/12/2016 FIN 30/06/2016 02/09/2016 01/12/2016 03/02/2017 Dentro de cada etapa se realizan ciertas actividades específicas que contribuyen a la implementación del proceso de automatización cuyas descripciones continúan en las siguientes secciones. La lista de requerimientos de un proyecto de desarrollo de software, casi por lo regular, se representan ya sea en una lista o bien de forma tabular, siendo esta última la que se muestra a continuación. Diseño Esta etapa tiene como objetivo elaborar el diseño de la estructura general del sistema o aplicación que sea capaz de realizar todas las funciones descritas en los requerimientos definidos en la etapa anterior. Es común que en esta etapa se utilicen ciertas herramientas o productos de software adicionales de apoyo en la definición del diseño del software a desarrollar. Por lo regular, un diseño se puede representar por algún tipo de modelo gráfico de la estructura del o de los componentes que se desarrollarán posteriormente. Por ejemplo, algunos diseños pueden incluir diagramas de flujo, diagramas de secuencia, diagramas de clases, algoritmos, entre otro tipo de representaciones gráficas que facilitan tanto la comprensión del funcionamiento lógico del software así como su implementación en la actividad de codificación. La metodología XP sugiere que los diseños sean simples y sencillos de modo que sean fáciles de entender e implementar en la etapa subsecuente de codificación. Al igual que en la etapa anterior, el diseño de la solución a implementar debe documentarse ya sea en el documento de requerimientos o bien en uno llamado documento de diseño. La figura 1 muestra el diagrama de flujo en donde se representan en forma de bloques las diferentes funcionalidades que se deberán ejecutar al llevar a cabo el proceso de automatización. Básicamente, el programa 1 46 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. Identificación del R-01 Recopilar información a contabilizar requerimiento: Característica: Tomar de la base de datos origen, la información necesaria para la contabilización de facturas. Descripción: A través de un programa extraer información de la base de datos origen de facturación para la generación de pólizas contables. Identificación del R-02 Generación de póliza contable Cuentas por Cobrar (AR) requerimiento: Característica: La póliza generada contiene la misma estructura de SAP para su inserción y contabilización. La póliza debe ser enviada a través de la Interface de legados a SAP. Descripción: Esta póliza debe contener información de la base de datos origen de facturación generada por la adquisición de vales electrónicos. Esta póliza debe identificarse con Serie “A” Identificación del R-02.1 Generación de póliza de bonificación Cuentas por Cobrar requerimiento: (AR) Característica: La póliza generada contiene la misma estructura de SAP para su inserción y contabilización. La póliza debe ser enviada a través de la Interface de legados a SAP. Descripción: Esta póliza debe contener información de la base de datos origen de facturación para la generación de pólizas que bonificaran importes al cliente. Esta póliza debe identificarse con Serie “B” Identificación del R-03 Generación de póliza contable Cuentas por Pagar (AP) requerimiento: Característica: La póliza generada contiene la misma estructura de SAP para su inserción y contabilización. La póliza debe ser enviada a través de la Interface de legados a SAP. Descripción: Esta póliza debe contener información de la base de datos origen de facturación generada por la bonificación de importes. Identificación del R-04 Generación de póliza contable Contabilización General requerimiento: (GL) Característica: La póliza generada contiene la misma estructura de SAP para su inserción y contabilización. La póliza debe ser enviada a través de la Interface de legados a SAP. Descripción: Esta póliza debe contener información de los ingresos y egresos diarios. Identificación del R-05 Procesamiento de AR pólizas con error requerimiento: Característica: El proceso debe actualizar las cuentas en las pólizas que se generan erróneas desde el origen. El proceso debe hacer uso del programa de reprocesos de la Interface a SAP. Descripción: El proceso actualizará cuentas e insertará registros de bases de impuestos, con base al número de procesamiento con el que se generaron. Identificación del R-06 Procesamiento de AP pólizas con error requerimiento: Característica: El proceso debe actualizar las cuentas en las pólizas que se generan erróneas desde el origen. El proceso debe hacer uso del programa de reprocesos de la Interface a SAP. Descripción: El proceso actualizará cuentas e insertará registros de bases de impuestos, con base al número de procesamiento con el que se generaron. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 47 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. se encargará de extraer la información, procesar los datos para generar las pólizas y finalmente enviarlas a SAP. Al llegar a SAP, la información es verificada, en caso de contener datos incorrectos, el programa 2 realizará la actualización y ejecutará un reproceso por medio de la base de datos de la interface. Cabe mencionar que la interface es otro componente de SAP y se utiliza principalmente para realizar los ajustes de las cuentas contables que presenten errores de manera que sus pólizas puedan ser reprocesadas. En términos generales, esta etapa define el “como” el software deberá trabajar. Fig. 1. Diagrama general de flujo. Codificación Una vez que se tienen documentados tanto los requerimientos como el diseño, se procede con la implementación del sistema empleando uno o más lenguajes de programación, herramientas y ambientes de desarrollo, entre otros elementos. 48 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. Dado que el proceso que se busca automatizar, implica enviar datos de una base de datos a otra, se presenta una descripción del sistema de administración de bases de datos así como el lenguaje de programación a utilizar en este trabajo. En primer lugar, se va a estar trabajando con Microsoft SQL Server, el cual es un sistema de administración y análisis de bases de datos relacionales.13 En particular, el término SQL (Structured Query Language) representa un lenguaje estándar de consulta con el cual se puede tanto obtener como actualizar cualquier dato o conjunto de datos en bases de datos relacionales.14,15 Adicionalmente, el lenguaje SQL contiene una variedad de comandos que permiten seleccionar, insertar, actualizar o bien eliminar datos. Por tanto, el lenguaje de programación seleccionado es SQL. Al utilizar un sistema de administración de bases de datos como Microsoft SQL Server, no solamente es posible ejecutar los comandos anteriores de forma individual, sino que también es posible crear programas en lenguaje SQL conformados por dos o más comandos o sentencias comúnmente conocidos con el nombre de Stored Procedures (SP) o bien como procedimientos almacenados en una base de datos. Por lo tanto, un procedimiento almacenado o SP se define como un programa que contiene varias sentencias o comandos en lenguaje SQL capaz de realizar diversas funciones o actividades sobre algún conjunto de datos, en este caso, los datos para la facturación. Como se mencionó en la parte de la justificación, actualmente existen dos programas que deben ser ejecutados necesariamente por alguien para el procesamiento y envío de la información contable desde la base de datos del sistema legado hacia la base de datos de SAP diariamente. Como parte del proceso de automatización, se realizaron adecuaciones a estos programas para que, entre otras cosas, se puedan ejecutar de forma automática, es decir, sin la intervención de nadie. En particular, la adecuación más importante consistió en implementar los dos programas anteriores en forma de procedimiento almacenado o SP. Por lo cual, la ejecución automática de los nuevos procedimientos almacenados (SP1 y SP2) se dividió en dos tareas principales. Por un lado, la tarea 1 que por medio del SP1 se encarga de enviar toda la información contable (AR, AP y GL) del sistema legado a SAP y, por otro lado, la tarea 2 que hace uso del SP2 para realizar todos los reprocesos de las pólizas AP y AR que hayan presentado errores para que sean corregidos y posteriormente reenviados a SAP. Por lo tanto, la ejecución de las tareas anteriores quedó de la siguiente manera: Tarea 1: SAP Traspaso de Pólizas OMONEL Frecuencia: Diaria Horario: 00:30 horas. Base de datos origen en el sistema legado Tarea 2: SAP Procesa Pólizas AP – AR OMONEL Frecuencia: Diaria Horario: 01:00 horas. Base de datos de la Interface en SAP Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 49 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. En particular, el Departamento de Soporte Técnico es el responsable de programar las tareas anteriores en el agente de SQL que está instalado en el servidor en la sección denominada “Jobs”, es decir, en dicha sección se define el nombre de la tarea para lo cual se debe también definir la base de datos, el programa, la frecuencia y hora en la que deberá ejecutarse. Una vez automatizadas las tareas anteriores, el Departamento de Operaciones se encargará de monitorear diariamente (24 horas x 7 días) y con ello asegurar su buen funcionamiento de estas dos tareas que en conjunto forman el proceso de automatización. La figura 2 muestra todo el flujo de información de interés en este proyecto. En particular, el flujo de información inicia en la base de datos del sistema legado que es en donde se captura la información contable. El proceso de automatización ejecuta el SP1 que se encarga de generar el tipo de póliza contable (AP, AR o GL) para su envío al módulo FI de SAP. Como se mencionó en la sección del diseño, cuando la información llega a SAP, ésta es validada y en caso de que contenga errores, el SP2 ejecutará un reproceso por medio de la base de datos de la interface (DB Interface) en donde se corregirán todos los errores para su posterior envío a SAP. Por último, la etapa de pruebas se describe a detalle en la siguiente sección de los resultados. Fig. 2. Diagrama de procesos. RESULTADOS Normalmente, en cualquier proyecto de desarrollo de software profesional existen diferentes tipos de pruebas que se deben aplicar para así poder entregar un producto final que funcione correctamente y de acuerdo a las expectativas del cliente10,11. Por tanto, la realización de pruebas es una de las actividades más importantes de cualquier metodología de desarrollo de software profesional. Sin embargo, por cuestiones de espacio, solo se describe un caso de prueba con el cual se pueda demostrar el buen funcionamiento de todo el proceso de automatización. 50 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. Descripción de la prueba La prueba consiste en evaluar el desempeño y los resultados obtenidos después de que el proceso de automatización realiza la funcionalidad correspondiente a los requerimientos definidos en la etapa de planificación. El proceso comienza con la ejecución de la tarea 1, descrita en la sección anterior, en donde el SP1 se encarga de extraer la información necesaria para la generación de la estructura de las pólizas, así como el llenado de tablas para cada uno de los módulos de Cuentas por Pagar (AP), Cuentas por Cobrar (AR) y Contabilidad General (GL) para su envío a SAP. Como se mencionó con anterioridad, se necesitan al menos dos personas que se encarguen de realizar diariamente este proceso de forma manual el cual toma aproximadamente dos horas en completarse. Con el proceso de automatización, la tarea 1 tomó en promedio 14 minutos para enviar un total de 180 pólizas observadas para este caso de prueba en particular. Evidentemente, el tiempo anterior puede variar dependiendo de la cantidad de información que se deba procesar en cierto día siendo regularmente alrededor de 190 pólizas diarias que requieren enviarse. Sin embargo, puede haber días en donde se envíen hasta 270 pólizas en un tiempo máximo estimado de 20 minutos. Por lo tanto, se puede apreciar una reducción en el tiempo de envío de dos horas a un rango de 15 a 20 minutos sin la necesidad de asignar a alguien para ello. Una vez en SAP, se verifica el contenido de la información de las pólizas y con esto fue posible comprobar el buen funcionamiento de los requerimientos R01 al R04. Por otro lado, las pólizas de tipo AR y AP son las que normalmente presentan errores o inconsistencias en los datos que contienen. La figura 3 muestra una vista desde la base de datos de SAP (DB Interface) de una póliza de tipo AR que contiene varios errores. La figura 3 muestra el desglose de la póliza B-53076 (campo Ref) en donde los campos con información incorrecta se muestran dentro de los recuadros. Fig. 3. Ejemplo de una póliza con errores. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 51 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. Por un lado, esta póliza no cuenta con indicador de impuestos para la cuenta 6906000002 (Cta_Mayor), es decir, el campo Ind_Imp esta vacío. Por otra parte, en la parte inferior de la figura se muestra la respuesta de SAP acerca del estado de esta póliza: El centro 5801 no existe. Actualmente, una póliza con este tipo de errores tarda aproximadamente 10 minutos en corregirse y reenviarse a SAP debido a que comúnmente se necesita modificar varios datos tales como el importe, número de cuenta, e incluso existen casos en donde además se necesita agregar alguna línea con cuentas e indicadores de impuestos específicos. Considerando que de las 190 pólizas que normalmente se envían diariamente, en promedio 60 presentan errores entonces el tiempo total para corregir todos esos casos es de al menos 10 horas lo cual ocasiona una serie de retrasos e inconvenientes tanto para la empresa como para los clientes. Con la inclusión del proceso de automatización, en específico la tarea 2 que se encarga de ejecutar el SP2 para reprocesar las pólizas que presenten errores ahora todos esos casos podrán ser corregidos y reenviados a SAP en tan solo 1 minuto aproximadamente (42 segundos para la presente prueba) mientras que el tiempo máximo registrado es de alrededor de 3 minutos. Al igual que con el tiempo de envío, lo anterior representa un cambio significativo en el tiempo requerido para corregir pólizas incorrectas, pasando de 10 minutos al orden de unos cuantos segundos por póliza en promedio. La figura 4 muestra los cambios necesarios que el SP2 realizó a esta póliza para su correcto procesamiento vistos desde la base de datos de SAP. Entre los cambios, se observa que la póliza ahora cuenta con el indicador de impuestos “A4” para la cuenta 6906000002 y la base de impuestos contiene un importe de $0.00. En general, lo más importante es el mensaje que aparece al final de la figura en donde se confirma la validez de la póliza de acuerdo a las reglas en SAP. Para el caso de pólizas tipo AP con errores, el proceso de corrección es el mismo y los tiempos de respuesta son similares. Por tanto, con el caso de prueba Fig. 4. Póliza corregida y validada en base de datos de SAP. 52 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. presentado queda demostrado el correcto funcionamiento del proceso en base a los requerimientos R05 y R06. Por último, en la figura 5 se muestra la póliza correcta desde una de las ventanas del módulo FI de SAP. Fig. 5. Póliza corregida vista desde el módulo FI de SAP. CONCLUSIONES En este trabajo hemos presentado el diseño e implementación de un proceso de automatización para el envío de información contable entre dos bases de datos de sistemas administrativos pertenecientes a una empresa comercial siguiendo una metodología de desarrollo de software profesional. En específico, el uso de la metodología XP permitió construir el proceso de automatización como una secuencia ordenada de actividades cada una con sus respectivos objetivos, alcance y entregables. Adicionalmente, seguir dicha metodología sobre otras y adaptarla al contexto mostrado no fue una tarea trivial, sin embargo, hizo posible que se alcanzaran los objetivos y se obtuvieran los resultados esperados en el tiempo programado. De acuerdo a los resultados de las pruebas realizadas al proceso se pudo comprobar por un lado su buen funcionamiento en base a los requerimientos establecidos en relación al envío de la información contable hacia el sistema SAP, así como el reproceso de pólizas incorrectas. Por otro lado, fue posible también constatar los diversos beneficios que ofrecen este tipo de desarrollos tecnológicos para mejorar la operatividad dentro de una empresa u organización. En particular, los resultados muestran una mejora significativa en los tiempos de envío y de reproceso de las pólizas ya sin la necesidad de que nadie intervenga para realizar estas funciones. Por último, el trabajo desarrollado en este proyecto ya se encuentra oficialmente en operación, lo cual beneficia a varias áreas de la empresa, así como a los clientes al contar ellos con información contable correcta en mucho menor tiempo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 53 �Proceso de automatización para el envío de información contable.../ Sergio Alcaraz Corona, et al. REFERENCIAS 1. Oz, E. (2008). Administración de los sistemas de información. 5ª. Edición, Thomson, México, ISBN 970-686-776-7. 2. Rojas, N. J. (2015). Conviviendo con sistemas legados. Bogotá, Colombia: Paradigma revista electronica en construcción de software. 3. SAP. (2017). www.sap.com. Obtenido de www.sap.com: https://www.sap. com/corporate/en/company.html 4. González, D. (08 de 06 de 2016). http://aprendesap.com. Obtenido de http:// aprendesap.com: http://aprendesap.com/blog/modulos-de-sap-erp-mm-sd-fipp-pm/ 5. Tesoro, J. y. (1993). Automatización administrativa y desempeño gerencial. 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Puente Córdova, Edgar Reyes Melo, Beatriz López Walle UANL, CIIDIT, FIME jesus.puentecr@uanl.edu.mx RESUMEN El polivinil butiral (PVB) es un polímero que debido a sus propiedades reológicas, ópticas y de adherencia, se utiliza como elemento clave en la fabricación de vidrio laminado. Sin embargo, sus propiedades eléctricas también lo posicionan como un candidato importante para aplicaciones en las áreas de la ingeniería eléctrica, electrónica y/o mecatrónica. El carácter covalente y macromolecular de la estructura del PVB, le confiere una movilidad restringida a sus portadores de carga eléctrica. En este trabajo, a través de mediciones experimentales de I(t) a temperatura y voltaje constantes, se caracterizaron los mecanismos de conducción eléctrica presentes en una película de PVB, para lo cual se describieron y utilizaron los modelos físicos necesarios pertinentes, que describen el movimiento de los portadores de carga eléctrica en la matriz polimérica. Estos resultados, son fundamentales para la optimización de la utilización del PVB como “electret”, material dieléctrico dotado de una carga eléctrica o momento dipolar “cuasi” permanente. PALABRAS CLAVE Polímero, polivinil butiral, dieléctricos, conducción eléctrica. ABSTRACT Polyvinyl butyral (PVB) is a polymer which, due to its rheological, optical and adhesion properties, is used as a key element in the manufacture of laminated glass. However, its electrical properties also position it as an important candidate for applications in the areas of electrical, electronics and mechatronics engineering. The covalent and macromolecular character of the structure of the PVB, confers a restricted mobility to its carriers of electric charge. In this work, the electrical conduction mechanisms present in a PVB film were characterized by experimental measurements of I(t) at constant temperature and voltage, for which the relevant necessary physical models were described and used, describing the motion of the electric charge carriers in the polymer matrix. These results are fundamental for the optimization of the use of PVB as “electret”, a dielectric material with a quasi-permanent electric charge. KEYWORDS Polymer, polyvinyl butyral, dielectrics, electrical conduction. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 55 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. INTRODUCCIÓN El polivinil butiral o PVB es un polímero sintetizado a partir de la reacción del alcohol de polivinilo con butiraldehído, y la estructura resultante de su unidad repetitiva se esquematiza en la figura 1a. La diferencia, tanto en el tamaño como en la configuración electrónica de los átomos que conforman al PVB, inducen una distribución espacial asimétrica de sus portadores de carga eléctrica, de tal manera que a cada uno de los grupos químicos de las cadenas poliméricas se les asocia un dipolo eléctrico. La movilidad de estos grupos químicos (dipolos), por efecto de un estímulo aplicado, es de gran ayuda para la caracterización de la estructura polimérica. Por ejemplo, la aplicación de una radiación infrarroja produce desplazamientos oscilatorios específicos para cada tipo de grupo químico. La figura 1b muestra el espectro de infrarrojo (FTIR) obtenido para una muestra de PVB, en los que se identifican para cada grupo químico, los diferentes modos de vibración producidos. a) b) Fig. 1. a) Esquema de la unidad repetitiva del PVB y b) su espectro FTIR. De lo anterior, es evidente que, la aplicación de un campo eléctrico constante, o variable, pero de menor frecuencia que la radiación IR, produce desplazamientos de los portadores de carga eléctrica (electrones, dipolos, cationes, aniones, huecos, 56 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. etc.), los cuales se manifiestan a través de corrientes eléctricas. En consecuencia, en una curva experimental I(t), obtenida a voltaje y temperatura constantes, deben estar registradas las contribuciones individuales de cada uno de los desplazamientos de los portadores de carga eléctrica de la muestra. En este trabajo, se obtuvieron y analizaron curvas isotérmicas I(t) a diferentes voltajes constantes, con la finalidad de identificar los mecanismos de conducción eléctrica que definen el comportamiento eléctrico del PVB. Se busca con este estudio, contribuir a la optimización de las películas delgadas de PVB, para su utilización como material aislante y/o como dieléctrico. Como aislante eléctrico, su función es impedir el paso de corriente eléctrica entre materiales conductores. Como dieléctrico, debe realizar la función de almacenar carga eléctrica, para lo cual es necesario caracterizar los fenómenos de polarización eléctrica y el de carga de espacio. En este sentido, los trabajos de investigación1-5 son escasos para el PVB, quedando muchas interrogantes aún por resolver, principalmente, en lo que respecta al efecto de la carga de espacio sobre el desempeño del PVB, ya sea como aislante o como dieléctrico. Como estrategia de estudio, en este trabajo se agruparon los mecanismos de conducción eléctrica que se pueden presentar en los polímeros, en dos grupos. El primero de ellos, corresponde a corrientes eléctricas que son función de la inyección de electrones en el polímero a través de la interfaz polímero-electrodo. El segundo grupo, corresponde a corrientes eléctricas asociadas a los movimientos de los portadores de carga eléctrica que se encuentran al interior o en el volumen de la muestra. Entre estos portadores de carga eléctrica, se encuentran principalmente los diferentes tipos de grupos químicos del PVB, representados cada uno de ellos por su momento dipolar eléctrico (ver figura 1), y también se encuentran los aditivos, impurezas y posibles productos de degradación presentes en la muestra. Aunado a lo anterior, se deben tomar en cuenta también, a los electrones atrapados en la muestra, los cuales previamente debieron haber sido inyectados a través de la interfaz electrodo-polímero. Los mecanismos de conducción controlados por el volumen pueden tener varios orígenes. En este sentido, la orientación de dipolos eléctricos (permanentes o inducidos) por efecto del campo eléctrico aplicado produce una corriente eléctrica que se puede medir experimentalmente. Paralelo a esto, cuando se dan las condiciones necesarias, la inyección de electrones también puede ser evaluada a través de una corriente eléctrica. Posterior a la inyección de electrones, estos pueden ser atrapados de dos maneras, produciéndose una acumulación de carga eléctrica en la muestra (carga de espacio). El primer tipo de atrapamiento se identifica como de tipo físico o trampas superficiales, y corresponden a cambios de los estados conformacionales del polímero, la energía asociada a este mecanismo de atrapamiento es de alrededor de 0.15 eV.6,7 El segundo mecanismo de atrapamiento se identifica como de tipo químico o trampas profundas, y se relaciona con la formación de radicales libres, entrecruzamiento químico, y/o ruptura de enlaces covalentes; la energía asociada a estas trampas se ha reportado como >1 eV. En la siguiente sección, se describen los modelos físicos que definen a los diferentes mecanismos de conducción posibles que puede presentar el PVB. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 57 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. MECANISMOS DE CONDUCCIÓN ELÉCTRICA EN POLÍMEROS Un polímero libre de imperfecciones e impurezas, no tiene electrones libres que puedan manifestar una corriente electrónica. Sin embargo, si puede manifestar corrientes eléctricas del orden de los pico-amperes, la cual es función de la estructura, la temperatura y del campo aplicado. De acuerdo con la teoría de bandas energéticas,6,8 los polímeros tienen una energía de banda prohibida (Eg) superior a los 5 eV, pero no explica el origen de las corrientes eléctricas producidas. Por lo tanto, para describir los mecanismos de conducción de los polímeros, se deben tomar en cuenta, además de la estructura atómica, también el tipo y la densidad de trampas presentes. En este sentido, varios autores han modificado la teoría de bandas energéticas para adaptarla al estudio del comportamiento eléctrico de los polímeros.8-10 La teoría de bandas energéticas, establece que para una red cristalina de material aislante o semiconductor, el campo eléctrico producido por los electrones de átomos vecinos modifica los niveles energéticos de los electrones de los átomos que constituyen sus alrededores, en acorde con el principio de exclusión de Pauli, lo que produce niveles discretos de energía muy próximos pero diferentes, dando origen a bandas de energía, y las separaciones entre dichas bandas corresponden a zonas o bandas prohibidas.6 Como se mencionó anteriormente, esta teoría no predice de manera satisfactoria el comportamiento eléctrico de los polímeros, entre otras razones, porque los polímeros no pueden cristalizar en un 100%, existiendo casos también en que los polímeros son amorfos. Consecuencia de este estado amorfo, las fronteras entre la banda de valencia, la banda prohibida y la banda de conducción no están perfectamente definidas (ver figura 2), y se han determinado experimentalmente “estados energéticos” que corresponden a zonas dentro de lo que se supone es una banda prohibida. Estos “estados energéticos”, que pueden estar ocupados o vacíos por portadores de carga eléctrica (electrones o huecos), se identifican como “estados localizados” porque son energéticamente distintos de sus vecinos más cercanos, y también se les conoce con el nombre de estados de Anderson, en honor a P. W. Anderson, quien fue el primero en sugerir que la “localización de electrones” es posible en un potencial no periódico o amorfo.9 Estos estados localizados corresponden a las “trampas” anteriormente mencionadas, y corresponden a pozos de energía potencial, que como se mencionó anteriormente pueden ser de naturaleza física o química. En la figura 2 se esquematizan estos pozos de potencial U(x) para un sistema cristalino (potencial periódico) y uno amorfo (potencial no periódico), y a efecto Fig. 2. Esquema de bandas energéticas en materiales poliméricos. 58 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. de comparación se muestran también las correspondientes bandas energéticas para un sistema cristalino y para un sistema amorfo, en este último se identifica una distribución de estados energéticos localizados. Fig. 3. Esquema de mecanismos de conducción en materiales poliméricos. La movilidad de los portadores de carga eléctrica se restringe de manera importante cuando son atrapados, o dicho de otra manera cuando ocupan los estados energéticos localizados. La energía asociada al atrapamiento de portadores de carga eléctrica depende además de la temperatura y del campo eléctrico, también de la profundidad energética de las trampas respecto al nivel de Fermi, razón por la cual se clasifican, como “trampas superficiales” con energía de 0.10.5 eV y de naturaleza física o como “trampas profundas” con energía mayor a 1 eV y de naturaleza química.11,12 Tomando en cuenta lo anterior, en la figura 3 se muestra un esquema que enlista a los modelos físicos que son utilizados para describir los mecanismos de conducción en polímeros. Para la utilización de estos modelos, es importante definir previamente, tanto la geometría de la muestra bajo estudio, como el protocolo utilizado para obtener las curvas experimentales de corriente. En este trabajo, la muestra de PVB utilizada tiene forma de película con un espesor x menor a 100 micrómetros, y debe estar colocada entre dos electrodos metálicos planos y paralelos. Tomando en cuenta lo anterior, la figura 4a, es un esquema que representa a las bandas energéticas del electrodo y del polímero, sin aplicación de campo eléctrico, la diferencia entre estas bandas, es una barrera de energía ϕ0, que a lo largo del espesor de la muestra es constante. Esta barrera ϕ0, es la que deben superar los portadores de carga eléctrica para ser inyectados al interior del polímero. Cuando se aplica un campo eléctrico uniforme, E, al polímero, la barrera de potencial de la figura 4a, cambia de forma a una barrera de potencial triangular, la cual está asociada a la energía potencial del electrón (-qEx) que todavía no es inyectado al polímero, ver la figura 4b. Una vez que un electrón es inyectado, se crea un hueco (carga eléctrica positiva) en el electrodo, y la fuerza de tipo Coulomb entre esta carga positiva y la carga negativa del electrón, produce una “fuerza imagen” que genera una diferencia de potencial, V(x), ver figura 4c. De lo anterior se deduce que, la aplicación del campo eléctrico produce una reducción de la barrera de potencial, ver figura 4d, que es el resultado de la superposición de los efectos de las figuras 4b y 4c. Además de reducir la barrera de potencial, el campo eléctrico Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 59 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. aplicado, también orienta los dipolos permanentes de la muestra. Paralelo a esto, los portadores de carga eléctrica (electrones) que ya han sido inyectados, reducen su movilidad por efecto de las trampas superficiales y profundas de la muestra, de tal manera, que los diferentes mecanismos de conducción que se pueden presentar en la película polimérica no dependen solamente del campo eléctrico aplicado, sino también de otros factores como lo son la temperatura, la naturaleza del polímero (tipos de trampas) y del tipo de electrodo.10,13 Fig. 4. Barrera de potencial de la interfaz entre electrodo (metal) y polímero. La modificación de la barrera energética, ϕ0, es un elemento clave para el desarrollo de los modelos de conducción eléctrica identificados en la figura 3, y en lo que sigue se describen en mayor detalle cada uno de estos modelos. Modelo de Schottky En este modelo, se considera que el abatimiento de la barrera de potencial es producto del campo eléctrico aplicado, y la figura 5 es un esquema que representa la manera en como un electrón supera dicha barrera para ser inyectado al polímero. Fig. 5. Esquema del mecanismo de conducción Schottky. A partir de las ecuaciones que definen los gráficos de las figuras 4 y 5, se deduce una expresión matemática (ecuación 1) que define la densidad de corriente J, para este mecanismo de conducción eléctrica, es importante mencionar que 60 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. se consideró como material modelo de estudio, a una película polimérica ideal, libre de trampas superficiales y profundas en su interior. (1) Donde T es la temperatura absoluta, kB es la constante de Boltzmann, y A* es la constante de Richardson, que se calcula mediante la ecuación 2, donde h es la constante de Planck, y para el caso de un electrón, con carga q y masa m, A* tiene un valor de 120 A/cm2K2.14 (2) Y βS es la constante de Schottky dada por la ecuación 3: (3) Donde εr es la permitividad dieléctrica relativa del polímero y ε0 representa la permitividad dieléctrica del vacío. La ecuación 1 muestra que la densidad de corriente depende de la temperatura y de la naturaleza del electrodo (ϕ0, barrera de potencial). Si a partir de los datos experimentales, se grafica el logaritmo natural de la densidad de corriente, contra la raíz cuadrada del campo eléctrico externo, y se obtiene una línea recta, puede decirse que la inyección de electrones puede ser descrita por el modelo de Schottky, la pendiente de dicha línea es igual a βS/kBT. Modelo de Fowler-Nordheim Aplicando un campo eléctrico (~109 V/m) a la muestra, aún y que la barrera de potencial disminuya, y si el electrón no puede superarla, existe la posibilidad de que debido a la dualidad onda-partícula del electrón, éste puede llegar a atravesar la barrera. Este fenómeno ondulatorio del electrón, también se conoce como “efecto túnel”.15 La figura 6 muestra un esquema cualitativo del efecto túnel. Fig. 6. Esquema del mecanismo de conducción por efecto túnel. Tomando en cuenta el carácter cuántico del electrón, la expresión matemática que describe la densidad de corriente es independiente de la temperatura, para lo cual también fue necesario asumir una barrera de potencial triangular, definida por la energía potencial del electrón.16 La expresión matemática obtenida queda definida por la ecuación 4: Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 61 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. (4) Sin embargo, para que se dé el fenómeno de tunelamiento entre dos electrodos metálicos con un material polimérico intermedio, la distancia entre ellos debe ser menor a 10 nm.17 Es simple identificar este mecanismo a partir de resultados experimentales, pues muestra una relación con el campo eléctrico aplicado, del tipo exp(-1⁄E). En base a lo anterior, es posible construir un gráfico Ln(J⁄E2) vs (1/E), el cual deberá ser una línea recta si el efecto túnel está presente. Modelo de Poole-Frenkel Este modelo, es similar al modelo de Schottky, con la variante de que se presenta en el volumen del polímero. En la figura 7, se representa un pozo de potencial o trampa, donde el efecto Poole-Frenkel es el abatimiento de la energía de atrapamiento, bajo el efecto combinado del potencial coulombiano (potencial que da origen a una fuerza electrostática clásica, pero cuya naturaleza es cuántica), y el potencial eléctrico asociado con el campo eléctrico externo. Fig. 7. Esquema del mecanismo de conducción Poole-Frenkel. En una película polimérica delgada, los centros de atrapamiento pueden considerarse como fijos, por lo que la conducción eléctrica se puede llevar a cabo sólo por los electrones que han superado la barrera de potencial. La expresión para la densidad de corriente del tipo Poole-Frenkel se puede obtener en la forma: (5) Con la constante de Poole-Frenkel (βPF) dada por la siguiente relación: (6) Para identificar este mecanismo de conducción, se construye un gráfico del logaritmo natural de la densidad de corriente contra la raíz cuadrada del voltaje aplicado, y como la ecuación es igual en forma a la que describe el mecanismo de Schottky, se obtiene una línea recta, y es a través del valor de la pendiente con lo cual se puede distinguir, en primera aproximación, que mecanismo de conducción eléctrica está presente en el polímero, ya que se pueden calcular los valores teóricos de dichas pendientes (βPF=2βS). 18 62 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. Modelo de corriente limitada por carga de espacio En este modelo se asume que la inyección de electrones al interior de la muestra es muy probable. Se asume también, que los electrones inyectados se distribuyen espacialmente de manera uniforme dentro del material.19,20 Bajo este contexto, la corriente limitada por carga de espacio (SCLC, siglas del término en inglés Space Charge Limited Current) es una medida de la rapidez de inyección y extracción de los portadores de carga eléctrica, entre los electrodos metálicos. Dado lo anterior, la corriente limitada por carga de espacio, depende de la concentración de los portadores de carga eléctrica, del tipo de carga eléctrica, de su movilidad, de la naturaleza de los electrodos y de las características de atrapamiento de cargas eléctricas. El análisis de la SCLC se lleva a cabo tomando en cuenta que, en primera instancia, el material polimérico está libre de trampas, y en segunda instancia, que el material posee trampas. Para un polímero libre de trampas, sin generación térmica de portadores de carga eléctrica, con contactos óhmicos que aseguran la inyección de un solo tipo de portadores de carga eléctrica (electrones), la densidad de corriente obtenida (ecuación 7) está compuesta de tres términos: corriente de deriva o conducción, corriente de difusión y corriente de desplazamiento.21 (7) Asumiendo condiciones en estado estable (dE/dt=0) en la ecuación 7, y un campo eléctrico uniforme a través del espesor, es posible obtener una expresión matemática para la densidad de corriente en términos de parámetros que se puedan medir de forma experimental, como el voltaje (V) y la densidad de corriente (J), la ecuación 8 es la ecuación obtenida, la cual es conocida como la ley de Mott-Gurney.19,21 (8) Donde d es el espesor de la película polimérica bajo estudio y μ la movilidad de los portadores de carga eléctrica (electrones). Por otra parte, pare el caso de un polímero, donde se tome en cuenta la presencia de trampas, se obtiene una expresión similar a la ecuación 8, pero influenciada por un factor θ, que denota la proporción entre portadores de carga eléctrica libres y portadores de carga atrapados, que están presentes en el volumen de material estudiado. La figura 7 es una representación esquemática de las ecuaciones 8 y 9. (9) Fig. 8. Esquema del comportamiento eléctrico de polímeros para corriente limitada por carga de espacio. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 63 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. A partir de la figura 8, se establecen ciertas consideraciones sobre el comportamiento de la corriente limitada por la carga de espacio. Para un nivel de voltaje bajo, se obtiene una pendiente igual a 1, lo que sugiere un comportamiento óhmico (la densidad de portadores de carga inyectados es despreciable en torno a la densidad de portadores intrínsecos). Si el material está o no libre de trampas, a partir de un cierto valor de voltaje se presentará una pendiente igual a 2, lo que sugiere la presencia de carga de espacio (las cargas inyectadas se acumulan en el material). Si el voltaje se sigue incrementando, se alcanza la ruptura eléctrica, lo cual involucra otros mecanismos, por ejemplo, ruptura intrínseca y/o ruptura térmica. Modelo de “Hopping” En este modelo, los defectos estructurales en las cadenas poliméricas se asumen como trampas o sitios energéticos que pueden ser ocupados por portadores de carga eléctrica. Cada sitio está asociado a una función de onda, relacionada con la probabilidad de ser ocupado por un portador de carga eléctrica (electrón). Cuando los sitios antes mencionados se encuentran muy cerca unos de otros, se produce un solapamiento significativo de las funciones de onda de los electrones, y por lo tanto una probabilidad de “saltar” de un sitio a otro (en realidad se trata de un efecto túnel asistido térmicamente). Cuanto más cerca se encuentren del nivel de Fermi, mayor será la probabilidad de que un electrón sea atrapado, y se pueden encontrar sitios donantes (ocupados) o aceptores (vacíos). Esto resulta en un proceso cuántico de movilidad de portadores de carga eléctrica, que se manifiesta en torno al nivel de Fermi. La conductividad (expresada como densidad de corriente por unidad de campo eléctrico) de este mecanismo se ha determinado experimentalmente, y se ha demostrado que sigue un comportamiento del tipo σ ∝ 1/T, lo cual se muestra en la ecuación 10, inicialmente propuesta por N. Mott.22 (10) Donde A es una constante de proporcionalidad, B es un factor que depende de la estructura electrónica del material, y n toma valores entre ¼ y ½. Modelo de conducción iónica En los polímeros existen iones en cantidades suficientes como para poder manifestarse en forma de una corriente eléctrica, bajo la acción de un campo eléctrico. Estos iones pueden provenir de impurezas, de los procesos de síntesis, y del uso de aditivos químicos. Aunque también se pueden generar por procesos de ionización, o de la absorción de contaminación, como moléculas de agua que pueden formar iones –OH (hidroxilos). El transporte de estos iones a través del material resulta en un transporte de materia, razón por la cual la movilidad iónica es inferior en varios órdenes de magnitud a la corriente de tipo electrónico. En este caso el mecanismo de transporte se da a través de una serie de “saltos” sobre las barreras de potencial, que permiten que los iones se muevan de un sitio a otro.14,17,21 Una expresión para la densidad de corriente para el mecanismo de conducción iónica es la siguiente (siguiendo la hipótesis de sitios energéticos distribuidos uniformemente): 64 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. (11) Cuando el campo eléctrico aplicado es fuerte (del orden ~107 V/m), para identificar este mecanismo, se construye un gráfico de Ln(J) vs E, el cual da como resultado una línea recta, con pendiente igual a qλ⁄kBT, que permite calcular λ, la distancia media entre saltos. Modelo de corriente eléctrica por orientación de dipolos eléctricos La corriente por orientación dipolar, también conocida como corriente transitoria, se manifiesta de manera importante en materiales poliméricos dieléctricos. La figura 9 muestra la dependencia temporal de la corriente de polarización, bajo la aplicación de voltaje constante. Esta corriente disminuye en función del tiempo, y cuando el voltaje es eliminado, se registra una corriente eléctrica de despolarización cuya dirección es contraria a la corriente de polarización. Fig. 9. Curva corriente vs tiempo, para un material polimérico. Ambos procesos, el de polarización y el de despolarización, son el resultado de la orientación de dipolos eléctricos en la dirección del campo eléctrico aplicado, y la forma de las curvas de corriente que se muestran en la figura 9, pueden ser modeladas como una primera aproximación mediante una función exponencial21,23 En los párrafos anteriores, se describieron de manera teórica los mecanismos de conducción que se pueden presentar en una película polimérica delgada, y en las secciones siguientes se presenta la parte experimental de este trabajo, cuyos resultados serán comparados con lo que describen cada uno de los modelos físicos, para con esto identificar los mecanismos de conducción que se presentan en la muestra estudiada. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Se manufacturaron probetas en forma de película delgada a partir de disoluciones de PVB en tetrahidrofurano (THF) como solvente (10% en peso). Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 65 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. Para asegurar el proceso de disolución, la mezcla PVB-THF fue sometida a un proceso de agitación a 700 RPM durante 1 hora, a 40°C. Las disoluciones obtenidas, se sometieron a un proceso tipo “tape casting” sobre una superficie de teflón, para separar parcialmente el solvente mediante convección natural, a temperatura ambiente durante 24 horas. El espesor de las películas obtenidas fue medido con un micrómetro Mitutoyo, obteniéndose un valor de ~20 µm. Las películas de PVB obtenidas, fueron sometidas a un voltaje constante, el cual produce un campo eléctrico también constante, esto con la finalidad de registrar la corriente eléctrica producida en función del tiempo, es importante mencionar que este procedimiento experimental se llevó a cabo a temperatura y presión constantes. El esquema del dispositivo experimental utilizado se muestra en la figura 10, el cual consiste en dos electrodos planos y paralelos de cobre, entre los cuales se coloca la muestra en forma de película delgada. Con la finalidad de generar entre los electrodos, un campo eléctrico uniforme y perpendicular a los planos de dichos electrodos, uno de ellos es de mayor área que el otro, dicho en otras palabras, se busca eliminar con esto el efecto de los bordes sobre las líneas imaginarias que constituyen el campo eléctrico. La interfaz electrodo-polímero juega un papel importante en la medición experimental de la corriente eléctrica, razón por la cual, el conjunto electrodos-polímero fue colocado en una cámara de vacío, se busca con esto disminuir considerablemente el efecto de la humedad sobre las mediciones de la corriente eléctrica que se produce a través del espesor de la muestra. Fig. 10. Esquema de la configuración experimental empleada para medición de la corriente eléctrica en función del tiempo. El circuito eléctrico exterior de la configuración experimental de la figura 10, fue conectado a un electrómetro Keithley 6517B, el cual tiene la capacidad de registrar corrientes eléctricas de órdenes de magnitud que van desde los femto-amperes (1 fA) a veinte micro-amperes (20 mA); y al mismo tiempo se puede proporcionar al circuito un voltaje de ±1 kV en corriente directa. Para la adquisición de datos se utilizó una interfase GPIB mediante un programa desarrollado en LabVIEW, esto con la finalidad de registrar la corriente en función del tiempo en la computadora, para su posterior análisis y procesamiento. Las mediciones experimentales de I(t) se registraron a diferentes voltajes constantes durante un tiempo de 1000 segundos (corriente de polarización), transcurrido este tiempo, el voltaje aplicado se reduce a cero durante un tiempo 66 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. de 1000 segundos (corriente de despolarización). Posterior a esto, se repite el protocolo anterior, pero aplicando un voltaje de mayor magnitud. En total se registraron curvas I(t) para voltajes de 100, 200, 300, 400 y 500 volts. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La figura 11 muestra las curvas isotérmicas I(t) obtenidas para los cinco voltajes aplicados. Las curvas experimentales describen corrientes eléctricas en un orden de magnitud de los pA, y aumentan globalmente a medida que el voltaje aplicado se incrementa, pero cada curva muestra una disminución de I cuanto transcurre el tiempo. La forma de las cinco curvas I(t) no parece ser afectada de manera importante por el voltaje aplicado, este comportamiento puede ser considerado como un indicador cualitativo de que la naturaleza de los movimientos inducidos a los portadores de carga eléctrica no varía de manera importante cuando el voltaje aplicado se incrementa, sin embargo, no se puede identificar con precisión la naturaleza de las curvas I(t). Considerando que los grupos químicos que conforman la estructura de las cadenas poliméricas del PVB, son “dipolos permanentes”, se establece que la orientación dipolar es un mecanismo que contribuye a la forma de las curvas I(t), pero no es posible identificar si un proceso de inyección y posterior atrapamiento de los portadores de carga eléctrica (electrones), también contribuye a dichas curvas. Como una primera aproximación, las curvas I(t) para varios polímeros se han modelado de manera empírica considerando una disminución exponencial.24-26 De acuerdo con este modelo experimental, y asumiendo que solamente se presenta la orientación de dipolos eléctricos permanentes o inducidos, se puede concluir que, al incrementarse el voltaje aplicado, el incremento global de las curvas I(t) son consecuencia directa de que un número mayor de dipolos eléctricos se orientan cuando el campo eléctrico aumenta (principalmente a tiempos cortos de análisis, menores a 100 s). Para tiempos mayores pero cercanos a 1000 s, en la figura 11 se observa un “plato” de corriente, lo cual puede ser asociado a que una gran parte de la población de dipolos eléctricos ya se han orientado por efecto del campo eléctrico Fig. 11. Corriente vs tiempo para el PVB, a diferentes niveles de voltaje. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 67 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. aplicado, lo cual parecería indicar, que se ha alcanzado un estado “estable”, el cual podría estar relacionado con portadores de carga eléctrica intrínsecos, o bien, que han sido inyectados al polímero a partir de los electrodos metálicos (portadores de carga eléctrica extrínsecos). Producto de lo anterior, las curvas I(t) de la figura 11, fueron analizadas utilizando los modelos físicos anteriormente descritos y que se resumen en la figura 3. A partir de estas curvas I(t), para cada uno de los voltajes aplicados, se construyó un conjunto de datos V-I para un tiempo de 1000 segundos (en los platos de corriente), y se construyó el gráfico de la figura 12. Los datos experimentales de esta figura fueron ajustados a una línea recta (ley de Ohm), lo que permitió estimar un parámetro eléctrico importante en el diseño de aislantes eléctricos, la resistencia eléctrica de volumen del PVB, cuyo valor fue de 3.29x1012 Ω. El conjunto de datos experimentales de la figura 12, fue utilizado para su evaluación con los modelos físicos pertinentes, para la identificación de los mecanismos de conducción que predominan para el PVB. Fig. 12. Corriente vs voltaje, para el PVB. Debido a que los modelos físicos de la figura 3, por lo general relacionan una densidad de corriente eléctrica (J) con un campo eléctrico (E), las parejas de datos V-I, fueron transformados a parejas de datos J-E. Para tal efecto, se tomó en cuenta la geometría de la muestra analizada (área A, y espesor d), y una vez calculado el conjunto de datos J-E, se construyó el gráfico de la figura 13, que representa la densidad de corriente (J=I/A) vs el campo eléctrico aplicado (E=V/d). Los datos experimentales de la figura 13, fueron ajustados a una línea recta, que representa a la ley de Ohm “microscópica”, J=σE, lo que permitió estimar la conductividad del PVB, σ=2.7x10-14 S/m, la cual es función, además, de la densidad de portadores de carga eléctrica presentes en el PVB, y de su movilidad; este valor calculado se encuentra en el orden de magnitud reportado para otros materiales poliméricos.3,10,25 Para la identificación de los mecanismos de conducción presentes en la figura 13, el conjunto de datos J-E fue transformado en acorde con las ecuaciones que definen la densidad de corriente para cada uno de los modelos físicos 68 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. Fig. 13. Densidad de corriente vs campo eléctrico, para el PVB. que se muestran en la figura 3. Producto de esta comparación, solamente los modelos de Schottky y el de corriente limitada por carga de espacio (SCLC), arrojaron resultados positivos, a partir de los cuales se obtuvo información de los mecanismos de conducción que rigen el comportamiento eléctrico del PVB, y por razones de espacio, solamente se presentan los resultados obtenidos para estos dos modelos. El resultado obtenido a partir del modelo de Schottky se muestra en la figura 14. Este modelo describe un mecanismo de conducción a través de la interfaz electrodo-polímero. Los datos experimentales de la figura 14 fueron calculados a partir de los datos experimentales de la figura 13, tomando el logaritmo natural de J, Ln(J), vs la raíz cuadrada de E. Este resultado sugiere que, a voltajes mayores a 100 V, existe la probabilidad de que portadores de carga, del tipo electrónico, sean inyectados al polímero a través de la interfaz. Para el caso del modelo de SCLC, también se construyó un gráfico a partir de las figuras 12 y 13, tomando el logaritmo natural de J, Ln(J) vs el logaritmo natural Fig. 14. Gráfico de Schottky para el PVB. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 69 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. de V, Ln(V). La finalidad de este gráfico (figura 15) es observar un cambio de pendiente (denotada en esta sección como “m”), con m=1 se dice que el mecanismo de conducción sigue un comportamiento óhmico, y si m=2, el mecanismo de conducción es asociado a la presencia de carga de espacio. En este caso, m=0.802, el cual es menor a la unidad, lo que sugiere una aproximación al comportamiento óhmico por parte del material (se cumple con un contacto óhmico). Fig. 15. Gráfico Ln(J) vs Ln(V), para el PVB. A partir de los modelos de Schottky y el de SCLC, se establece que las curvas isotérmicas I(t) obtenidas para el PVB, son el resultado de la contribución por inyección de electrones, y también del proceso de orientación dipolar. Por otra parte, no existe evidencia de corriente eléctrica limitada por carga de espacio, bajo las condiciones experimentales analizadas. Esto no es suficiente, para establecer que los electrones inyectados no hayan restringido su movilidad por efecto de las trampas (superficiales o profundas) en el volumen del polímero, lo que produciría una acumulación de carga eléctrica al interior de la muestra (carga de espacio). No existe evidencia de carga de espacio en el gráfico de la figura 15, esto debido a que no se suministró la energía suficiente a la muestra para liberar los electrones localizados en las trampas, y así poder manifestarse en forma de corriente eléctrica. CONCLUSIONES La compleja estructura macromolecular del PVB está constituida de varios tipos de portadores de carga eléctrica que participan de manera conjunta en la manifestación de la corriente eléctrica producida por efecto de un campo eléctrico aplicado. A nivel de la interfaz electrodo-polímero, la corriente eléctrica producida es consecuencia de la inyección de electrones a la muestra de PVB. A nivel del volumen de la muestra, la corriente eléctrica producida, es el resultado de la orientación de los dipolos eléctricos. Dependiendo de su nivel energético, los electrones inyectados al polímero pueden restringir su movilidad por efecto de las trampas superficiales y/o las trampas profundas que forman parte de la 70 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. estructura del PVB. Los resultados obtenidos en este trabajo, son fundamentales para la optimización de las potenciales aplicaciones de películas de PVB, ya sea como material aislante o como dieléctrico. REFERENCIAS 1. Jain K., Kumar N., Mehendru P. C.; Electrical and Dielectric Properties of Polyvinyl Butyral I. Studies of Charge Storage Mechanism, Journal of the Electrochemical Society, 126 (11), 1979, pp. 1958-1963. 2. Chand S., Kumar N.; Effect of iodine doping on electrical conduction in PVB films, Journal of Materials Science Letters, 8, 1989, pp. 1009-1010. 3. Santos S., Salazar I., Gómez C.; Dielectric Response and dc Conductivity in Polyvinylbutyral: An Analysis in the Complex Conductivity Plane, Japanese Journal of Applied Physics, 40, 2001, pp. 6077-6080. 4. Puente-Córdova J. G., Reyes-Melo M. E., López-Walle B. C., GonzálezGonzález V. A.; Materiales poliméricos dieléctricos, Ingenierías, 15 (57), 2012, pp. 29-37. 5. Reyes-Melo M. E., Puente-Córdova J. G., López-Walle B.; La carga de espacio en materiales híbridos, Ingenierías, 18 (67), 2015, pp. 38-47. 6. Teyssedre G., Laurent C.; Charge Transport Modeling in Insulating Polymers: From Molecular to Macroscopic Scale, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 12 (5), 2005, pp. 857-875. 7. Martínez-Vega J., ed. Dielectric Materials for Electrical Engineering. ISTEWiley, 2010. 8. Dissado L. A., Fothergill J. C. Electrical Degradation and Breakdown in Polymers, Peter Peregrinus, London, 1992. 9. Mott N. F.; Conduction in non-Crystalline systems IV. Anderson Localization in a Disordered Lattice, Philosophical Magazine, 22 (175), 1970, pp. 7-29. 10. Ieda M.; Electrical conduction and carrier traps in polymeric materials, IEEE Transactions in Electrical Insulation, EI-19 (3), 1984, pp. 162-178. 11. Blaise G.; Charge localization and transport in disordered dielectric materials, Journal of Electrostatics, 50, 2001, pp. 69-89. 12. Meunier M., Quirke N.; Molecular modeling of electron trapping in polymer insulators, Journal of Chemical Physics, 113 (1), 2000, pp. 369-376. 13. Lewis T. J.; Charge transport, charge injection and breakdown in polymeric insulators, Journal of Physics D: Applied Physics, 23, 1990, pp. 1469-1478. 14. Chiu F.-C.; A Review on Conduction Mechanisms in Dielectric Films, Advances in Materials Science and Engineering, article ID 578168, 2014, 18pp. 15. Fowler R. H., Nordheim L.; Electron Emission in Intense Electric Fields, Proceedings of the Royal Society of London, 119 (781), 1928, pp. 173-181. 16. Ghatak A. K., Sauter E. G., Goyal I. C.; Validity of the JWKB formula for a triangular potential barrier, European Journal of Physics, 18, 1997, pp.199204. 17. Simmons J. G.; Conduction in thin dielectric films, Journal of Physics D: Applied Physics, 4 (5), 1971, pp. 613-657. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 71 �Estudio de los mecanismos de conducción eléctrica en películas delgadas de PVB / Jesús G. Puente Córdova, et al. 18. Simmons J. G.; Poole-Frenkel Effect and Schottky Effect in Metal-InsulatorMetal Systems, Physical Review, 155 (3), 1967, pp. 657-660. 19. Diaham S., Locatelli M.-L.; Space-charge-limited currents in polyimide films, Applied Physics Letters, 101, 2012, 242905, 4pp. 20. Chavez J. L., Martinez-Vega J. J.; The High Electric Field Behavior in PEN, Proceedings of the IEEE International Conference on Solid Dielectrics, 2004, 4pp. 21. Segui Y. Diélectriques - Courants de conduction. Techniques de l’Ingénieur, 2000. 22. Mott N. F.; The effect of electron interaction on variable-range hopping, Philosophical Magazine, 34 (4), 1976, pp. 643-645. 23. Coelho R. Physics of dielectrics for the engineers. Elsevier Scientific Publishing Co., 1979. 24. Adamec V., Calderwood J. H.; Electrical conduction and polarization phenomena in polymeric dielectrics at low fields, Journal of Physics D: Applied Physics, 11, 1978, pp. 781-800. 25. Hadri B., Mamy P. R., Martinez J., Mostefa M.; Electrical conduction in a semicrystalline polyethylene terephthalate in high electric field, Solid State Communications, 139, 2006, pp. 35-39. 26. Guillermin C., Rain P., Rowe S. W.; Transient and steady-state currents in epoxy resin, Journal of Physics D: Applied Physics, 39, 2006, pp. 515-524. 72 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Eventos y reconocimientos PRIMER ENCUENTRO DE INVENTORES UANL El pasado 26 de abril se celebró el Primer Encuentro de Inventores 2017: Conocimiento protegido al servicio de la sociedad, en la UANL ,en el Marco del Día Mundial de la Propiedad Intelectual. La Dra. María de los Ángeles Pozas García, investigadora del Colegio de México, comento sobre la situación en México en cuanto al desarrollo en innovación y creación de nuevos productos, señalando la importancia de la transferencia de conocimiento. En ese mismo evento, el Centro de Incubación de Empresas y Transferencia de Tecnología (CIETT) de la UANL presentó algunos resultados en materia de invención, ya que en el primer trimestre del 2017, se aprobaron catorce diseños industriales, CERTIFICAN PROGRAMAS DE LA FIME CON EL SELLO EUR-ACE El pasado 27 de mayo, la European Network for Accreditation of Engineering Education (EURACE) entregó el certificado con el sello EUR-ACE a 6 programas que se imparten en México, dos de ellos en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Los programas reconocidos en la UANL son: Ingeniero Administrador de Sistemas e Ingeniero Mecánico Administrador, Este acto es una referencia, ya que es la primera vez que se entrega el que es la primera vez que se entrega este reconocimiento a programas educativos que se imparte fuera de la Unión Europea. cinco patentes y un modelo de utilidad, algunas de ellas desarrolladas en la FIME. Organizadores del encuentro de inventores con la expositora María de los Ángeles Pozas García (Centro). Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 El Mtro. Rogelio G. Garza Rivera (izq.), rector de la UANL, y el Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, director de la FIME, muestran los certificados. 73 �Eventos y reconocimientos RECONOCIMIENTO A LA EIAO El pasado 7 de junio, el rector de la UANL, Mtro. Rogelio G. Garza Rivera, recibió de manos del presidente de México, Lic. Enrique Peña Nieto, el Premio Nacional de Calidad, en su edición XXVII, para la Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” (EIAO) en la categoría de educación media superior, con lo que muestra su compromiso con la juventud nuevoleonesa, de ofrecer educación y servicios con estándares de clase mundial. COLABORACIÓN UANL - UNAQ La Universidad Autónoma de Nuevo León y la Universidad Aeronáutica en Querétaro colaborarán en proyectos conjuntos de investigación científica e innovación tecnológica para impulsar el desarrollo de la aviación en México. A fin de formalizar compromiso, el pasado 6 de junio, los rectores: Mtro. Rogelio G. Garza Rivera e Ing. Jorge Gutiérrez de Velasco Rodríguez, firmaron un convenio de colaboración en materia educativa, científica y tecnológica. El director de la EIAO , Ing. Fernando Rodríguez Gutiérrez, mostrando el diploma del premio, que le fue entregado por el presidente de México. Los rectores Mtro. Rogelio G. Garza Rivera, de la UANL e Ing. Jorge Gutiérrez de Velasco Rodríguez, de la UNAQ, Muestran el convenio de colaboración firmado. 74 Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Tesistas titulados de Maestría en la FIME-UANL * Abril - Junio 2017 Rodrigo Xavier San Miguel Becerra, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Asignación de pagos de préstamos, 4 de mayo. José Guadalupe Torres Chavarria, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Secuenciación de trabajos en una empresa que fabrica producto de papel, 4 de mayo. Ruth Berenice Cisneros Aldama, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Simulación Basada en agentes para la distribución del bienestar en México, 12 de mayo. Pablo Gómez - Gordo Villa, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable. Desarrollo de un sistema de control automático inplementado en un motor CFR para el estudio físico-químico de la combustión, 19 de mayo. Hernán Alberto Ramirez Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable, Treansferencia de calor y masa durante la formación de escarcha en superficies horizontales con flujo paralelo, 9 de junio del 2017. Llizeth Carolina Riascos Alvarez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Formulations and algorithms for the kidney exchanc problem, 9 de Junio del 2017. Armando Ramirez Cuevas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Desarrollo de interfaz para lectura y almacenamiento de parametros CAN Bajo la Norma SAE-J1939, 12 de junio del 2017. José Agusitn Aquino Ramos, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. “Cooper antimony sulfide thin films by spray pyolysis for photovoltaic applications”, 15 de junio del 2017. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 75 �Colaboradores Alcaraz Corona, Sergio Cantú Gutierrez, Vicente Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones del ITESM, Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica de Illinois Institute of Technology, Chicago, IL y Doctorado en Ingeniería en Tecnologías de Información del ITESM Campus Monterrey. Trabajó por varios años como analista-programador en empresas de desarrollo de software y servicios de tecnologías de información. Actualmente es profesor investigador del Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico CIDET FIME UANL y su línea de investigación es en desarrollo de sistemas inteligentes y adaptativos de información. Ingeniero Electricista (1977) y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia (1993) por la UANL–FIME, donde es profesor desde 1974. Blanco Bogado, Gerardo Obtuvo el título de Doctor en Ingeniería en el Instituto de Energía Eléctrica (IEE), de la Universidad Nacional de San Juan, Argentina y de Ingeniero Electromecánico de la Universidad Nacional de Asunción, Paraguay. Durante los años 2009 y 2012 fue investigador visitante en el Institute of Power Systems and Power Economics (ie3) - Technische Universität Dortmund, Alemania. Desde el año 2010 es Investigador de la Facultad Politécnica, Universidad Nacional de Asunción (FPUNA), Director del GISE-FPUNA, y Coordinador del Programa de Doctorado y Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica de la FPUNA. Se desempeña como instructor y consultor de la Organización Latinoamericana de Energía (OLADE) y es Investigador categorizado Nivel II del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. 76 Cantú Mata, José Luis Ingeniero Administrador de Sistemas. Maestro en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Comercio Exterior. Doctor en Filosofía, con especialidad en Administración, todos por la UANL. Profesor-Investigador de la FIME-UANL. Línea de investigación: Estrategias de Administracion, y Gestion de Inovacion y Tecnología. Castillo Elizondo, Jaime Arturo Ingeniero Administrador de Sistemas de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (1993) y Maestro en Administración con especialidad en Recurso Humano de la Facultad de Ciencias Químicas (1998) de la Universidad Autónoma de Nuevo León, y Doctor en Educación por el Instituto de Educación Superior José Martí. Ha sido profesor de la FIME desde 1993, cubriendo además diferentes funciones administrativas, como la de Subdirector de Vinculación (2008-2014) y actualmente la de Director de la FIME. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores. Conde Enríquez, Arturo Graduado de Mecánico Electricista en 1993 de la Universidad Veracruzana. Mestría en Ingeniería Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Colaboradores Eléctrica en 1996; Doctorado en Ingeniería Eléctrica en 2002, ambos estudios realizados en la Facultad de Ingenieria Mecánica y Eléctrica de la UANL. Actualmente es profesor en la Universidad Autónoma de Nuevo León y miembro del SNI nivel 1, México. De la O Serna, José Antonio manufactura de productos electrónicos de consumo doméstico y a Instrumentación Electrónica en procesos mineros. Actualmente, es estudiante de la Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica de la FIME en la UANL. Puente Córdova, Jesús Gabino Doctor en Telecomunicaciones por la Escuela TELECOM Paris Tech, Francia (1982). Entre 1982 y 1986 trabajó en el ITESM. De 1988 a 1993 trabajó en el Politécnico de Yaoundé, Camerún. Actualmente es Profesor Investigador de la UANL. Es miembro del SNI. Ingeniero Mecánico Electricista (2010) y Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2013) por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Actualmente es estudiante de doctorado en Ingeniería de Materiales en la misma institución. Catedrático investigador en la FIME. Estrada Gámez, Joel Reyes Melo, Martín Edgar Licenciado en Sistemas Computacionales Administrativos de UAM, actualmente es estudiante de Maestría en Tecnologías de la Información de la UANL. Actualmente trabaja como Líder de Proyectos en el área de sistemas para una cadena comercial de tiendas de autoservicio de nivel nacional. Anteriormente se desarrolló como agente de soporte técnico en hardware, analista, y soporte de aplicaciones propias de la cadena. Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Doctorado en Ciencia de Materiales (2004) en la Universidad Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Ha obtenido el Premio de Investigación UANL en 1999, 2004, 2009, 2011 y 2012. Es catedrático investigador en la FIME y el CIIDIT de la UANL. Es miembro del SNI nivel I, y desde 2011 miembro de la Academia Mexicana de Ciencias AMC. Idárraga Ospina, Gina María Obtuvo el título de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Nacional de Colombia en MedellínColombia en el año 2002 y la Maestría en Filosofía de la Universidad Nacional de San Juan (Argentina) en 2007. Actualmente es profesora en la Universidad Autónoma de Nuevo León, México. López Walle, Beatriz Ingeniera Mecánica -opción Mecatrónica- (2003) por la UNAM. Doctora en Microrobótica (2008) en la Université de Franche-Comté, en Besançon, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. Miembro del SNI nivel I. Pío Mendoza, Francisco Javier Ingeniero en Electrónica por parte de la Universidad Autónoma de Baja California (UABC) con experiencia laboral referente a Seguridad de Producto y Compatibilidad Electromagnética en la Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 Blanco Bogado, Gerardo Alejandro Obtuvo el título de Doctor en Ingeniería en el Instituto de Energía Eléctrica (IEE), de la Universidad Nacional de San Juan, Argentina y de Ingeniero Electromecánico de la Universidad Nacional de Asunción, Paraguay. Durante los años 2009 y 2012 fue investigador visitante en el Institute of Power Systems and Power Economics (ie3) - Technische Universität Dortmund, Alemania. Desde el año 2010 es Investigador de la Facultad Politécnica, Universidad Nacional de Asunción (FPUNA), Director del GISE-FPUNA, y Coordinador del Programa de Doctorado y Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica de la FPUNA. Se desempeña como instructor y consultor de la Organización Latinoamericana de Energía (OLADE) y es Investigador categorizado Nivel II del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. 77 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, exactitud de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de 78 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico y las fichas biográficas de cada autor en CD a la dirección de contacto, o por e-mail a revistaingenierias@uanl.mx . El artículo debe estar escrito en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo en Word o algún formato compatible con este software. La extensión máxima es de 15 páginas, el título del artículo no debe exceder de 80 caracteres, el número máximo de autores por artículo es cinco. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deben incluir en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. El material gráfico (imágenes y gráficas) utilizadas en el artículo deberán enviarse en archivos individuales en formato .tif, .jpg o .bmp en una resolución mínima de 1800 X 1800 puntos (eso una resolución de 300 dpi y 15 cm en el lado más pequeño de la imagen). Las fichas biográficas deben ser de máximo 100 palabras. CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Revisores Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 79 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. 80 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. Ingenierías, Julio-Septiembre 2017, Vol. XX, No. 76 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2017 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 20 Número Número de la revista 76 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2017, Año 20, No 76, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2017 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020839 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Facturación electrónica Modulación digital Onduletas Polímero Polivinil butiral SAP https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20798/Ingenierias_2017_Ano_20_No_75_Abril-Junio.pdf b75bada19d707efdef50f495e489a0bc PDF Text Text ��75 Contenido Abril-Junio de 2017, Año XX, No. 75 2 Directorio 3 Editorial: Habilidades de expresión escrita de los estudiantes Juan Antonio Aguilar Garib 7 Real time simulation with software relay models Carlos A. López, Víctor H. Ortíz, Daniel Ibarra 19 Adaptive autoreclosaure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers Jörg Blumschein, Yilmaz Yelgin, Andrea Ludwig 32 Umbral para discriminar entre corriente inrush y falla interna en un transformador de potencia Martha N. Acosta Montalvo, Héctor Esponda Hernández, Manuel A. Andrade Soto, Ernesto Vázquez Martínez 43 Performance analysis of line differential protection using MPLS networks Lifan Yang, Thomas Rudolph, Min Li, Motaz Elshafi 54 CT saturation and its influence on protective relays Roberto Cimadevilla, Ainhoa Fernández 76 Eventos y reconocimientos 77 Tesistas titulados de Maestría en la FIME-UANL 78 Información para colaboradores 79 Código de ética Ingenierías, Abril-Junio 2017, Año XX, No. 75 � �DIRECTORIO Ingenierías, Año XX N° 75, abril-Junio 2017. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Impresos Baez, Jesús M. Garza 3219 Oriente, Col Francisco I. Madero, Monterrey Nuevo León, México, C.P. 64560. Fecha de terminación de impresión: 15 de abril de 2017. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2017 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Mtro. Rogelio G. Garza Rivera Rector M.A. Carmen del Rosario de la Fuente García Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Dr. Celso José Garza Acuña Secretario de Extensión y Cultura Lic. Antonio Ramos Revillas Director de Editorial Universitaria FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. 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COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñán, FIME-UANL. � Ingenierías, Abril-Junio 2017, Año XX, No. 75 �Editorial: Habilidades de expresión escrita de los estudiantes Juan Antonio Aguilar Garib Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica juan.aguilargb@uanl.edu.mx En toda profesión existe, a diferentes niveles, la necesidad de expresarse en forma escrita, de manera que la habilidad de escritura no es una requerimiento exclusivo de periodistas, abogados o encargados de relaciones públicas. En muchos trabajos es necesario escribir reportes, notas y hasta recados simples. Es notorio que el interés de los estudiantes por continuar desarrollando la competencia de escritura, especialmente en áreas que no están relacionadas directamente con las letras, disminuye conforme avanzan en los grados escolares hacia la carrera. No es raro que consideren inapropiado que se les critique su ortografía o redacción, aunque no se les sancione en las evaluaciones, en clases que según ellos no tienen algo que ver con literatura. En ocasiones utilizan el mismo argumento de los estudiantes de secundaria, señalando que si la clase no es de español no debería haber problema, sin darse cuenta que la falta de ortografía puede modificar el sentido de lo que pretenden expresar, y que aun tratándose de comunicación informal, un mensaje plagado de errores ortográficos y gramaticales burdos no es la mejor carta de recomendación para mostrar capacidad y diligencia. Hay reportes de que un buen número de estudiantes en los niveles de educación superior en diferentes áreas del conocimiento tienen deficiencias graves en su habilidad para comprender textos, así como en su escritura, 1-3 a pesar de que la alfabetización tiene un carácter prioritario en los programas educativos. Esta deficiencia ya ha sido reconocida y en las instituciones se siguen diferentes estrategias para atenderla. Aunque se entiende que este problema debe ser atacado desde la educación básica, en los niveles de educación superior en lo inmediato, afecta el rendimiento escolar y en el futuro, el desempeño del graduado. El propósito de este mensaje es dar a la expresión escrita su validación tácita, al mismo tiempo que se presentan algunas sugerencias o recomendaciones de lo que los estudiantes pueden hacer ahora, que ya están en el nivel superior, en lo que parece ser una etapa tardía para abordar problemas de formación básica. Ya que se ha mencionado a la alfabetización, conviene situar el contexto que provoca una aparente falta de correlación entre su alto valor, de 94.5% en México, 4 y la deficiencia que se observa en los estudiantes de educación superior. La alfabetización se da a través de un proceso por el que se enseña a las personas la lectura y escritura de una lengua, usualmente la materna. La manera en que se mide, de acuerdo a la UNESCO, es conforme al porcentaje de Ingenierías, Abril-Junio 2017, Año XX, No. 75 � �Habilidad de expresión escrita de los estudiantes / Juan Antonio Aguilar Garib la población mayor de 15 años de edad que puede leer, escribir y comprender un texto sencillo y corto sobre su vida cotidiana. 5 En algunos países se consideran también las operaciones simples de aritmética. Este texto puede ser tan sencillo como un recado, 6 por lo que es posible que en realidad se esté evaluando la habilidad para descifrar el código de la escritura, identificar las palabras, sin que haya un nivel de comprensión que corresponda al de los textos que deben leerse y escribirse durante la formación en la educación superior. La prueba PISA (Programa de Evaluación Internacional de Alumnos) considera que los estudiantes que han concluido la educación obligatoria (primaria y secundaria) ya tienen las habilidades fundamentales para una participación plena en las sociedades modernas. 7 La prueba ENLACE (Evaluación Nacional del Logro Académico en los Centros Escolares), 8 por otra parte, considera la competencia lectora en sectores específicos de la población escolar. En ambos casos se obtiene una valoración más apegada a las habilidades de comunicación en eventos de la vida diaria, que la que se deduce de la tasa de alfabetización. Suponiendo que el problema fueran los cursos que se imparten en los niveles básicos y que las revisiones fueran implementadas inmediatamente, eso no sería útil para los estudiantes que ya se encuentran en los niveles superiores, puesto que no es posible regresarlos a los niveles básicos para que aprendan a expresarse de manera escrita, entonces se proponen aquí una serie de acciones que pueden ser seguidas por ellos desde el nivel en el que se encuentren actualmente. Lo primero que los estudiantes deben hacer es dejar de culpar a su paso por los niveles básicos en el que afirman que no aprendieron a escribir porque no les enseñaron, ya que aun siendo esto posible, esta disculpa los hace olvidar que el aprendizaje es una acción que le corresponde a los estudiantes. Siendo la escritura una habilidad dentro de las competencias de comunicación solamente hay una manera de desarrollarla, y esa es mediante la práctica. Así, sin justificar aquí que no les hubieran enseñado como muchos de los que tienen estas deficiencias dicen; cada tarea, cada reporte, cada anotación que hicieron en sus cuadernos fueron ocasiones de práctica. Como ya se encuentran en el nivel superior, entre lo que les queda está aprovechar los talleres de lectura y redacción, y los cursos de comunicación y de apreciación de las artes, a los que pudieran tener acceso desde sus programas educativos. De los cursos que he mencionado, es probable que el de apreciación de las artes les suene alejado de las habilidades de lectura de comprensión y escritura, pero si consideramos que el arte se refiere a la actividad en la que el hombre recrea, con una finalidad estética, un aspecto de la realidad o un sentimiento valiéndose de la materia, la imagen o el sonido, con las bellas artes: arquitectura, danza, escultura, música, oratoria, pintura y poesía, entonces no se podrá negar su contribución al desarrollo de la creatividad, tan necesaria en el arte de acomodar las palabras, para que formen las oraciones y los párrafos que expresen claramente lo que deseamos. Otra recomendación es tener presente que la habilidad para escribir requiere un buen conocimiento del idioma, lo que implica un buen vocabulario junto con el manejo de la ortografía y gramática, para luego construir, oraciones y párrafos correctos gramaticalmente, además de la estructura adecuada que expresa la información, discusión, conclusión o postura que se desea transmitir. � Ingenierías, Abril-Junio 2017, Año XX, No. 75 �Habilidad de expresión escrita de los estudiantes / Juan Antonio Aguilar Garib Tomar cursos formales de escritura es una buena idea, pero ya sea que se tomen o no, para entender estos elementos se requiere leer, así se va aprendiendo cómo se describen las cosas, cómo se escriben las palabras, de manera que de tanto leerlas se note inmediatamente si están mal escritas. Existe la idea, y hasta la presunción, de que los estudiantes de otras épocas leían más. Eso es cierto porque las condiciones tecnológicas eran otras, es posible que los estudiantes actuales no alcancen a comprender un entorno en el que no había manera de “cortar y pegar” de la manera en que se hace ahora, y todavía más atrás en el tiempo, no había fotocopias a precios accesibles. Parece que fue hace mucho, pero son condiciones que muchos profesores aún activos conocieron. Entonces, los estudiantes debían comprar los libros o ir a la biblioteca, allí tomaban notas de los libros, resumían, subrayaban, en fin, estaban obligados a leer y sintetizar. Aún la copia de la tarea de un compañero exigía por lo menos leerla para escribirla, no se trataba simplemente de cortar y pegar, así que lo que los estudiantes hacían, pasaba por sus mentes y aprendían. Con la ayuda de la tecnología se ha dejado de leer y escribir para generar notas, así que otra sugerencia es leer y obligarse a tomar notas y escribir resúmenes, aunque no sean un encargo para calificación. En una recomendación más, ya se mencionó que la escritura es una habilidad dentro de las competencias de comunicación y que la única manera de desarrollarla es mediante la práctica. No se puede considerar como práctica la repetición del mismo ejercicio muchas veces sin variación alguna, ya que podría ser que se estuviera haciendo mal y que se perfeccione la manera de hacerlo así. La verdadera práctica consiste en evaluar y criticar el trabajo hecho, de manera que haya una retroalimentación que sirva para ser creativos y corregir, o para reforzar, según sea el caso, la escritura. Otro punto, que sería muy bueno que fuera obvio, es que además de conocer las reglas de la escritura se debe tener el material que se va a escribir, si se trata de un reporte de práctica, ya se realizó la tarea de revisar, razonar y ordenar lo que se va a escribir. Es común que los estudiantes den mucha más atención a las instrucciones de presentación: tamaño de portada, de letra y detalles que, aunque importantes, no tienen que ver con la escritura y siempre se pueden arreglar. Si se va a escribir de ciencia, arte, cultura o deporte, se debe saber de ciencia, arte, cultura o deporte. Las recomendaciones anteriores llevan implícita la condición de dedicar tiempo para practicar y desarrollar la habilidad para escribir. Así que, si los estudiantes dedican a sus clases únicamente el tiempo asignado a las sesiones, entonces difícilmente podrán cumplir con el objetivo de su curso y mucho menos con actividades para el desarrollo de la escritura. Es necesario que los estudiantes comprendan que esa calidad les exige dedicar la mayor parte de su tiempo a asuntos académicos, como leer y escribir, dentro y fuera de las aulas. Algunos estudiantes se desaniman cuando no obtienen buenas notas en sus trabajos escritos, pero no deben hacerlo, lo que es necesario es poner atención a lo que no estuvo bien hecho sin esperar a que el maestro aborde nuevamente el tema, es posible que nunca lo haga porque ya pasó, entonces es conveniente dedicar el tiempo necesario para revisar lo que se ha escrito. Una mala calificación en un trabajo no significa por sí misma una descalificación del individuo, quien Ingenierías, Abril-Junio 2017, Año XX, No. 75 � �Habilidad de expresión escrita de los estudiantes / Juan Antonio Aguilar Garib debe trabajar en ajustar para mejorar, si se hacen siempre las mismas cosas se obtendrán los mismos resultados. Aprovecho la posibilidad de que los lectores críticos encuentren estas recomendaciones parecidas a algo que pudieran haber leído o escuchado en alguna parte, para extender una última recomendación, asegurándoles que cualquier semejanza con material que hayan conocido antes es mera coincidencia, producida tal vez, por la generosa dosis de documentos disponibles sobre este tema. Esta última recomendación tiene que ver con el temor a escribir trabajos que no sean originales, ya que es frecuente que se les insista a los estudiantes que razonen lo que escriben para que sea propio, que no copien sus trabajos ni entre ellos ni de otras fuentes. Es cierto que el plagio debe ser denunciado y castigado, pero la originalidad absoluta es prácticamente inalcanzable si lo que sabemos proviene de la lectura de temas de los que se ha escrito ampliamente. Ante esta situación, lo que debemos hacer es escribir de forma honesta con apego a la verdad según nuestros mejores conocimientos, sin preocuparse de que el producto pudiera parecerse a otros trabajos ¿de cuántas maneras se podría describir una práctica de laboratorio que está estandarizada? Si se escribe con honestidad, entonces resaltarán las diferencias en la discusión y conclusión de los resultados o planteamientos, ya sea en una práctica, en un discurso o en un artículo, ya que la percepción de las cosas es siempre individual, la originalidad de los escritos se hará evidente. Las recomendaciones mencionadas corresponden a las acciones que inciden en hábitos de estudio que pueden ser tomados por los estudiantes, quienes son los verdaderos responsables de construir esta competencia, hoy mismo, sin que requieran un cambio extraordinario en el ámbito del ambiente escolar, pero sí en el de sus intereses. Los profesores de los niveles superiores no podemos ser los responsables de cerrar la brecha en sus habilidades de escritura, pero sí debemos ser ejemplo con nuestro comportamiento en términos de nuestra expresión oral y escrita, al mismo tiempo que promovemos el interés entre los estudiantes por superarse en sus competencias de comunicación a través de la mejora de su habilidad de escritura, lo cual repercutirá positivamente en su desempeño académico y profesional. 1. Fregoso Peralta, Gilberto. Los problemas del estudiante universitario con la redacción. Un estudio de caso en los niveles de licenciatura y de maestría, Revista de Educación y Desarrollo, octubre-diciembre, 2007. 2. Hernández Zamora, Gregorio. Escritura académica y formación de maestros ¿por qué no acaban la tesis? Tiempo de Educar, Vol. 10, Núm. 19, Universidad Autónoma del Estado de México, enero-junio, 2009, pp. 11-40. 3. Domínguez Y., J. Guillermo ¿Por qué no escriben textos los estudiantes? (Parte 1) Revista del Centro de Investigación. Universidad La Salle, vol. 5, núm. 19, juliodiciembre, 2002, pp. 85-98. 4. INEGI. Encuesta Intercensal 2015. 5. Indicadores de educación, especificaciones técnicas. UNESCO Institute of Statistics, 2009. 6. Metodología de la serie histórica censal, INEGI, 2016. 7. Resultados PISA México 2015. 8. SEP, Prueba ENLACE 2014. � Ingenierías, Abril-Junio 2017, Año XX, No. 75 �Real time simulation with software relay models Carlos A. López, Víctor H. Ortíz, Daniel Ibarra Universidad de Guadalajara, Guadalajara, Jal., México RESUMEN Este artículo describe una variedad de modelos de software en plataformas corriendo a tiempo real, enfocados para obtener una simulación con la visualización de acciones automáticas durante condiciones de falla. Los modelos desarrollados pueden adquirir información en forma dinámica (voltaje y corriente) de un sistema de potencia virtual implementado. El voltaje y la corriente de fase se capturan como señales con forma de onda, y son accesibles para esquemas de protección integrados como modelos de software en software en un laso. Eso es, el uso de un código para representar algoritmos de relé a distancia y responder mientras la simulación en tiempo real tiene lugar. PALABRAS CLAVE Simulación en tiempo real, sistema de protección, prueba HIL, liberado de falla. ABSTRACT The article describes a variety of software models running in a real-time simulation platform, the focus is get a long time simulation with the visualization of automatic actions during a fault condition. The models developed can acquire dynamic information (voltage and current) from the virtual Power System implemented. The voltage and current three phase signals are captured as waveforms, and they are accessible to protection schemes integrated as software models into software in the loop process. It means the use of code for representing distance relays algorithms and responding while ongoing realtime simulation. KEYWORDS Real-time simulation, protection system, HIL test, fault clearance. INTRODUCTION Real-time simulators provide very useful data in the field of testing hardware, measurement units and protection systems. It would not only provide information in terms of optimal design and functionality of protection relays, also provide global information to develop Wide Area Monitoring Systems (WAMS) [1]. The WAMS is then essential data to execute remotely a logic designated to provoke automatic reconfiguration of the system topology. Anyway, each particular problem must be pre-evaluated in depth considering several transient scenarios. Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 � �Real time simulation with software relay models/ Carlos A. López, et al. In order to make use of long term simulations in a real-time platform, as first step, the user have to organize a multi-rate representation. Several factors are important to consider before getting a global model. Experts suggest organize by zones in order to manage for some elements equations with maximum detail and other treated as equivalent.2 The implementation is based in Matlab-Simulink® and RT- Lab® blocks prepared to manage a test power system. Those elements at remote areas would be a standard model for stability transient analysis. It will be noticed subsystems for representing generators, transformers, loads, etc. The simulation emphasizes in the use of waveforms passing through primary protection zone, and the transmission lines are planned as distributed parameter models without frequency dependence. An overview of OPAL-RT Simulator is presented in figure 1 and more information about it in.3 The event of fault clearance is present for less than one second. For that reason, the time of interest for testing software relays is in the order of 50 to 2000 ms. Within this period of time are detected the operation states showed in figure 2 and listed below: 1) Pre-fault condition, 2) Fault insertion, 3) Trip for one line terminal at closer substation, 4) Fault clearance at both terminals, 5) Breakers reclosing if it is possible, and 6) Stability response in post-fault condition. The purpose of this work is to simulate local intelligence taking action to complete automatically the fault clearance. The output signal for controlling the trip on breakers is with software in the loop process since acquire the voltage and currents signals, processing they inside the relay and its algorithms and produce the output signal to local breaker. Fig. 1. Overview of real-time simulator OPAL-RT®.4 � Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Real time simulation with software relay models/ Carlos A. López, et al. Fig. 2. Time scale with actions to fault clearance process in transmission lines. Original software models for protection relays and phasor measurement units (PMU’s) are programmed and tested within the real-time simulation platform, the last one with the goal to make long time registers. As mentioned above, the contribution is that the analyst does not program the different sequences, but only the beginning of the failure and its type. Technical challenges are presented in the process of adding the response action of the relay automatically by adding settings, given via software interface commands and prepare this interface to make acquisition data from analog signals in physical devices. The Section 2 shows the models implemented in OPAL-RT® platform, continuous and discrete models. In Section 3, the process to make the fault clearance process is explained previous to propose the test case that is presented in Section 4. The last part is the conclusions, Section 5. IMPLEMENTATION IN REAL-TIME PLATFORM Real-time simulation is a modern way for the design and improvement of electrical apparatus to Power Systems. With the evolution of computing technologies have appeared simulation tools to produce simultaneously slow and fast dynamics transient phenomena.5 Researchers beforehand complete the activity for a model validation and authentication of parameters. The enhanced models produce a formulation in the form: (1) (2) where A is a square matrix; x becomes the states, B is a matrix with parameters for altering u sources. Real-time platforms choose the trapezoidal rule as solver since it allows to engineers deal with different time steps according to zones of observation. By this manner a multi-rate simulation improve the exploitation of distributed parallel computing. Nowadays real-time platforms can provide amplified signals to feed directly protection relays with analog outputs. In this work has been programmed Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 � �Real time simulation with software relay models/ Carlos A. López, et al. all software models for representing the protection scheme and PMU’s as well a software models. Thus software in the loop (SIL) simulation is performed into an OPALRT® platform. In general this tool assigns: 1) One master computation subsystem block, 2) N number of slaves subsystems, and 3) One console subsystem as interface with user. In this work the center of attention is evaluate algorithms representing SIL process and the sceneries to use real signals for voltage and current and interact with physical breaker in a HIL simulation. By one hand are acting those enhanced models of Power System. While simulation is running, the topology suffers a modification by order of virtual relays programmed with the intention to create the signal for controlling breaker. Figure 3 is presented to make understandable the strategy to manage oriented objects in Matlab-Simulink® environment. The test system is separated as hierarchical subsystems as mentioned before with one master and some slaves. These are declared with relationship to an interior time step (∆T 1, ∆T 2, ∆T 3, ∆T 4 and ∆T 5). Slave system to group generators Evidently synchronous machines have a dynamic response slower in comparison with those for transformers and transmission lines. Thus based on this feature, it is organized slaves to manage zones A and C grouping generator models. The model includes a local control for each generator, figure 4 shows the implementation, by this manner the simulation can be extended with duration for several seconds. All required parameters are given by user through Simulink libraries.6 Line models on remote zones In order to optimize cycle time, slaves are prepared to concentrate models for remote areas. Perceive that a normal grid is with several interconnections, however Fig. 3. Software separation for implementation in real-time platform. 10 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Real time simulation with software relay models/ Carlos A. López, et al. Fig. 4. Simulink model of synchronous machines. some lines are where protection scheme do not respond. Since protection scheme programmed is based on distance relay logic, it still responds to faults over the adjacent transmission line, thus beyond that position it is a common practice to use a Π model for representing the transmission lines. In other way, models as universal line model (ULM) in which it has distributed parameters and it can even analyze the frequency dependency between the same parameters. For this case a model is used of aerial line only of distributed parameters without including the detail of the frequency, taking as a base the formulation of aerial lines for electromagnetic transient simulations,7 where: (3) (4) where the convolution denoted by ⊗ can be expressed by: (5) Protection relay scheme Become aware the need to declare a protection zone D, where relay should take action demand distributed parameter models for transmission lines. This zone considers an internal fault, so main transmission line in study is divided in two segments in order to insert a fault.8 The fault model is with a value given by the user as a resistance. Internally this slave (zone D) will be propagating waveforms with bandwidth by the order of 20 kHz, thus the internal time step is 50 µs. In figure 3 is noticeable arrow connections among slaves. It is presented a relationship between the zone D and discrete devices. The simulated signals pass through current transducer models considering saturation. By this manner we add distinctive noise in the input of relay models. The protection relay is the decision device; this decision is made by a logic process in three steps: fault distance (FD), zone discrimination (ZD) and fault classification (FC). Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 11 �Real time simulation with software relay models/ Carlos A. López, et al. Figure 4 shows the scheme or distance relay implemented. If these three algorithms find a fault condition in the protected element then the trip signal is sent to a CB, this device is the actuator that can perform the opening and/or reclosing. The detail in distance relay algorithms can be reviewed in.8 Digital filter and phasor calculation inside the protection relay A sinusoidal waveform can be characterized by a complex number know as phasor. Consider a pure sinusoidal signal given by: (6) The phasor illustration of (6) is set as: (7) Note that the signal frequency (ω) is not explicitly stated in the phasor representation. The magnitude of the phasor is the rms value and its phase is ϕ. This representation implies that the signal remains stationary at all times, the magnitude, frequency and phase do not change. The most common technique for determining the phasor of an input signal is to use data samples taken from the waveform and apply the discrete Fourier transform (DFT) or the fast Fourier transform (FFT), since sampled data are used to represent the input signal, it is essential that antialiasing filters be applied.7 If xk, k = 0, 1, . . . , N −1 are the N samples of the input signal taken over one period of the waveform input signal, and the phasor is given by (8) the peak value of the fundamental frecuency thus obtained is then convert to rms value by dividing by . The phase angle of the phasor is the angle between the time when the first sample is taken and the peak of the input but nonharmonic components and any other noise leads an error in estimation of the phasor, this error of estimation due to these effects has been discussed in the literature. Figure 5 represents the interconnection between current and voltage transducer (CT and VT, respectively) with the transmission line, bus and protection relay, in this case the output of relay go to the breaker (52, ANSI nomenclature). Synchrophasor The term synchrophasor is used to describe a phasor which has been estimated at a specific instant time known as time tag. In order to obtain simultaneous measurements in a Wide Area of power system, it is necessary to synchronize these time tags.10 The synchronization is achieved by using a sampling clock signal provided by a GPS receiver. The connection diagram to have a PMU is similar to figure 5 to protection relay; the difference is that PMU have an extra input with the GPS data and the output go thought optical fiber channel until the concentrator in a Electrical 12 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Real time simulation with software relay models/ Carlos A. López, et al. Fig. 5. Structural diagram block connection diagram of PMU. Control Center or someplace like that. The phasor data concentrator (PDC) receives and time-synchronizes phasor data from multiple PMUs to produce a real-time, time-aligned output data stream. APDC can exchange phasor data with PDCs at other locations. Through use of multiple PDCs, multiple lavers of concentration can be implemented within an individual synchrophasor data system.11 Implementation of PMUs The implementation is performing in OPAL-RT® platform with the RTLabv11.05® and Matlab®. The implementation consist in a FAA filter, this is emulate as a Butterworth function of Fifth order with a 480 Hz as a cutting frequency. The A/D converter is used to transfer the analog signal to digital samples, it uses a sampler with the capacity of 64 samples by cycle of fundamental frequency of input signal, in this case 60 Hz. The digital filter is used to remove all the harmonic component over the fundamental frequency, after it, the phasor is calculated as was show in the section before in this article. The Peak determination block is used to identify the peak of the input signal and recorded the tag time in this moment. The tag time in this case is getting by the Microsoft Windows® clock, which is synchronized through the internet to global time. The output of data in the common format that is presented in the IEEE C37.118.1-2011 Standard.10 In this case the output is showed as a display but it will be send by a fiber optic communication channel to its assigned PDC. Fault clearance process by protection relays in real-time simulation platform The protection system has the responsibility of detecting, classifying, locating and isolating faults in any element of power system; in this case the transmission line is the device to protect. The protection systems consist in three devices: transductors for voltage and current measurements (TP and TC), protection relays and circuit breakers (CB). As Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 13 �Real time simulation with software relay models/ Carlos A. López, et al. primary protection 1 (PP1) one distance relay at each end of the line is installed, without the communication channel between these two relays. In figure 6, the arrangement that is applied for the tests where the voltage meter and the current that feed the distance relays are presented, the relay emits the error signal to the switch which has the capacity to realize monopolar openings, finally a single-phase fault, 50% of the line and the transient character. The protection relay is the device in charge of performing the conversion process from analog signal of the transducers to digital signals in phasor format, can also deliver synchrophasor if the relay is added to the input of a GPS. The distance relay implemented has a decision time of 1.5 cycles and the CB of 5 cycles to perform the opening, the time is considering conditions of the fundamental frequency in 60 Hz for the tested case. Fig. 6. Scheme of primary protection system in the transmission line. Figure 7 shows the diagram for the real-time simulation platform implementation of the test case. In the master system, the generators, some transmission lines, circuit breakers; in one slave subsystem exits loads, transmission lines, buses and measurements are included; the second slave subsystem processed of signals measured for protection purposes in the distance relay and for synchrophasor recording and analyzing within the PDC, the distance relay has the ability to send signal to open the switches in case of failure. The Console subsystem is used as a monitoring space for raw and/or processed signals from the various nodes. The detail in the subsystem separation for any implementation in real-time platform OPAL-RT® can be consulted in.4 Test case To show the raised tools and the solutions obtained is proposed to use as a test system the Kundur model which is presented in figure 8. It is proposed to perform a single-phase ground fault in phase A between bus 1 and bus 2 in the double circuit that joins the two generation areas. The fault is located at 49% of the line from B1 to B2, the fault resistance is 10 Ω. The protection system consists of two distance relays, each at one terminal of the transmission line, a circuit breaker is associated with each relay and it has the ability to perform single-pole openings. 14 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Real time simulation with software relay models/ Carlos A. López, et al. Fig. 7. Scheme of RT- implementation by subsystems. Fig. 8. Kundur System implemented as test case. The registers are of magnitudes voltages and currents coming from PMUs, also the registers of phase sinusoidal signals of both voltages and currents are included; all measurements are seen from the bus 1. The PMU implemented has the ability to transmit voltages and currents in phase components as magnitude and phase, in this case only the magnitudes are shown from the bus 1. The PMU implemented has the ability to transmit voltages and currents in phase components as magnitude and phase, in this case only the magnitudes are shown. Figure 9 represents the magnitude of voltages in phase components, the register begin before the insertion the fault and stop three seconds after the CB finish their own operations. In the same way figure 10 displays the magnitude current phasor in ABC components; all those are digital values processed inside the PMU and delivered to a cup of 30 samples per second and for a better appreciation we proceeded to present in a graphical format instead of tabular. Figure 11 and figure 12 are the voltages and currents as sinusoidal signals before the signal processing as syncrophasor, in these signals is not possible in a clear form recognize the changes occurring in the magnitudes during the captured record, specifically in the voltage register. Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 15 �Real time simulation with software relay models/ Carlos A. López, et al. Fig. 9. Three phasor voltage signals. Fig. 10. Three phasor currents signals. Fig. 11. Three phase voltage signal in time. 16 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Real time simulation with software relay models/ Carlos A. López, et al. Fig. 12. Three phase current signal in time. CONCLUSION In this article is presented the process performed for fault clearance in a realtime Simulation platform; the work presents long-term records for voltage and current processing signals. The fault identification and the output opening or reclosing of breakers are due to the implementation of distance relays with the ability to respond when contingencies scenarios occurs in its primary protection zone. In this work has been obtained records of voltage and current signals by processing data in synchrophasor format, following the protocol presented by the IEEE Standard. The register is made in abc phase components instead of being only positive sequence; this is for voltage and current signals. Taking advantage of the recording capacity of the OPAL-RT® simulation platform, the sinusoidal voltage and current signals were stored and these are presented. In addition the acquisition system to protection relays and PMU has the ability to receive not only virtual signals from simulation, also with enable the analog channels in the real-time simulator can receive analog signals and processing them in the same form that the virtual. ACKNOWLEDGMENT Authors want to thank the National Science Foundation of Mexico (CONACYT) for the support of this project. REFERENCES 1. V. Terzija, G. Valverde, D. Cai, P. Regulski, V. Madani, J. Fitch, S. Skok, M. M. Begovic and A. Phadke, “Wide-Area Monitoring, Protection, and Control of Future Electric Power Networks ”, Proceedings of the IEEE, vol. 99, no. 1, pp. 80–93, 2011. 2. IEEE PES Task Force on Real-Time Simulation of Power and Enerdy Systems, “Applications of Real-Time Simulation Technologies in Power and Energy Systems”, IEEE Power and Enerdy Technology System Journal, vol. 2, no. 3, pp. 103-115, Sep. 2015. Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 17 �Real time simulation with software relay models/ Carlos A. López, et al. 3. [Online] http://www.opal-rt.com/system-emegasim/ 4. [Online] http://www.opal-rt.com/simulation-systems-overview/ 5. H.T. Su, K. W. Chan, L. A. Snider, T. S. Chung, and D. Z. Fang, “Recent Advancements in Electromagnetic and Electromechanical Gybrid Simulation” Proceedings of the 2004, Singapore, Nov. 2004. 6. [Online] https//www.mathworks.com/help/physmod/sps/motors-andgenerators-html?s_tid=gn_loc_drop 7. J. G. Proakis, D. G. Manolakis, Digital Signal Processing, 4th ed., Pearson Prentice Hall. 18 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Adaptive autoreclosaure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers Jörg BlumscheinA, Yilmaz YelginA, Andrea LudwigB A B Siemens AG, Energy Management Division, Munich, Germany 50Hertz Transmission GmbH, Berlin, Germany RESUMEN El recierre automático es un elemento clave en el concepto de rejillas autosanadas. Según las estadísticas, una gran cantidad de fallas de transmisión y distribución son fallas temporales, las cuales desaparecen cierto tiempo después de la desenergización de las secciones de la red falladas. El recierre automático se utiliza para recuperar el estado original de la red sin intervención humana, y puede ser hecha en tres polos o en uno solo. En este artículo se describe la aproximación utilizada en Alemania, Polonia y Austria para liberar distintas fallas de fase a fase sin tierra, mediante el autocierre de un solo polo. En este caso se pueden llevar a cabo mediciones de voltaje durante el tiempo muerto del polo para determinar si el recierre fue exitoso. PALABRAS CLAVES Autocierre automático, autocierre de un solo polo, estabilidad de sistemas. ABSTRACT Automatic reclosure is a key element in the concept of self-healing grids. According to statistics, a large amount of faults in transmission and distribution networks are temporary faults. These faults disappear a certain time after deenergization of the faulted sections of the network. Automatic reclosure is used to recover the original status of the network without any human interaction. Automatic reclosure can be done as a three pole autoreclosure or a single pole autoreclosure. This paper describes an approach used in Germany, Poland and Austria to clear such phase to phase faults without ground by the means of a single pole autoreclosure. Also in this case voltage measurements during the single pole dead time can predict whether or not a reclosure will be successful. KEYWORDS Automatic reclosure, single pole autoreclosure, system stability. INTRODUCTION According to statistics, 80 to 85 percent of faults at transmission and distribution lines are temporary faults. Lightning is the most usual case for temporary faults but there are other reasons too. Swinging conductors contacting Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 19 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. each other caused by strong wind or shedding of ice can cause temporary phase to phase faults. Other well known reasons for temporary faults are related to bird streamers or vegetation reaching too close to the conductors due to lack of maintenance. These faults disappear a certain time after de-energization of the faulted sections of the network. Automatic reclosure is used to recover the original status of the network very fast and without any human interaction. Figure 1 is used to explain the basic principle of autoreclosure. A typical transmission line is connecting two parts of a network which are connected to the busses A and B. In figure 1a fault on the line is detected by the relays at both ends of the line measuring the currents I A and IB and the voltages U A and UB. As soon as the relays A and B detect that the fault is on the protected line they will send a trip command to open the associated circuit breaker CB like shown in figure 1b. At this time the automatic reclosing functions integrated in the relays A and B start the dead time of the autoreclosure. During this dead time the fault has the chance to extinguish. After the dead time is expired, the automatic reclosure function sends a close command to the associated circuit breaker. For transient faults a successful reclosure is mostly obtained with the first reclose cycle like shown in figure 1c. If the fault still persist the protective relays A and B will detect this and send a trip command again. A tree branch falling on a line for instance may need a second reclose cycle to burn up by the arc when the line is re-energized. For permanent faults caused by a broken conductor, the collapse of a line tower, trees falling onto a line or faults in cables a reclosure is not able to clear the fault. Therefore it is important to detect this condition and send a final trip to the circuit breaker. Based on experiences the most utilities apply automatic reclosure with one reclose cycle only. This is because the increasing chance to get a successful autoreclosure does not justify the stress to circuit breakers and system due to additional close-open cycles under full fault current in case of permanent faults. Autoreclosure can be distinguished as three pole autoreclosure or single pole autoreclosure like shown in figure 2. For three phase faults or phase to phase faults with ground all three phases must be isolated to clear the fault. For single phase to ground faults which are the great majority of faults in the transmission and distribution systems a single pole autoreclosure is sufficient to clear the fault. In Section 2 a scheme is described to use single pole tripping and autoreclosure also in case of phase to phase faults without ground like shown in figure 2. Today many utilities use single pole autoreclosure. Single pole autoreclosure has the following advantages compared to three pole autoreclosure: • Transport of energy possible during the dead time via the two remaining wires. • No synchronization needed before reclosing. • Enhanced system stability and reliability. In general the goal of the autoreclosure is to restore the line to service as quickly as possible. This goal has to be balanced with the negative effects of closing onto a fault which produces a lot of stress to the circuit breaker and the 20 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. electrical sytem. In Section 2 a scheme is explained how to prevent the closing of the second circuit breaker if the closing of the first circuit breaker was not successful. This scheme can help to reduce the negative impact that failed autoreclosure attempts have on the system. A scheme called “autoreclosure with adaptive dead time” is possible for three pole autoreclosure as well as for single pole autoreclosure like shown in figure 2. Section 3 will explain methods to improve single pole autoreclosure for single phase to ground faults by detecting whether or not a reclosure will be successful by means of secondary arc detection. Section 4 will explain the single pole autoreclosure scheme for phase to phase faults without ground and methods to detect whether or not the reclosure will be successful in this case. AUTORECLOSURE WITH AN ADAPTIVE DEAD TIME Autoreclosure with an adaptive dead time is a typical autoreclosing scheme for transmission lines also known as “leader follower autoreclosing scheme” 1. In this scheme the leader is defined as the line terminal that autorecloses first after a fixed dead time. The follower is the line terminal that recloses second and only if the reclosing of the leader was successful. In this scheme the leader is used to verify whether or not the fault is extinguished during the dead time of the autoreclosure. If the fault still persists the leader will open the associated circuit breaker again. In this case the follower does not attempt the autoreclosure which has the great advantage of reducing unnecessary stress to the circuit breaker at the follower end of the line. Figure 3 explains the behavior of the scheme in case of an unsuccessful autoreclosure. In figure 3a a fault condition is shown on a line protected by the relays called L (leader) and F (follower). Both relays detect the fault on the protected line and open the line by means of the associated circuit breakers shown in figure 3b. After the fixed dead time is expired only the leader recloses the breaker to verify Fig. 1. Basic principle of autoreclosure. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 21 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. Fig. 2. Autoreclosure schemes for different types of fault. whether or not the fault still persists. If the fault still persists like shown in figure 3c, the leader opens the circuit breaker to start another autoreclose cycle or send a final trip like shown in figure 3d. Figure 4 explains the same scenario for a successful autoreclosure. Different to figure 3c is that the fault does not persist after reclosing of the leader side shown in figure 4c. If there is a communication channel between the relays at both ends of the line the leader can send a “remote close command” to close the circuit breaker associated to the follower at the remote end of the line as shown in figure 4d. 2 Another solution for an autoreclosure with adaptive dead time without communication channel is explained in figure 5. A fault occurs at a transmission line like shown in figure 5a. Both relays detect the fault and open the associated circuit breaker like shown in figure 5b. Autoreclosure with fixed dead time is started at the leaders end only. After the fixed dead time is expired the leader closes the associated circuit breaker as shown in figure 5c. If the fault does not persist anymore the follower will detect a healthy voltage which indicates that the line was successfully re-energized from the remote end. Consequentially the autoreclose function in the follower device can close the circuit breaker like shown in figure 5d. This kind of adaptive autoreclosure requires that: • The voltage transformers are located on the line side of the circuit breaker at the follower end like shown in figure 5, • The leaders end of the line is strong enough to maintain a healthy voltage after reclosure. At 50 Hertz transmission the follower releases the close command if a voltage greater than 70% of nominal voltage is measured for more than 300 ms. SECONDARY ARC DETECTION A successful autoreclosure requires a dead time which exceeds the de-ionizing time, the time needed for the fault to extinguish. This time required for the deionizing of the fault path depends on several factors including: • Arcing time (fault duration). 22 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. • • • • Fault current. Weather conditions like wind, air humidity and air pressure. Circuit voltage. Capacitive coupling to adjacent conductors. In general the circuit voltage is the predominating factor influencing the deionizing time. For single pole autoreclosure there is another effect which has a significant influence to the success of the autoreclosure. The primary arc current is interrupted by disconnecting the faulted phase from the sources by opening the circuit breakers at both ends of the line. After this a secondary arc can prevent the fault clearance. During the single pole dead time capacitive and inductive coupling from the other two phases induces a voltage into the open phase conductor which Fig. 3. Unsuccessful autoreclosure. Fig. 4. Successful autoreclosure using a remote close command. feeds the secondary arc like shown in figure 6. The success of a single pole autoreclosure depends on the extinction of this secondary arc. On transmission and distribution lines the coupling between the two remaining phases and the open phase can be sufficient to maintain the secondary arc in the ionized air of the primary arc path. Depending on the above mentioned influencing factors like fault duration, fault current, atmospheric conditions and constructive parameters of the line the secondary arc may take longer to extinguish. In worst case the secondary arc does not extinguish at all during a single pole autoreclosure and reclosing in the presence of the secondary arc will only re-energize the fault. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 23 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. There are several methods to detect the presence of the secondary arc. All these methods are based on the simplified equivalent circuit shown in figure 7. The secondary arc is an arc between the open phase and ground which is fed by the two healthy phases via capacitive coupling. The voltage UM , measured at the disconnected phase is characterized by the ohmic nonlinear behavior of the secondary arc. If the secondary arc is extinguished the equivalent circuit is changing to a different model like shown in figure 8. The voltage UM , measured at the disconnected phase after extinguishing of the secondary arc is characterized by the linear capacitive behavior of the phase to ground capacitance of the open conductor. Fig. 5. Successful autoreclosure using line side voltage measurement. Figure 9 shows the current and voltage for a successful autoreclosure after a single phase fault on a transmission line. After tripping the line we can see that the fault current disappears. At the same time the voltage starts the typical nonlinear behavior of arcing. At a certain time the secondary arc extinguishes and the voltage is changing to a linear capacitive behavior. Finally voltage and current goes back to normal conditions after successful reclosing. Figure 10 however shows a case where the secondary arc does not extinguish during the single pole dead time. After reclosure the fault still persists which leads to a final trip of the protection. In 3 a method is described to detect the presence of the secondary arc using the relation between the fundamental com- ponent and the harmonics of the phase to ground voltage of the open phase. Figure 11 shows the harmonic content of the open phase voltage during the presence of the secondary arc on a 400 kV transmission line. Due to the nonlinear characteristic of the secondary arc there is a huge portion of 3rd, 5th and 7th harmonic. After the secondary arc is extinguished the voltage is rising up to 42 kV but without any harmonics like shown in figure 12. In 4 a method is described detecting the secondary arc based on the angle of the open phase voltage in relation to the other phase to ground voltages. Figure 13 shows the phasor diagram of the phase to ground voltages during the presence of the secondary arc for the same fault record of a 400 kV transmission line. Due to the ohmic characteristic of the secondary arc the voltage of the open phase lags the voltage phasor of the pre-fault voltage by 90°. After the secondary arc 24 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. is extinguished the voltage phasor is rising in magnitude and is located between the two healthy voltage phasors like shown in figure 14. Another method is given in 5 which detect the extinguishing of the secondary arc by evaluating the amplitude of the third harmonic component of the zero sequence voltage. All three methods were applied to a set of 46 fault records captured by real events from the transmission system of 50Hertz. At this time 50Hertz Transmission was using adaptive autoreclosure with a fixed dead time of 1.2 s for the leader for single phase faults. According to figure 15 the secondary arc was already extinguished after 0.2 s in many cases. Only in 3 cases the secondary arc needed 0.8 s to extinguish. By using adaptive autoreclosure with secondary arc detection the fixed dead time of 1.2 s for the leader could be reduced significantly in most cases. Fig. 6. Capacitive and inductive coupling between the three phases of a transmission line. There are other cases where the secondary arc does not extinguish even after 1.2 s. But secondary arc detection is also important for these cases. As soon as it is clear that a secondary arc and not a permanent fault was the reason for the unsuccessful reclosure, a manual closing of the line is permitted without a time consuming line patrol in advance. SINGLE POLE TRIPPING FOR PHASE TO PHASE FAULTS WITHOUT GROUND Under extreme weather conditions line swinging can cause an increasing number of phase to phase faults. These faults are mostly flash-arcs between two wires of a transmission or distribution line. Figure 16 shows a simplified equivalent circuit for such kind of faults. In 6 a scheme was protected by patent to clear phase to phase faults without ground by means of a single pole autoreclosure. It is obvious like shown in figure 17 that a single pole trip will clear a temporary phase to phase fault in most cases. In such schemes there are two options for single pole tripping in case of phase to phase faults without ground: trip leading phase or trip lagging phase. It must be ensured that all protective relays in a given network use the same phase preference for single pole trip in case of phase to phase faults. This scheme is successfully applied in Germany, Poland and Austria for many years to take the advantages of single pole autoreclosure also for phase to phase faults without ground. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 25 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. Figure 18 shows a fault record for a successful single pole autoreclosure for a phase to phase fault on the 220 kV system in Germany. After tripping of phase C the fault current in phase A and phase C disappears at the local end. Approximately 300 ms later also the voltage UC goes down indicating the isolation of the fault. Finally a successful reclosure brought the system back to normal conditions. According to 6 a successful isolation of the arc between the two faulted phases is given if the phase to ground voltage of the tripped phase is measured to be below a certain value for a given time like shown in figure 18. Figure 19 shows an unsuccessful single pole autoreclosure of phase C for a fault between phase A and phase C. Different to figure 18 the phase to ground voltage of the tripped phase C does not fall below a certain value for a given time. Detecting this condition an unsuccessful autoreclosure could be prevented in the future. Here also voltage measurements during the single pole dead time can predict whether or not a reclosure will be successful. Fig. 7. Simplified equivalent circuit of secondary arc, fed by capacitive coupling from the two healthy phases. Fig. 8. Simplified equivalent circuit after secondary arc is extinguished. 26 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. Fig. 9. Secondary arc extinguishing during single pole dead time. Fig. 10. Secondary arc not extinguishing during single pole dead time. Fig. 11. Harmonic content of voltage during the presence of the secondary arc. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 27 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. Fig. 12. Harmonic content of voltage after secondary arc is extinguished. Fig. 13. Phasor diagram of voltages during the presence of the secondary arc. Fig. 14. Phasor diagram of voltages after the secondary arc was extinguished. 28 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. Fig. 15. Time needed for the secondary arc to extinguish during the single pole dead time. Fig. 16. Simplified equivalent circuit for a phase to phase arcing fault without ground. Fig. 17. Simplified equivalent circuit for a single pole trip for a phase to phase fault without ground Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 29 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. Fig. 18. Fault record of successful single pole autoreclosure for a phase to phase fault. Fig. 19. Fault record of unsuccessful single pole autoreclosure for a phase to phase fault. CONCLUSION It was shown that using adaptive autoreclosure the system stability can be increased by adaptively shorten the dead time of the autoreclosure and prevent unnecessary reclosing onto faults. Several different methods were explained how to use voltage measurement during the single pole dead time to reduce unnecessary stress to the circuit breaker by reclosing onto faults. 30 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Adaptive autoreclosure to increase system stability and reduce stress to circuit breakers/ Jörg Blumschein, et al. REFERENCES 1. “IEEE Guide for Automatic Reclosing of Circuit Breakers for AC Distribution and Transmission Lines,” IEEE Std C37.104-2012 (Revision of IEEE Std C37.104-2002), pp. 1–72, 2012. 2. “SIPROTEC 5, Distance and Line Differential Protection, Breaker Management for 1-Pole and 3-Pole Tripping,” Siemens AG, Tech. Rep., 2015. 3. R. Luxenburger, P. Schegner, and A. 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Acosta Montalvo, Héctor Esponda Hernández, Manuel A. Andrade Soto, Ernesto Vázquez Martínez Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME, Doctorado en Ingeniería Eléctrica martha.acostamnt@uanl.edu.mx RESUMEN En este artículo se presenta el cálculo de un umbral que discrimina entre la corriente de energización y una falla interna en un transformador de potencia. Se forma una matriz que contiene las corrientes diferenciales de una señal de referencia y se obtienen los eigenvalores máximos, estos son utilizados para el cálculo del umbral. A partir de la matriz de corrientes diferenciales que contiene la señal de falla, se obtiene el eigenvalor dominante y se compara con el umbral, si la magnitud del eigenvalor dominante es menor al umbral se tiene una energización, de lo contrario se tiene una falla interna. PALABRAS CLAVE Umbral, eigenvalores, corriente inrush, transformador, protección diferencial. ABSTRACT This paper describes a threshold which discriminates between inrush current and internal fault in a power transformer. A matrix, which contains differential currents of a reference signal, is formed. The maximum eigenvalues of the matrix are obtained; these are used to calculate the threshold. The dominant eigenvalue is obtained from a matrix which contains differential currents of a fault signal; dominant eigenvalue is used for comparison with the threshold. If the magnitude of the eigenvalue is less than the threshold then it is an inrush current, otherwise it is an internal fault. KEYWORDS Threshold, eigenvalue, inrush current, transformer, differential protection. INTRODUCCIÓN El transformador es un dispositivo fundamental para la operación del sistema eléctrico de potencia. Cuando ocurre la energización del transformador, los dispositivos de protección pueden operar de forma incorrecta debido a la corriente inrush,1 la cual solo es detectada por los TCs de lado primario y esta es interpretada como una falla. 32 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Umbral para discriminar entre corriente inrush y falla interna.../ Martha N. Acosta Montalvo, et al. La correcta discriminación entre la corriente inrush y una falla interna supone un reto para la operación correcta de los dispositivos de protección. A lo largo del tiempo, se han propuesto diferentes métodos para dar solución a dicho problema, los cuales se pueden clasificar en tres grupos. El primer grupo emplea el contenido armónico de la corriente diferencial para bloquear la protección en escenarios de energización del transformador, conexión y desconexión.2-3 El segundo grupo utiliza el reconocimiento de la forma de onda de la corriente diferencial.4-5 El tercer grupo usa las señales de corriente y tensión como entradas.6-7 Algunos métodos basados en el reconocimiento de la forma de onda han propuesto diversos algoritmos, en los cuales la discriminación de la corriente inrush y una falla interna se realiza mediante un umbral. Mediante el análisis modal, en8 se establece que para eventos de corriente inrush, el eigenvalor dominante no supera un umbral de 0.4, mientras que para una falla interna el eigenvalor dominante es mayor al umbral. En,4 se calcula el factor de singularidad de la forma de onda (WSF) el cual obtiene la diferencia entre la forma de onda de la corriente y una forma de onda sinusoidal, cuando ocurre una falla la forma de onda de la corriente es aproximadamente una sinusoidal y WSF tiene valores muy cercanos a cero, cuando se tiene una corriente inrush WSF tendrá un valor elevado. Si WSF > 1 se tiene una corriente inrush, de lo contrario se tiene una falla interna.9 Propone el algoritmo de correlación mejorado, en el cual la corriente durante un ciclo es reorganizada como una nueva medición. Las corrientes de falla se distinguen de la corriente inrush si el coeficiente de correlación mejorado entre el primer medio ciclo y el medio ciclo restante es mayor a un umbral. El umbral es determinado con base en el límite de corriente inrush. En,10 se estructuran dos tipos de formas de onda sinusoidales normales de acuerdo con el valor y la posición del punto máximo de corriente en la zona de no saturación. Se calculan coeficientes de correlación (CC) entre la forma de onda original y dos formas de onda sinusoidales estructuradas. En base al CC se crean dos criterios, los cuales son comparados con un umbral propuesto de 0.8; si CC > 0.8 se tiene una corriente inrush, de lo contrario se tiene una falla interna. En 11 se calcula la función de auto-correlación (ACF) para las corrientes diferenciales, y después se calcula la desviación estándar de la ACF. Se define un criterio; el cual consiste en la diferencia entre el máximo y el mínimo de la desviación estándar de cada fase. Este resultado se compara con un umbral de 0.057; si el criterio es mayor al umbral, se tiene una corriente inrush, de lo contrario se trata de una falla interna. En este artículo, se propone el cálculo de un umbral para la correcta discriminación de la corriente inrush y una falla interna en el transformador con base en el análisis de eigenvalores. A partir de señales de referencia, las cuales contienen información de la energización del transformador, se obtiene el máximo pico de corriente inrush. A la matriz que contiene las corrientes diferenciales se le aplica un filtro delta para remover la componente de estado estable y se normaliza. De esta matriz, se obtiene una matriz simétrica, de la cual se calcula el eigenvalor mayor, el cual es utilizado para el cálculo del umbral. Durante la operación del algoritmo, a partir de las señales que se están midiendo, se obtiene el eigenvalor dominante y la magnitud de éste es comparada con el umbral calculado anteriormente. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 33 �Umbral para discriminar entre corriente inrush y falla interna.../ Martha N. Acosta Montalvo, et al. PRE-PROCESAMIENTO DE LAS SEÑALES Se realiza un pre-procesamiento de las señales de corriente diferenciales, el cual consiste en la aplicación de un filtro delta con el objetivo de remover el estado estable de la señal. Debido a que la corriente inrush puede alcanzar magnitudes mayores a las de la corriente de falla, las corrientes diferenciales se normalizan con respecto al valor absoluto de la corriente diferencial máxima.8 Algoritmo QR A k puede ser descompuesta en el producto de una matriz unitaria Q k y una matriz triangular superior R k , la cual es obtenida de la multiplicación H H de Q k A k dónde Q k = Q k . Ak +1 es formada por la multiplicación de R k Q k Una matriz [12]. Entonces: A1 = A (1) Ak = Qk R k (2) A k +1 = Q kH A k Q k = R k Q k (3) para k=1,2, …. La ecuación (3) se puede escribir como una transformación de similaridad: A k +1 = Q Hk Q Hk −1  Q1H AQ1  Q k −1Q k (4) La matriz A k tiende a una matriz triangular superior cuando k → ∞ y los elementos contenidos en la diagonal son los eigenvalores de A . Umbral Los eigenvalores de una matriz A∈ℝn×n simétrica son reales y no negativos denotados por ,y los eigenvectores derechos correspondientes u1 , u2 , , un son ortogonales.13 (5) Si se tienen una matriz B∈ℝ n×m , (5) se puede reescribir como (6) donde ⋅ denota la norma 2 y B T B da como resultado una matriz simétrica de n×n . Aplicando la raíz cuadrada en ambos lados de (6) (7) A partir de (7) se establece que para cada eigenvalor no nulo de la matriz generada por B T B se tiene un valor σ: (8) 34 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Umbral para discriminar entre corriente inrush y falla interna.../ Martha N. Acosta Montalvo, et al. el cual cumple con lo siguiente (9) (10) A partir de (10), se observa que σmax y σmin proporcionan un rango de las magnitudes que pueden tomar los eigenvalores de la matriz y (10) puede ser utilizado para establecer límites en la magnitud en los eigenvalores del sistema para ciertas condiciones de operación. Establecer el límite máximo de magnitud que pueden tomar los eigenvalores de una señal sin falla sirve como referencia para identificar disturbios en la zona de protección del transformador de potencia. Dicho lo anterior, se plantea el cálculo de un umbral que permita discriminar entre la corriente inrush y una falla interna. Se tiene una matriz AR que contiene las corrientes diferenciales de una señal de referencia. Mediante el algoritmo QR se obtiene los eigenvalores de AR , denotados por y mediante (9) se obtiene σmax1, σmax2, ...σmaxk. Una vez obtenidos los límites máximos de magnitud se calcula el umbral (11) donde k representa el número de σmax obtenidos a lo largo de la señal de referencia. Señal de Referencia En14 se determina que para una energización en 0º, la magnitud de la corriente inrush es la máxima, mientras que al energizar en 90º se obtiene la mínima magnitud de la corriente inrush. En15 se evaluó el impacto que tiene la impedancia de la fuente en la magnitud de la corriente inrush y se determinó que, ésta es muy sensible a la impedancia de la fuente, mientras la impedancia de la fuente sea menor el pico de la corriente inrush será mayor. La relación X/R de la fuente no afecta la magnitud de la corriente inrush. La señal de referencia debe contener el transitorio generado por la corriente inrush. Se considera la máxima corriente inrush esperada para el transformador de potencia con el fin de obtener un umbral que cumpla con la condición de discriminar entre la corriente inrush y una falla interna. Para obtener el máximo pico de corriente inrush, el ángulo de energización del transformador fue de 0º y la impedancia de la fuente es muy pequeña. Criterio de discriminación De (5) se observa que el eigenvalor mide la razón de cambio de la magnitud de sus eigenvectores asociados. Debido a esto se determina que la magnitud del eigenvalor dominante λd proporciona la mayor información de las variables de estado de la forma en la respuesta transitoria de onda.8 El eigenvalor dominante es el utilizado para el análisis del sistema. Se tiene una matriz que contiene las corrientes diferenciales de una señal que se está monitoreando. De esta matriz, se obtiene una matriz simétrica, de la cual se Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 35 �Umbral para discriminar entre corriente inrush y falla interna.../ Martha N. Acosta Montalvo, et al. obtiene el eigenvalor dominante mediante el algoritmo QR, y este eigenvalor dominante es comparado con el umbral calculado en (11). Para una condición de falla dentro de la zona de protección del transformador (falla interna) la magnitud del eigenvalor dominante es mayor al umbral. En cambio, para condiciones del sistema diferentes a una falla la magnitud del eigenvalor dominante es menor al umbral: λd > umbral (12) λd < umbral (13) Sistema de prueba El sistema de prueba utilizado para la evaluación del umbral se muestra en la figura 1, el cual se compone de un transformador de potencia conexión deltaestrella aterrizada, equivalente Thévenin en ambos lados del transformador; una línea de transmisión modelo π y una carga en el lado secundario del transformador; el sistema opera a 60 Hz. Los parámetros del sistema son obtenidos de,8 en la tabla I se describen los parámetros de los generadores y la carga; en la tabla II se describen los parámetros de la línea de transmisión y en la tabla III se describen los parámetros del transformador de potencia. Fig.1. Sistema de prueba. Tabla. I. Parámetros de los generadores y carga. Parámetro Unidad G1 G2 Carga Tensión línea-línea kV 115 13.8 13.8 Frecuencia Hz 60 60 60 MVA 90 3 80.06 Resistencia serie Ω 15 10 -- Resistencia paralelo Ω 1 1 -- Inductancias paralelo H 0.1 0.046 -- Grados 0 20 25.925 Potencia Ángulo Tabla. II. Parámetros del transformador de potencia. Parámetros Unidad Transformador trifásico de dos devanados Tensión en devanado kV 115/13.8 Frecuencia Hz 60 Potencia MVA 100 Conexión -- ∆ − Y aterrizado 36 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Umbral para discriminar entre corriente inrush y falla interna.../ Martha N. Acosta Montalvo, et al. Las simulaciones se realizaron a una razón de 64 muestras por ciclo lo cual equivale a una frecuencia de muestreo f s = 7.68 kHz. Tabla. III. Parámetros de la línea de transmisión. Parámetros Unidad Resistencia secuencia positiva Línea de Transmisión Ω Resistencia secuencia cero Ω Inductancia secuencia positiva H Inductancia secuencia cero H Capacitancia secuencia positiva F Capacitancia secuencia cero F Longitud 0.01273 km 0.3864 km 09337e-3 km 4.1264e-3 km 1274e-9 km 7.751e-9 km km 90 En la tabla IV se describen los parámetros de los transformadores de corriente utilizados en el esquema de protección diferencial del transformador. Tabla. IV. Parámetros de los transformadores de corriente. Característica Unidad T C l a d o T C l a d o primario secundario Relación de Transformación -- 500/5 4000/5 Resistencia secundario Ω 0.5 0.5 Inductancia secundario mH 0.8 0.8 Área m2 6.5 6.5 Longitud de la trayectoria m magnética 0.5 0.5 Flujo remanente T 0 0 Resistencia burden Ω 2 0.5 Inductancia burden mH 0.8 0.8 En la tabla V se resume el criterio de discriminación que se estableció en (12) y (13). Para la condición de energización del transformador, el umbral calculado mediante (11) es de 0.5 para el sistema de prueba de la figura 1. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 37 �Umbral para discriminar entre corriente inrush y falla interna.../ Martha N. Acosta Montalvo, et al. Tabla. V. Criterio de discriminación. Evento Magnitud del Eigenvalor Dominante Corriente Inrush Sobreexcitación [0, umbral] Falla Interna [umbral, ∞] RESULTADOS Con el fin de evaluar los criterios establecidos en la tabla V, se realizan simulaciones para diferentes condiciones de operación del sistema, las cuales se presentan a continuación. Energización El instante de energización y la curva de saturación del transformador impactan directamente la forma de onda y la magnitud de la corriente inrush. Para probar el umbral calculado, en la figura 2a) y 2b) se muestra la energización con un ángulo de 0º, 90º y 180º, respectivamente, con respecto a la señal de tensión. Se observa que para estas condiciones la magnitud del eigenvalor dominante no supera el umbral calculado. En la figura 2c) se muestra la energización cuando se ha realizado un cambio en la curva de saturación, para esta condición la magnitud del eigenvalor dominante es menor a la magnitud del umbral calculado. En todos los casos mostrados en la figura 2 se cumple con el criterio establecido en (13), discriminando correctamente la condición de energización respecto a una falla interna. Fig. 2. Energización del transformador a) a 90º, b) a 180º, y c) empleando TCs con curva de saturación modificada. 38 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Umbral para discriminar entre corriente inrush y falla interna.../ Martha N. Acosta Montalvo, et al. Sobreexcitación El transformador de potencia es propenso a condiciones de sobreexcitación debido a la caída de frecuencia del sistema y al aumento de la tensión aplicada. El transformador tolera máximo 110% de sobreexcitación con respecto a los valores nominales, esta sobreexcitación puede producir un incremento de la corriente inrush. Debido a esto se consideró probar el umbral calculado cuando el transformador se encuentra bajo esta condición, se realizó la energización del transformador y después se simuló una sobreexcitación debido a un 10% de la caída de frecuencia y un aumento de tensión del 50%. La figura 3 muestra el comportamiento del eigenvalor dominante ante la condición de sobreexcitación y se observa claramente que la magnitud del eigenvalor no supera el umbral calculado, cumpliéndose con el criterio en (13), i. e. no existe falla interna. Fig.3. Sobreexcitación después de la energización. Falla interna Las fallas dentro de la zona de protección del transformador deben ser detectadas correctamente y ser liberadas en el menor tiempo posible, ya que el transformador puede sufrir severos daños que repercuten en su tiempo de vida. Para probar el umbral calculado, se introduce una falla monofásica dentro de la zona de protección del relevador después de la energización. En la figura 4 se muestra el comportamiento del eigenvalor dominante ante dicha falla. La condición de falla interna es detectada correctamente, ya que la magnitud del eigenvalor dominante es mayor umbral al calculado. Para esta condición del sistema se cumple el criterio establecido en (12) y se inicia la operación de la protección diferencial. Falla interna con saturación en los TCs La forma de onda en el secundario de los TCs es distorsionada debido a la saturación del transformador de instrumento. La saturación en los TCs es causada por la presencia de fallas, los dispositivos de protección pueden tener retardo en la operación o simplemente tener una mala operación debido a esta condición. El umbral propuesto debe identificar la condición de falla aún con la saturación de los TCs. En la figura 5 se muestra el comportamiento del eigenvalor dominante ante la presencia de una falla interna monofásica, la cual causa la saturación de Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 39 �Umbral para discriminar entre corriente inrush y falla interna.../ Martha N. Acosta Montalvo, et al. los TCs. La magnitud del eigenvalor dominante ante la condición de falla es mayor a la del umbral calculado y se cumple el criterio establecido en (12), lo que indica una correcta discriminación de la falla interna. Fig. 4. Falla interna después de la energización. Fig. 5. Falla interna con saturación de los TCs después de la energización. CONCLUSIÓN Se calculó un umbral para la discriminación de una falla interna y la corriente inrush, el cual depende de una señal de referencia, la cual es obtenida a partir de la energización del transformador en un ángulo de 0° y la impedancia es muy pequeña, puesto que con estas condiciones se obtiene el caso más crítico de corriente inrush. El eigenvalor dominante del sistema fue utilizado para establecer los criterios de discriminación, obteniéndose un umbral de 0.5 de acuerdo a la condición base de energización. Se realizaron simulaciones con diferentes escenarios de operación para analizar y verificar la confiabilidad del umbral calculado. Puede verse (figura 4 y figura 5) que el umbral propuesto discrimina correctamente las fallas internas y se elimina la operación incorrecta de los dispositivos de protección ante condiciones de energización del transformador, sobreexcitación (figura 2 y figura 3), aun cuando se presente saturación de los TCs. 40 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Umbral para discriminar entre corriente inrush y falla interna.../ Martha N. Acosta Montalvo, et al. REFERENCIAS 1. L.-C. Wu, C.-W. Liu, S.-E. Chien, and C.-S Chen, “The Effect of Inrush Current on Transformer Protection,” in 2006 38th North American Power Symposium. IEEE, sep 2006, pp. 449-456. 2. J. Sykes and I. 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Dhatrak, “A Study of Effect of Magnetizing Inrush Current on Different Ratings Of Transformers,” International Journal of Advanced Research in Electrical, vol. 3, no. 4, pp. 9021-927, 2014. 15. S. Jazebi, F. de León, and N. 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Se observan y registran indicadores clave de comportamiento para cada condición de prueba, incluyendo: retardo extremo-extremo, tiempo de disparo, y medida de corriente diferencial. La alineación de los datos se basa en la medición del viaje redondo de los mensajes de comunicación de los relés. Para el caso de aplicación utilizando un GPS basado en tiempo de muestreo sincronizado, la asimetría del canal no es un reto porque las mediciones tienen referencia de tiempo. Para el fin de la validación, se demuestra que los relé de protección existentes trabajan establemente sobre redes IP/MPLS bajo condiciones adversas. PALABRAS CLAVE Redes MPLS, esquemas de protección diferencial ABSTRACT This work validates the use of IP/MPLS networks to complay the requirements of digital line differential protection schemes, and shows the effect of an IP/MPLS network over the protection relay behavior under three adverse conditions: asymmetric channel latency; high jitter (packet delay variation) and failure path switchover time. For each test condition, key behavior indicators are observed and recorded, including the end-to-end delay, tripping time, and measurement of differential current. Impairment tools are used to inject an additional and artificial delay in one-direction or both directions of the path to introduce jitter. The data alignment is based on the locally measured round trip for communication messages by the relays. For the application case using a GPS-based time synchronized sampling, the channel asymmetry is not a challenging because the measurements contain absolute timestamps. By the end of the validation, it is demonstrated that existing protection relays works stably over IP/MPLS networks under adverse conditions. KEYWORDS MPLS network, schemes of differential protection Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 43 �Performance analysis of line differential protection using MPLS networks / Lifan Yanga INTRODUCTION Utilities, as operators of critical infrastructure, are responsible for the maintenance and control of the electrical power delivery and control equipment in the electrical grid at all times, regardless of circumstances. To achieve this goal, most distribution and transmission system operators have traditionally relied on private TDM- based solutions such as synchronous optical network (SONET) or synchronous digital hierarchy (SDH). These technologies delivered carrier-class performance, supported the deterministic traffic critical for grid operations, and were relatively straightforward for initial deployment. However, because of system upgrades and equipment end of life, time division multiplexing (TDM) infrastructures no longer support the long-term needs of utilities. Many were built and operated for specific applications or solutions, creating soloed infrastructures that make it more challenging and complex to integrate new systems and operational processes. This inflexibility necessitates the deployment of ever more specialized overlay networks, creating a spiral of continual increasing complexity. Such overbuilt networks are highly inefficient, require a great deal of manual administration, are more challenging to troubleshoot and increase operating and maintenance costs. As a result, such environments are actually less secure and increase operational risk over time. With the rapid development of smart grid technologies, the traditional TDM/ SDH communications transmission networks operated by electrical utilities face increasing challenges and cannot accommodate the communication and long-term evolution requirements. MPLS is a proven technology for network operators who need to support diverse legacy systems as well as modernize for next-generation applications. Enabling transparent integration of traditional and smart grid capabilities, MPLS facilitates transport of most forms of traffic. MPLS technology implements packet switching based on open communication standards widely used by telecommunications carriers and enterprise users. The technology features greater flexibility, efficiency and security. In MPLS networks, the bandwidth is dynamically shared for different services (e. g. video, voice, and intranet). Without additional constraints, the data exchange can be flexibly routed, resulting in variable latency. One of the most valued features of MPLS is that it allows utilities to perpetuate the use of existing TDM circuits on the same wide- area network (WAN) backbone with next-generation packet-based systems. This is achieved by running these legacy systems over an MPLS network using techniques such as circuit emulation with pseudo wire emulation edge-to-edge (PWE3). Enhanced by MPLS traffic engineering (TE) or MPLS transport profile (TP), networks can integrate virtually all forms of traffic without having to disruptively replace still-functioning older systems. This helps to unify the network management environment, making it significantly more cost-effective to administer. By running new applications alongside older systems on the same network, utilities can protect their current investment while transitioning the business to the smart grid. Utilities have traditionally accepted SONET/SDH for its ability to deliver highperformance connectivity. By contrast, packet solutions have sometimes been characterized as “best-effort networks,” especially in situations where they are based on T1 or low-bandwidth connectivity. But this not true for well-designed 44 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Performance analysis of line differential protection using MPLS networks / Lifan Yanga packet networks, especially not for high-speed MPLS networks designed with quality of service, traffic engineering, fault detection, and fast reroute (FRR) features. Digital line differential protection affords one of the highest requirements for communication channels in the field of power system protection. The inherent propagation latency, jitter, and asymmetry of an IP network should have no substantive impacts on the behavior of line protection. Moreover, a modern numerical relay keeps working in extreme cases like high jitter or severe asymmetrical latency due to its self-adaptive algorithms. In this paper, the usability of MPLS networks for such applications is evaluated and the results of lab tests are presented. TELECOMMUNICATION REQUIREMENTS FOR LINE DIFFERENTIAL PROTECTION Latency For channel-aided protection schemes, channel delay for transmitting protection messages should meet strict requirements. In North America, maximum of 10 ms latency budget is considered in practice for the communications portion to transport protection relay signals, independently of the distance/path.1 In China, National Standard2 defines that digital information one-way channel delay for transmission line teleprotection should be less than 12 ms. IEC/TR 61850-90-123 recommends one-way channel transmission time to be ≤ 10 ms. Communication channel delay impacts the time the protection takes to detect a fault and its tripping time. Latency of communication network channels consists of three parts: the interface delay between relay and communication equipment (including ingress and egress buffering and processing), communications equipment network delay (network nodes forwarding) and network physical medium latency (propagation delay). The ingress and egress buffering and processing delay depend on the type and speed of communication interface of protection relay. At the ingress of the communications channel, the communication device need to packetize these low-speed (56 kbps or n×64 kbps), synchronous messages of protection relays and transmit them onto high-speed (> 1 Gbit/s) IP communications network. At the egress, the communications device buffers and serializes the high-speed IP packets into the low-speed synchronous serial data referencing a common clock frequency shared with the ingress side. The ingress and egress latencies are generally between 2 ms and 3 ms in total. The packet transmission latency on a communications network is the total forwarding delay caused by the communications devices that the packets pass through. MPLS packet forwarding is implemented in such a way that the latency is very small, i. e. tens of microseconds per hop. The network physical medium latency refers particularly to the signal delay in the transmission medium. Modern power systems mostly utilize fiber optic communication networks as the backbone. The transmission delay is determined by the transmission distance, and it is also affected by fiber types, such as single- Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 45 �Performance analysis of line differential protection using MPLS networks / Lifan Yanga mode or multimode fiber and wave length, etc. Based on the propagation speed of an optical signal in the optical fiber, 1 ms delay can be estimated for every 200 km (125 miles) of distance traversed. Jitter requirements The average value of the communication network latency is not a sufficient criterion for line differential protection. Delay variation, also called jitter or packet delay variation (PDV), expresses how much the delay can vary. This was not an issue when relays were directly interconnected and wired but it becomes important in a packet switched network (PSN) infrastructure. Often, jitter is generated by the packet forwarding node waiting randomly for other high-priority traffic. PSN networks utilize quality of service (QoS) mechanisms, and data forwarding is based on priorities. Typically, messages from protective relays are marked as expedited forwarding (EF) which classifies packets as the highest priority. If an EF priority packet arrives while the communication device is processing an earlier packet, then the processing of that EF packet cannot start until earlier packet processing is completed. Waiting time depends on the size of the packet being processed; the larger the packet, the longer the wait time. Jitter can impact protection behavior, and even cause unpredictable errors in protection ping-pong scheme,4 an application sensitive to jitter. Therefore, in order to ensure consistency in differential protection performance, the requirement is that jitter must be as small as possible. IEC/TR 61850-90-15 defines three message performance classes, and the class TT1 (0.2 ms) providing the highest level of requirement can be used as a reference for current line differential protection. Symmetry requirements Line differential protection is usually based on the principle of a “pingpong” data synchronization algorithm; a prerequisite for this algorithm is the symmetrical latency of forward and reverse paths between two ends. The data alignment for line differential application is based on the locally measured round trip for communication messages. This commonly used method results in high requirements for the communication delay symmetry. When the delay is not equal in both directions, the error introduced in case of high through currents (e. g. external fault currents) can be estimated in the following formula: (1) in which ∆t is the difference of propagation delays in ms and f0 is the nominal system frequency. In case of ∆t = 1 ms and f0 = 50 Hz, a fake differential current appears at a level of 15% of through current. While the pickup current threshold is normally between 15% and 20% based on rating current, an additional asymmetrical latency between forward and reverse paths can lead to unnecessary starting or even mal-operation in case external faults occur. Similarly, in case of internal fault, the error introduced can be estimated in the following formula: 46 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Performance analysis of line differential protection using MPLS networks / Lifan Yanga (2) Notice that here δ% is negative which means differential current measured is smaller than true value. As a result, sensitivity of protection is degraded in this case. In a meshed network, messages between two ends can take different paths in both directions. In packet-switched networks, MPLS traffic engineering and MPLS-TP guarantee the same path for sending and receiving relay messages In the event of a failure along the communication path, both tunnel endpoints switchover to a backup path simultaneously Proper traffic engineering will ensure that the communication paths are symmetric even in the event of primary communication path failure. Reconfigurability requirements Reconfigurability or re-routing is a salient feature of modern communication networks. Fiber failure is one of main reasons for a packet not being received. 5 When a fiber failure occurs, the network must detect the failure and reconfigure to a backup path rapidly, if it is available. For SDH/SONET networks, ITU-T recommends that the switchover time be less than 50 ms. For teleprotection communication systems, there is no defined specifi- cation on switchover time. IEC 60834-1 does specify, however, that the probability of a “command” not being received within 10 ms should be < 10−4. The faster the switchover time, the lower the risk of protection relay failure to trip during a coinciding power system fault. VALIDATION RESULTS To assess the impact of MPLS communications on protection relay performance and to validate the interoperation of various technologies, a dedicated test bench was set up. The tests were performed using Schneider Electric Easergy MiCOM P5456 and Cisco ASR 900.7 In figure 1, the router network is setup with three possible paths between the Easergy MiCOM P545 relays: 1-hop path (green), 5-hop path (blue) and an 8-hop path (orange). Two MPLS-TP tunnels are defined as follows: 1. Tunnel 1 leverages the 1-hop path (green) as the working path, and the 5-hop path (blue) as the protect path. 2. Tunnel 2 leverages the 5-hop path (blue) as the working path, and the 8-hop path (orange) as the protect path. Test scheme and system configuration The service model for line differential protection implemented with C37.94 relay interfaces is illustrated in figure 2. Line differential protection relays connect to the router via an optical/electrical (O/E) interface unit (P-2M-L). The relays send proprietary telegrams to exchange current vectors in terms of use for line current differential protection schemes Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 47 �Performance analysis of line differential protection using MPLS networks / Lifan Yanga Fig. 1. Validated MPLS network topology. Fig. 2. Connection and service models. over C37.94, and O/E converters packetize these telegrams into an E1 2 Mbps circuit. The routers provide Circuit Emulation (CEM) services using TDM-based pseudowires over an MPLS network for transporting the teleprotection data between the two substations. Depending on the relay requirements, the TDMbased pseudowire can be config- ured to perform clear-channel circuits with structure-agnostic TDM over packet (SAToP) or structured circuits using circuit emulation services over packet-switched network (CESoPSN). The Cisco ASR903 router was configured for SAToP transport for P-2M-L E1 communications. Traffic-engineered forward and reverse paths between substation routers fulfill the pathsymmetry requirement for line current differential protection schemes employing channel-based synchronization. The substation routers support eight QoS queues per service, including two Priority Queues, and deep buffer sizes capable of accommodating highly bursty traffic in oversubscribed conditions. The TDM pseudowire is mapped to the highest priority queue (PQ1) ensuring that Teleprotection traffic experiences minimal packet delay variation (PDV) when traversing the network over the static tunnel. 48 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Performance analysis of line differential protection using MPLS networks / Lifan Yanga High-availability with sub-50 ms recovery against failures in the transport network is supported by MPLS-TP linear path-protection with hardware-based bi-directional forwarding detection (BFD) timers when MPLS-TP tunnels are used. Test results and analysis Channel latency Line differential protection devices continually monitor channel delay, and the measured results are displayed in figure 3. Each section of the figure depicts a one-way measurement calculated from the average of 250 test samples: • Relay communication latency back-to-back over a short fiber: 2.86 ms one-way. • Relay communication latency over a 1-hop MPLS network: 4.46 ms one-way. • Relay communication latency over a 5-hop MPLS network: 4.47 ms one-way. • Relay communication latency over a 8-hop MPLS network: 4.59 ms one-way. The network delay excludes the interface delay between relays and communication equipment (2.857 ms). The network delay does include, however, the delay introduced by O/E converters P-2M-L, which is negligible (around 20 µs). The network delay increase caused by traversing more hops is not easily noticeable, and in fact, the increase is almost negligible in the 5-hop case. Even while taking into account the network physical hediuh latency (propagation delay), and assuming signal transmission speed on an optical fiber is about 200 km/ms, (generating additional 2.5 ms delay on a distance of 500 km/310 miles), the overall channel delay easily falls within the 10 ms target. Asymmetric channel latency Impairment tools are used to inject a slowly increasing delay in one direction of the path. In case of internal fault, the differential currents measured become smaller than theoretical value as asymmetry increases. In figure 4a the difference of time delays of sending and receiving (X axis) increase from 0.1 to 5 ms, while the differential current deviation negatively reaches more than 6%. In another word, protection sensitivity becomes worse in this case. In case of throughout flow or external fault, a slight asymmetry will cause a significant error of differential current. As an example figure 4b shows that a 2 ms of asymmetric delay results in the 26% error of flowing current. If the current is significant enough, the artificial differential current will cause a mal-operation. However, modern protection relay can be immune to asymmetric latency when GPS-time stamped sampling and data alignment is enabled at all line ends. The latency of TX and RX can be estimated respectively and current vectors can be aligned correctly. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 49 �Performance analysis of line differential protection using MPLS networks / Lifan Yanga Fig. 3. Channel latencies of different paths. Fig. 4. Differential current deviation: (a) internal fault case, and (b) external fault case. 50 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Performance analysis of line differential protection using MPLS networks / Lifan Yanga High jitter A configurable de-jitter buffer is implemented on routers to compensate for the network delay variation. A larger de-jitter buffer effectively mitigates the risk of network jitter. However, increasing the de-jitter buffer also increases overall channel delay and tripping time as a side-effect. Artificial jitter is introduced by test tool using a Gaussian model, and the jitter is applied along with a baseline delay of 3 ms. This means at an instant in time where no jitter is applied, the channel latency will increase by 3 ms when compared to channel latency results tabulated in Channel latency. The applied jitter in the communication channel is observed by monitoring the channel delay variation. For each test scenario, 50 test samples of latency are recorded and statistical values are presented in the table I. The values show no obvious effect of network jitter on channel latency within certain limits when buffer mechanism works. The average values are portrayed in figure 5. When the de-jitter buffer is set to 2 ms, protection relays start reporting error messages when the jitter increases to 350 µs; When the de-jitter buffer is set to 3 ms, protection relays start reporting error message when the jitter increases to 950 µs; When the de-jitter buffer is 5 ms, no error messages are reported by the protection relays, even when the jitter increases to 2 ms. Failure path switchover The primary path (green path in figure 2) for teleprotection relay (TPR) traffic is protected with MPLS-TP 1:1 protection. When the link on the primary path failed, the convergence time is measured for the emulated bi-directional TPR traffic flow. When the link on the primary path recovered, the convergence time is also measured for the emulated bi-directional TPR traffic flow. MPLS-TP is provisioned to use BFD as its detection mechanism to quickly determine link/ path failure. As shown in figure 6, the primary path is broken at T1 and recovers at T2; and repeated at T3 and T4. The channel delay change is perceived (blue curve), jump from 4.5 to 6.6 ms when primary path failure; restore when primary path recover. Two error messages (orange curve) are reported at each moment of change. During the switchover, current is injected and make it outside of tripping zone but very close to the boundary. Obviously, differential current is calculated correctly because relay can detect the change of channel delay and use the new delay time for data alignment. The Ixia traffic tool indicates the time changeover is 6.74 ms, which is shorter than 25 ms, the threshold of trigger degraded mode of the protection relay. However modern line differential relays are able to master this situation. When the change of propagation time on communication channel is detected and exceeds a configurable value, the relay will upraise the threshold of differential function temporally to ensure the stability during channel switching or other abnormal conditions. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 51 �Performance analysis of line differential protection using MPLS networks / Lifan Yanga Fig. 5. Result of jitter test. Table I. Channel latency during jitter test. Fig. 6. Protection relay performance during path change over. 52 Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 �Performance analysis of line differential protection using MPLS networks / Lifan Yanga CONCLUSION AND SUGGESTIONS FOR IMPROVEMENT Based on intense tests connecting line differential protection with MPLS networks, it could be demonstrated that critical performance requirements of line differential protection applications are met by using the excellent communication infrastructure provided by MPLS networks. Also from protection relay perspective, commercial solutions already available are suitable to be used in this kind of communication networks. As seen from the test results presented in this paper, these main concerns from protection engineer point of view, like channel delay, traffic load, jitters and asymmetry are considered during the tests by using commercially available products and the results demonstrated a full mastering of these concerns. As technology is continuously evolving, lifecycle management is vital. Modular approaches based on existing standards applied on protection equipment provide the benefit of supporting existing traditional teleprotection communication technologies as well as migration paths towards an MPLS based communication. From customer side, one big benefit is that the relays do not have to be changed once it is decided to migrate the communication network to the new technology. This paper will serve as a reference for using MPLS networks for line differential protection applications allowing all kind of migration strategies. IP technology is also pushing the development of protection relay, especially protection traditional communication interface would be gradually IP-based, more efficient, more flexible, more reliable, and further enhance the overall performance of protective relay. REFERENCES 1. S. V. Achanta, R. Bradetich, and K. Fodero, “Speed and security considerations for protection channels,” Proceedings of the 42th Annual Western Protective Relay Conference, Oct. 2015. 2. GB/T 14285-2006, Technical code for relaying protection and security automatic equipment, Chinese Standard. 3. IEC/TR 61850-90-12, Communication networks and systems for power utility automation— Part 90-12: Wide Area Network Engineering Guidelines. 4. Network Protection & Automation Guide, Technical Report, Schneid-Electric, 2016 5. IEC/TR 61850-90-1, Communication networks and systems for power utility automation — Part 90-1: Use of IEC 61850 for the communica- tion between substations. 6. Easergy MiCOM P54x – User Manual, Technical Report, Schneider Electric, 2016. 7. ASR 903 data sheet, Technical Report, Cisco, 2016. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 53 �CT saturation and its influence on protective relays Roberto Cimadevilla, Ainhoa Fernández ZIV Grid Automation RESUMEN En este artículo se revisa el fenómeno de saturación CT y los factores que la afectan. Describe su influencia sobre las diferentes funciones de protección, tales como la sobre corriente, direccional, diferencial, y distancia, y explica las soluciones aplicadas por relé de última generación para incrementar la seguridad y dependabilidad durante la saturación CT . También muestra como dimensionar un CT basándose en los estándares de hoy en día. PALABRAS CLAVE CT saturación, CT dimensionamiento, dc offset, remanente, sobre correinte, direccional, diferencial, distancia. ABSTRACT This paper reviews the phenomena of Courrent Transformer saturation and the factors that affect it. It describes the influence CT saturation has on the different protection functions such as overcurrent, directional, differential and distance and explains the solutions applied by last generation relays to increase the security and dependability during CT saturation. The paper also shows how to dimension a CT based on the different standards used nowadays. KEYWORDS CT saturation, CT dimensioning, dc offset, remanence, overcurrent, directional, differential, distance. INTRODUCTION CT saturation occurs when the CT flux reaches the knee point of the magnetizing curve. It is affected by several factors such as fault current magnitude, CT burden, fault current dc offset, remanent flux, etc. CT saturation generates “gaps” in the current waveform, affecting any current-based protection function, either using instantaneous values or phasors, decreasing the current magnitude and leading its phase. CT saturation will affect the following protection functions: Overcurrent: Phase overcurrent units will tend to increase the tripping times as the phase current is underestimated. On the other hand, the directional units that supervise the overcurrent units will be affected by the angle error. Differential: CT saturation will create a false differential current during external faults affecting the protection stability. In the transformer differential protection the harmonic blocking may operate for internal faults with CT saturation, delaying the trip of the percentage differential protection. 54 Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández The current magnitude reduction and the phase leading, both combined, may cause underreach or overreach of the distance units, depending on the shape of the distance characteristics. This paper explains the phenomena of CT saturation and the different factors that affect it. It also describes the solutions applied by last generation relays to cope with CT saturation, like saturation detectors, external fault detectors, directional comparison units, measurement algorithms based on peak values or on shorter windows, etc. It also explains how these solutions reduce the CT sizing requirements. CT FUNDAMENTALS CT equivalent circuit Figure 1 shows the equivalent circuit of a CT. Current i’1 represents the primary current referred to the secondary winding: (1) where N1 and N2 are the number of primary and secondary turns, respectively. As current i’1 is defined by the primary power system, i’1 is represented by a current source, therefore the primary leakage impedance can be removed as it does not have any effect in the CT circuit. On the other hand, the reactive components in the circuit may be neglected, considering a pure resistive burden (Xs ≈ 0 and Zburden = Rb ). The burden impedance is equal to the sum of the wire impedance, mostly resistive, and the relay impedance, negligible for digital relays. The circuit of figure 1 is, therefore, simplified to the circuit of figure 2. The power supplied by the CT is: (2) The magnetizing voltage will be: (3) Fig. 1. Equivalent circuit of a CT. CT saturation By applying the Lenz law, the magnetizing voltage em is: (4) Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 55 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández Fig. 2. Simplified equivalent circuit of a CT therefore (5) The Xm reactance is non-linear and the CT flux and the magnetizing current, im, follows the typical characteristic represented in figure 3. Fig. 3. CT magnetizing curve. During normal conditions the flux value will be lower than the saturation flux, therefore the magnetizing current, im , will be very low (Xm will be very high) and so i2 will practically equal i’1. However, if the flux increases because of a high secondary current i2 and/or a high Rct + Rb impedance, and it reaches the saturation flux, the magnetizing current will increase very much (X m will be very low), making i2 to have very reduced values. As the flux is sinusoidal, it will have values above and below the saturation flux, making the CT entering and leaving saturation. During the saturation periods, current i2 will be practically zero and current im will equal i’1. Figure 4 shows the secondary current, the magnetizing current and the flux in a CT. The red curves correspond to a saturated CT and the blue curves to a non-saturated CT (ideal CT with linear magnetizing characteristic). Note that during the CT saturation periods the flux is practically constant, the secondary current practically zero and the magnetizing current is practically equal to the secondary current of the ideal CT. Figure 5 shows the magnetizing curve of the real CT. 56 Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández Fig. 4. Secondary current, magnetizing current and flux in a saturated and non-saturated CT (no dc offset included). Influence of dc offset There is another factor, apart from the current magnitude and the burden value, that makes the CT flux increase: the dc offset in the current. In the circuit of figure 6, the following equation is fulfilled: (6) When the switch S is closed, simulating the ocurrence of a fault, a transient state occurs during which the current follows (7) Fig. 5. Flux vs. magnetizing current curve. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 57 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández where Fig. 6. RL circuit. (8) (9) y (10) Let’s analyze the flux waveform when i’1 (t)=i(t). In order to simplify the latter equations we will consider θ=γ−ϕ. Analysis not considering Xm. If we consider Xm ≈ ∞, i2 = i’1, therefore Assuming φ(0) = 0 (11) Figure 7 shows, at the top, a current wave with and without dc offset and the flux that corresponds to each current wave at the bottom. As it can be observed when the current includes dc offset the flux grows very much, which can make the CT saturate. As the flux represents the area under the integrated waveform, when the latter one includes a dc offset, the positive and negative areas will be different (in the case shown in figure 7 the positive area is higher than the negative one), therefore they will not cancel each other, making the flux increase continuously. 58 Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández Figure 8 shows the secondary current, the magnetizing current and the flux in a CT. The red curves correspond to a saturated CT and the blue curves to a non-saturated CT (ideal CT). In the saturated CT, when the flux reaches the saturation flux (see the magnetizing curve in figure 9), its growth is stopped, i2 current tends to zero and im current tends to equal i’1 current. The flux increase is stopped when it reaches the saturation flux by reducing the positive area below current i2, making i2 practically zero and, therefore, “cutting” the i2 waveform. When the flux is below the saturation flux, the CT leaves the saturation state, i2 gets normal values and im is practically zero. Saturation and non-saturation periods alternate until the CT definitively gets out of saturation. Fig. 7. Current and flux (a) with dc offset and (b) without dc offset. Analysis considering Xm . If Xm is considered, the flux can be calculated as (12) Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 59 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández Lm is calculated as (13) Calling (14) Fig. 8. Secondary current, magnetizing current and flux in a saturated and non-saturated CT (dc offset included). Fig. 9. Flux vs. Magnetizing current curve. 60 Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández we can get.1 (15) Influence of flux remanence When the primary current in a CT is interrupted, a remanent flux will remain in the magnetic circuit. Its magnitude will depend on the flux in the CT core at the time of current interruption. If this flux was very high due to a high dc offset and/or a high symmetrical current and/or a high burden, the remanent flux will be high. Once the remanent flux has been established, very little is dissipated under normal conditions, therefore it will remain in the core until it is demagnetized. In non-gapped CTs the remanent flux may be up to 80% of the saturation flux. The remanent flux will affect the transient behavior of the CT. It will add or subtract the flux created by the current magnitude, burden value and dc offset. Depending on the sign of the remanent flux compared with the sign of the flux created by the other mechanisms, it will worsen or improve the CT transient response. The remanent flux should be especially considered for reclose onto fault conditions. Figure 10 shows the effect of a permanent fault on the CT wired to a line relay (the first plot represents the current and the second one the flux). It can be observed that the CT saturation is heavier when reclosing onto fault than during the initial fault. With regard to the remanence, there are three types of CTs: High remanence CT: no limit for the remanence is specified. The CT has no air-gap. The remanent flux can reach 80% of the saturation flux. Examples of such CTs are: class P, PX, TPX (IEC60044 and IEC61869-2), TPS (IEC600446), P or X (BS 3938) and non-gapped class C (IEEE C57.13). Low remanence CT: a remanence limit is specified. In classes PRLow remanence CT: a remanence limit is specified. In classes PR IEC61869-2) and TPY (IEC60044-6 and IEC61869-2) the specified remanence factor (remanent flux/saturation flux) must be lower than 10%. This type of CTs includes small air-gaps. No remanence CT: the remanent flux is practically negligible. Class TPZ (IEC60044-6 and IEC61869-2) is a non-remanence CT. This type of CT includes bigger air-gaps. CT dimensioning Class P of IEC 61869-2 standard The CT is specified with the following data: • Rated transformation ratio: the ratio of the rated primary current to the rated Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 61 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández secondary current, e. g. 600/5. • Rated power: power provided by the CT at rated current and rated burden, e.g. 10 VA. • Accuracy class: 5P and 10P defines a maximum composite error of 5% or 10% at the accuracy limit current (accuracy limit factor (ALF) multiplied by the rated current). • Accuracy limit factor: times the rated current, without dc offset, at which the accuracy class is fulfilled. • Secondary internal resistance: Rct in figure 2. The CT will be adequate if Ktotal = Kssc Kb Ktf Krem < ALF, where Kssc is the symmetrical short-circuit current factor, Kb is the burden factor, Ktf is the overdimensioning factor for dc offset, and Krem is the remanence overdimensioning factor. Symmetrical short-circuit current factor Kssc. It is the ratio between the maximum short circuit current and the rated current. Burden factor Kb. It is the ratio where Rn is the rated burden. Rn can be calculated from the CT rated power: (16) The accuracy limit factor is defined for the rated burden. For a different burden the maximum symmetrical current that assures the fulfillment of the accuracy class will be different than the accuracy limit current (it will be higher than the accuracy limit current if the burden is lower than the rated one and it will be lower if the burden is higher than the rated one). This condition is taken into account by the burden factor. Fig. 10. Current and flux during a trip-reclose-trip cycle. 62 Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández Transient overdimensioning factor Ktf . It was seen in Influence of dc offset that the flux created by a current with dc offset (asymmetrical current) was much higher than the flux generated by a current without any dc component (symmetrical current). As the ALF factor is defined for a symmetrical current, an overdimensioning factor for asymmetrical currents must be considered. This factor will be given by which represents the ratio between the maximum total flux (sum of dc and ac fluxes) and the maximum ac flux. Considering (11), the maximum flux when there is no dc offset in the current is (17) The maximum flux when there is dc offset in the current is obtained for (maximum dc offset) and when the exponential has reached its limit (t → ∞): (18) therefore (19) Considering (15),1 (20) In some systems the X/R ratio may be very high (especially in points close to generators: X/R values of 20–30) giving rise to excessive overdimensioning factors that will require too large CTs, not viable, due to cost and space constraints. In this case it is not possible to assure that the CT is not saturated during the whole fault duration but it is assumed that the CT saturates after a timedelay from the fault inception is the value of the flux after the maximum saturation free time. Ktf can be calculated with (11) or (15). Considering (11), (21) Considering (15),1 (22) For saturation free times higher than 15 ms, the maximum flux will be obtained with θ = 0, however, for saturation free times lower than 15 ms, the maximum Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 63 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández flux will be obtained for other fault inception angles. Figure 11 shows the Ktf curves for three different θ values (0° – Ktf0 (maximum dc offset), 90° – Ktf1 (no dc offset) and 45° – Ktf2 ), considering T2 = 3 s and T1 = 0.125 s. It can be checked that approximately from t = 14 ms on, Ktf0 is always higher than Ktf1 and Ktf2. Figure 12 shows a zoom of figure 11 for times lower than 4 ms. In this case the maximum Ktf is Ktf1 with no dc offset. For each saturation free time tolerated by the protective relay the worst inception angle should be determined. Remanence overdimensioning factor Krem. The remanent flux may worsen the CT transient response if it has the same sign of the flux generated by the current magnitude, burden value and dc offset. This is considered by the remanence overdimensioning factor where Kr is the remanent factor (maximum remanent flux/saturation flux). (23) Fig. 11. Ktf for different θ values (Ktf0, Ktf1 and respectively). Ktf2 correspond to 0°, 90° and 45°, Fig. 12. Zoom of Fig. 11 (t = 0–4 ms). Class C of IEEE C57.13 standard The most common accuracy class in the IEEEC57.13 standard is the C class. The letter C is followed by a number that indicates the secondary voltage rating, which is defined as the CT secondary voltage that the CT will deliver when it is connected to a standard secondary burden at 20 times the rated secondary current, without exceeding a 10% ratio error. The common standard burdens for protection CTs are 1, 2, 4 and 8 Ω, which correspond, at 5 A rated current, to 100, 200, 400 and 800 V secondary rating voltages (for a C100 CT the voltage 64 Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández at the 1 Ω burden will be 20×5×1 = 100 V). With the secondary voltage rating we can obtain the internal magnetizing voltage by adding the voltage drop in the secondary resistance (Rct ): (24) The dimensioning of an IEEE CT can be done by calculating Em as: (25) where K’total = KsscKtfKrem. If Em calc < Em rated =Vb+Rctx20I2n the CT will be valid. An easier deduction can be made considering that the ALF factor of a C class CT is always 20 (the 10% ratio error cannot be exceeded for a secondary current 20 times the rated current with the rated burden. If Ktotal < ALF the CT will be valid. Class X of BS3938 standard or Class PX of IEC61869-2 Class X CT is defined with: • Primary and secondary rated currents • Transformation ratio • Rated knee-point voltage • Magnetizing current at rated knee-point voltage • Resistance of secondary winding The rated knee-point voltage is defined as the minimum voltage, at rated frequency, applied to the CT secondary terminals which increased by a 10% causes an increase in the magnetizing current of 50% (see figure 13). The relationship between the rated knee-point voltage (Vknee) and the magnetizing voltage at the accuracy limit current with rated burden (Em rated ) is done by approximation, because the definition of the two voltages has no direct relation (Vknee has to do with the slope of the magnetizing characteristic and Em rated with the current composite error). It is normally considered that Em rated = 1.25 to 1.3 times Vknee. Fig. 13. Knee point voltage definition. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 65 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández Once Em rated is calculated it can be compared with Em calc = K' total I2n (Rct + Rb). The CT will be valid if Em calc < Em rated. INFLUENCE OF CT SATURATION ON PROTECTIVE RELAYS Overcurrent CT saturation introduces errors in the phasor estimation, decreasing the phasor magnitude and leading its phase.2 This makes the overcurrent units underestimate the current magnitude giving rise to delayed trips or no trips. Figure 14 shows the magnitude of the fundamental component of the saturated and non-saturated currents (|I A | and |I A sat |, respectively) shown in figure 4. A full-cycle DFT was used for the calculation. It can be seen that the value of the saturated current is much lower than the value of the non-saturated one. Figure 14 also shows the true rms value (|IA sat rms |); although it is higher than the magnitude of the fundamental frequency of the saturated current, it is still much lower than the magnitude of the fundamental component of the non-saturated current. For instantaneous units, if the time to saturation is lower than the time it takes for the overcurrent unit to pick-up the trip will be delayed. If the CT saturation is caused by an asymmetrical current, the delay will be approximately equal to the primary time constant, which defines the damping time of the dc offset. If Fig. 14. Magnitude of the fundamental components and true rms value of the saturated and non-saturated currents of figure 4. the CT saturation was due to a symmetrical current there will not be any trip. In order to increase the dependability of the instantaneous overcurrent units an operation based on the peak value can be used when CT saturation is detected. The implemented algorithm uses the saturation detector described in.3 This detector is based on the derivative of the measured current. At the time that CT saturation initiates there is a significant increase in the derivative. Given that the maximum value of the derivative of the current is where A is the maximum current and N the number of samples per cycle, when 66 Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández where k is a constant, the saturation is detected. A is calculated as the greater of two consecutive maxima. The saturation detector will only operate when A exceeds a threshold. The detector includes a reset time of a cycle. The algorithm based on peak values calculates the dc offset with the difference between two consecutive peak values divided by two. The dc offset is removed to reduce the transient overreach. The overcurrent units based on this algorithm are only enabled when the saturation detector activates and two consecutive peak values have been measured since the activation of a fault detector; figure 15 shows the peak value measured once the dc offset is removed (Ipeak no dc). Although it is lower than the magnitude of the fundamental component of the non-saturated waveform calculated with a DFT it is much higher than the magnitude of the fundamental component or the true rms value calculated for the saturated waveform. The algorithm based on peak values requires a saturation free time lower than the algorithm based on full-cycle DFT. For a symmetrical CT saturation it just requires around a quarter of cycle saturation free time for faults in the limit of the reach. For an asymmetrical CT saturation it may require around halfcycle saturation free time. For symmetrical and asymmetrical CT saturation the full-cycle DFT will require one-cycle saturation free-time or higher times if it includes a dc offset filter. Fig. 15. Magnitude of the fundamental components, true rms value and peak value of the saturated and non-saturaded current of figure 4. For close-in faults the saturation free time for both algorithms, the one based on DFT and the one based on peak values will be much lower than for faults in the limit of the reach. The magnitude obtained with the DFT for the saturated current of figure 14 is around 50% of the magnitude of the non-saturated current. The peak value obtained with the described algorithm is around 90% of the magnitude of the non-saturated current. These values are normally high enough to be above the overcurrent unit pick-up value in the case of a close-in fault. CT remanence should be considered if reclosing is used. The effect of CT saturation on time-delayed overcurrent units is of less importance as the tripping times are normally much higher than the time the CT is in the saturation condition. Anyway, for high primary time constants additional coordination time may be included in Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 67 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández the settings to assure the selectivity. The algorithm based on peak values could also be applied to time-delayed overcurrent units. Directional unit Phase directional units normally have a high margin to distinguish the forward faults from the reverse ones. This margin is in the order of 90°. CT saturation makes the phasor angle increase; however it does not normally create an error higher than 90°. To increase the reliability a saturation detector as the one described in Overcurrent could be used in order to modify the directional characteristic by slightly reducing the characteristic angle (α in figure 16). Fig. 16. Directional unit. Special care should be taken in double breaker bays. In the circuit of Figure 17, if |Isum | is much smaller than |I1 | and |I1 |, the errors of the CTs can produce an inversion of the summed current. In this case any directional unit based on this summed current will operate erroneously. In the former situation directional units that compare the currents |I1| and |I1| can be implemented. These units may be based on phase currents or sequence currents. Reference4 describes the mentioned units. Fig. 17. Reverse fault in a double breaker bay. Figure 18a and figure 18b show the currents measured by a distance relay in the two CTs of a breaker and a half bay for a reverse AG fault. Figure 18c shows the sum current. As it can be checked, the current measured by CT-2 is slightly distorted, which generates a high distortion in the sum current. The enabled 68 Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández directional unit was comparing the angle between the phase A positive-sequence voltage and phase A current. The evolution of this angle is shown in Figure 19. As it can be checked, during a small time, the angle is lower than (α + 90°, α is the characteristic angle, set to 84°), which makes the relay trip erroneously. The solution to this false trip was the implementation of a directional unit based on the angle between the currents measured in both CTs of the bay as explained in.4 The unit was easily implemented by means of the programmable logic. Differential units External faults For external faults, CT saturation increases the differential current and decreases the restraint current, moving the point (IDIF, IREST ) into the operation zone. The through fault current restraint of the percentage differential characteristic is normally not enough to cope with severe CT saturation, therefore units that complement the differential characteristic are normally required.3 Some common units are described below. Differential unit with instantaneous values. This unit is based on the ratio between the differential and restraint currents. It operates when this ratio is below a threshold. When the fault is external, during the time the CT is not saturated, the ratio will be very small. Figure 20 shows, for an external fault, and for the phase A, the currents at both ends of the protected element, 1 and 2, the differential and restraint currents. This external fault makes CT in winding 1 saturate. As it can be observed, since the activation of a fault detector (signal FDET, based Fig. 18. Currents measured by (a) CT-1 and (b) CT-2, and (c) sum current for a reverse fault in a breaker and a half bay. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 69 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández Fig. 19. Angle between Va1 and Ia. on a current change), there will be a consecutive number of samples for which the ratio IDIF /IREST is very low. If this happens, the external fault condition will be activated. More information can be found on.5–7 This unit requires a low saturation free time. Typical times are around 3–4 ms. Directional comparison units. Ref3 describes a directional comparison unit that uses the angle between the currents measured at each end of the protected element in order to determine if the fault is internal or external. When this angle is lower than 90° the fault is considered internal; on the contrary, if the angle is higher than 90° the fault is considered external (see figure 21). The angular comparison requires that the currents are above a minimum threshold. Two directional comparison units are described, one that operates with phase currents and another one that operates with positive-sequence pure fault current. Fig. 20. Currents measured (a) at both ends of the protected element, (b) differential and restrained currents, and (c) ratio between differential and restrained currents for an external fault with CT-1 saturated. 70 Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández Fig. 21. Directional comparison criteria: (a) internal fault and (b) external fault. Phase directional comparison unit: the currents must be above the maximum load current. This condition assures that internal weak infeed faults do not generate an external fault indication. To check that the currents are above the load current an algorithm based on the current derivative is used. The phase directional comparison units may be implemented with instantaneous values instead of phasors, by comparing the sign of the currents at all the ends of the protected element.7 If any of the currents has opposite sign as compared with the rest of the currents during several samples an external condition is activated. Positive-sequence directional comparison unit: it uses pure fault current by removing the prefault current. This makes the unit compensate the load flow effect. The prefault current is taken two cycles before the activation of a fault detector, based on current changes. More information about the mentioned directional units can be found in.3 Both the directional units based on phasors and the directional unit based on instantaneous values tolerate very low saturation free times (typical values of 2–3 ms). This is because of the high margin the directional comparison units have to distinguish external faults from internal ones. Internal faults In transformer differential protections CT saturation for internal faults can make harmonic restraint / blocking operate, because of the harmonic content of the differential current during such faults. This will result in delayed trips. An unrestrained differential unit set above the maximum inrush current is normally used to increase the dependability. However, internal faults with CT saturation could happen for current values lower than the ones for the inrush currents. Reference8 describes a dynamic harmonic restraint/blocking that allows fast tripping during internal faults with CT saturation. The algorithm is based on an external fault detector (for inhibiting the second harmonic restraint / blocking) and underexcitation units (for inhibiting the fifth harmonic restraint/blocking). The second harmonic restraint/blocking is inhibited after a settable time from the Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 71 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández power transformer energization. It is enabled again during a settable time once the external fault detector has activated. The fifth harmonic blocking is inhibited if the ratio V / f is below a threshold. Inrush currents Due to the high dc offset and long time constants CT saturation during inrush is very common.8 Figure 22 shows a CT saturation registered by a busbar differential relay that tripped during an inrush condition. The first plot represents the currents measured by the three bays that fed the inrush current. The second plot represents the differential and restraint currents calculated by the busbar differential protection. In this case, as the phase bay currents were very low, the phase directional comparison unit was not able to activate the external fault condition. An algorithm to slightly increase the minimum pick-up value of the differential characteristic during transformer energization was included to increase the security for inrush conditions. Distance protection As CT saturation decreases the current magnitude and leads the current phase, it will increase the impedance magnitude and reduce its angle. This effect will tend to produce underreach of the distance units. The use of sub-cycle units will reduce the required saturation free time, as these units need lower times to take the trip decision9 (saturation free times of half-cycle to cycle depending on the fault location). Anyway, for faults in the limit of zone 1, the fast units will not operate, therefore the saturation free times will be increased to 1 cycle 1 and cycle. That is why the worst case scenario for CT dimensioning will be for a fault at the limit of zone 1. In case of reclose onto fault, the remanence factor should be considered. Taking into account that the close onto fault detector will extend zone 1, the worst case scenario will be for a fault at 100% of the line. As zone 1 will be extended to zone 2 (covering normally 120%) the saturation free times will be slightly lower than 1 cycle–1 and cycle. CT saturation does not only produce underreach of the distance protection but it can also produce overreach, mainly in quadrilateral characteristics. As the impedance angle is reduced, although its magnitude is increased, the impedance can enter the quadrilateral characteristic through the reactance line, as it can be seen in figure 23. Figure 24 shows the voltages and currents for an ABG fault at 100% of a line. The CT in phases A and B gets saturated. Figure 25 shows the measured AB impedance trajectory during the time the CT is entering and leaving saturation. The impedance was measured by a sub-cycle filter, based on half-cycle DFT. It also shows the sub-cycle distance characteristic related to zone 1 (reaching 80% of zone 1). The X point represents the AB impedance when the CT is not saturated. The error in the measured impedance when the CT is saturated is clearly seen. In order to avoid any overreach the saturation detector described in3 is implemented. The activation of the saturation detector tilts down the reactance line and reduces the resistive reach.9 72 Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández Fig. 22. Phase currents and differential and restraint currents measured by a busbar differential protection during a transformer energization. Fig. 23. Measured impedance with and without CT saturation. Fig. 24. Voltages and currents for an ABG fault at 100% of the line with CT saturation. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 73 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández Fig. 25. AB impedance measured with sub-cycle filter for an ABG fault at 100% of the line with CT saturation. CONCLUSION CT saturation is affected by the fault current magnitude, the burden value, the dc offset in the fault current and the remanent flux in the CT core. These variables are considered in the following factors: symmetrical short-circuit current factor, burden factor, dc offset overdimensioning factor and remanence overdimensioning factor. Many times CT saturation cannot be avoided as it will require too large CTs, not viable because of costs and space constraints. In this case protection manufacturers should specify a saturation free time. New generation relays offer solutions to improve the reliability during CT saturation, relaxing the CT requirements. Some of this solutions are: –Overcurrent units based on peak values enabled when a CT saturation detector activates. –Directional units based on dual CT currents to improve the security during reverse faults in breaker and a half bays. –Complementary units to the differential units such as units that compare the ratio of differential/restraint currents and directional comparison units. –Dynamic harmonic restraint/blocking: allows disabling the harmonic restraint/blocking during internal faults with CT saturation. –Sub-cycle distance units complemented with a saturatiom detector that tilts the reactance line and reduces the resistive reach. REFERENCES 1. S. Holst and B. S. Palki, “Coordination of fast numerical relays and current transformers — Overdimensioning factors and influencing parameters,” ABB. 2. S. E. Zocholl and D. W. Smaha, “Current transformer concepts,” Proceddings 74 Ingenierías, Abril-junio 2017, Vol. XX, No. 75 �CT saturation and its influence on protective relays / Roberto Cimadevilla & Ainhoa Fernández 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. of the 19th Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, Washington, Oct. 1992. R. Cimadevilla, “New protection units included in differential relays,” Proceddings of te 2011 PAC Conference, Dublin, Jun. 2011. R. Cimadevilla, “Protection for Breaker and a Half or Ring Bays,” Proceedings of the 2009 SEAPAC, Melbourne, Mar. 2009. R. Cimadevilla and S. López, “New Requirements for High Voltage Transformer Protection,” Proceedings of the 2009 SEAPAC, Mar. 2009. Instruction Manual, ZIV ‘‘Transformer Protection Model IDV’’, Z mudio, Spain, Reference BIDV1112Av07. Instruction Manual, ZIV ‘‘Busbar Protection Model DBN’’, Zamudio, Spain, Reference BDBN0901Av07. R. Cimadevilla, “Inrush currents and their effect on protective relays,” Proceedings of the 2013 TAMU Conference for Protective Relay Engineers, College Station, Texas, Apr. 2013. R. Cimadevilla and I. García, “Sub-cycle distance units: Design, testing and real operation,” Proceedings of the 2015 PAC Conference, Glasgow, June 2015. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Vol. XX, No. 75 75 �Eventos y reconocimientos ING. GUADALUPE E. CEDILLO GARZA: FORJADOR DE INGENIEROS La Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) celebró el pasado 20 de enero, los 60 años de vida académica, formando ingenieros en la FIME, del Ing. Guadalupe E. Cedillo Garza. La celebración estuvo encabezada por el Mtro. Rogelio G.Garza Rivera, Rector de la UANL; Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, Director de la FIME y el Dr. Celso José Garza Acuña, Secretario de Extensión y Cultura; también estuvieron presentes ex rectores, ex directores, miembros de la Junta de Gobierno; profesores y alumnos. El Ing. Cedillo Garza fue Director de la FIME, Presidente de la Junta de Gobierno, es Profesor Emérito y maestro Decano. Se reconoció su actividad y constancia académica, El Ing. Guadalupe E. Cedillo con el libro “Forjador de Ingenieros” preparado por la FIME en su honor. Lo acompañan: el Rector de la UANL, Mtro. Rogelio G. Garza Rivera, y el Director de la FIME, Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo. 76 ya que continúa actualizándose y ofreciendo cursos de matemáticas en el área de ciencias básicas. RINDE PROTESTA COMO DIRECTOR DE LA FIME EL DR. JAIME ARTURO CASTILLO ELIZONDO El pasado 6 de abril de 2017, asumió el cargo de Director de la FIME para el período 2017-2020, el Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, quien rindió protesta ante la Junta de Gobierno, presidida por el Dr. José Santos García Alvarado. Después de que le fue impuesta la Medalla “Venera”, el director expresó su compromiso para continuar el trabajo orientado a convertir a la FIME en la mejor facultad de ingeniería. El Rector de la UANL, Mtro. Rogelio G. Garza Rivera lo felicitó por haber asumido este cargo, a la vez que exhortó a los presentes para continuar en el esfuerzo en este segundo período. El Director de la FIME, Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, dirigiendo un mensaje durante la ceremonia en la que rindió protesta. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Año. XX, No. 75 �Tesistas titulados de Maestría en la FIME-UANL * Enero - Marzo 2017 Rafael Vela López, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable. Modelado computacional de fluidos de la transición entre la zona de calentamiento y la zona de enfriamiento de un horno túnel, 13 de enero. Rosa Dolores Ortega Reyes, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Comportamiento microestructural y mecánico en la aleación resistente al calor HR32 sometida a tratamiento de envejecimiento, 19 de enero. Julio Grimaldo Lee, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Estudio del comportamiento termomecánico de una aleación Ti-Al- V-Fe para aplicaciones en la industria aeronáutica. 23 de enero Adriana Rodríguez Liñán, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Estudio experimental de la soldadura por haz de electrones de acero para aplicaciones automotrices, 24 de enero. Ana Karen Vega Rivera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Obtención de cargas en el Trailer Hitch mediante simulación de dinámica vehicular en Tuvksim, 24 de enero. Alfonso Banda Urbina, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Análisis e implementación de estrategias de control tolerante, 25 de enero. Jorge Alberto Aguilar Navarro, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Medición de esfuerzos residuales mediante la técnica de replicación de identaciones de mondoloques V8 de aluminio, 30 de enero. Claudia Susana Cázares González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Estudio del efecto de la velocidad de temple sobre la precipitación en aleaciones aluminio-silicio-magnesio. 22 de febrero. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Año XX, No. 75 77 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, exactitud de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de 78 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico y las fichas biográficas de cada autor en CD a la dirección de contacto, o por e-mail a revistaingenierias@uanl.mx . El artículo debe estar escrito en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo en Word o algún formato compatible con este software. La extensión máxima es de 15 páginas, el título del artículo no debe exceder de 80 caracteres, el número máximo de autores por artículo es cinco. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deben incluir en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. El material gráfico (imágenes y gráficas) utilizadas en el artículo deberán enviarse en archivos individuales en formato .tif, .jpg o .bmp en una resolución mínima de 1800 X 1800 puntos (eso una resolución de 300 dpi y 15 cm en el lado más pequeño de la imagen). Las fichas biográficas deben ser de máximo 100 palabras. CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx Ingenierías, Abril-Junio 2017, Año. XX, No. 75 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Revisores Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Abril-Junio 2017, Año XX, No. 75 79 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. 80 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. Ingenierías, Abril-Junio 2017, Año. XX, No. 75 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2017 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 20 Número Número de la revista 75 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2017, Año 20, No 75, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2017 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020838 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Corriente inrush Eigenvalores Prueba HIL Transformador Umbral https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20797/Ingenierias_2017_Ano_20_No_74_Enero-Marzo.pdf 82e7fa8e719affd639ebd08955b692f1 PDF Text Text ��74 Contenido Enero-Marzo de 2017, Año XX, No. 74 2 Directorio 3 Editorial: Acciones y excelencia académica Guadalupe Evaristo Cedillo Garza 7 Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente para mitigar desconexiones en cascada Clifford Mostacero, Mijhael Tuesta, Enrique Moldauer, Ernesto Tito, Yofre Jácome, Roberto Ramírez 24 Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores de protección Cristian A. Meraz, José de J. Durón, Jeziel O. Juárez, Alberto Castillo 38 Revalorización de los residuos de café en la eliminación de ácido carmínico Nancy Elizabeth Dávila Guzmán, Felipe de Jesús Cerino Córdova, Víctor Manuel Ovando Medina, Andrés Iván Pérez Briones, María de la Luz Díaz de León Garza 50 Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de la Central Hidroeléctrica “Ing. Carlos Ramírez Ulloa” Mauricio Sosa 74 Eventos y reconocimientos 76 Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL 78 Tesistas titulados de Maestría en la FIME-UANL 80 Acuse de recibo 81 Colaboradores 82 Información para colaboradores 83 Código de ética Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año XX, No. 74 � �DIRECTORIO Ingenierías, Año XX N° 74, enero-marzo 2017. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Impresos Baez, Jesús M. Garza 3219 Oriente, Col Francisco I. Madero, Monterrey Nuevo León, México, C.P. 64560. Fecha de terminación de impresión: 15 de enero de 2017. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2017 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Mtro. Rogelio G. Garza Rivera Rector M.A. Carmen del Rosario de la Fuente García Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Dr. Celso José Garza Acuña Secretario de Extensión y Cultura Lic. Antonio Ramos Revillas Director de Editorial Universitaria FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. 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COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñán, FIME-UANL. � Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año XX, No. 74 �Editorial: Acciones y excelencia académica Guadalupe E. Cedillo Garza Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica guadalupe.cedillogr@uanl.edu.mx Existen ejemplos diversos en la historia que demuestran que hay acciones críticas que ejecutadas en circunstancias especiales, han sido la causa del ascenso de imperios, gobiernos y sociedades, mientras que la falta de acción así como el abandono de oportunidades por omisión debida a la ignorancia, el temor o la falta de visión, han llevado a su caída. Si nos centramos en una institución educativa, podemos destacar que el desarrollo de la excelencia académica está sujeto a: a) presiones sociales, como la aceptación de más estudiantes; b) laborales, como la exigencia, cada vez mayor, sobre todo en términos administrativos, para los profesores; además de c) otras demandas externas de ranking e indicadores, así como d) el medio empresarial que exige que los egresados construyan competencias de especialización, a veces olvidando las básicas, de manera que una parte importante de la inversión en educación, de hecho lo sea en capacitación, con cargo a la institución educativa. Lo que llama más la atención en estas condiciones es que parecen olvidar que la academia es la esencia de una institución educativa, la cual está en principio al servicio de la sociedad. Poniendo como ejemplo a una escuela de ingeniería, ésta debe formar ingenieros que hagan ingeniería para todos y no para unos cuantos. Por esta razón, todo plan institucional debe considerar especialmente el aspecto académico, teniendo presente que cada institución tiene circunstancias particulares, por lo que no es posible establecer planes mediante imitación y menos aún bajo esquemas administrativos que pretenden hacerse pasar por académicos. La academia debe tenerse presente más allá del discurso, los planes que al final funcionan son aquellos que parten de una realidad que está plenamente identificada y aceptada, a fin de establecer objetivos, metas, estrategias que conllevan acciones bien definidas que se deben realizan cabalmente. Lograr la excelencia académica implica un proceso de actualización constante, en donde el primer paso infiere una conciencia profunda de que existe la necesidad de mejorar. La aceptación de una debilidad dentro de una institución educativa es un estado que requiere una madurez administrativa capaz de cultivar la semilla de la crítica constructiva. Un error común de las administraciones es caer en espejismos causados por la exaltación de logros particulares que no están asociados al objetivo primario de la excelencia académica, pero que sí provocan una sensación de confianza y una actitud de autocomplacencia que no tienen fundamento. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año XX, No. 74 � �Acciones y excelencia académica / Guadalupe E. Cedillo Garza La falta de conciencia académica en las administraciones las hace presentar números que se refieren a la capacidad académica que se obtienen a partir de análisis que no se sustentan en criterios académicos, pero que a pesar de su falta de justificación llegan a considerarse válidos, al grado que se les toma en cuenta para planificar sobre el desarrollo académico de las instituciones. En el mejor de los casos, un sistema bajo estas directivas se mantiene estático, pero lo más probable es que en comparación con otros sistemas que sí alinean su administración a su quehacer, haya en efecto un retroceso. Es posible que las consecuencias no se aprecien en un plazo inmediato, de manera que hay una apariencia de estabilidad que también contribuye al ambiente de confianza, que evita que se observen las tendencias y se descuiden las oportunidades de mejora. La administración en un medio académico cumple la misma función que en cualquier organización, es decir, coordina a los actores asegurándose de que cada uno cuente con los medios para efectuar sus tareas, que ninguna de ellas es redundante o superflua, están correctamente asignadas y se asegura de que se cumplan responsablemente. Los académicos son los actores y la mejor administración en este caso, es la que se lleva a cabo por administradores que comprenden que la academia y la administración son de naturaleza diferente, por lo que están conscientes de la importancia de la academia, poniéndose a su servicio. Los requerimientos de la academia deben ser cubiertos desde un marco de referencia académico, el bajo perfil de un profesor no puede ser compensado por capacidades administrativas o de otra índole, de manera que las políticas de contratación de profesores, de cualquier categoría, deben estar ligadas a las necesidades de la academia y por lo tanto el perfil académico es mandatorio. El examen de oposición es lo más elemental en la escala de procedimientos para la selección abierta de candidatos en protocolos que se utilizan por organismos dedicados a la educación, ciencia, tecnología y cultura en México y otros países. La selección de candidatos mediante esos protocolos suele incluir además pruebas de campo, entrevistas, ensayos y contraste de prospectivas, que son revisadas por comités compuestos por académicos cuyos perfiles y trayectorias están más que probadas por sus reconocimientos externos a sus instituciones. La intención de una selección rigurosa es cumplir con uno de los requerimientos más importantes para el buen desarrollo académico de profesores y estudiantes, el cual consiste en contratar únicamente a los profesores que cumplen con el perfil académico propio de cualquier institución de prestigio y cuyas áreas de especialidad corresponden estrictamente con la demanda de los programas educativos de las instituciones. También es conveniente asegurarse de que los profesores ya contratados estén asignados a sus áreas de especialidad y brindar capacitación inflexiblemente académica a quienes muestren algún rezago o falta de actualización, en las áreas que correspondan a su formación. Las administraciones deben ser facilitadoras para que la contratación se lleve a cabo de esa forma para todas la áreas, con énfasis especial en las ciencias básicas, que constituyen el fundamento de la formación ingenieril. � Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año XX, No. 74 �Acciones y excelencia académica / Guadalupe E. Cedillo Garza También deben asegurarse, de la misma manera que para los profesores, que los estudiantes admitidos tengan el perfil apropiado para que se desempeñen satisfactoriamente. No se deben promover actitudes que permitan que los profesores y estudiantes reduzcan su nivel, el ambiente de una institución educativa debe ser precisamente ese, de escuela. A la vista de la experiencia propia de un académico activo que ha tenido la oportunidad para interactuar con diferentes círculos académicos y con la ocasión para conocer ciertos planes y sus acciones asociadas, pudiendo ver tanto sus antecedentes, como su evolución y resultados, puedo decir que las situaciones más desfavorables para la academia son aquellas en las que el profesor permite que la carga de reportes, informes y otras actividades propias de la administración lo abrumen, a tal grado que ya no tenga tiempo para la academia. Otra situación contraria es que los contenidos de los cursos se repitan en diferentes materias. Los casos más graves se dan cuando al amparo de esa situación los contenidos llegan a omitirse en las diferentes clases así que al final nadie los cubre, o cuando se ofrecen cursos cuyo contenido corresponde a niveles inferiores al que se está impartiendo, como por ejemplo, cursos de nivel preparatoria en la licenciatura o cursos de nivel licenciatura en el posgrado. Una consecuencia de esto, es que se promueve que los profesores, aun aquellos con el más alto espíritu académico, desechen sus esfuerzos por superarse, además de que la repetición aburre a los buenos estudiantes, quienes comienzan a realizar actividades ajenas a su formación, sin considerar que su preparación requiere dedicación dentro y fuera del aula. Esta discrepancia en niveles y actitudes puede y debe ser atendida por los académicos, ya que dada su naturaleza no es posible su valoración desde una perspectiva administrativa. Toda organización enfrenta múltiples variables internas y externas que impactan al sistema, y una que sin duda juega un papel muy importante en la dirección y administración de una institución educativa es el factor humano, pero aun así, sería pernicioso para el desarrollo académico, establecer objetivos primarios basados únicamente en políticas conciliadoras, incluso paternalistas, que provocan situaciones de tolerancia que abandonan el objetivo académico esencial. El camino para la excelencia académica está en que se trabaje en torno a la academia para apoyarla en la elaboración de los planes de estudio de los programas educativos e impartición de cursos, por mencionar algunas actividades. Lo más importante es que la calificación de excelencia no proviene de la autoproclamación, sino del desempeño sobresaliente de los profesores en las diferentes convocatorias, del de los estudiantes en instituciones reconocidas por su semblante competitivo, así como de los egresados y graduados en el exterior, cuya valoración de alguna manera se aprecia en su bienestar socioeconómico y su incidencia en la sociedad. Encontrar una vía hacia la excelencia académica requiere más que buena voluntad, requiere de que se ejecuten las acciones pertinentes para ese objetivo. La unión de los profesores dedicados al trabajo académico debe ser fincada e impulsada por las administraciones ya que esta forma de unidad es la única que se refleja directamente en resultados académicos de excelencia, en tanto Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año XX, No. 74 � �Acciones y excelencia académica / Guadalupe E. Cedillo Garza que la unidad en torno a otros valores que no consideren al aspecto académico son irrelevantes para el desarrollo de la academia. Nadie entiende mejor a la academia que los académicos, y por eso somos nosotros los que debemos proponer las acciones más efectivas, ya que de hacerlo así, se podrán encontrar los cambios mínimos necesarios que produzcan el efecto máximo deseado. Por lo tanto, nuestro clamor académico debe ser escuchado en favor de lograr la excelencia. � Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año XX, No. 74 �Desconexión automática de carga del sistema eléctrico peruano Centro Oriente para mitigar desconexiones en cascada Clifford Mostacero, Mijhael Tuesta, Enrique Moldauer, Ernesto Tito, Yofre Jácome, Roberto Ramírez Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional, Lima, Perú clifford.mostacero@coes.org.pe RESUMEN Las líneas de transmisión en el sistema eléctrico peruano están expuestas a sufrir fallas eléctricas debido a descargas atmosféricas, pudiendo generar interrupción de servicio y daños a los equipos. Estas fallas pueden producir desconexiones en cascada generando apagones, por lo que se deben elaborar esquemas automáticos con el objetivo de mitigar estas desconexiones. En este trabajo se muestra el análisis para la implementación del esquema de desconexión automática de carga del área Centro Oriente utilizando el software DIgSILENT PowerFactory para verificar las lógicas y definir los ajustes adecuados para el esquema. PALABRAS CLAVE: Desconexión de carga, análisis de contingencias, automatización. ABSTRACT The transmission lines in the Peruvian electrical system are exposed to failure due to atmospheric discharges, which can produce service interruption and damages of devices. These failures can produce disconnection in cascade and blackouts, therefore, automatic schemes must be elaborated aiming to mitigate these disconnections. An analysis for the implementation of the automatic disconnection scheme in the Central East area using DIgSILENT PowerFactory software was used to verify logistics and define the proper adjustments for the scheme is shown in this work. KEYWORDS: Charge disconnection, contingency analysis, automation. Nomenclatura SEIN: Sistema Eléctrico Interconectado Nacional Peruano. COES: Comité de Operación Económica del Sistema Peruano. SE: Subestación. CT: Central Térmica. DSL: DIgSILENT simulation language. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 � �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. INTRODUCCIÓN El sistema Centro Oriente del SEIN, es netamente radial alimentado a través de dos enlaces, uno de 220 kV y otro de 138 kV. En el área Centro Oriente del SEIN, la CT Aguaytía operaba para regular la tensión (figura 1), pero debido al ingreso de un equipo de compensación reactiva (STATCOM) en Pucallpa, la central no está siendo operada por despacho. Fig.1. Unfilar del sistema eléctrico área Centro Oriente. Entre los meses de diciembre a abril, es la temporada de lluvias en la sierra y la selva de Perú, por lo que la probabilidad de fallas por descargas atmosféricas se incrementa, y con la configurauración actual del SEIN al provocarse la desconexión por falla del enlace de 220 kV (línea L-2252), se originarían sobrecargas en el enlace de 138 kV. Es importante notar que la presencia de los equipos de compensación reactiva evitan que se produzca una caída de tensión suficiente para poder activar los relés de mínima tensión en los puntos de carga, produciendo la actuación de las protecciones de sobre corriente o distancia de las líneas y transformadores del enlace de 138 kV, y consecuencia de estos eventos se interrumpen grandes cantidades de carga en el centro oriente del SEIN. Por ello es necesario implementar un esquema de rechazo automático de carga ante la desconexión del enlace de 220 kV, que permita disminuir las sobrecargas de forma rápida y evite la desconexión de líneas y transformadores en cascada. ANTECEDENTES Debido al incremento de la demanda por el desarrollo en el Área Centro Oriente del Sistema Peruano se han venido realizado proyectos como la ampliación de la capacidad de transformación en las SS. EE. Aguaytía y Pucallpa, e instalación de un STATCOM en la SE Pucallpa 60 kV, tal y como se muestra en la figura 1. � Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Antes del ingreso del STATCOM, la CT Aguaytía operaba para mantener los niveles de tensión en la zona de Aguaytía y Pucallpa, pero con el ingreso de la compensación reactiva en Pucallpa, esta central no es operada por despacho económico; si bien en condiciones normales el sistema opera sin restricciones, ante la pérdida de un enlace, se pueden producir desconexiones en cascada. Durante la temporada de lluvia se producen fallas por descargas atmosféricas en las líneas de transmisión, las cuales pese a contar con apantallamiento y recierre monofásico ocasionan desconexiones de líneas de transmisión. Luego del ingreso de las ampliaciones de subestaciones e implementación del STATCOM de la SE Pucallpa, se han producido eventos como la desconexión del enlace de 220 kV (línea L-2252) por falla, ocasionando la posterior desconexión del autotransformador 220/138 kV de la SE Paragsha, ocasionando pérdidas de suministro en ciudades importantes como Huánuco, Tingo María, Tarapoto y Cerro de Pasco, interrumpiendo alrededor de 130.4 MW. En la figura 2 se puede apreciar la ubicación de falla de este evento. Fig. 2. Falla monofásica en la L-2252 a 39 km de SE Vizcarra 220 kV. También, en otros escenarios, se ha producido una falla en la línea L-2252, dejando a esta zona conectada al SEIN con un enlace débil, provocando sobrecargas superiores al 120% de las líneas de 138 kV y del autotransformador 220/138 kV de la SE Paragsha. Como consecuencia de este evento, las tensiones disminuyeron en las barras de 138 kV del enlace, la sobrecarga y las caídas de tensión activaron protecciones que desconectaron líneas como se puede notar en la figura 3 (oscilografía del último evento registrado), por lo tanto se interrumpió el suministro en la zona Centro Oriente. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 � �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Fig. 3. Caída de tensión en el Centro Oriente y desconexión de la L-1017. Análisis del problema Ante los eventos suscitados, se ha realizado el análisis para evaluar las consecuencias al desconectar la línea L-2252, y en base a ello proponer soluciones de corto, mediano y largo plazo. Para ello en base a la información obtenida del SCADA del COES se determinó los límites de potencia activa para las líneas L-2252, L-2251 y la potencia del autotransformador de Paragsha, como se muestra en la figura 4, con esta información se elaboró los escenarios de operación para la simulación en DIgSILENT. Adicionalmente, en la figura 5 se muestra los registros de operación de la CT Aguaytía, donde observa que esta central no opera por despacho y solo lo hace ante alguna contingencia en el SEIN. También, se realizó un análisis cualitativo sobre la carga que soportaría la línea de 138 kV L-1142 (Solo potencia activa MW), con la línea L2252 fuera de servicio. En esta condición esta línea tendría que asumir la carga de Tingo María, Aguaytía, Pucallpa, Aucayacu, Tocache, Juanjui, Bellavista, Moyobamba y Tarapoto. Se observa que la potencia por el enlace de 138 kV llegaría a 110 MW (ver figura 6), lo cual representa una carga de 240% en este enlace, por este motivo es necesario la implementación de un esquema especial de protección que desconecte parte de la carga y evite el colapso en cascada. Se han simulado en el software DIgSILENT los escenarios de máxima, media y mínima demanda. Siendo evidentes las sobrecargas en el enlace de 138 kV en máxima demanda sin considerar la operación de la CT Aguaytía como se puede ver en la figura 15. De esta sobrecarga, la más crítica se da en la L–1142, la cual llega hasta el 239% de carga. Cabe resaltar la posibilidad que en horas de máxima demanda, al producirse la falla de la línea L-2252 se desconecte el autotransformador de Paragsha por sobrecarga. 10 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Fig. 4. Potencia activa en (a) la línea L-2251, (b) la línea K- 2252, y (c) el transformador T37-211. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 11 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Fig. 5. Despacho de la CT Aguaytía. Asimismo a consecuencia de estos eventos, las tensiones en la zona Centro Oriente disminuyen muy por debajo de los valores permitidos por la NTCSE,1 como se puede ver en la figura 6, la mínima tensión y la sobrecarga activan las protecciones, desconectando líneas, por lo tanto interrumpen el suministro de energía eléctrica. Por ello es necesario implementar un esquema especial de protección que rechace automáticamente carga ante la desconexión del enlace de 220 kV (L-2252), y permita controlar las sobrecargas en las líneas de 138 kV. Además, evita la desconexión indebida del autotransformador 220/138 kV de la SE Paragsha y la desconexión por mínima tensión de las líneas que unen el enlace Centro Oriente. Fig. 6. Potencia activa por la L-1142. 12 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Planteamiento y descripción del esquema propuesto Para la implementación del esquema se realiza con los relés de distancia ABB REL670 de las líneas L-2251 y L-2252 instalados en la SE Tingo María, los cuales se muestran en la figura 7. Fig. 7. Esquema de desconexión de carga del sistema eléctrico Centro Oriente. La activación del esquema, debe producirse ante una desconexión súbita de la línea L-2252 por maniobra accidental o falla, en condiciones en la que el flujo de potencia en la línea supere niveles tales que al desconectar la L-2252 se provoque sobrecarga y posterior desconexión en las líneas del enlace de 138 kV o el autotransformador 220/138 kV de la SE Paragsha. Para la determinación de los ajustes se han evaluado tres condiciones de flujo de potencia prefalla en las líneas L-2251 y L-2252 los cuales se presentan en las siguientes condiciones: Escenario 1. Máxima demanda sin unidades de generación en la CT Aguaytia. Escenario 2. Dos unidades de generación de la CT Aguaytia en servicio. Escenario 3. Una o dos unidades de generación de la CT Aguaytia en servicio y desconexión de los mismos ante una falla en la línea L2252. A continuación se muestran las lógicas propuestas y sus ajustes determinados. LÓGICAS DE DISPARO Escenario 1 En el escenario de máxima demanda, sin la CT Aguaytia, de producirse la desconexión de la línea L-2252, se debe activar el esquema Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 13 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. desconectando la línea L-2251. Para implementar un esquema de desconexión de carga adecuado para este escenario, se debe contar con la medición del flujo de potencia activa de las líneas L-2251 y L-2252 en la SE Tingo María, ya que en escenarios como mínima demanda no es necesario desconectar cargas. En el caso de la línea L-2251 el flujo de potencia tendrá signo positivo (flujo saliente) en la SE Tingo María, mientras que en el caso de la línea L-2252 el flujo de potencia signo negativo (flujo entrante) en la SE Tingo María. La condición de la línea fuera de servicio (L-2252 F-S) se debe activar en caso esta línea quede desconectada por una maniobra accidental. En la figura 8 se muestra el esquema lógico propuesto. Fig. 8. Esquema lógico propuesto para el escenario 1. Escenario 2 Para esta lógica se requiere contar con la medición del flujo de potencia activa en las líneas L-2251 y L-2252 en la SE Tingo María los cuales deben tener el signo negativo (P<<0) y positivo (P>>0) respectivamente en la condición de prefalla. Ante esta condición, la desconexión de la línea L-2252 por falla o maniobra accidental debe conducir a la desconexión de la línea L-2251, de acuerdo al esquema lógico de la figura 9. Fig. 9. Esquema lógico propuesto para el escenario 2. Escenario 3 En este escenario se considera la condición de prefalla con la SE Aguaytia (una o dos unidades en servicio), y que posterior a la desconexión de la línea L-2252 estas unidades desconecten (se observó en las simulaciones que hay la posibilidad de que estas unidades pierdan el sincronismo ante este tipo de contingencias). Con esta secuencia de eventos el flujo de potencia activa en la línea L-2251 cambiará de 14 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. signo pudiendo ocasionar una operación indebida de los esquemas correspondientes a los escenarios 1 y 2. Por lo tanto, se debe considerar este cambio de signo de la potencia como una condición de disparo, pero con la señal permisiva de que la línea L-2252 se encuentre desconectada (L-2252 F-S). En la figura 10 se muestra el esquema lógico propuesto. Fig. 10. Esquema lógico propuesto para el escenario 3. Ajustes propuestos para las lógicas Para la determinación de los ajustes de los esquemas lógicos se han realizado simulaciones de falla en la línea L-2252 con disparo trifásico definitivo utilizando el módulo RMS/EMT del software DIgSILENT. Como resultado es esta simulaciones se han determinado los siguientes ajustes: Para el escenario 1, los ajustes recomendados son los mostrados en la tabla I. Para el escenario 2, los ajustes recomendados son los mostrados en la tabla II. Para el escenario 3, los ajustes recomendados son los mostrados en la tabla III. Se debe tener en cuenta que se utilizará una señal del escenario 1 (P À 2251). Tabla I. Ajustes para el escenario 1. Señal Ajuste P >> L-2251 20 MW P << L-2252 -30 MW Tabla II. Ajustes para el escenario 2. Señal Ajuste P >> L-2251 -100 MW P << L-2252 20 MW Tabla III. Ajustes para el escenario 3. Señal Ajuste P >> L-2251 20 MW P << L-2252 2 MW Simulaciones realizadas Con la finalidad de verificar la correcta actuación de los esquemas propuestos con los ajustes definidos se procedió a simular las lógicas en el software DIgSILENT (mediante el uso de DSL). Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 15 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Se desarrolló el composite frame (figura. 11), en el cual se modela la conexión de las señales de los equipos existentes que serán utilizadas por las lógicas a implementar (potencias de las líneas L-2251 y L-2252 y actuación de los relés de protección, representadas por la actuación de los interruptores). Fig. 11. Esquema del composite frame. Para la elaboración de las lógicas creadas en DIgSILENT mediante el model definition se desarrollaron las ecuaciones mostradas según la figura 12, y luego se procedió a ingresar los ajustes propuestos que se muestran en la figura. 13. Fig. 12. Ecuaciones del model definition. Fig. 13. Ajustes propuestos ingresados en el software. 16 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Una vez implementadas las lógicas, se procedió a simularlas para verificar su operación. Verificación del esquema 1 En las figuras 14, 15 y 16 se muestran los resultados sin el esquema propuesto y luego en las figuras 17 y 18 se muestran los resultados con el esquema propuesto. Fig. 14. Sobrecarga del autotransformador de Paragsha luego del evento en los períodos de avenida máxima, media y mínima. Fig. 15. Sobrecarga de las líneas de transmisión cercanas en el período de avenida máxima. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 17 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Fig. 16. Perfil de tensiones en barra del oriente en el período de avenida máxima. Fig. 17. Sobrecarga de las líneas de transmisión cercanas y del transformador de Paragsha en el período de avenida máxima. Verificación del esquema 2 En las figuras 19 y 20 se muestran los resultados sin el esquema propuesto, y en las figura. 21 y 22 con el esquema propuesto. Verificación del esquema 3 En la figuras 23 y 24 se muestran los resultados sin el esquema propuesto, y en las figuras 25 y 26 con el esquema propuesto. 18 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Fig. 18. Perfil de tensiones en barras del oriente en el período de avenida máxima. Fig. 19. Sobrecarga de las líneas de transmisión cercanas y del transformador de Paragsha en el período de avenida máxima. COMENTARIOS FINALES En la configuración actual del sistema eléctrico peruano (con la CT Aguaytía fuera de servicio por despacho económico), la desconexión intempestiva del enlace de 220 kV (línea L-2252), generará: • Sobrecargas en las líneas de transmisión del enlace de 138 kV de la zona Centro Oriente, siendo la más crítica en la línea L-1142. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 19 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Fig. 20. Perfil de tensiones en barras del oriente en el período de avenida mínima. Fig. 21. Sobre carga de tensiones en barras del oriente en el período de avenida mínima. • Los niveles altos de carga, y la caída de tensión en el enlace de 138 kV de la zona Centro Oriente, activa las protecciones de sobrecorriente y distancia de las líneas del enlace, provocando su operación. La operación de la CT Aguaytía evitaría las fuertes caídas de tensión, sin embargo estas unidades no están siendo operadas por despacho económico. 20 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Fig. 22. Perfil de tensiones en barras del oriente en el período de avenida mínima. Fig. 23. Sobrecarga de las líneas de transmisión cercanas y del autotransformador de Paragsha en el período de avenida máxima. La implementación del esquema es realizado sin la necesidad de la instalación de nuevos equipos de protección, debido a que actualmente la SE Tingo María cuenta con relés de protección REL670 que pueden ser integrados a través del protocolo de comunicación IEC 61850. Con la implementación del esquema de rechazo automático de carga, se disminuyen las sobrecargas en las líneas de transmisión de la zona Centro Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 21 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Fig. 24. Perfil de tensiones en barras del oriente en el período de avenida máxima. Fig. 25. Sobrecarga de las líneas de transmisión cercanas y del transformador de Paragsha en el período de avenida máxima. Oriente por debajo y las caídas de tensión, por lo que no se produce la actuación de la protección de las líneas del enlace de 138 kV. 22 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Desconexión automática del sistema eléctrico peruano Centro Oriente .../ Clifford Mostacero, et al. Fig. 26. Perfil de tensiones en barra del oriente en el período de avenida máxima. Referencias 1. Ministerio de Energía y Minas DGE, Norma Técnica de Calidad de los Servicios Eléctricos. Perú. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 23 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores de protección Cristian A. Meraz, José de J. Durón, Jeziel O. Juárez, Alberto Castillo Instituto Tecnológico de Cuidad Madero, División de Estudios de Posgrado e Investigación, Cd. Madero, Tamps., México RESUMEN En este trabajo se construye un modelo de la bobina Rogowski que se valida mediante la prueba de un prototipo fabricado para ese propósito. El modelo se desarrolló en Matlab®Simulink y con el software ATPDraw® mientras que el prototipo se implementó en un revelador estático diferencial de barra para poder observar su comportamiento y respuesta a las fallas. PALABRAS CLAVE Bobina Rogowski, relevador estático diferencial, modelado. ABSTRACT In this work, a model of a Rogowski coil was built and validated by testing a prototype fabricated for this purpose. The wodel was developed in Matlab®Simulink and ATPDraw® software, while the prototype was implemented in an static differential rod relevator for observing its behavior and response to failure. KEYWORDS Rogowski coil, static differential rod developer, modeling. INTRODUCCIÓN Las bobinas Rogowski son dispositivos sencillos, confiables y versátiles para hacer mediciones de corriente en una amplia gama de aplicaciones. Se construyó una bobina Rogowski y el circuito de acondicionamiento de la señal para poder hacer mediciones de corriente, sin interferir en el circuito. 1 La bobina de Rogowski consiste en un círculo uniforme de alambre enrollado sobre un núcleo sólido de determinado material flexible, aislante y no magnético.2 (figura 1). En este trabajo se construyó este dispositivo que mostró desempeño satisfactorio al momento de ser probado (figura 2). DESARROLLO DEL MODELO DE LA BOBINA DE ROGOWSKI La bobina de Rogowski es una bobina de núcleo de aire que mide la corriente alterna basándose en las leyes de Ampere y Faraday. Algunas principales ventajas son las siguientes:3 1) Soporta grandes sobrecargas sin daños; 2) Medición de corriente en una amplia gama sin saturación; 3) Fácil de usar debido a la 24 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Fig. 1. Bobina de Rogowski con circuito de acondicionamiento de la señal. Fig. 2. Respuesta de la bobina Rogowski instalada a una carga resistiva de 900 W, 6.8 A. flexibilidad y peso ligero; 4) Bajo costo; 5) Naturaleza no intrusiva (prácticamente no extrae energía del circuito); 6) Amplio ancho de banda, en un rango de 0.1 Hz a 1 GHz; 7) Excelente respuesta transitoria; y 8) Segura (aislada del circuito principal eléctricamente). Para evaluar los resultados experimentales, es indispensable tener un modelo matemático que proporcione información de la respuesta de la bobina Rogowski. La figura 3 muestra la estructura de la bobina en cuanto a la relación entre la corriente de entrada (i(t)) y el voltaje de salida (Vrc (t)) que está dada por: (1) Donde M es la inductancia mutua: (2) donde µ0 es la permeabilidad del aire (4π × 10-7H/m), N es el número de espiras de la bobina construida, h es la altura de la bobina, a es el diámetro interior de la bobina construida, y b es el diámetro exterior de la bobina construida. También se puede calcular los valores de R1, L1 y C1, respectivamente, con las siguiente fórmulas: Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 25 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Fig. 3. Estructura y modelo de la bobina Rogowski. (3) o (4) (5) (6) donde ρw es la resistividad del alambre devanado (1/58 Ω mm2 /m), lw es la longitud del cable devanado, r es el radio del cable devanado, y ε0 es la contante dieléctrica del vacío (10−9 /(36π) F/m). Por último, Z se modela como una impedancia externa en las terminales de la bobina, que incluye la resistencia de amortiguamiento. Esta resistencia es muy importante porque sin ella se produce un sobrepaso cerca de la frecuencia de resonancia:4 (7) Esta condición no causa ningún problema para las mediciones de frecuencia de potencia. Sin embargo, si la corriente primaria contiene componentes de frecuencia cerca de la de resonancia de la bobina, el rebasamiento puede afectar el funcionamiento del sistema. Por ejemplo, en las funciones de protección, los componentes de alta frecuencia de la corriente, pueden causar sobrepaso, lo que resulta en la mala operación del relevador. Este fenómeno es notable en la protección de los instrumentos electrónicos de potencia, debido a los transitorios de alta frecuencia durante tiempos de conmutación. En consecuencia, en la mayoría de los casos es necesario una resistencia de amortiguamiento.5 Cálculo del modelo en Matlab Con todas estas fórmulas se procede a hacer los cálculos para encontrar cada uno de los valores de la bobina para poder hacer la simulación de su comportamiento (figura 4). 26 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Fig. 4. Cálculo de los valores de la bobina construida. Circuito de acondicionamiento de la señal El circuito de procesamiento está compuesto por un amplificador y un integrador, como se muestra en la figura 5. Fig. 5. Circuito de amplificación e integración. En este caso se utilizaron amplificadores, operaciones para tener la señal final de la bobina y los valores de resistencia y capacitores son los mostrados en la tabla I. Para poder hacer el modelado, primeramente, se realizaron pruebas en laboratorio para obtener la respuesta de la bobina de Rogowski. En dicha pruebas se utilizó el Omicron CPC-100 que generó corrientes de 100, 400 y 600 A para poder realizar lo experimental (figura 6). Para poder obtener resultados de las señales se utilizó un medidor de energía de la marca SEL-735 que da como resultado las señales en tiempo real de lo experimental (figura 7). Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 27 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Tabla I. Valores de resistencia y capacitores para los AO. Referencia Valor Ry 1 KΩ Rx 100 KΩ R1 10 KΩ R2 1 MΩ C1 10 μF C2 0.5 μF Fig. 6. Circuito de amplificación y de integración. Fig. 7. Medidor de energía SEL-735. Modelado de la bobina de Rogowski en Matlab Simulink y ATPDraw Ya teniendo los parámetros de la bobina de Rogowski se procede a hacer la simulación tanto en Matlab Simulink (figura 8 a), como en ATPDraw (figura 8 b), utilizando modelos de fuente de corrientes de 100, 400 y 600 A, respectivamente, para obtener las señales correspondientes. 28 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Fig. 8. Simulación (con una fuente de 100 A): (a) en Matlab Simulink y (b) en ATPDraw. RESULTADOS EXPERIMENTALES Y SIMULADOS Por la parte de las señales, tanto para lo experimental como lo simulado, se extrae toda la información de las señales en archivos .mat para poder graficarse y comparar los resultados. Se crea un código en Matlab (figura 9) para poder hacer las gráficas de la figura 10. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 29 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Fig. 9. Código en MATLAB para obtener las gráficas (con una fuente de 100 A). Implementación de la bobina Rogowski en un relevador estático diferencial de barras La simulación se realiza en Matlab Simulink, donde se utiliza el modelo de un sistema eléctrico de potencia implementando 3 generadores trifásicos y una carga trifásica. Cuya protección es un relevador estático diferencial de barras acoplado al sistema con bobinas Rogowski que serán las encargadas de obtener mediciones y así opere o no el relevador. Cabe mencionar que para estas simulaciones se ocuparon dos escenarios, uno cuando la falla está dentro de la barra y el segundo cuando está fuera de ella. Por tal motivo, deberá operar el relevador cuando la falla este dentro de la barra, en caso contrario no detectará falla (figura 11). En la figura 11 se observan los sistemas en amarillo que son las bobinas de Rogowski, tres por cada módulo con un total de doce bobinas implementadas en el sistema eléctrico de potencia (figura 12). Uno de los puntos importantes es el relevador, que para este tipo de estudios es importante que su lógica esté diseñada para operar para fallas dentro de la barra a proteger. En la figura 13 se muestra la lógica de tal relevador. Los resultados finales de los casos muestran que todo el sistema de protección tiene un comportamiento bueno ante fallas internas como se muestra en las figuras 14 a 16. En el caso contrario donde la falla del sistema se encuentra fuera de las barras, se puede observar en las figuras 17 a 20, que el relevador de protección no opera ya que la falla se encuentra en una zona externa de las barras. 30 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Fig. 10. Resultados de experimental y modelado con (a) una fuente de 100 A, (b) una fuente de 400 A, y (c) una fuente de 600 A. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 31 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Fig. 11. Sistema eléctrico con 3 generadores y una carga trifásica. Fig. 12. Bobinas de Rogowsi por cada subsistema, una por cada fase. 32 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Fig. 13. Lógica del revelador estático diferencial de barra. Fig. 14. Gráficas de voltaje y corriente (a) en generadores, (b) en carga trifásica, y (c) en las barras, para falla dentro de las barras. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 33 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Fig. 15. Comportamiento de las bobinas de Rogowski de un generador con falla dentro de las barras. Fig. 16. Gráfica cuado la señal cambia y operan los interruptores en falla dentro de las barras. 34 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Fig. 17. Voltaje y corriente en (a) generadores, y (b) en carga trifásica, para falla externa. Fig. 18. Comportamiento de las bobinas de Rogowski de un generador con falla externa. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 35 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. Fig. 19. Comportamiento de las bobinas de Rogowski de un generador con falla externa. Fig. 20. Gráfica cuando la señal se mantiene y no opera los interruptores en falla externa. CONCLUSIÓN Con los resultados de este trabajo se confirma que se pueden utilizar bobinas de Rogowski para sistemas de protección ya que para grandes corrientes de falla no se tiene problemas de saturación como los tienen los transformadores de corriente y da como punto seguridad en los esquemas de protección. En otro punto, la bobina de Rogowski se puede utilizar para esquemas de medición de energía eléctrica. 36 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Construcción y modelado de bobina Rogowski para implementar en relevadores.../ Cristian A. Meraz, et al. REFERENCIAS 1. G. Robles, M. Argueso, J. Sanz, R. Giannetti, and B. Tellini, Identification of parameters in a Rogowski coil used for the measurement of partial discharges, in 2007 IEEE Instrumentation & Measurement Technology Conference IMTC 2007. IEEE, may 2007, pp. 1–4. [Online]. Available: http://ieeexplore.ieee. org/document/ 4258157/ 2. E. Hemmati and S. M. Shahrtash, Digital Compensation of Rogowski Coil’s Output Voltage, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 62, no. 1, pp. 71–82, jan 2013. [Online]. Available: http://ieeexplore. ieee.org/document/6327365/ figura 20. Gráfica cuando la señal se mantiene y no opera los interruptores en falla externa XIII Simposio Iberoamericano Sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia (2017) 1–7 7. 3. M. Shafiq, M. Lethonen, L. Kutt, G. A. Hussain, and G. M. Hashmi, Effect of Terminating Resistance on High Frequency Behaviour of Rogowski Coil for Transient Measurements, Electronics and Electrical Engineering, vol. 19, no. 7, sep 2013. [Online]. Available: http://www.eejournal.ktu.lt/index. php/elt/article/view/2070 4. G. M. Hashmi and M. Lehtonen, Effects of Rogowski coil and coveredconductor parameters on the performance of PD measurements in overhead distribution networks, in Proceedings of the 16th Power Systems Computation Conference, Glasgow, Scotland, 2008, p. 7. 5. M. H. Samimi, A. Mahari, M. A. Farahnakian, and H. Mohseni, The Rogowski Coil Principles and Applications: A Review, IEEE Sensors Journal, vol. 15, no. 2, pp. 651–658, feb 2015. [Online]. Available: http://ieeexplore.ieee. org/document/6922615/ 6. T. Ma, S. Dai, J. Zhang, and L. Zhao, Rogowski Coil for Current Measurement in a Cryogenic Environment, Measurement Science Review, vol. 15, no. 2, jan 2015. [Online]. Available: http://www.degruyter.com/ Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 37 �Revalorización de los residuos de café en la eliminación de ácido carmínico Nancy Elizabeth Dávila Guzmán,A Felipe de Jesús Cerino Córdova,A Víctor Manuel Ovando Medina,B Andrés Iván Pérez Briones,A María de la Luz Díaz de León GarzaA Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas, Departamento de Ingeniería Química B Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Coordinación Académica Región Altiplano, Departamento de Ingeniería Química felipejccuanl@yahoo.com.mx A RESUMEN La revalorización de residuos de café es realizada a través de la obtención de carbón activado y su posterior uso en la remoción de ácido carmínico. El carbón activado obtenido presentó una capacidad máxima de adsorción de 148 mg/g. Se evaluó el efecto del pH y la fuerza iónica sobre la capacidad de adsorción. El mecanismo de adsorción es propuesto como un mecanismo fisicoquímico de interacciones dispersivas del tipo �-�* y electrostáticas. La cinética de adsorción de ácido carmínico fue representada satisfactoriamente por el modelo de transferencia de masa externa, sugiriendo ser el paso de velocidad limitante. PALABRAS CLAVE Adsorción, biomasa, café, colorante, transferencia de masa. ABSTRACT In this work, an agroindustrial waste is revalorized by producing activated carbon and their posterior use in the removal of carminic acid. The obtained activated carbon showed a maximum adsorption capacity of 148 mg/g. The effect on the adsorption capacity of the ionic strength and pH was evaluated. The adsorption mechanism is proposed as a physicochemical mechanism of electrostatic interactions and �-�* dispersive interactions. The kinetics of carminic acid was represented satisfactory by the external mass transfer model, suggesting that this is the rate-limiting step. KEYWORDS Adsorption, biomass, coffee, dye, mass transfer. INTRODUCCIÓN Uno de los principales problemas a nivel mundial es la contaminación de los cuerpos de agua por los efluentes industriales. Los colorantes son uno de los principales contaminantes emitidos por diversas industrias como la textil, la alimenticia, la farmacéutica, entre otras. Esto representa un serio problema, por los daños ocasionados a las tierras de cultivo, la actividad acuícola y a la salud humana. Debido a los daños a la salud humana se ha implementado el uso 38 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Revalorización de los residuos de café en la eliminación de ácido carmínico / Nancy Elizabeth Dávila Guzmán, et al. de colorantes naturales, siendo el ácido carmínico uno de los más usados. No obstante, la compleja estructura de los colorantes dificulta la biodegradación de los mismos, incluso algunos intermediarios de la degradación son más tóxicos que el propio colorante, además la coloración generada aún a bajas concentraciones, conduce a una disminución en la penetración de la radiación solar, lo que afecta los procesos de fotosíntesis y bioquímicos que se llevan a cabo en los mantos acuíferos, conduciendo por lo general, al deceso de la biota marina.1,2 Para eliminar los colorantes de los cuerpos de aguas se han desarrollado diversos procesos como son la adsorción, coagulación-floculación, intercambio iónico, ozonación, biodegradación y electrodegradación, entre otros. Algunos de estos procesos son costosos y generan una gran cantidad de residuos. No obstante, los procesos de adsorción han sido de gran interés debido a su fácil operación, factibilidad de regeneración del adsorbente, bajo costo y altos rendimientos.3,4 El proceso de adsorción está englobado dentro de los procesos de transferencia de masa. La adsorción consiste en la acumulación de un sustrato sobre un material adsorbente. Estos procesos se ven afectados por diversos factores como son la temperatura, el pH, la naturaleza del material adsorbente y del adsorbato.4 A pesar de la eficiencia de los procesos de adsorción, pocos estudios se han realizado sobre la adsorción del ácido carmínico presente en efluentes acuosos. Atun et al. adsorbieron ácido carmínico sobre partículas de vidrio a pH 4 y una temperatura de 20 °C, obteniendo bajas capacidades de adsorción (4.03 mg/g);5 Cabrera et al. reportaron una capacidad máxima de adsorción de 61 mg/g en una resina de intercambio aniónico (Amberlita IRA-96) a pH 6 y 25ºC.6 Por otra parte, la adsorción de colorantes usando residuos agroindustriales como material adsorbente ha sido ampliamente estudiada debido a la necesidad de incrementar la sustentabilidad en los procesos de adsorción. Kyzas et al. usaron residuos de café como bioadsorbente para remover el colorante azul ramazol obteniendo una capacidad máxima de adsorción de 179 mg/g a pH 2.7 Fiorentin et al., adsorbieron colorante azul reactivo 5G sobre bagazo de naranja deshidratado logrando una capacidad máxima de adsorción de 46.87 mg/g a pH 2.8 Safa et al., obtuvieron capacidades de adsorción de 57.88 mg/g y 36.14 mg/g de rojo directo 31 y naranja directo 26, respectivamente, mediante cáscara de arroz.9 Asimismo, se ha evaluado el desempeño de carbones activados (CA) obtenidos a partir de residuos agroindustriales para la remoción de contaminantes presentes en soluciones acuosas. Georgin et al., obtuvieron CA a partir de la cascara de maní vía pirólisis convencional y mediante microondas, obteniendo materiales con áreas superficiales específicas de 370.1 y 395.8 m2/g, respectivamente.10 Este último CA fue empleado para adsorber el colorante rojo reactivo 141, logrando una capacidad máxima de adsorción de 284.5 mg/g a pH 2.5. Peláez et al., obtuvieron CA a partir de tallos de brócoli por un proceso de activación química con H3PO4 (85.5% V/V) logrando un área superficial específica de 1177 m2/g.11 Además, estudiaron la adsorción del colorante carmín índigo, reportando una capacidad máxima de adsorción de 312.5 mg/g a pH 5.3. Díaz et al., utilizaron residuos de café como precursor de CA para la adsorción de fenol.12 El material se obtuvo por activación física a 600 °C, alcanzando un área específica de 1280 m2/g. Por otra parte, los investigadores reportaron una capacidad máxima de Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 39 �Revalorización de los residuos de café en la eliminación de ácido carmínico / Nancy Elizabeth Dávila Guzmán, et al. adsorción de fenol de 137.91 mg/g a pH 7. Dentro de los residuos agroindustriales con mayor potencial para su uso como precursor de carbón activado se encuentra el café, ya que es uno de los principales productos consumidos en el mercado mundial, por lo que la generación de residuos de este producto supera los 4 millones de toneladas anuales. Actualmente, a nivel mundial se está priorizando el desarrollo sustentable, por ello, es necesario desarrollar técnicas para la revalorización de estos residuos. El objetivo del presente trabajo es el evaluar el potencial de los residuos de café como precursor de carbón activado para la remoción del colorante natural ácido carmínico a través del estudio de equilibrio y cinético del proceso de adsorción. MATERIALES Y MÉTODOS Todos los reactivos empleados en este estudio (C22H20O13, ZnCl2, C6H8O7, Na2CO3, NaHCO3, NaOH, HCl, HNO3, H2SO4) fueron de grado analítico, de alta pureza suministrados por las empresas Jalmek y Sigma-Aldrich. Todas las disoluciones se prepararon usando agua bidestilada. Los residuos de café (RC) colectados de filtros de cafetera fueron lavados con agua desionizada repetidas veces para remover impurezas. En seguida, fueron secados en una estufa por 24 h a 60 °C y almacenados para su posterior aplicación. La carbonización de los residuos de café fue llevada a cabo siguiendo la metodología empleada por Díaz et al., que consiste en la impregnación de los RC con ZnCl2 a una relación 1.5 g ZnCl2/g RC, temperatura cercana al punto de ebullición durante 6 h.12 La masa resultante fue secada a 80°C por 24 h, posteriormente 120 g de dicha masa ya seca fue carbonizada a una razón de 6 °C/min en un horno rotatorio horizontal eléctrico hasta alcanzar la temperatura de activación (600 °C) por un tiempo de 40 min, bajo un flujo de nitrógeno de 2 mL/min. El CA obtenido a partir de los residuos de café (CA-RC) fue lavado con HCl 0.1 N para remover el ZnCl2 residual. Posteriormente, el CA-RC fue filtrado y lavado con agua desionizada hasta obtener pH neutro en el agua de lavado. Finalmente se filtró y se secó a 60 °C por 12 h para su posterior almacenamiento. Con el fin de obtener las propiedades texturales del CA-RC se determinó el área superficial (método BET), el diámetro y volumen promedio de poros (método BJH), mediante fisisorción de nitrógeno a 77 K en un analizador Micromeritis/ ASAP 2020. El punto de carga cero (PCC) fue determinado mediante el método de titulaciones potenciométricas,13 en donde se prepararon 9 soluciones con diferentes volúmenes de NaOH o HCl 0.1 N con fuerza iónica de NaCl 0.1 N, las cuales se pusieron en contacto con 0.1 g de CA-RC en tubos cónicos de 50 mL durante 7 días a 25 ºC y 200 rpm. Una vez alcanzado el equilibrio, se midió el pH de las soluciones para la determinación del PCC. Se realizó el mismo procedimiento sin CA-RC (blancos) a las mismas condiciones y de manera simultánea. Para determinar el carácter ácido y básico del CA-RC se empleó el método de titulaciones de Boehm, el cual utiliza bases fuertes como NaOH para neutralizar los grupos fenólicos, lactónicos y carboxílicos, Na2CO3 para neutralizar los grupos fenólicos y carboxílicos y NaHCO3 para neutralizar los grupos fenólicos.14 Estas pruebas se realizaron poniendo en contacto una masa de 0.100 g de CARC (tamaño de partícula de 1 mm) con 25 mL de la solución titulante con 40 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Revalorización de los residuos de café en la eliminación de ácido carmínico / Nancy Elizabeth Dávila Guzmán, et al. concentración de 0.1 N (NaOH, NaHCO3, Na2CO3 y HCl) en tubos Falcon de 50 mL, los cuales fueron agitados a 200 rpm a 25°C por 7 días. Posteriormente una alícuota de 10 mL del líquido sobrenadante fue titulada con HCl 0.1 N o NaOH 0.1 N usando fenolftaleína como indicador. Por otra parte, el desempeño del CA-RC en la remoción de ácido carmínico fue evaluado a través de las isotermas de adsorción, las cuales consistieron en poner en contacto una cantidad conocida de CA-RC con una solución de ácido carmínico (a diferentes concentraciones iniciales), a temperatura ambiente, agitación de 280 min-1 y pH 3. Una vez alcanzado el equilibrio, se tomó una muestra y se analizó la concentración de ácido carmínico (RN4) para determinar la capacidad de adsorción. Para determinar el efecto del pH en la capacidad de adsorción, se puso en contacto 0.5 g de CA-RC con 0.5 L de una solución de RN4 a una concentración inicial de 100 mg/L y una fuerza iónica de 0.01 M NaCl, a temperatura ambiente y agitación orbital constante. Los valores de pH estudiados fueron 2, 3, 4 y 5, los cuáles fueron mantenidos constantes durante todo el experimento mediante la adición de alícuotas de HNO3 o NaOH 0.1 N. Se tomaron muestras a diferentes tiempos para su posterior análisis de concentración de RN4. Por otra parte, el efecto de la fuerza iónica sobre la capacidad de adsorción fue evaluado siguiendo un procedimiento similar al mencionado anteriormente, manteniendo el pH constante en 3, concentración inicial de RN4 de 100 mg/L, una relación de masa de CA-RC y volumen de solución de colorante de 0.5 g/L y fuerzas iónicas de 0.01, 0.05 y 0.1 M NaCl. En todos los experimentos de adsorción, la concentración de RN4 fue determinada en un espectrofotómetro UV-Visible marca HACH modelo DR 2010 a una longitud de onda de 490 nm y pH 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El carbón activado obtenido de la pirólisis de los residuos de café fue caracterizado para determinar las propiedades texturales mediante fisisorción Fig. 1. Isoterma de adsorción-desorción de N2 a 77 K en CA-RC. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 41 �Revalorización de los residuos de café en la eliminación de ácido carmínico / Nancy Elizabeth Dávila Guzmán, et al. de nitrógeno (figura 1). El área superficial específica del CA-RC (1280 m2/g) fue mayor al valor reportado para algunos CAs obtenidos de otros precursores similares a los residuos de café.10,11,15 Este resultado puede deberse a las condiciones de activación utilizadas en este trabajo, en donde un exceso de agente activante fue empleado, lo que puede favorecer el desarrollo de una mayor área superficial. Por otra parte, el diámetro promedio de poro obtenido para el CA-RC (3.3 nm) indica un sólido con estructura mesoporosa, mientras que el volumen total de poro del CA-RC (0.77 cm3/g) fue 75% superior al reportado para carbón activado obtenido de la pirólisis de la cáscara de coco. Un mayor volumen total de poro es un indicativo de una mayor porosidad, lo que puede favorecer el proceso de adsorción al tener mayor disponibilidad de los sitios activos que pueda presentar el material adsorbente. En la determinación del PCC se obtuvo un valor de pH de 3.9, lo que indica que a pH mayores de 3.9 la superficie del CA-RC se encuentra con una carga mayoritariamente negativa lo que favorecería la adsorción de compuestos catiónicos (figura 2). Estos resultados son congruentes con los obtenidos de la determinación de los sitios ácidos y básicos ya que el CA-RC presenta una mayor concentración de sitios ácidos (1.75 meq/g de grupos fenólicos, 0.75 meq/g de Fig. 2. Distribución de carga superficial para el CA-RC. grupos lactónicos y 0.5 meq/g de grupos carboxílicos) en comparación a su concentración de sitios básicos totales (0.75 meq/g). En las pruebas de adsorción en el equilibrio, se realizaron las isotermas de adsorción de RN4 en CA-RC a pH 3, fuerza iónica de 0.01 M NaCl y 25ºC. El modelo de Langmuir, uno de los modelos más reportados en la literatura para predecir remoción de colorantes sobre materiales carbonosos, fue utilizado para describir los datos experimentales. Este modelo relaciona la capacidad de adsorción en el equilibrio con la concentración del adsorbato en el equilibrio, mediante la siguiente ecuación: (1) dónde qe es la capacidad de adsorción en el equilibrio en mg/g, Ce es la 42 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Revalorización de los residuos de café en la eliminación de ácido carmínico / Nancy Elizabeth Dávila Guzmán, et al. concentración en el equilibrio en mg/L, qm es la máxima capacidad de adsorción en mg/g y KL es la constante de equilibrio de adsorción en L/mg. Los parámetros de la isoterma de adsorción se estimaron utilizando mínimos cuadrados basados en el algortimo de optización de Rosenbrock-Newton y empleando la función objetivo siguiente: (2) Por otro lado, el porcentaje de error fue obtenido mediante la siguiente ecuación: (3) A partir de la figura 3, se puede observar que el modelo de Langmuir ajusta satisfactoriamente los datos experimentales (2.97% de error), obteniendo una capacidad máxima de adsorción de 148 mg/g, siendo 2.6 y 37 veces mayor al valor Fig. 3. Isoterma de adsorción de RN4 en CA-RC (pH 3, 0.01 M NaCl y 25 ºC). La línea continua representa el modelo de Langmuir. reportado para resinas de intercambio aniónico y vidrio, respectivamente. Con la finalidad de comprender el mecanismo fisicoquímico que gobierna el proceso de adsorción de RN4 en CA-RC, se evaluó el efecto del pH y de la fuerza iónica en la capacidad de adsorción. En la figura 3 se observa como la capacidad de adsorción del RN4 disminuye conforme aumenta el pH de la solución, esto se puede atribuir a que la carga superficial del material incrementa su carácter negativo conforme aumenta el pH, por otra parte, el RN4 tiende a disociarse conforme se eleva el pH. Además, al correlacionar la capacidad de adsorción y la carga superficial con el pH de la solución es posible observar un cambio de pendiente entre los valores de pH de 2 y 3, lo cual se atribuye a la primera disociación de los grupos funcionales presentes en el CA-RC, correspondientes a los grupos carboxílicos y por otra parte con el incremento de la especie disociada del RN4 (H3AC-), lo cual propiciaría la presencia de interacciones electrostáticas repulsivas entre el adsorbato y el adsorbente. Estos resultados nos indican que un posible mecanismo son las interacciones electrostáticas. No obstante, un mecanismo intrínseco a la remoción de compuestos orgánicos aromáticos sobre materiales carbonosos son las Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 43 �Revalorización de los residuos de café en la eliminación de ácido carmínico / Nancy Elizabeth Dávila Guzmán, et al. interacciones π-π*, en este sentido, está bien documentado16 que los grupos carboxílicos son desactivantes de la nube electrónica de las capas grafénicas, con la idea de evidenciar la importancia de dichas interacciones se procedió a realizar experimentos a distintas fuerzas iónicas, ya que el aumento de iones en la solución puede favorecer o inhibir dichas interacciones17–19 En la figura 4 se muestra el efecto de la fuerza iónica sobre la capacidad de adsorción de RN4 en CA-RC. Como se puede observar, la capacidad de adsorción más elevada se obtuvo a una concentración de 0.05 M NaCl, este incremento se asoció a la interacción de los iones Na+ con los grupos carboxílicos activos, evitando por tanto la desactivación de la nube electrónica16,20 y favoreciendo las Fig. 4. Efecto del pH en la capacidad de adsorción de RN4 en CA-RC. interacciones π–π entre la superficie del CA-RC y el RN4. Sin embargo, al incrementar la fuerza iónica de 0.05 a 0.10 M NaCl la capacidad de adsorción disminuyó, por el posible exceso de cationes en el medio, ya que además de interactuar con los grupos carboxílicos, pueden propiciar la formación de enlaces π-catión sobre la superficie del CA-RC disminuyendo los enlaces π-π* entre el CA-RC y el RN4, este efecto es conocido como apantallamiento.21 Estos resultados corroboraron que el principal mecanismo de adsorción de RN4 sobre CA-RC son las interacciones superficiales del tipo π-π y en un segundo término las interacciones electrostáticas. El estudio de la velocidad de adsorción de un soluto en soluciones acuosas sobre partículas sólidas es importante para las posibles aplicaciones industriales del material adsorbente. La velocidad global de adsorción de un soluto o adsorbato desde la solución hasta los sitios activos de un adsorbente poroso puede estar gobernada por uno o más de los siguientes mecanismos de transferencia de masa: resistencia a la transferencia de masa externa, difusión intraparticular, difusión superficial, adsorción; dependiendo de la estructura y características del adsorbente y naturaleza del adsorbato. Por ello, se realizó un estudio cinético de la adsorción del RN4 sobre el CA-RC, con la finalidad de elucidar el mecanismo de transporte que gobierna dicho proceso. Dadas las características texturales del CA-RC y morfológicas del RN4 es 44 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Revalorización de los residuos de café en la eliminación de ácido carmínico / Nancy Elizabeth Dávila Guzmán, et al. Fig. 5. Efecto de la fuerza iónica en la capacidad de adsorción de RN4 en CA-RC. posible considerar que el proceso de adsorción está ocurriendo por un mecanismo de transporte de masa externo. El modelo de transporte externo de masa (MTE) se desarrolló considerando que la difusión intraparticular es mucho más rápida en comparación al transporte externo de masa, debido a esto no existe un gradiente de concentración dentro de la partícula del adsorbente. El modelo es representado por las siguientes ecuaciones: (4) (5) donde CA es la concentración de RN4 en mg/L, CAr es la concentración de RN4 en la superficie externa de la partícula a r=R en mg/L, kL es el coeficiente de transporte externo de masa en fase líquida en cm/h, m es la masa del adsorbente en g, S es el área externa por unidad de masa de adsorbente en cm2/g, V es el volumen de la solución en cm3, εp es la fracción hueca del adsorbente, ρp es la densidad de la partícula adsorbente en g/L. La Ec (4) indica que la velocidad de decaimiento de la concentración del sustrato en la solución es igual al transporte de masa del adsorbato desde el seno de la solución hasta la superficie externa de la partícula del adsorbente. Los términos de la Ec. (5) de izquierda a derecha representan: la acumulación del RN4 en los poros del CA-RC, la masa del RN4 adsorbida por el CA-RC y la velocidad de transporte externo de masa. El sistema de ecuaciones se resuelve usando la siguiente condición inicial a t = 0, C = C0 y CAr = 0; y ya que no existe un gradiente de concentración dentro de la partícula del adsorbente se puede decir que existe un equilibrio local entre la concentración del RN4 en la solución dentro del poro y la masa adsorbida sobre la superficie del poro, pudiéndose representar esto por la isoterma de adsorción de la siguiente manera: (6) (7) Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 45 �Revalorización de los residuos de café en la eliminación de ácido carmínico / Nancy Elizabeth Dávila Guzmán, et al. (8) donde Vp es el volumen de los poros del CA-RC en cm3/g, ρs es la densidad del sólido en g/cm3. El valor de la densidad del sólido fue tomado como 2.32 g/cm3, el cual ha sido reportado para carbón activado granular.22 Por otra parte, para el cálculo del área externa de la partícula (S) se supuso una geometría esférica y se utilizó la siguiente correlación.23 (9) donde rp es el radio de la partícula en cm. En la figura 6, se muestran las curvas de decaimiento de la concentración de RN4 durante la adsorción en RA-CR, las líneas continuas representan el ajuste mediante el MTE. Como se puede observar, el modelo de transferencia de externa representa adecuadamente los datos experimentales a las diferentes condiciones de operación. Adicionalmente, es posible observar que las cinéticas de adsorción más rápidas suceden a pH 2 y 3; mientras que al fijar el pH a 3 y variar la fuerza iónica, la cinética de adsorción más rápida ocurre cuando la fuerza iónica es 0.05 M de NaCl. Fig. 6. a) Efecto del pH sobre la cinética de adsorción de RN4 en CA-RC. b) Efecto de la fuerza iónica sobre la cinética de adsorción de RN4 en CA-RC. Las líneas sólidas representan el ajuste con el MTE. En la tabla I se muestran los coeficientes de transporte externo (kL) y el porcentaje de error promedio para las cinéticas de adsorción de RN4 en CARC. Los valores de kL fueron estimados mediante ajuste de mínimos cuadrados empleando el software MicroMath Scientist. El MTE presentó un porcentaje de error global de 6.35 %. lo que sugiere que el fenómeno que controla la velocidad de adsorción del RN4 sobre CA-RC. Adicionalmente, se observa que el mayor valor de kL fue obtenido a las condiciones de pH 3 y fuerza iónica de 0.05 M de NaCl, indicando que a estas condiciones experimentales se favorece la velocidad de adsorción de RN4 sobre CA-RC. CONCLUSIONES La carbonización y activación de los residuos de café generó un carbón activado con estructura microporosa, alta área superficial y volumen de poro, 46 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Revalorización de los residuos de café en la eliminación de ácido carmínico / Nancy Elizabeth Dávila Guzmán, et al. Tabla I. Parámetros del MTE para la adsorción de RN4 en CA-RC. No. Exp. pH F.I. (M NaCl) kL (cm h-1) %Error 1 2 0.05 2.08 13.48 2 3 0.01 1.84 7.31 3 3 0.05 3.53 10.96 4 3 0.10 1.22 1.60 5 4 0.05 1.01 2.30 6 5 0.05 0.92 2.45 así como una naturaleza ácida con una concentración cuatro veces mayor en comparación a la cantidad de sitios básicos. Los resultados obtenidos indicaron que el desempeño del CA-RC en la remoción de ácido carmínico es dependiente del pH y de la fuerza iónica de la solución. La mayor capacidad de adsorción (148 mg/g) fue obtenida a condiciones de pH ácido y con una fuerza iónica de 0.05M de NaCl. El incremento en el pH decrece la capacidad de adsorción, debido a las repulsiones electrostáticas entre la superficie del CA-RC y el ácido carmínico. Los mecanismos fisicoquímicos que gobiernan el proceso de adsorción del RN4 sobre CA-RC son propuestos como interacciones dispersivas del tipo π-π* e interacciones electrostáticas. A partir de los resultados obtenidos, es posible concluir que los residuos sólidos de café pueden ser revalorizados mediante su uso como precursor de carbón activado permitiendo su aplicación en el tratamiento sustentable del agua. REFERENCIAS 1. H. Chaudhuri, S. Dash, S. Ghorai, S. Pal, A. Sarkar, SBA-16: Application for the removal of neutral, cationic, and anionic dyes from aqueous medium, J. Environ. Chem. Eng. 4 (2016) 157–166. doi:10.1016/j.jece.2015.11.020. 2. A. Sivakumar, B. Murugesan, A. Loganathan, P. Sivakumar, A review on decolourisation of dyes by photodegradation using various bismuth catalysts, J. Taiwan Inst. Chem. 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Carlos Ramírez Ulloa” Mauricio Sosa Comisión Federal de Electricidad, Gerencia Regional de Producción Sureste, Valladolid, Yucatán, México mauricio.sosa@cfe.gob.mx RESUMEN La energización fuera de fase es un evento indeseable para una unidad generadora, la cual ocurre cuando el voltaje, la frecuencia o el ángulo correctos para la sincronización no se cumplen. Otra variable a considerar es la rapidez con las que las protecciones eléctricas liberan la falla. Esta combinación de circunstancias puede resultar en daño irreparable al equipo eléctrico primario. En los últimos 25 años se han tenido 11 fallas de transformadores principales monofásicos en la Central Hidroeléctrica Ing. Carlos Ramírez Ulloa (Presa El Caracol), sin tener un claro entendimiento de las razones. Este documento presenta los resultados de la investigación y análisis de la problemática, incluyendo la energización fuera de fase, y el reajuste de los esquemas de sincronismo para eliminar ese problema. PALABRAS CLAVE Sincronismo, transformadores, energización fuera de fase. ABSTRACT An undesirable event in a generator unit is the out of phase energezitation, which occurs when the right voltage, frequency, or angle is not accomplished. Another variable to be considered is the operation time at which the electrical protections disconnect the faulted element this combination of circumstances could lead to irreparable damage of the primary equipment. In the last 25 years, there has been 11 failures in the main one phase tranformers in the Hydroelectric Central Ing. Carlos Ramírez Ulloa (El Caracol dam), without understanding the reasons. This document presents the results of the research and analysis of the situation, including out of phase energization, and readjustment to sincronism squeme for solving that problem. KEYWORDS Sincronism, transformers, out of phase energezitation. 50 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa INTRODUCCIÓN Los sistemas eléctricos de potencia alimentan la electricidad necesaria para la vida diaria., los cuales requieren de una red de transmisión robusta y unidades generadoras confiables. Los tipos de unidades y sus primo-motores dependen de las fuentes de energía primaria disponibles, hoy en día se cuenta con turbinas hidráulicas y eólicas, además de turbinas de vapor en centrales termoeléctricas que utilizan algún combustible como carbón, gas natural, combustóleo, nucleares y geotermia, así como turbinas de gas y motores de combustión interna, en los cuales se produce la energía eléctrica y se instalan tan cerca de los centros de carga como lo permite el despacho económico. La electricidad es un producto que no puede ser almacenado porque es producido, transportado, distribuido, comercializado y consumido en el mismo momento. Se requiere entonces de un constante balance entre la generación y la carga. Cuando ésta se incrementa, necesitamos poner en servicio una o más unidades generadoras y, si la carga baja, entonces debemos poner fuera unidades. Como la generación del sistema de potencia es la suma de todos los generadores acoplados en paralelo en ese momento, se puede decir que se trata de un “sistema de bus infinito”, en el cual es difícil que el voltaje o la frecuencia varíen debido a la cantidad de generadores conectados en paralelo. Para conectar un nuevo generador al sistema eléctrico de potencia y mantener su estabilidad, se requieren una serie de maniobras complejas. A este proceso se le llama “sincronización”. Las condiciones que se deben cumplir para sincronizar un generador son:1,2 igual secuencia de fases, correspondencia de fases, mismo voltaje, misma frecuencia, y ángulo de fase dentro de valor permisible. Una diferencia de voltaje de entre 0 y +5% es permisible (el voltaje del generador debe ser mayor o igual al voltaje del bus). Un deslizamiento de frecuencia permisible (el rango en el cual difieren las frecuencias del generador y del bus) debe ser menor de 0.067 Hz. Esta diferencia equivale aproximadamente a 1 vuelta o revolución en el sincronoscopio cada 15 s. Adicionalmente, es recomendable tener la máquina “rápida” (la aguja del sincronoscopio debe girar hacia quick o fast), para prevenir motorización del generador y disparos por potencia inversa. El voltaje de la máquina debe ser más alto para que conecte entregando reactivos y prevenir la absorción de reactivos al momento de sincronizar. Si bien el esquema de sincronización es muy importante, en muchos casos no se le da la importancia debida porque los daños de una mala sincronización no han sido bien entendidos. El peor caso es el exceso de confianza y considerar que: “esto no puede sucedernos a nosotros” o “nuestro operador está bien entrenado...”, hasta que sucede un evento de este tipo. Este documento analiza el caso de la C. H. Ing. Carlos Ramírez Ulloa (El Caracol) de la CFE donde se tuvieron repetidas energizaciones fuera de fase, dañando los transformadores principales monofásicos. Se presenta un diagnóstico, las soluciones propuestas y los resultados superiores a lo esperado. ESQUEMAS DE SINCRONISMO Conexiones del generador al sistema de potencia La CFE utilizados configuraciones básicas para conectar generadores al sistema eléctrico de potencia. Una de ellas es la conexión directa al bus y la Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 51 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa otra es la conexión unitaria a través de un transformador elevador de unidad o transformador principal. Conexión directa a la red En la conexión directa los generadores son conectados directamente a la red de distribución, sin un transformador de potencia. Los generadores son conectados al bus de carga para alimentar servicios auxiliares y cargas locales (figura 1). Esas instalaciones son pocas donde se tienen pequeños generadores los que son conectados directamente a la red de distribución y cargas. Fig. 1. Conexión directa del generador a la red de distribución. Conexión a través de un transformador principal La conexión a través de un transformador elevador o transformador principal es la conexión típica para la mayoría de las centrales de la CFE. El generador está conectado con un transformador elevador (figura 2). Hay algunos pocos casos donde hay dos o más máquinas conectadas a un solo transformador. Fig. 2. Conexión típica de la mayoría de los generadores de CFE a través de un transformador principal o transformador elevador. 52 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Esquemas de sincronismo El esquema de sincronismo se alimenta por medio de la señal de voltaje obtenida desde los transformadores de potencial (TP’s) del generador y del bus al cual se va a conectar, sea del mismo nivel de voltaje o de voltaje distinto al del generador eléctrico, a partir de las cuales se hace la comparación de los parámetros de magnitud de potenciales y frecuencias, así como la diferencia angular entre el generador y el sistema. Si el esquema de sincronismo es trifásico, también se puede obtener la secuencia de fases. Existen tres esquemas de sincronismo básicos, la CFE procura utilizar la sincronización manual con relevador vereficador de sincronismo y la sincronización automática. Sincronización manual En este esquema de sincronismo, el operador de unidad realiza los ajustes de voltaje y frecuencia en forma manual observando la ménsula de sincronismo, hasta igualar las magnitudes de voltaje e igualar la frecuencia, y una vez lograda esta condición, realiza la orden de cierre del interruptor de máquina cuando la aguja del sincronoscopio está lo más cercana a cero y con límites permisibles dentro de ±10° (figura 3). Fig. 3. Esquema de sincronización manual. Algunos sincronoscopios tienen marcado en la carátula la sección angular donde puede realizarse el cierre del interruptor en forma segura, siempre y cuando se cumplan las demás condiciones. Una ménsula de sincronismo completa (figura 4) incluye: voltímetro de bus, voltímetro de generador, frecuencímetro de bus. frecuencímetro de generador, sincronoscopio, y lámparas de sincronismo. Por lo general, se ocupa el método de lámparas apagadas por ser monofásica la ménsula de sincronismo, si el esquema es trifásico, debe usarse el método de dos lámparas encendidas y una apagada para asegurar el momento justo de coincidencia de frecuencia, método que además permite verificar la secuencia de fases. Este tipo de esquema de sincronismo manual es totalmente dependiente del conocimiento, habilidad y entrenamiento del operador de unidad, por lo que se considera de alto riesgo al estar sujeto a la posibilidad del error humano. Sincronización manual con relevador verificador de sincronismo Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 53 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Fig. 4. Ménsula de sincronismo completa. En este esquema de sincronismo, el operador de unidad realiza los ajustes de voltaje y frecuencia de forma similar a la sincronización manual. La diferencia es que aun cuando realice la orden de cierre del interruptor en condiciones no óptimas, el cierre del interruptor no se completará debido a que el contacto del verificador de sincronismo no da el permisivo de cierre, hasta que haya las condiciones adecuadas para sincronizar la unidad (figura 5). Este tipo de esquema es dependiente del conocimiento y habilidad del operador de unidad, así como del correcto alambrado y ajuste del verificador de sincronismo, pero es más seguro que el esquema de sincronismo manual, por lo que se considera de riesgo medio, ya que reduce significativamente la posibilidad del error humano del operador de unidad. Se recomienda que el verificador sea del tipo que evalúa el ángulo de fase, la diferencia de voltaje y el deslizamiento de frecuencia y no solamente ángulo de fase, aunque siempre será preferible tenerlo limitado a no tenerlo. Fig. 5. Esquema de sincronización manual con verificador de sincronismo. 54 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Sincronización automática En este esquema de sincronismo, el sincronizador automático realiza los ajustes de voltaje y frecuencia sin intervención del operador de unidad y ejecuta la orden de cierre del interruptor de máquina en cuanto cumple con las condiciones requeridas para sincronización (figura 6). Fig. 6. Esquema de sincronización automática. En este caso la intervención del operador es únicamente para poner en servicio el sincronizador automático, mismo que por lo general se autodeshabilita cuando se recibe la señal de que el interruptor de máquina ha cerrado. Este es un esquema totalmente independiente del conocimiento y habilidad del operador de unidad, por lo que se considera muy seguro. Sin embargo, se recomienda que también se supervise con un verificador de sincronismo ante una eventual falla de este equipo o errores de alambrado o de ajuste, por lo que entonces el contacto del verificador debe quedar en serie con el paralelo de los contactos permisivos de la sincronización manual y de la sincronización automática (figura 7). Fig. 7. Diagrama parcial de control de cierre del interruptor de máquina con sincronización automática y manual. El verificador de sincronismo 25X debe supervisar tanto el modo manual 52G CS como el sincronizador automático 25 A y ser preferentemente un equipo independiente. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 55 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Mediante el uso de sincronizadores automáticos, normalmente se logran sincronizaciones dentro de ±5°, lo cual se traduce en una sincronización de bajo esfuerzo para la unidad generadora (figura 8 y 9). Fig. 8. Oscilograma de una conexión de unidad generadora realizada con un sincronizador automático con una diferencia angular de 3.91°. Las corrientes de fase en la sincronización son de valores entre 0.2 y 0.5 pu. Fig. 9. Detalle del oscilograma de la Fig. 6 en la que la diferencia ngular obtenida son 1.57 ms, correspondientes a 33.91° y considerando los 30 del desfasamiento angular de la conexión en delta de los devanados de baja del transformador elevador, queda en 3.91°. 56 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa En el registro se tiene una diferencia angular de 33.91° eléctricos entre los potenciales de la fase del bus y del generador y, para este caso, considerando el desfasamiento de 30° por la delta del transformador elevador, se tiene una diferencia angular de 3.91° en la sincronización, asumiendo que los errores de los transformadores de potencial TP’s y del transformador elevador deben ser menores a 1° eléctrico y de hecho deben ser del orden de minutos. Energización fuera de fase: causas y consecuencias Al evento de cierre del interruptor de máquina cuando se realiza si las condiciones para la sincronización de la unidad no se han cumplido, se le llama “energización fuera de fase”, siendo las condiciones más comunes en no cumplirse el ángulo de fase y el deslizamiento de frecuencia. Esta condición es un cortocircuito trifásico entre dos fuentes de potencia, el generador a conectarse y el sistema eléctrico de potencia, normalmente en condiciones de bus infinito, cuyo peor caso teóricamente sería el correspondiente a una diferencia angular de 180° ya que en este caso el potencial aplicado en el cortocircuito es de 2 pu y no de 1 pu como lo sería en una falla trifásica en terminales, estando la máquina conectada o en vacío, por lo que la corriente de cortocircuito podría ser mayor de 10 veces la corriente nominal del generador. En un cortocircuito trifásico en terminales el valor de la corriente es de 6 a 10 veces la corriente nominal del generador y para algunas máquinas este valor puede ser destructivo, razón por la cual uno de los métodos utilizados para minimizar esta posibilidad es el uso del bus de fase aislada. Un cierre lento del interruptor de máquina también puede causar una energización fuera de fase.3 Causas de la energización fuera de fase Existen diferentes causas de una energización fuera de fase, dependiendo del tipo del esquema de sincronismo: 1) Error humano (marcados con *) • Falta de conocimiento, habilidad o entrenamiento del operador de unidad*. • Exceso de confianza y distracciones*. • Prácticas operativas incorrectas*. 2) Falla de los circuitos de potenciales • Terminales flojas o sueltas. • Polaridad invertida. • Transformadores de potencial montados incorrectamente o con falseos. • Conexiones de fase incorrectas. • Código de colores de cables de control no controlado o mal aplicado. 3) Alambrado del circuito de cierre del interruptor de máquina • Falla del aislamiento del alambrado. • Conexiones incorrectas*. • Puenteo accidental de terminales*. 4) Falla del verificador y del sincronizador • Ajustes incorrectos*. • Falla del contacto de cierre. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 57 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa • Pérdida de calibración. • Falla interna del equipo. 5) Falla del interruptor de máquina • Falla del mecanismo de cierre en forma tripolar y, si el interruptor es compartido en un arreglo de interruptor y medio con una línea de transmisión con DRM, en forma monopolar. • Falla del aislamiento del interruptor provocando falla a tierra o bien, un flash-over. Se pudiera considerar que el flash-over es una forma especial de energización fuera de fase, ya sea externo o interno, aunque el interlock debe ser distinto para cada caso: en una energización fuera de fase, bastará con disparar el interruptor de máquina de la unidad generadora, sin embargo, en un flashover, será necesario “barrer” el bus al cual se pretendía conectar la unidad porque no será suficiente abrir el interruptor para librar la falla, dado que está abierto. Consecuencias de la energización fuera de fase Las consecuencias de la energización fuera de fase son variadas. • Daños en el transformador principal: Un transformador dañado puede ser muy costoso. Bobinas, boquillas, empalmes y en casos severos, daños al núcleo pueden ocurrir. Normalmente, un arco interno incipiente produce gases y una presión excesiva. Si está equipado, la protección Bucchholz 63B y/o la válvula de sobrepresión 63P operarán. Los esfuerzos eléctricos por los sobrevoltajes y excesivas corrientes disminuyen la vida útil del transformador. • Daños en el interruptor de máquina: Una energización fuera de fase puede dañar el interruptor de máquina. Los esfuerzos por sobrevoltajes y excesivas corrientes a través de los contactos del mismo destruirán el interruptor si se excede la capacidad interruptiva del equipo. • Daños al generador y a la turbina: Daños a los aislamientos del generador pueden ocurrir, causados por los esfuerzos electromecánicos. Los amarres de los devanados se revientan, hay sobrecalentamientos, se producen fisuras y descascaramientos en los aislamientos pueden ocurrir y causar fallas a tierra o entre fases. La energización fuera de fase también causa desalineamiento y daños a las chumaceras y al eje del turbogrupo. En consecuencia, aumentan las vibraciones y se reduce la vida útil del equipo. Daños severos y aún destrucción pueden ocurrir en un motor de combustión interna. A diferencia de un turbogenerador que prácticamente flota sobre aceite, las bielas de un motor de combustión interna no pueden cambiar de posición instantáneamente. • Daños al sistema eléctrico de potencia: Las consecuencias de la energización fuera de fase hacia el sistema eléctrico de potencia son también muy variadas. Una energización fuera de fase esfuerza los transformadores principales y generadores de otras unidades conectadas al mismo bus, dando lugar a fallas. Una falla que ponga fuera de servicio un transformador elevador en un futuro, seguramente tendrá su causa raíz en este evento. Una energización fuera de fase puede disparar otras unidades generadoras, conectadas al mismo bus. Esos efectos incluyen la saturación de los TC’s que alimentan la protección diferencial de generador y/o de transformador principal. Transformadores de carga y líneas de transmisión también pueden disparar, principalmente por la saturación de los TC’s que alimentan las protecciones al rebasar el nivel de cortocircuito. Si 58 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa el sistema de potencia no es suficientemente robusto, una energización fuera de fase puede afectar la estabilidad del mismo. Este efecto dependerá del tamaño de la unidad bajo falla o de su ubicación en el sistema (principalmente colas del sistema de potencia), o una combinación de estos factores. Formas de prevenir una energización fuera de fase Hay diferentes formas de prevenir una energización fuera de fase. La primera medida es implementar esquemas de sincronismo con verificador de sincronismo y sincronizadores automáticos en todas las unidades generadoras. Después de un mantenimiento de parada programada, debe realizarse una prueba de energización inversa (feedback) o una prueba de energización a bus muerto. Esto es especialmente importante cuando se han reemplazado transformadores de potencial y cuando se han intervenido circuitos de potenciales. Adicionalmente, debe ejecutarse una prueba de interlock eléctrico. Controles adicionales deben ser implementados para unidades con capacidad de arranque negro y energización a bus muerto. Implementar en los procedimientos la confirmación del bus muerto en sus tres fases, además de la medición de potencial de bus de media o alta tensión para evitar que ante la pérdida de un fusible del transformador de potencial, pueda ocurrir un evento no deseado. Implementación del esquema de sobrecorriente de fase de alto nivel (IEEE/ ANSI50). Si una gran corriente es detectada, se debe disparar la unidad sin restricciones (Ver procedimiento CFE-G0100-07).6 Revisión periódica de ajustes y ejecución de pruebas operativas al verificador de sincronismo y del sincronizador automático. Un buen momento para realizar esta actividad es en un mantenimiento de parada programada. El verificador de sincronismo debe supervisor tanto los comandos manuales del operador (sincronización manual) como los comandos del sincronizador automático para todos los intentos de cierre. El ajuste del verificador de sincronismo debe ser mayor que el ajuste del sincronizador automático, siempre que se cumplan los requerimientos de la norma IEEE-C37.102.2006.2 Los potenciales para el verificador de sincronismo y para el sincronizador deberán ser tomados de diferentes fases, y de ser posible, deberán ser trifásicos. Los ajustes deberán estar dentro de lo recomendado por la norma IEEE C37.102.2006 para monitorear condiciones de voltaje, frecuencia y ángulo de fase.2 Sin embargo, se ha observado que la sincronización con elementos trifásicos puede dificultarse cuando el sistema eléctrico esta desbalanceado o cuando se está moviendo contantemente, tal como pasa en horas pico y/o disturbios. Los relevadores digitales, dispositivos de control y registradores oscilográficos de fallas deben ser ajustados para generar registros al cierre del interruptor de máquina, los cuales se pueden recuperar para la evaluación y análisis del comportamiento de la unidad. Mecanismo de falla de los transformadores de potencia El efecto de la excesiva corriente es acumulativo como se menciona en la sección 7.1.1. de la norma IEEE C57.12.00.4 Los transformadores principales fallan por la excesiva corriente de una energización fuera de fase. La causa por la que ocurre evento no es relevante, ya que siempre que haya una diferencia de voltaje, diferencia de frecuencia o diferencia de ángulo de fase mayor a lo permisible, habrá alta corriente. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 59 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Otra causa de la falla de los transformadores es la incapacidad de remover rápidamente la fuente de voltaje cuando el regulador automático de voltaje (AVR) no desenergiza la unidad rápidamente. El tipo de excitación del generador determina la velocidad a la cual el AVR puede remover la excitación, por ejemplo, un sistema sin escobillas (brushless) es lento para extinguir el campo, mientras que en los sistemas estáticos es más rápido y la resistencia de descarga cobra especial importancia. Las grandes corrientes asociadas con la energización fuera de fase producen tanto esfuerzos eléctricos como esfuerzos térmicos en un transformador. El daño térmico no es significativo porque el aumento de temperatura es pequeño -la corriente es muy alta, pero dura solo unos pocos segundos. La principal amenaza es entonces el esfuerzo mecánico en los devanados y empalmes, el cual es proporcional a cuadrado de la corriente circulante.5 Caso de estudio: La C. H. Ing. Carlos Ramírez Ulloa (El Caracol) El caso de estudio de la C. H. Ing. Carlos Ramírez Ulloa (El Caracol) es interesante porque la mayoría de las energizaciones fuera de fase ocurren por diferencia angular y por diferencias de voltaje.7 El impacto de la sincronización por diferencia de frecuencia es presentado en este caso. Antecedentes En las unidades 1 y 3 de la C. H.se han tenido 11 fallas de los transformadores principales monofásicos en 25 años (desde 1990 hasta 2015). Cuando sucedió la segunda falla de un transfomador principal monofásico, mientras la unidad de reserva estaba en reparación, se decidió sustituir el banco de transformadores monofásicos de la unidad 2 con un transformador trifásico, realizando las modificaciones pertinentes. La tabla I muestra la lista de eventos ocurridos en esas unidades. Inspección y análisis Este grupo de trabajo realizó una inspección de los esquemas de protección, medición y control, así como de los esquemas de sincronismo en abril de 2015. Se encontró que se cuenta con ménsulas de sincronismo y controles adecuados para cada unidad. La ménsula está compuesta de sincronoscopio, lámparas de sincronismo, voltímetros de generador y de bus, frecuencímetros de generador y de bus. Los controles incluían mandos de subir y bajar velocidad y voltaje, así como selección del modo de sincronización y control del interruptor de máquina. No se detectó que hubiera un relevador verificador de sincronismo. Las unidades tienen sincronizadores automáticos, pero los ajustes no cumplen con los requerimientos establecidos en las normas correspondientes.2, 8 Además, tienen diferentes ajustes para cada grupo. No se cuenta con registros del último mantenimiento a los esquemas de sincronismo. Por lo menos, se realizan pruebas de energización a bus muerto después de cada mantenimiento de parada programada. Las tres unidades cuentan con control digital de tipo electrohidráulico para la turbina y con un control digital de excitación de tipo estático. Las unidades tienen esquemas de protecciones de generador digitales y redundantes, protección digital de 60 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Tabla I. Listado de eventos en la C.H. Ing. Carlos Ramírez Ulloa (El Caracol) entre 1990 y 2015. x Unidad Fase Protecciones operadas Acciones 24-ago-1990 1 B Bucchholz Y 87T Se usa transformador monofásico de reserva. 24-sep-1990 1 C Bucchholz Y 87T Se usa transformador monofásico de U2, mientras se habilita como condensador síncrono y se instala transformador trifásico. 19-sep-1994 1 B Bucchholz Se usa transformador monofásico de reserva. Disparó al excitar. 6-ago-1995 1 A Bucchholz Se usa transformador monofásico de reserva. 11-sep-2001 3 A Bucchholz, 87T, Se usa transformador monofásico VSP de reserva reparado. 01-oct-2001 1 C 87T Y 51NT Se usa transformador monofásico de reserva reparado. Disparó 5 segundos después de sincronizar. 09-jun-2002 3 A 87T Y Bucchholz Se usa transformador monofásico de reserva reparado. 23-ago-2009 1 C 87T Y Bucchholz Se usa transformador monofásico de reserva reparado. 30-may-2012 1 B 87T Y VSP Se usa transformador monofásico de reserva reparado. Disparó pocos segundos después de sincronizar. 16-sep-2014 1 C 87T Y VSP Se usa transformador monofásico de reserva reparado 01-may-2015 ? ? Bucchholz Se usa transformador monofásico de reserva reparado los transformadores principal, de excitación y de auxiliares. El tablero de protecciones se encontró limpio, ordenado y etiquetado. También se cuenta con diagramas suficientes y claros (aunque con algunos errores). Las unidades 1 y 3 no tienen aplicado el procedimiento normativo CFE-G0100-07 “Ajustes de Protección Eléctrica de las unidades Generadoras, Transformadores de Unidad e Interruptores de Potencia”.6 Plan de acción remedial El grupo de especialistas revisó los registros de las protecciones digitales de generador. Esos registros mostraron el disturbio que se produce en la unidad al sincronizar, existiendo más eventos con baja frecuencia que con alta frecuencia. No obstante, ambos tipos de eventos estaban más allá de los límites permisibles de acuerdo a la normatividad. En muchos casos, las unidades han sido conectadas hasta 5 o 6 veces al día, lo cual podría dar lugar a la misma cantidad de eventos de energización fuera de fase por día y en consecuencia tener igual cantidad de sobreesfuerzos electromecánicos en los transformadores principales. Se emitieron las siguientes recomendaciones: Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 61 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa • Habilitar la función de verificador de sincronismo disponible en uno de los relevadores de generador, conforme a la normatividad vigente. • Aplicar nuevos ajustes a los sincronizadores conforme a normas, probarlos y sintonizarlos • Instalar un registrador oscilográfico de fallas. • Revisar el alambrado del esquema de sincronismo (debido a que en diagramas hay partes no detalladas). • Aplicar el procedimiento CFE-G0100-076 a las unidades 1 y 3. Implementación del verificador de sincronismo Los nuevos ajustes fueron calculados y programados en los relevadores de protección de generador en junio de 2015. La tabla II muestra los ajustes aplicados en la protección digital de generador. Esos ajustes incluyen los valores del rango de aceptación de potenciales de bus y máquina, la máxima diferencia de voltaje, el máximo deslizamiento de frecuencia y el máximo ángulo de fase entre señales. Las condiciones para bloquear el esquema de verificador de sincronismo (BSYNCH) son: • Que no haya los 3 polos abiertos (NOT 3PO). Tabla II. Ajustes para el verificador de sincronismo U-1, U-2 y -3 Descripción Nombre Ajuste Relación del transformador de potencial de PTR máquina 133.33 Relación del transformador de potencial para PTRS sincronizar 1200 Habilitar el verificador de sincronismo E25 Y Fase utilizada para el voltaje de sincronismo SYNCP VA Umbral bajo de la ventana de voltaje (V) 25VLO 103.5 Umbral alto de la ventana de voltaje (V)) 25VHI 126.5 Máxima diferencia de voltaje 25VDIF 4 Factor de corrección de voltaje 25RCF 1.660 Se requiere voltaje de generador mayor GENV+ N Deslizamiento de frecuencia mínimo (Hz) 25SLO −0.01 Deslizamiento de frecuencia máximo (Hz) 25SHI 0.06 Compensación angular del transformador COMPA −30 Ángulo máximo 1 (◦ ) 25ANG1 8 Ángulo máximo 2 (◦ ) 25ANG2 10 Objetivo del ángulo de cierre (◦ ) CANGLE -3 Tiempo del cierre del interruptor ( s) TCLOSD 0.06 Ángulo de falla de cierre CFANGL OFF Umbral de bajo voltaje para bus muerto ( V) 27VSP 15 Bloqueo de verificador (ecuación lógica BSYNCH !3PO + 60LOP + TRIP Salida permisiva (ecuación lógica) OUT203 25C+25A1+25A2+ (27VS*IN201) Entrada binaria para bus muerto IN201 Bus muerto 62 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa • Que haya una pérdida de potenciales (60LOP). • Cualquier disparo active TRIP. La función del verificador en el relevador digital opera con el voltaje de secuencia positiva, por lo que debe tener los tres potenciales sanos, y por supuesto, si hay un disparo presente, la función de verificador de sincronismo debe ser bloqueada. En el esquema permisivo de cierre, la salida hacia el circuito de cierre (OUT203) tiene una detección de bus muerto que combina una entrada binaria IN201 y un detector de bajo voltaje de bus 27VS en una compuerta lógica AND. Este tipo de detección de bus muerto previene otorgar el contacto permisivo de cierre cuando se tiene un potencial remanente. Cuando el potencial del bus cae por debajo del ajuste del elemento de bajo voltaje 27VS y se tiene una señal binaria de que el bus está muerto (IN201) que manda el operador de unidad, entonces se activa la salida OUT203 y el interruptor de máquina podrá cerrar sin el verificador de sincronismo. El ajuste seleccionado para la fase del potencial del potencial de sincronización (ajuste SYNCP) es VA para las unidades 1 y 3 porque esas unidades tienen una conexión delta DAC. El ajuste SYNCP es VB para la unidad 2 porque este transformador tiene una delta DAB. La unidad 2 tiene un transformador trifásico, a diferencia de las unidades 1 y 3 que tienen un banco de transformadores monofásicos. Calibración del verificador de sincronismo (25X) Las pruebas fueron desarrolladas para la ventana de aceptación de voltaje del relevador digital. Las pruebas confirman los límites del ángulo de aceptación de sincronismo. El rango operativo del esquema fue verificado nuevamente con los ajustes del relevador. (No se pudo realizar la prueba con deslizamiento de frecuencia debido a que no se contaba con un equipo de prueba para inyectar diferentes frecuencias simultáneamente). La tabla III y la figura 10 muestran los resultados para la unidad 1, la cual tuvo resultados similares a las unidades 2 y 3. Reajuste de los sincronizadores automáticos Los ajustes fueron realizados en los sincronizadores automáticos para las unidades 1, 2 y 3 para mejorar su funcionamiento. Sólo el ajuste de deslizamiento de frecuencia fue cambiado para cumplir con las normas vigentes. Para detalles del reajuste, consulte la tabla IV. Pruebas operacionales y resultados Las pruebas operacionales de los esquemas de sincronismo fueron realizadas en forma simulada y real. Esas pruebas muestran los buenos resultados para el verificador de sincronismo. El reajuste de los sincronizadores se realizó posterior a esta actividad, una vez que se comprobó la funcionalidad del verificador de sincronismo. Pruebas del esquema de sincronismo en forma simulada Temporalmente, se ajustó la entrada IN201 para recibir la orden del sincronizador y generar registros en la protección y evaluar si el verificador de sincronismo realiza una protección efectiva, así como comprobar si el Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 63 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Tabla III. Resultados de la calibración del verificador de sincronismo de la unidad 1. V. bus (V) V. gen (V) RTP V. gen (kV) 115 133 115 Voltaje Ángulo Vfc 133.33 17.73 127.46 132 133.33 17.6 126.5 -10 115 131 133.33 17.47 125.54 -9.2 115 130 133.33 17.33 124.58 -8.3 115 129 133.33 17.2 123.63 -7.5 115 128 133.33 17.07 122.67 -6.7 115 127 133.33 16.93 121.71 -5.8 115 126 133.33 16.8 120.75 -5 115 125 133.33 16.67 119.79 -4.2 No opera No opera 115 124 133.33 16.53 118.83 -3.3 -10 10 115 123 133.33 16.4 117.88 -2.5 -10 10 115 122 133.33 16.27 116.92 -1.7 -10 10 115 121 133.33 16.13 115.96 -0.8 -10 10 115 120 133.33 16 115 0 -10 10 115 119 133.33 15.87 114.04 0.8 -10 10 115 118 133.33 15.73 113.08 1.7 -10 10 115 117 133.33 15.6 112.13 2.5 -10 10 115 116 133.33 15.47 111.17 3.3 -10 10 115 115 133.33 15.33 110.21 4.2 No opera No opera 115 114 133.33 15.2 109.25 5 115 113 133.33 15.07 108.29 5.8 115 112 133.33 14.93 107.33 6.7 115 111 133.33 14.8 106.38 7.5 115 110 133.33 14.67 105.42 8.3 115 109 133.33 14.53 104.46 9.2 115 108 133.33 14.4 103.5 10 115 107 133.33 14.27 102.54 VDIF Atrás (°) Adelante (°) sincronizador manda el cierre en condiciones óptimas y proporcionar el contacto permisivo si las condiciones están dentro de la ventana operativa. Para esta prueba se desconectó la bobina de cierre del interruptor de máquina como medida de seguridad. Prueba negativa En una de las pruebas con resultado negativo en la unidad 1, se tenía el generador operando con velocidad relativamente baja. El verificador de 64 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Fig. 10. Curva del verificador de sincronismo obtenida. La línea azul es la ventana operativa del verificador de sincronismo. Tabla IV. Ajustes encontrados y dejados del sincronizador automático de las unidades 1, 2 y 3. Se muestra solamente el grupo activo. MCU Module Unidad 1 Unidad 2 Antes No. Parameter s 2 Correct width 3 Correct INTVL 5 Gen. UV 6 Lockout on/off Antes Después Antes Después Group 1 Group 2 Group 1 0.100 0.065 0.100 0.065 Units G r o u p Group 1 G r o u p 1 1 1 Breaker timer 4 Max slip Después Unidad 3 0.100 0.065 s 0.2 0.2 0.2 0.2 0.5 0.2 s 10.0 3 10.0 3 0.5 3 Hz 0.257 0.050 0.257 0.050 0.250 0.050 V 96 96 96 96 96 96 On/ off L on L on L on L on L on L on Voltage Acceptor A2 module Bus voltage upper limit % 115 115 115 115 115 115 Bus voltage lower limit % 85 85 85 85 85 85 Voltage diference % 1 1 1 1 1 1 Voltage matching V3 module Correct width s 1 1 1 1 1 1 Correct INTVL s 2 1 2 1 2 1 Dead bus module Dead bus Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 V 10 10 10 10 10 10 65 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa sincronismo no operó el contacto permisivo a través de la salida OUT203, aun cuando las condiciones de diferencia de voltaje y ángulo de fase se cumplen y se recibe la orden de cierre del sincronizador en la entrada IN201, ya que al estar lento el generador, los elementos de sincronismo 25A1 y 25A2 no se activan. La figura 11 muestra el oscilograma para esta condición. Fig. 11. El generador está girando demasiado lento (GENFLO está activo). La salida OUT203 del verificador de sincronismo no da permiso al mando de cierre, aun cuando se recibe la orden de cierre desde el sincronizador. El sincronizador automático envía el comando de cierre con −1.3° y el cierre del interruptor de máquina ocurriría teniendo un ángulo de fase de 0.1°, considerando un tiempo de cierre del interruptor de 60 ms (3.5 ciclos). Las figuras 12 y 13 muestran los diagramas fasoriales para esta condición. Fig. 12. Envío del comando de cierre a 1.3 antes del ángulo de cierre ideal. 66 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Fig. 13. El interruptor de máquina hubiera cerrado a −0.1 , considerando un tiempo de cierre de 60 ms (3.5 ciclos). Prueba positiva Para realizar esta prueba, se realizó primero la reconfiguración del sincronizador. En este caso se muestra una prueba de la unidad 2. El generador está operando con los parámetros de voltaje y ángulo de fase dentro de la ventana de operación permisible confirmado con la operación de los bits 25A1 y 25A2. El sincronizador automático manda un comando a través de la entrada IN201 y, en esta ocasión, el contacto permisivo del verificador de sincronismo se activa a través de la salida OUT203 (figura 14). Fig. 14. El generador esta “corriendo” con los parámetros para sincronizar dentro de la ventana de sincronismo. El verificador de sincronismo está dando permisivo a través de la salida OUT203 por medio del elemento 25A2. El sincronizador automático envía el comando de cierre con comparado a los valores de la configuración antigua (cómo se encontró). 241.6° y el cierre del interruptor de máquina ocurriría teniendo un ángulo de fase de 241.1°, Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 67 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa considerando un tiempo de cierre del interruptor de 60 ms (3.5 ciclos). Las figuras 15 y 16 muestran los diagramas fasoriales para esta condición. Fig. 15. Envío del comando de cierre a 2.5 antes del ángulo de cierre ideal. Fig. 16. El interruptor cerraría a −1.6 , considerando un tiempo de 60 ms (3.5 ciclos). Prueba real del esquema de sincronismo El objetivo de una buena sincronización es minimizar el disturbio hacia la unidad y hacia el sistema de potencia al realizar la conexión. Las pruebas reales del esquema de sincronismo muestran buenos resultados y una mejora considerable con la nueva configuración contra la configuración antigua. La tabla V muestra las mejoras de cada unidad generadora como una relación de Tabla V. Mejora del comportamiento al cierre, comparando cómo se dejó y cómo se encontró. Unidad 1 2 3 68 Potencia Activa (%) 33 12 33 Potencia Reactiva (%) 50 60 Sin cambio Corriente (%) 20 25 40 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa los valores obtenidos con la nueva configuración (cómo se dejó) comparado a los valores de la configuración antigua (cómo se encontró). Unidad 1 Para la unidad 1 la potencia activa en la sincronización disminuye a 33% de la magnitud obtenida con la antigua configuración del esquema de sincronismo y la potencia reactiva disminuye aproximadamente 50%. La variación de frecuencia es disminuidaa un valor seguro dentro del máximo deslizamiento permisible. Las corrientes producidas cuando el interruptor de máquina cierra son considerablemente menores. Vea los gráficos de las potencias activa/reactiva y frecuencia en la figura 17, y la gráfica de las potencias activa/reactiva y las corrientes de máquina en la figura 18, para la unidad 1. Fig. 17. Potencia activa, potencia reactiva y frecuencia como se encontró (líneas punteadas) y la primera sincronización (líneas sólidas), después del reajuste del sincronizador y puesta en servicio del verificador de sincronismo de la unidad 1. Unidad 2 La potencia activa decrementa a 12% del valor con la configuración previa del esquema de sincronismo y la potencia reactiva disminuye al 60%. La variación de frecuencia es reducida a valores seguros dentro de lo permisible por el esquema para el deslizamiento de frecuencia. Las corrientes producidas al cierre del interruptor de maquina son considerablemente menores. Vea el gráfico de potencia activa/reactiva y frecuencia en la figura 19, y el gráfico para la potencia activa/reactiva y corrientes del estator en la figura 20 para la unidad 2. Unidad 3 Para la unidad 3 la potencia activa en la conexión disminuye a 33% de la magnitud con la configuración anterior del esquema de sincronismo y la potencia Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 69 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Fig. 18. Potencia activa, potencia reactiva y corrientes de máquina para el antes (líneas punteadas) y la primera sincronización (líneas sólidas), después del reajuste del sincronizador y puesta en servicio del verificador de sincronismo en la unidad 1. La reducción de magnitud de las corrientes es muy significativa. Fig. 19. Potencia activa, potencia reactiva y frecuencia para el antes (líneas punteadas) y la primera sincronización (líneas sólidas), después del reajuste del sincronizador y puesta en servicio del verificador de sincronismo de la unidad 2. reactiva prácticamente queda sin cambio. El generador está girando ligeramente lento en el punto de sincronización, pero está dentro de máximo deslizamiento de frecuencia permisible ajustado a ±0.07 Hz. Las corrientes producidas bajo esta 70 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Fig. 20. Potencia activa, potencia reactiva y corrientes de máquina para el antes (líneas punteadas) y la primera sincronización (líneas sólidas), después del reajuste del sincronizador y puesta en servicio del verificador de sincronismo para la unidad 2. Las corrientes son mínimas y van incrementando conforme la carga Fig. 21. Potencia activa, potencia reactiva y frecuencia como se encontraron (líneas punteadas) y la primera sincronización (líneas sólidas), después de realizar el reajuste del sincronizador y puesta en servicio del verificador de sincronismo en la unidad 3. condición al cierre del interruptor de máquina aun así son considerablemente menores. Los gráficos de potencias activa/reactiva y frecuencia en la figura 21, y el gráfico de la potencia activa/reactiva y corrientes en la figura 22, para la unidad 3. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 71 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Fig. 22. Potencia activa, potencia reactiva y corrientes de máquina para el antes (líneas punteadas) y la primera sincronización (líneas sólidas), después del reajuste del sincronizador y puesta en servicio del verificador de sincronismo en la unidad 3. La reducción es significativa. Conclusiones Los cambios al esquema de sincronismo detuvieron los incidentes por energización fuera de fase en la C. H. Ing. Carlos Ramírez Ulloa (El Caracol). La energización fuera de fase es un evento altamente indeseable y tiene serias consecuencias para la unidad generadora. Es necesario el desarrollo de una lógica dedicada contra energización fuera de fase. En su desarrollo, se deben considerar factores como el tipo de generador y su inercia. Todas las unidades generadoras deben de contar con verificador de sincronismo 25X y sincronizador automático 25A, independientemente de su tamaño. El caso mínimo es tener un esquema de sincronización manual con verificador de sincronismo. Cuando se usa un verificador de sincronismo con un sincronizador automático, se recomienda que estas funciones estén en equipos diferentes, pudiendo estar dentro de otros equipos tales como un relevador digital. En este caso debe asegurarse que el verificador de sincronismo continúe presente aun en ausencia del sincronizador automático. Aun cuando normalmente no es considerada, la energización fuera de fase tiene un gran impacto en los estudios de corto circuito, cálculo de fallas, y cálculo de ajustes de protecciones, ya que los niveles de corriente alcanzados son superiores a los de cortocircuito convencional. Los ajustes del verificador de sincronismo y del sincronizado automático deben ser referenciados con las normas aplicables vigentes como es la IEEE.C37.102.2005. Para generadores de tipo hidroeléctrico, además se debe considerar la norma IEEE.C50.12 y para máquinas termoeléctricas, considere las normas IEEE.C50.13 y IEEE.C50.14. 72 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 �Impacto de los esquemas de sincronismo en los transformadores principales de sincronismo en ... / Mauricio Sosa Los transformadores principales de unidad (monofásicos y trifásicos) pueden resistir una energización de 180°, pero el esquema de protecciones eléctricas debe operar rápidamente. Si el evento no es liberado en forma pronta, o si es repetitivo aun con ángulos no muy grandes, el transformador resultará con daños. También los devanados del estator de los generadores resultan con daños, pero no se están detallando en este documento. Puede haber daños en la flecha del turbogenerador, la magnitud depende del tipo de turbina. El caso estudiado muestra que el generador experimenta una significativa oscilación de potencia activa y reactiva cuando es conectado al sistema de potencia fuera de fase por diferencias de frecuencia. Después del reajuste de los sincronizadores automáticos, se tuvo una significativa reducción del par de aceleración/desaceleración y una potencia activa mucho menor al cierre del interruptor de máquina. La potencia reactiva siempre fue positiva, confirmando que el voltaje del generador es mayor que el voltaje del bus en el cierre (esta es una buena práctica). Las grandes corrientes transitorias al cierre del interruptor de máquina son significativas y son la causa raíz de los daños en los transformadores principales monofásicos. En cada unidad, la corriente fue reducida aproximadamente a una cuarta parte del valor antes del reajuste. También se obtuvo una reducción significativa de la componente de cd y en algunos casos, se eliminó por completo (cuando las diferencias de frecuencia son menores a 0.02 Hz). REFERENCIAS 1. IEEE 67-2005 IEEE Guide for Operation and Maintenance of Turbine Generators, 2005. 2. IEEE C37.102-2006 IEEE Guide for AC Generator Protection,, 2006. 3. Young, RC, Wisconsin Electric Power Company, WI USA, Gross, Jr., LC and Anderson, LS, Avoid generator and system damage due to a slow synchronizing breaker, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc., Pullman, WA USA, 2007. 4. IEEE C57.12.00.2000 Standard, General Requirements for Liquid Immersed Distribution, Power and Regulating Transformers, IEEE, 2000. 5. Reimert, D., Protective Relaying for Power Generation Systems, CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL USA, 2006. 6. Comisión Federal de Electricidad (CFE), Procedimiento CFE G0100,07, Ajustes de Protecciones Eléctricas de las Unidades Generadoras, Transformadores de Unidad e Interruptores de Potencia, Mayo 2011. 7. Sosa-Aguiluz, M., “Energización Fuera de Fase” Impacto sobre el Equipo Eléctrico Primario y Formas de Prevenirla, XII SIPSEP, Monterrey, México, 2015. 8. IEEE C50.12.2005 Standard, Standard for Salient-Pole 50 Hz and 60 Hz Synchronous Generators and Generator/Motors for Hydraulic Turbine Applications Rated 5 MVA and Above, 2005. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Vol. XX, No. 74 73 �Eventos y reconocimientos PRIMER CONGRESO SOBRE LA SEGURIDAD EN LA INFORMACIÓN El pasado 7 de septiembre se llevó a cabo el primer Congreso Internacional de Seguridad de la Información, en la Biblioteca Magna “Raúl Rangel Frías”. Organizado por la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas y la Asociación Mexicana de Seguridad Informática. Se contó con la presencia de expertos nacionales e internacionales como: Joji Montelibano, Paulino Calderón, Cristian Luna, Martín Olguín, David Treviño, Carlos Alanís. Con este congreso se buscó fomentar en los futuros egresados la conciencia de lo importante que es la seguridad de la información, además el presentarles los retos a los cuales ellos se enfrentarán como profesionistas. “En el congreso es ver qué tenemos en la actualidad, traemos a especialistas que por años han trabajado en esto y nos vienen a traer a la Universidad qué es lo se hace actualmente y lo que se vislumbra en el futuro” mencionó el maestro Rogelio Sepúlveda Guerrero. Israel Fortino de la Asociación de Seguridad Informática de México. 74 50 ANIVERSARIO DEL POSGRADO y 30 ANIVERSARIO DEL DOCTORADO EN LA FIME El día 15 de octubre se llevó a cabo una ceremonia en la que se develó una placa conmemorativa para celebrar los 50 años del posgrado y 30 años del doctorado de la FIME. La placa fue develada por el Rector de la UANL, Mtro. Rogelio Garza Rivera, el Director de la FIME, Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo; maestro decano y ex director; M.C. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza, el fundador del posgrado, Dr. Raúl Quintero Flores, y el ex Rector de la UANL y ex Director de FIME Ing. José Antonio González Treviño. Hoy, la oferta del posgrado es de 12 maestrías y 5 doctorados reconocidos por su buena calidad a través del CONACYT en el Programa Nacional de Posgrados de Calidad (PNPC). Develación de la placa conmemorativa del 50 y 30 aniversarios del posgrado y del doctorado respectivamente. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año. XX, No. 74 �Eventos y reconocimientos FALLECE EL PROF. ISRAEL CAVAZOS GARZA, CRONISTA E HISTORIADOR DE NUEVO LEÓN El pasado 5 de noviembre falleció el cronista e historiador de Nuevo León, Prof. Israel Cavazos Garza. La Universidad Autónoma de Nuevo León realizó un homenaje al humanista en reconocimiento a su labor como docente e investigador. El Rector, Mtro. Rogelio Garza Rivera presidió la ceremonia en la que autoridades, profesores y estudiantes de la UANL montaron guardias de honor. “Su legado es herencia de todos los tiempos y siempre estará con nosotros. Lo recordaremos por sus libros y ensayos, porque en ellos encontramos la fortaleza de nuestra identidad y nuestra historia”, expresó el Rector Rogelio Garza Rivera. El Prof. Cavazos Garza fue asesor fundador del Consejo Consultivo de la UANL, colaborador del periódico Vida Universitaria, fundador y director del Centro de Estudios Humanísticos, y profesor fundador del Colegio de Historia de la Facultad Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año XX, No. 74 de Filosofía y Letras, autor del libro “El Colegio Civil de Monterrey, contribución para su historia”, director del Archivo General del Estado de Nuevo León, presidente de la Asociación Mexicana de Historia Regional, presidente de la Sociedad Nuevoleonesa de Historia, miembro de la comisión de archivo del Instituto Panamericano de Geografía e Historia, y miembro del Consejo Consultivo de Ciencias de la Presidencia de la República, entre otros cargos. 75 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL * Enero - Diciembre 2016 Lizangela Guerra Fuentes, Doctora en Ingeniería de Materiales. Estudio de transformaciones y evolución nanomecánica de fases en el acero FY535, 12 de enero. Eliezer Garza González, Doctor en Ingeniería Eléctrica. Sincronización de redes complejas vía eliminación de enlaces, 15 de enero. Nestor Miguel Cid García, Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas. Exact solucions for the agricultural and the two dimensional packing problems, 21 de enero. Miguel Lorenzo Morales Marroquín, Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas. Lot production size problem and simulation of urban transport, 29 de enero. Luis Alfonso Infante Rivera, Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas. Aproximación mediante modelos de programación entera a problemas de empaquetamiento, 12 de febrero. José Roberto Benavides Treviño, Doctor en Ingeniería de Materiales. Estudio de los fenómenos de transporte durante la solidificación de aleaciones Al-Cu-Si-Ni para la fundición de moldes para moldeo rotacional, 19 de febrero. Orlando Niño Pérez, Doctor en Ingeniería de Materiales. Simulación del proceso de tratamiento térmico en aleaciones de aluminio hipoeutécticas A319 y A350 para la aplicación de cabezas de motor, 22 de febrero. Mario Alberto Bello Gómez, Doctor en Ingeniería de Materiales. Estudio de deformaciones elásticas en un molino de laminación en frío tándem, 4 de marzo. Alejandro Estrada de la Vega, Doctor en Ingeniería de Materiales. Nanoestructuras híbridas basadas en clusters de nanopartículas de óxidos magnéticos y carboximetil-celulosa, 4 de marzo. Adriana Eloisa García Castillo, Doctora en Ingeniería de Materiales. Estudio de los efectos del proceso de fundición en las propiedades mecánicas y microestructurales de una aleación de Ni-Fe-Cr trabajada en caliente, 23 de mayo. José Ángel Barrios Gómez, Doctor en Ingeniería Eléctrica. Estimación de la temperatura en un molino continuo de laminación en caliente aplicando sistemas de caja gris difusos, 9 de junio. Alejandro Escudero García, Doctor en Ingeniería de Materiales. Modelo matemático para la obtención de coeficientes de transferencia de calor de aleaciones de aluminio hipoeutécticas, 10 de Julio. Meng Yen Shih, Doctor en Ingeniería Eléctrica. Online coordination of directional overcurrent relays with presence of distributed generation in smart grids, 13 de julio. Diana Fabiola García Gutiérrez, Doctora en Ingeniería de Materiales. Estudio de la estructura electrónica de nanopartículas de PbS para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos híbridos, 20 de julio. Allan Giovanni Soriano Sánchez, Doctor en Ingeniería Eléctrica. Sincronización caótica de redes de mundo pequeño, 21 de julio. Fernando Morales Rendón, Doctor en Ingeniería de Materiales. Estudio tribológico de una aleación de alto contenido de silicio en sustitución a las camisas de hierro gris para aplicaciones automotrices, 21 de julio. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. 76 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año. XX, No. 74 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Cynthia Guerrero Bermea, Doctora en Ingeniería de Materiales. Two-dimensional materials and hybrid nanocomposites: new methods of preparation and their characterization, 22 de julio. Aida Lucina González Lara, Doctora en Ingeniería con Orientación en Tecnología de la Información. Comparación de redes semánticas naturales mediante un modelo de recuperación de información, 26 de julio. Grisel García Guillen, Doctora en Ingeniería de Materiales. Synthesis and characterization of nanomaterials TiO2, ZnO, SIUS and CDS by pulsed laser ablations in liquid, 3 de agosto. Carlos Alfonso Rodríguez Vázquez, Doctor Ingeniería de Materiales. Desempeño termomecánico de láminas FR-4 en el proceso de manufactura de tarjetas de circuito impreso, 7 de octubre. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año XX, No. 74 Linda Viviana García Quiñonez, Doctora en Ingeniería en Materiales. Sintetización de magnesia con diferentes concentraciones de óxidos de nanopartiíulas Fe2O3, Al2O3 y SiO2 respectivamente mediante láser pulsado, 4 de noviembre. Paola Guadalupe Gómez López, Doctora en Ingeniería en Materiales. Nanocompositos de partículas metálicas y cerámicas en polímeros semiconductores, 10 de noviembre. Erika Fernández Hernández, Doctora en Ingeniería Eléctrica. Evaluación del impacto de los PCL en redes eléctricas de media tensión, 4 de noviembre. Netzahualpille Hernández Navarro, Doctor en Ingeniería de Materiales. Materiales híbridos basado en P(VPF - TRFE) electrohilados y su potencial aplicación en dispositivos multiferroicos, 8 de noviembre. 77 �Tesistas titulados de Maestría en la FIME-UANL * Octubre - Diciembre 2016 Simón Guadalupe Torres Paz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión basado en análisis modal, 19 de octubre. Miguel Ángel Tovar Estrada, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Diseño de un exoesqueleto de miembros inferiores de 14 grados de libertad y su aplicación para emular la locomoción humana, 9 de noviembre. Omar Alejandro Resendez Córdova, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Análisis de ensanchamiento lateral durante la laminación de un perfil para diseño de un larguero automotriz, 11 de noviembre. José Carlos Mijares Ruiz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz, Simulación del proceso de granallado para la predicción de esfuerzo residual en función de la velocidad de impacto, 11 de noviembre. Luis Miguel Pérez Muñoz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Evaluación y modelación de soldaduras por resistencia en aceros automotrices avanzados, 11 de noviembre. Francisco Javier Moreno Gómez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Procesos termo mecánicos y precipitación en un acero HSLA, 11 de noviembre. Carlos Alberto Pérez Romero, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Evaluación de aislamientos térmicos de fibras de vidrio aplicados en bombas centrífugas horizontales, 22 de noviembre. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. 78 Edwin Baltasar Cortez Aguilar, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Control de orientación y altitud de un vehículo aéreo no tripulado del tipo cuadrirrotor, 23 de noviembre. Brenda Janett Alonso Gutiérrez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería. Desarrollo de un ensayo enzimático para la detección de iones metálicos utilizando la enzima papaína inmovilizada en nano fibras poliméricas electrohiladas, 23 de noviembre. Ivón Elena Leal Leal, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Aislamiento de fallas a partir de mediciones, 2 de diciembre. Alfredo Daniel Cortés Preciado, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Implementación de un Sistema de Encriptado Caótico, 2 de diciembre. Jorge Obdulio Ríos Nava, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Implementación de Tecnología Barkhausen como una prueba no destructiva para detección de Martensita reformada en flechas de transmisión, 2 de diciembre. Iván Eduardo Quiñonez Quiñonez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Desarrollo de un controlador predictivo para la interconexión a la red eléctrica de un sistema de generación distribuida utilizado convertidores, 6 de diciembre. Jessica Patricia Casanova Carriales, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Análisis de circuito hidráulico de convección natural para en enfriamiento de un fluido, 6 de diciembre. José Enrique Camacho Jiménez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Modelado transitorio del Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año. XX, No. 74 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL desempeño termo-energético de un refrigerador doméstico, 6 de diciembre. Vidal Alfredo Trejo Rocha, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Esquema de transmisión de información no ortogonal mediante transformador Taylor-Fourier y Legendre-Fourier, 8 de diciembre. Ashley Bautista Aguirre, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Desempeño de deshidratador tipo túnel con dependencia de la temperatura y humedad para productos agrícolas, 8 de diciembre. Aldebarán Alfonso Alonso Carreón, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Diseño de un sistema embebido para el procesamiento de señales EEG y EMG para aplicaciones de HBMI, 9 de diciembre. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año XX, No. 74 Omar Torres Garza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Efectos de los parámetros de inyección sobre el proceso de mezcla en un motor diesel, 9 de diciembre. Arnulfo López Meléndez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Síntesis y caracterización de fosfato de vanadio nano estructurados para electrodos en capacitadores electroquímicos, 15 de diciembre. Alejandro Alvarado Castañeda, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Síntesis y Caracterización de Nano fibras tipo Núcleo-Coraza de ‘’Pedot: Pss NPs Pbs’’ Mediante la Técnica de Electrohilado Coaxal, 15 de diciembre. 79 �Acuse de recibo Ergo-sum Ingeniería Sísmica Ciencia ergo-sum es una revista académica multidisciplinaria tetramestral de la Universidad Autónoma de México. Su interés prioritario es la publicación de artículos tipo ensayo científico en diferentes áreas como: ciencias exactas, ciencias humanas, de la conducta y biológicas. En la revista se pueden encontrar artículos como: ‘‘La racionalidad del amor desde la teoría eisteriana’’, ‘‘Personalidad tipo C en mujeres con cáncer de mama’’ y ‘‘Concepto de familia en México una mirada antropológica y demográfica’’. El objetivo de la revista es la integración de temas actuales en distintas áreas de estudio. Los números de la revista se encuentran en: http://cienciaergosum.uaemex.mx/ La sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica edita y publica semestralmente una revista que se especializa en esta disciplina y otras afines, presentando resultados de investigaciones recientes. Un ejemplo de ellos es el artículo publicado en su número 94, en que se presentan los resultados de una investigación sobre los daños causados en las estructuras por tres sismos de gran magnitud (México 1985, Chile 2010 y Christchurch 2010 y 2011), llegando a la conclusión, que las edificaciones de sistemas estructurales con muros brindan una mejor respuesta frente a sismos, que las que utilizan marcos. Puede consultarse en Internet en www. smis.mx CYRR ALCV 80 Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año. XX, No. 74 �Colaboradores Cedillo Garza, Guadalupe E. Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, además de Licenciado en Matemáticas por la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas. Maestro Decano de FIME, Director de la misma de 1984 a 1990. Fundador de Programa de Doctorado (1986), miembro de la Junta de Gobierno de 1999 a 2010. Cerino Córdova, Felipe de Jesús Profesor de tiempo completo en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y SubDirector Académico de la carrera de Ingeniería Química de la misma facultad. Dávila Guzmán, Nancy Elizabeth Profesora de tiempo completo en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y coordinadora del Posgrado en Ciencias con orientación en Procesos Sustentables de la misma facultad. Durón, José J. Maestro en Ingeniería Eléctrica, con especialidad en Sistemas Eléctricos de Potencia del Instituto Tecnológico de Cd. Madero (1988). Actualmente es Gerente General en el Grupo Zener S.C., así como profesor del Instituto Tecnológico de Cd. Madero. Ovando Medina, Víctor Manuel Profesor de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Pérez Briones, Andrés Iván Estudiante de la Maestría en Ciencias con Orientación en Procesos Sustentables. Es Ingeniero Químico de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año XX, No. 74 Moldauer, Enrique Ingeniero Electricista de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) con Maestría en Ingeniería Industrial de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Es miembro del Comité de Operación Económica del Sistema COES-SINAC. Mostacero, Clifford Ingeniero Electricista graduado de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI). Es analista SNP en el COES-SINAC. Tuesta, Mijhael Ingeniero Electricista graduado de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI). Sosa, Mauricio Ingeniero Eléctricista del Instituto Tecnológico de Orizaba (1993), y de la Maestría en el Instituto Tecnológico de Morelia (2011). Desde 2002 es Jefe de Departamento de protecciones de Generación en la Península de Yucatán. Es miembro del Comité de Protecciones de México y colabora en el desarrollo de la Guía de Protecciones de Generador de la CFE. Yofré Jácome Ingeniero Electricista graduado de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) con el primer puesto. Magíster en Ingeniería Eléctrica, con mención en Sistemas de Potencia, por la Universidad Nacional de Ingeniería. Cuenta con estudios de posgrado en Derecho de Energía en la Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC). Ingeniero especialista en protección de sistemas eléctricos de potencia en el Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional (COES-Sinac). 81 �Colaboradores Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, exactitud de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de 82 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico y las fichas biográficas de cada autor en CD a la dirección de contacto, o por e-mail a revistaingenierias@uanl.mx . El artículo debe estar escrito en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo en Word o algún formato compatible con este software. La extensión máxima es de 15 páginas, el título del artículo no debe exceder de 80 caracteres, el número máximo de autores por artículo es cinco. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deben incluir en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. El material gráfico (imágenes y gráficas) utilizadas en el artículo deberán enviarse en archivos individuales en formato .tif, .jpg o .bmp en una resolución mínima de 1800 X 1800 puntos (eso una resolución de 300 dpi y 15 cm en el lado más pequeño de la imagen). Las fichas biográficas deben ser de máximo 100 palabras. CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año. XX, No. 74 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Revisores Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año XX, No. 74 83 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. 84 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. Ingenierías, Enero-Marzo 2017, Año. XX, No. 74 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2017 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 20 Número Número de la revista 74 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2017, Año 20, No 74, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2017 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020837 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Adsorción Biomasa Bobina Rogowski Sincronismo Transformadores https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20796/Ingenierias_2016_Ano_19_No_73_Octubre-Diciembre.pdf 83a78f98498540b9d18cf02bc1d9845a PDF Text Text ��73 Contenido Octubre-Diciembre de 2016, Año XIX, No. 73 2 Directorio 3 Editorial: Neydi Gabriela Alfaro Cazares 7 Diagnóstico sobre habilidades semióticas matemáticas básicas en estudiantes de ingeniería Gabriel Martínez Gradilla, Juan José Sevilla García, Maximiliano De las Fuentes Lara, Ruth Elba Rivera Castellón, Ramiro Ávila Godoy 15 Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptativo de fase polinomial José Antonio De la O Serna 39 Estado actual del Acuífero Casas Grandes Margarita S. Sáenz Rodríguez, Santiago Flores Gasca, Orlando Soto Tapia, L. Alejandro Gutiérrez Gutiérrez 51 Estimación de la masa constitutiva de los quarks y de los hadrones usando un modelo de bolsa esférico para el confinamiento de quarks J. Rubén Morones Ibarra 65 Eventos y reconocimientos 67 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 70 Acuse de recibo 71 Colaboradores 73 Información para colaboradores 74 Código de ética Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 � �DIRECTORIO Ingenierías, Año XIX N° 73, octubre- diciembre 2016. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Impresos Baez, Jesús M. Garza 3219 Oriente, Col Francisco I. Madero, Monterrey Nuevo León, México, C.P. 64560. Fecha de terminación de impresión: 15 de octubre de 2016. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2016 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Mtro. Rogelio G. Garza Rivera Rector M.A. Carmen del Rosario de la Fuente García Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Dr. Celso José Garza Acuña Secretario de Extensión y Cultura Lic. Antonio Ramos Revillas Director de Editorial Universitaria FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván M.C. Jesús G. Puente Córdova Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster María de los Ángeles Baez Acuña Impresor Allyson Lynette Calderón Vega / Claudia Yanely Rivera Reyna Auxiliares CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. 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Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñán, FIME-UANL. � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 �Editorial: Valores y moral en la ética profesional Neydi Gabriela Alfaro Cázares Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica neydi.alfarocr@uanl.edu.mx Es frecuente que las escuelas e instituciones de educación presuman sus valores éticos y la forma en que los inculcan a sus estudiantes. Este tema toma mayor interés cada vez que ocurre algún evento trágico o accidente atribuible a negligencia o a actitudes que no se consideran éticas, apareciendo con ellos, pláticas, entrevistas y mensajes sobre ética, valores y moral que a menudo se mezclan y confunden, pero que dejan clara la necesidad de que los individuos sigan buenas prácticas en el cumplimiento de sus deberes. Particularmente, en lo que corresponde a la formación profesional, algunas instituciones de educación superior han incorporado cursos de ética en el ejercicio de la profesión o ética profesional en los semestres finales de sus programas de licenciatura, cuando ya han construido una buena parte de las competencias que corresponden a sus carreras, y con el debido refuerzo al comportamiento que se debe seguir en la etapa de formación profesional. En esos cursos se observa que los estudiantes tienen una gran confusión entre ética y valores, especialmente porque sus conceptos están relacionados con el bien y el mal, lo correcto y lo incorrecto. A menos que sean estudiantes que se estén formando en filosofía, no hay manera de que en efecto estudien ética. La clase se reduce a mostrar ejemplos que muestran la importancia que tiene tener un buen desempeño en el campo del trabajo en términos de su consecuencia, que puede ser positiva o negativa. El docente en esta situación se encuentra en un momento de desempeño laboral y está obligado, como ya se indicó, a ser ejemplo. Coloquialmente se le llama “ética aplicada” o “competencia ética” al refuerzo de esta actitud para el buen desempeño laboral, pero en un sentido estricto el buen comportamiento se lleva a la práctica sin considerar su posible fundamento teórico. Se habla mucho de que el estudiante adquiere y construye sus competencias durante la formación profesional y se les inculca que como egresados deben ser éticos, en el contexto que se ha descrito, es decir, en el de los valores y la moral. Se espera que el egresado lleve en alto el prestigio de su institución y sea un elemento que engrandezca a su patria, pero si el profesionista que cuenta con los conocimientos y actitudes para desarrollarse favorablemente en el ejercicio de su profesión, emprende acciones que solamente le benefician a él mismo amparado en una idea moral que podría ser cierta de que lo hace sin perjudicar a nadie, no contribuirá al crecimiento de la sociedad. Otro posible escenario es que el profesionista con los conocimientos y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 � �Valores y moral en la ética profesional / Neydi Gabriela Alfaro Cazares actitudes adecuados emprenda acciones en beneficio propio y de los demás, desempeñándose de la manera que se espera de él, pero sucede que no es consciente de que la ciencia, la ingeniería, y la tecnología avanzan, al grado que llega un momento en que las destrezas, conocimientos y competencias adquiridas y construidas durante la formación profesional ya no son suficientes para que su actuación sea considerada adecuada y que pueda parecer descuidado o falto de valores. Es por esto que es importante que los cursos de ética profesional muestren que la obsolescencia lleva a incompetencia y que debe estar atento a esa posibilidad, resolviéndola, por ejemplo, mediante cursos de actualización. El escenario deseado es que los profesionistas se mantengan vigentes en el sentido amplio de competencias y comportamiento. Los valores que se inculcan en los cursos para promover el llamado comportamiento ético contrastan mediante ejemplos y a veces amenazas, lo que ocurriría si no se siguiera el código que establece su profesión y llega a confundirse con ética. Con este antecedente, conviene establecer las diferencias entre ética, valor y moral para evitar confundirlos. Por un lado está la ética que tiene su origen en el griego, ethos, que significa costumbre o hábito y que estudia el comportamiento consciente del hombre, siendo una rama de la filosofía que busca proporcionar una justificación teórica que concilie una forma de comportamiento de los individuos que cuida tanto el bienestar propio como el de los demás. Dada la suposición de que las personas entienden la diferencia entre un buen acto y uno malo, existen innumerables definiciones dadas por un número igualmente grande de expertos que debaten cual es el concepto correcto sin que en realidad se haya llegado a una definición práctica de la ética ya que, en lo cotidiano nos regimos por valores y moral, que no son estáticos. Existen diversas corrientes dentro de la ética que abordan cómo el hombre puede realizar determinados actos para alcanzar la felicidad, así como también analizan y cuestionan la naturaleza de sus hechos. Se entiende que el hombre es consciente de sus actos, independientemente de motivaciones asociadas al temor de ser juzgado por la sociedad en la que se desenvuelve como alguien bueno o malo, según las consecuencias de tales actos. Es la valoración de estas consecuencias lo que nos lleva al terreno de los valores, que son una forma de acuerdo de conducta, los cuales tienen su origen en la costumbre y suelen recibir una clasificación que no está asociada al bien o al mal, están más bien asociados a su utilidad y al origen del acuerdo que los sustenta, así que podrían ser vitales, estéticos o espirituales. Esto hace que su valoración provenga de la manera en que las personas aprecian las acciones que satisfacen sus necesidades propias en comparación a las de un grupo al que pertenezcan. En cuanto a la moral, se trata de la tolerancia que se traduce a reglas que establece la sociedad antes ciertas acciones, de manera que el comportamiento se guía y se califica según esas reglas, que por llevar implícita una forma de tolerancia, depende del juicio de valor de acuerdo a la interpretación que una autoridad de a una regla. Por ejemplo, en el reglamento de policía y buen gobierno del municipio de Monterrey, en el artículo 19, que a letra dice “Son infracciones a la Moral y Buenas Costumbres:… fracción VII Realizar actos inmorales � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 �Valores y moral en la ética profesional / Neydi Gabriela Alfaro Cazares dentro de vehículos en la vía pública y lugares públicos”. Sin ánimo para descalificar tal redacción, esto es tan subjetivo que a falta de un catálogo de actos inmorales, tendrá un valor específico de acuerdo a quién sea el encargado de interpretar si un acto es moral o inmoral. Resulta aún más difícil cuando se establece un marco de comportamiento que se sustenta en argumentos como los que se utilizan con los niños, en el que se les reprueban ciertos actos por ser de “mala educación” sin que se logre dar una explicación que satisfaga a la razón porque aquí se trata de una discusión de base moral y no ética, aunque haya quienes quieran verlo así. Aceptando que la ética es una parte de la filosofía que considera la teoría del comportamiento, lo que se vive en la sociedad son valores, establecidos por conveniencia o afinidad de grupos, y moral, de aceptación general con base a usos y costumbres. Así, que aunque se considera importante el hogar porque ahí es donde nace y crece la persona, no aprende ética allí, pues la manera en que adquieren las primeras bases para su comportamiento es de una forma empírica, convirtiendo a la familia como la responsable de formar, de enseñar lo bueno o malo y esto va ir de acuerdo a su jerarquía o escala de valores, recayendo esta responsabilidad en ella por ser considerada la base de una sociedad. Una forma de aprender algunos valores universales como la honestidad, disciplina y el respeto para sí mismo y para los demás, se lo logra mediante el condicionamiento que se hace a través de las llamadas de atención del páter familia al niño por un acto inapropiado o una gratificación por una buena conducta, porque es en ese momento donde se comienza a hacer conciencia de que un determinado comportamiento va tener consecuencias buenas o malas. Cuando la persona llega a la escuela para recibir su formación educativa, ya cuenta con las bases necesarias para hacer una conciencia de las consecuencias que tendrá la realización de un determinado acto y durante esta época solamente el docente debe guiar o reforzar en aspectos de valores y moral. La escuela no es la encargada de enseñar por primera vez los criterios aceptables que deben seguir durante su etapa de formación básica. Los estudiantes que tienen bases sólidas de sus hogares no encuentran difícil continuar con un actuar adecuado que además les resulta favorable durante la realización de diversas actividades llevadas a cabo dentro y fuera del aula. Al margen del compromiso que asumen las instituciones de nivel superior para preparar al estudiante a lo largo de su carrera para que adquiera los conocimientos necesarios y se pueda desempeñar profesionalmente, en este período se espera que los estudiantes también desarrollen entre sus valores un sentido de responsabilidad que se requiere para dar cumplimiento cabal a sus obligaciones, ya que no se trata solamente de contar con los conocimientos suficientes, sino con la actitud para ponerlos a disposición de aquellos a quienes sirvan o de quienes los contraten. Un elemento importantísimo en la formación de valores es el ejemplo, en las primeras etapas de la vida de un individuo el ejemplo es proporcionado por sus padres, luego por sus maestros de educación básica, y en la formación profesional esta responsabilidad recae sobre el docente por ser quien está, en todos sentidos, al frente del grupo. Un docente no podrá inculcar valores de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 � �Valores y moral en la ética profesional / Neydi Gabriela Alfaro Cazares estudio, disciplina y trabajo si él mismo no se comporta de esa forma. Los valores no se pueden platicar, se forman como hábito a partir de su ejercicio, así que un docente no debe ser ni impuntual ni falto de interés o preparación. El docente hará consciencia a los futuros profesionistas de la importancia de buscar el bien común, no solamente el propio, y de la consecuencia de un actuar correcto, equivoco o un mal cálculo que pueda afectar a terceros. En cualquier caso, los valores son los que rigen nuestro comportamiento en la sociedad y la moral, la que los juzga, es por eso que los esfuerzos que las instituciones de educación superior dedican a los aspectos éticos son necesarios. La responsabilidad no se limita solamente al profesor encargado del curso de ética profesional, pues se debe recordar que como docentes nos encontramos en el ejercicio de nuestra profesión y debemos ser ejemplo de comportamiento ético para los estudiantes, desenvolviéndonos de manera congruente a la que profesamos en cada uno de los cursos que impartimos. � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 �Diagnóstico sobre habilidades semióticas matemáticas básicas en estudiantes de ingeniería Gabriel Martínez GradillaA, Juan José Sevilla GarcíaA, Maximiliano de las Fuentes LaraB, Ruth Elba Rivera CastellónB, Ramiro Ávila GodoyC Instituto de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California, Mexicali, Baja California. B Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California, Mexicali, Baja California. C Departamento de Matemáticas de la Universidad de Sonora, Hermosillo, Sonora. gabriel.martinez.gradilla@uabc.edu.mx, A RESUMEN Se exhiben los resultados de un instrumento para analizar semiosis matemática básica en estudiantes de ingeniería de la Universidad Politécnica de Baja California. El marco sustentante es la teoría de registros de representación. El instrumento fue diseñado para analizar transformaciones entre registros, mostrándose problemas por parte de los estudiantes para llevar a cabos algunas de las transformaciones, específicamente para resolver situaciones en donde la conversión es de algebraico al lenguaje natural (y viceversa), de gráfico al algebraico, así como en el tratamiento en lenguaje natural. Los reactivos que aluden al lenguaje natural y al registro algebraico revelaron respuestas menos acertadas. PALABRAS CLAVE Semiosis matemática, registros de representación, tratamiento, conversión, transformaciones. ABSTRACT This article shows the results of an instrument for analyzing basic mathematical semiotics in engineering students of the Polytechnic University of Baja California. Basis is the theory of semiotic representations. The instrument was developed for the analysis of transformations between registers, showing problems when students seek some kinds of transformations, specifically to solve situations where conversion is from algebraic to natural language (and vice versa), from graphic to algebraic, as well as in the treatment activity in natural language. In most cases the reactives that refer to natural language and the algebraic types of registers revealed fewer correct answers. KEYWORDS Mathematical semiotics, semiotic representations, treatment, conversion, transformations. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 � �Diagnóstico sobre habilidades semióticas matemáticas básicas en estudiantes de ingeniería / Gabriel Martínez Gradilla, et al. INTRODUCCIÓN La importancia de la educación en ciencias básicas en la formación curricular de los estudiantes de licenciatura ha sido motivo de discusión en foros nacionales e internacionales, primero por su carácter formativo que les capacita para razonar y ser creativos e innovadores en la solución de problemas, segundo por considerársele un herramental que les prepara para una mejor comprensión.1 En el caso específico de la matemática educativa, el manejo de conceptos relativos a la llamada semiótica matemática ha ganado popularidad en las publicaciones científicas contemporáneas del área a nivel internacional y se destaca el creciente interés de la comunidad de investigación por el uso de nociones semióticas en el estudio de los procesos de enseñanza y aprendizaje de las matemáticas.2 En este orden de ideas, se presentan aquí resultados relevantes producto del análisis de las habilidades básicas (o carencias según el caso) reflejadas por una muestra total de 300 estudiantes al resolver una herramienta didáctica diagnóstica tipo test, direccionada para transitar de forma bidireccional (desarrollar conversiones) entre los tipos de registros algebraico, gráfico, numérico y de lenguaje natural, así como también evidenciar la eficacia de los evaluados para realizar los correspondientes tratamientos (términos propios de la teoría semiótica). La confiabilidad del instrumento fue asegurada por el procedimiento de mitades partidas (split-halves). La finalidad de ésta investigación es ubicar áreas de oportunidad en el marco del proceso de enseñanza-aprendizaje de la matemática a nivel superior, que resulta en una medición ventajosa que puede ser anterior a la aplicación de un estímulo o tratamiento.3 PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN Dentro de los programas educativos de ingeniería que se ofertan en la Universidad Politécnica de Baja California (UPBC), entre el 15% y 20% de los cursos de las currículas corresponden al campo de conocimiento de la matemática; cálculo diferencial, cálculo integral, álgebra lineal, entre otros. Por otro lado, datos estadísticos recuperados por la institución revelan porcentajes de reprobación que se encuentran en el intervalo del 18% al 60% para tales asignaturas. Además de lo antes expuesto, en UPBC la existencia de material de investigación en el área de la educación matemática es nula. En atención a lo anterior, el problema de investigación puede ser planteado mediante el siguiente cuestionamiento: ¿Se pueden determinar específicamente los tipos de tratamientos y/o conversiones entre registros semióticos que generan situaciones de mayor obstáculo para los estudiantes que se encuentran matriculados actualmente en los programas de ingeniería de la UPBC? ELEMENTOS TEÓRICOS Una característica propia de los conceptos matemáticos es la necesidad de emplear diversas representaciones para asimilarlos y aprenderlos en toda su complejidad. El papel que juegan los símbolos en el desarrollo del pensamiento � Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Diagnóstico sobre habilidades semióticas matemáticas básicas en estudiantes de ingeniería / Gabriel Martínez Gradilla, et al. matemático es determinante, lo que implica, desde una perspectiva cognitiva, que para la total comprensión de las nociones matemáticas sea preciso emplear y coordinar más de un sistema de representación. Por ello, la semiótica y todos aquellos aspectos que forman parte de dicho campo, se han incorporado como ámbito de estudio en el área de la educación matemática, suscitando un interés creciente en los últimos años.4 Dado lo anterior, se puede afirmar que; en matemática, la adquisición conceptual de un objeto pasa necesariamente a través de la adquisición de una o más representaciones semióticas.5 La teoría de los registros semióticos reconoce tres actividades cognitivas ligadas a la semiosis: la formación de representaciones, el tratamiento (transformación efectuada dentro de un mismo registro) y la conversión (transformación llevada a cabo entre distintos registros).6 El siguiente esquema relacionar tales ideas:7 Fig. 1. Tres actividades cognitivas asociadas a la semiosis. Cuando se analiza cualquier labor matemática es importante distinguir entre las dos clases de transformación de los registros de representación. En el ejemplo de la figura 2, hay un único cambio de representación en la conversión (aunque en la mayoría de los casos esto no necesariamente es tan simple), mientras que en el tratamiento hay una secuencia de transiciones. Pero es común que conversión y tratamiento estén entrelazados en un mismo proceso de resolución. Fig. 2. Los dos procesos cognitivos fundamentales del pensamiento matemático. DESARROLLO En cumplimiento con el interés planteado en este trabajo y en concordancia con el antecedente teórico expuesto, se implementó una técnica indagatoria (basada en la aplicación de un test diagnóstico) que permitiese explorar los Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 � �Diagnóstico sobre habilidades semióticas matemáticas básicas en estudiantes de ingeniería / Gabriel Martínez Gradilla, et al. aciertos, dificultades y errores presentados por los estudiantes al efectuar transformaciones (tratamientos y conversiones) entre los tipos de registro algebraico, gráfico, numérico y de lenguaje natural. El análisis fue realizado a través de las siguientes fases o etapas y corresponde, según sus condiciones a una estructura de preexperimento, ya que ofrece un referencial inicial para observar el nivel de la muestra:3 1. Se elaboraron los reactivos (dieciséis en total) más adecuados que compondrían el instrumento (por medio de pares académicos) los cuáles versan sobre cuestionamientos matemáticos que requieren de un conocimiento muy elemental para su resolución, pero que abarcan todas las posibles transformaciones (tratamientos y conversiones) de registro entre los tipos antes mencionados. El criterio con el que se definieron las unidades de análisis fue en base a los conocimientos con que debe contar un estudiante promedio que pretenda ingresar o que ya se encuentre matriculado en un programa de licenciatura en ingeniería de la UPBC (algebra, geometría, trigonometría y elementos de cálculo en un nivel básico). 2. Se aplicó el test a un total de 300 estudiantes (que representan aproximadamente el 25% de la matrícula actual de la UPBC) inscritos en los programas de ingeniería mecatrónica, ingeniería en tecnologías de manufactura e ingeniería en tecnologías de la información, y que cursan entre el primero y octavo cuatrimestre. 3. Para la captura y posterior procesamiento de los resultados fue empleado el software IBM SPSS por medio del cual se calcularon los correspondientes índices de dificultad por reactivo (ítem). La dificultad de un ítem se entiende como la proporción de individuos que lo responden correctamente. Entre mayor sea esta razón, menor será su dificultad (se trata de una relación inversa). El índice (denotado usualmente como p) se obtiene del cociente de los acertados entre el número total de sujetos que contestó el reactivo:8 donde: pi = Índice de dificultad del reactivo i. Ai = Número de individuos que respondieron correctamente el ítem i. Ni = Cantidad total de sujetos (acertados y no) evaluados en el reactivo i. 4. Al ser características medibles de una muestra, los índices extraídos constituyen estadísticos y por tanto, se obtuvieron conclusiones pertinentes a partir de su análisis.9 RESULTADOS Al evaluar la resolución de los reactivos se encontraron serias deficiencias por parte de los estudiantes para llevar a cabo algunas de las transformaciones entre registros, específicamente para resolver situaciones en donde la conversión es del algebraico al lenguaje natural (y viceversa), del gráfico al algebraico y el tratamiento del lenguaje natural al mismo. Los correspondientes índices son de 0.19, 0.14, 0.12 y 0.04 respectivamente (tabla I). 10 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Diagnóstico sobre habilidades semióticas matemáticas básicas en estudiantes de ingeniería / Gabriel Martínez Gradilla, et al. Tabla I. Resultados totales. Reactivo Registro inicial Registro final Índice de dificultad Indicador 1 Algebraico Gráfico 0.40 Trazar una parábola sobre el plano cartesiano 2 Algebraico Numérico 0.55 Completar una tabla de valores 3 Algebraico Lenguaje 0.19 Ofrecer una explicación sobre la similitud o no, de dos formas algebraicas 4 Algebraico Algebraico 0.38 Desarrollar un trinomio cuadrado perfecto Redactar una expresión algebraica 5 Gráfico Algebraico 0.12 6 Gráfico Numérico 0.75 Completar una tabla de valores 7 Numérico Numérico 0.43 Ejecutar una operación aritmética 8 Lenguaje Lenguaje 0.04 Desarrollar una nueva proposición que representa disyunción 9 Gráfico Lenguaje 0.28 Señalar el vínculo gráfico entre rectas 10 Gráfico Gráfico 0.90 Iluminar el área que corresponde con intersección 11 Numérico Gráfico 0.30 Situar la gráfica de la recta con valor de pendiente 0 12 Numérico Algebraico 0.32 Redactar una expresión algebraica 13 Numérico Lenguaje 0.39 Identificar el conjunto numérico 14 Lenguaje Algebraico 0.14 Redactar una expresión algebraica 15 Lenguaje Numérico 0.67 Formular una expresión que indica una correspondencia numérica 16 Lenguaje Gráfico 0.40 Ubicar un intervalo sobre un gráfico La tabla anterior expone también fortalezas por parte de los sujetos en fase de aprendizaje las cuales se hacen muy relevantes y evidentes cuando se trata de la conversión del registro gráfico al numérico, y en el tratamiento del gráfico al mismo (proporciones de 0.75 y 0.90). Algunas respuestas típicas para los ítems con índices menores son: • Registro inicial algebraico a registro final lenguaje natural. Descripción; ofrecer una explicación sobre la similitud o no, de dos formas algebraicas. Respuesta tipo: Fig. 3. Respuesta representativa de la conversión del registro algebraico al lenguaje natural. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 11 �Diagnóstico sobre habilidades semióticas matemáticas básicas en estudiantes de ingeniería / Gabriel Martínez Gradilla, et al. En éste caso el individuo exhibe un manejo descuidado de la identificación de estructuras algebraicas elementales, la primera representada por la potencia cúbica de la adición de dos cantidades, y la segunda que se trata de la adición de dos monomios cada uno de los cuales se encuentra elevado a la tercera potencia. • Registro inicial gráfico a registro final algebraico. Descripción; redactar una expresión algebraica. Respuesta tipo: Fig. 4. Respuesta representativa de la conversión del registro gráfico al algebraico. La solución ofrecida por el estudiante es incorrecta ya que no propone el sentido correcto de la pendiente de la recta (signo –) ni tampoco su magnitud (2). • Registro inicial lenguaje natural a registro final lenguaje natural. Descripción; desarrollar una nueva proposición que representa disyunción. Respuesta tipo: Fig. 5. Respuesta representativa del tratamiento del registro de lenguaje natural. La réplica del aplicante es errónea pues no contiene las proposiciones originales ni tampoco el operador de disyunción (ó), es decir, al utilizar “y” en realidad se enuncia una intersección. • Registro inicial lenguaje natural a registro final algebraico. Descripción; redactar una expresión algebraica. Respuesta tipo: Fig. 6. Respuesta representativa de la conversión del registro de lenguaje natural al algebraico. 12 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Diagnóstico sobre habilidades semióticas matemáticas básicas en estudiantes de ingeniería / Gabriel Martínez Gradilla, et al. En éste caso el examinado identifica de manera errada las configuraciones aritméticas a que alude el enunciado. La tercera y la cuarta parte se refieren no a obtener los múltiplos de una cantidad, sino al cociente de ésta entre tres y cuatro, respectivamente. Adicionalmente, el disminuido está referido a la diferencia de diecisiete unidades (– 17). CONCLUSIONES Después de analizar los resultados se puede concluir que el instrumento (test) sí representa una alternativa aceptable como opción explorativa preexperimental en la búsqueda orientada a determinar tanto deficiencias como fortalezas presentadas por los sujetos de la muestra al llevar a cabo las transformaciones entre registros semióticos que forman parte del quehacer mínimo que puede exigirse a los involucrados con procesos ingenieriles. El no contar con esas pericias básicas mínimas, seguramente dejará en desventaja a algunos de estos futuros profesionistas en los rubros de interpretación y ejecución de su labor diaria. El recuento de los resultados indica que en la mayoría de los casos los reactivos que hacen referencia a los registros de lenguaje natural y al algebraico revelaron respuestas menos acertadas. A pesar de qué, buena parte de la enseñanza matemática en el campo universitario versa alrededor de trabajo algebraico, como dicen algunos especialistas, se siguen presentando problemas considerables en este rubro, lo cual puede deberse a la carencia de significados de los conceptos matemáticos. En el caso de las conversiones identificadas como “más problemáticas”, esto es, del registro algebraico al lenguaje natural (y viceversa) y del gráfico al algebraico, estas precisan de especial atención en el proceso de enseñanza y aprendizaje y deben ser abordadas intencionalmente6, dado que: Estos fenómenos de no congruencia constituyen el obstáculo más estable observado en el aprendizaje de la matemática, a todos los niveles y en todos los dominios; la conversión, en los casos de no congruencia, presupone una coordinación de los dos registros de representación movilizados, coordinación que nunca existe al inicio y que no se construye espontáneamente.10 Se propone por tanto, continuar con futuros trabajos encaminados a formular estrategias didácticas que busquen probar y enriquecer el desempeño áulico haciendo hincapié en el ejercicio de tales habilidades, pero con el uso de recursos (como las tecnologías de la información y la comunicación) y ejemplos que resulten “atractivos” a los estudiantes de ingeniería, dejando de lado (en la medida de lo posible) la carga conceptual que implica el tratar casos propios de otras licenciaturas. La incorporación de elementos tecnológicos trae consigo una doble ventaja, ya que provee un incremento en la capacidad de visualización de los problemas, y auxilia a los estudiantes en el proceso de autoevaluación del conocimiento que están adquiriendo, así, toman un papel más activo e independiente en el proceso de enseñanza aprendizaje de la matemática.11 REFERENCIAS 1. Garza, R. G. La enseñanza de las ciencias básicas en la formación de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 13 �Diagnóstico sobre habilidades semióticas matemáticas básicas en estudiantes de ingeniería / Gabriel Martínez Gradilla, et al. ingenieros. Ingenierías. México. 1999. Vol. 2, No. 5, pp. 55-58. 2. Godino, J. D. Un enfoque ontológico y semiótico de la cognición matemática. Recherches en Didactique des Mathématiques. Paris, Francia. 2002. Vol. 22, No. 2/3, pp. 237-284. 3. Hernández, R., Fernández, C. y Baptista, P. Metodología de la investigación (quinta edición). México. McGraw-Hill. 2010. 4. Macías, J. Los registros semióticos en matemáticas como elemento de personalización en el aprendizaje. Revista Digital de Investigación Educativa Conect@2. México. 2014. Vol. 4, No. 9, pp. 27-57. 5. D’Amore, B. Conceptualización, registros de representaciones semióticas y noética: Interacciones constructivistas en el aprendizaje de los conceptos matemáticos e hipótesis sobre algunos factores que inhiben la devolución. Revista Científica. Bogotá, Colombia. 2011. No. 11, pp. 150-164. 6. Aznar, M., Distéfano, M., Figueroa, S. y Moler, E. Análisis de conversiones entre representaciones semióticas de números complejos. Memorias de la III Reunión Pampeana de Educación Matemática (III REPEM). Santa Rosa, La Pampa, Argentina. 2010. pp. 93-101. 7. D’Amore, B. Objetos, significados, representaciones semióticas y sentido. Revista Latinoamericana de Investigación en Matemática Educativa. México. 2006. Número especial, pp. 177-195. 8. Díaz, P. y Leyva, E. Metodología para determinar la calidad de los instrumentos de evaluación. Educación Médica Superior. Holguín, Cuba. 2013. Vol. 27, No. 2, pp. 269-286. 9. Lind, D., Marchal, W. y Wathen, S. Estadística aplicada a los negocios y la economía (decimotercera edición). México. McGraw-Hill. 2008. 10. D’Amore, B. Bases filosóficas, pedagógicas, epistemológicas y conceptuales de la didáctica de la matemática (primera edición). México. Editorial Reverté. 2005. 11. Hitt, F. Educación matemática y uso de nuevas tecnologías. Perspectivas en Educación Matemática. México. 1994. pp. 21-42. 14 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial José Antonio De la O Serna Universidad Autónoma de Nuevo León, Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME, jdelao@ieee.org RESUMEN La investigación en estimación de sincrofasores ha cambiado recientemente el énfasis del problema de la medición fasorial al de la medición de frecuencia, y su tasa de cambio (Rate of change of frequency, ROCOF). La principal preocupación ahora es obtener análisis espectrales dinámicos más finos de las señales del sistema eléctrico de potencia. Este artículo propone el uso de los filtros Taylor-Fourier para reducir el error en la totalidad de parámetros observados. Esta reducción se obtiene explotando su capacidad para adaptarse al patrón dinámico de fase de la señal de una estimación a la siguiente. Al estar dotados con un seguidor de fase, son capaces de apuntar su base vectorial hacia la señal a medir, ofreciendo los mejores estimados posibles del subespacio más cercano a la señal. Los filtros adaptivos, dotados con su propio enlace de enganche de fase polinomial (Phase Lock Loop, PLL), siguen la frecuencia instantánea de la señal disponible. Ya que la mayoría de las señales estipuladas en el estándar de sincrofasores son definidas mediante polinomios de Taylor, la eficacia de esta familia de filtros es remarcable, desde duraciones tan cortas como dos ciclos. Los filtros obtienen estimados con error nulo en el conjunto completo de parámetros medidos, cuando la señal de prueba está en el subespacio apuntado de Taylor-Fourier. Además, errores muy pequeños de estimación son obtenidos mientras la tasa de energía señal a ruido (Signal to noise ratio, SNR) sea superior a 50dB. Finalmente, la interferencia de armónicas se puede suprimir, pero a un costo computacional más elevado. PALABRAS CLAVE Fasor dinámico, frecuencia, ROCOF, enlace de enganche de fase, unidad de medición fasorial, oscilaciones de sistemas de potencia, sincrofasores. ABSTRACT Synchrophasor estimation research has recently shifted the emphasis from the phasor to the frequency and rate of change of frequency (ROCOF) estimation problem. The main concern now is to achieve finer dynamic spectral analysis from the power system signals. This paper proposes the use of the TaylorFourier filters to reduce the error of the whole set of estimated parameters. This reduction is attained by exploiting their capability to match the phase pattern of the signal from one estimation to the next. By being endowed with their own phase follower, they are able to point their basis vectors towards the given signal, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 15 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna providing the best possible estimates from the nearest available subspace. The adaptive filters, provided with their own polynomial phase locked loop (PLL), follow the instantaneous frequency of the given signal. Since most of the signals stipulated in the synchrophasor standard are defined by Taylor polynomials, the performance of this family of filters is remarkable, for durations as from two cycles. They obtain estimates with zero error in the full set of parameters, when the test signal is in the focused Taylor-Fourier subspace. Very small estimation errors can be obtained for signal to noise ratios (SNR) greater than 50dB. Harmonic interference can also be constrained, but with higher computational cost. KEYWORDS Dynamic phasor estimates, frequency estimates ROCOF, phase-locked-loop, phasor measurement unit, power system oscillations, synchrophasors. INTRODUCCIÓN El uso extensivo de unidades de medición fasorial (Phasor Measurement Units, PMU) en sistemas eléctricos estimula la investigación en nuevos algoritmos para estimar fasores dinámicos. Un cambio de paradigma de los fasores estáticos a los dinámicos fue necesario para mejorar la estimación bajo condiciones dinámicas que justificaban el uso de esos dispositivos electrónicos inteligentes (Intelligent Electronic Devices, IED). Varios algoritmos fueron propuestos para mejorar dicha estimación. En los últimos años, los algoritmos se enfocaron en mejorar la medición fasorial. Hoy en día, ese énfasis es insuficiente, debido a la aparición de nuevos parámetros a estimar: en especial la frecuencia instantánea, y la tasa de cambio de dicha frecuencia (Rate of change of frequency, ROCOF). En pocos años, pasamos del problema simple de la estimación fasorial, al problema de medir estados fasoriales. Esto se debe a que existen decisiones de estabilidad del sistema eléctrico, para las cuáles es más importante medir con precisión la frecuencia instantánea y el ROCOF, que medir el fasor mismo. Antes de la aparición del estándar de sincrofasores,1 se propusieron los filtros Taylor-Fourier para estimar fasores dinámicos como una extensión del filtro de Fourier de un ciclo.2 Basándose en esta extensión de Taylor, en3 se propuso un método de compensación para cancelar el error bajo condiciones dinámicas del algoritmo clásico de Fourier, y para estimar frecuencia y ROCOF con ecuaciones de diferencias finitas. Otras técnicas de cancelación de error mediante estimados de Fourier consecutivos fueron propuestos en.4,5,6,7,8 Todos ellos se enfocan en el problema de estimación fasorial, y sus estimaciones de frecuencia y ROCOF dependen de los estimados DFT, los cuales asumen condiciones de estado estable. Además, todos ellos explícitamente declaran limitaciones en sus estimados de frecuencia y ROCOF. Una comparación de la mayoría de los algoritmos anteriores se puede encontrar en.9 En10 se usaron PLLs mejorados para paliar las deficiencias de la DFT. Finalmente, la infiltración de la imagen de la frecuencia fundamental del algoritmo DFT fue utilizada para estimar las desviaciones de frecuencia en.11,12 El interés en la medición de frecuencia y ROCOF junto con la medición fasorial fue planteado recientemente en los artıculos de Roscoe13,14,15 y artículos subsecuentes.16,17 El primer conjunto de artículos usa básicamente técnicas de enganche de frecuencia (Frequency Locked Loop, FLL) para sintonizar los 16 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna filtros a la frecuencia real de la señal medida y mejorar así las estimaciones fasoriales.17 Hace notar que las mediciones de frecuencia y ROCOF requieren de largos intervalos de tiempo. En16 se usa retroalimentación FLL para mejorar las estimaciones usando dos etapas de filtros Taylor-Fourier2 proponiendo un esquema único que ofrece estimaciones clase P y M, las cuáles son rápidas para protecciones (P) y lentas para medición (M). Por otra parte, los autores de17 concluyen que se requieren filtros con ventanas de duración multi-cíclica para rechazar las armónicas y el ruido blanco, pero que intervalos más largos incrementan los errores de medición fasorial, de frecuencia y de la ROCOF bajo fluctuaciones de frecuencia. Finalmente,18 propone algoritmos para obtener estimaciones de la fundamental y fasores armónicos sobre un amplio rango de frecuencia, de acuerdo a los requerimientos estáticos y dinámicos del estándar C37.118.1. El método de Prony se propuso en19 para pre-estimar la frecuencia y atenuación de la señal, y entonces utilizar el filtro Taylor-Fourier de orden cero para estimar con mejor precisión el fasor dinámico. Este filtro no corresponde al de Fourier de un ciclo, dado que está equipado con la inversa de la matriz de Gram para asegurar una proyección ortogonal, ya que los vectores de la base de Fourier no son ortogonales cuando la frecuencia no es la nominal. La estimación del filtro de Fourier de un ciclo deja de ser óptima fuera de la frecuencia fundamental, ya que su formulación asume una base vectorial ortogonal. Los resultados del filtro adaptivo de Prony fueron muy buenos debido a su técnica FLL. Basándome en esta simple idea, reconsideré el filtro Taylor-Fourier propuesto en2 y descubrí que está dotado de un PLL polinomial, y por lo tanto es capaz de adaptarse a la frecuencia dinámica de la señal de entrada mediante el ajuste de un patrón de fase polinomial de Taylor. Esta técnica es referida como PLL polinomial. De esta manera, el método propuesto es capaz de adaptarse a las fluctuaciones de fase y de frecuencia, ofreciendo las mejores estimaciones fasoriales, de fase, de frecuencia y de la derivada instantánea de frecuencia (ROCOF), dado que todas ellas aparecen en los coeficientes del polinomio de Taylor. La idea es muy simple: en vez de suponer la frecuencia nominal fundamental antes de aplicar el algoritmo LMS, y estimar los parámetros desde ese subespacio fijo, usamos los parámetros estimados para mejorar el modelo de señal con dicha información, aproximando el subespacio a priori a la señal dada. Esto se aplica de la estimación previa a la siguiente. Entonces, el algoritmo corre siempre con el patrón de fase previo y predice automáticamente el siguiente patrón con la información de la señal precedente. Esa estrategia genera un enlace de enganche de fase polinomial y traslada la frecuencia central de los diferenciadores ideales a la frecuencia instantánea de la señal. Dado que casi todas las señales de prueba del estándar de sincrofasores,1 se definen por dos polinomios de Taylor separados por una discontinuidad, sus segmentos continuos (sin ruido ni armónicas) se encuentran en el subespacio del modelo de señal del PLL polinomial Taylor-Fourier; y de acuerdo con la igualdad de Parseval, sus estimaciones corresponden a mediciones exactas, con error nulo en todos los parámetros (amplitud, fase, frecuencia, ROCOF, ROCOA, etc.). Y aun cuando la señal de prueba modulada por una amplitud y fase senoidal, exceptuada de la regla anterior, se encuentre fuera del subespacio del modelo de señal, los errores de estimación son muy pequeños. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 17 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna Otra estrategia similar a la del filtro de Prony es el método TLS-ESPRIT.20,21,22 En vez de estimar los mejores coeficientes de la ecuación de diferencias, y de ahıí la atenuación y la frecuencia de la señal de las raíces de la ecuación característica, como lo hace el método de Prony, el TLS-ESPRIT estima atenuación y frecuencias de los valores propios en la diagonal de la matriz de invarianza, que a su vez se obtiene de la matriz de covarianza de la señal, la cual es factorizada en una base ortogonal simétrica mediante descomposición en valores singulares (Singular Value Decomposition, SVD). Ambos algoritmos, el Prony y el TLS-ESPRIT preestiman únicamente atenuación y frecuencia, un subconjunto de los estimados del filtro Taylor-Fourier, el cual estima el conjunto completo de las primeras derivadas de amplitud y de fase (incluidas la frecuencia y la ROCOF). Por tanto, son capaces de enganchar la fase, expresada con un polinomio de Taylor de d-ésimo orden, sin necesidad de pre-estimar ecuaciones en diferencias o calcular matrices de covarianzas. Sólo necesitan para adaptarse a la fase los estados de amplitud y fase contenidos en sus propios estimados. Los métodos de Prony y TLSESPRIT necesitan una etapa computacional adicional para hacer su trabajo, y otra para mejorar los estimados. El método Taylor-Fourier puede continuar con su aproximación adaptativa para refinar sus estimados. Por tanto, el algoritmo propuesto es más general, y ofrece estimaciones más finas. El artículo afirma que los filtros Taylor-Fourier tienen toda la información necesaria para adaptarse a la fase, sin necesidad de estimar coeficientes de ecuaciones de diferencias o matrices de covarianza. Toda la información necesaria está en los estados estimados de amplitud y fase contenidos en los coeficientes de los polinomios de Taylor. Supone que para duraciones de dos ciclos, la oscilación de fase puede ser aproximada con suficiente precisión por un polinomio de Taylor de tercer orden. Esta estrategia trabaja bien con señales de sistemas de potencia. El algoritmo de mínimos cuadrados (Least Mean Squares, LMS) ofrece el mejor elemento del subespacio definido por el modelo de señal. Esto significa que ningún otro punto del subespacio puede ofrecer una mejor aproximación que la del punto de la solución LMS. Pero es posible mejorar el subespacio tomando en cuenta los estimados LMS. Iniciando con el subespacio generado con la fase lineal de la frecuencia fundamental nominal, el algoritmo LMS provee los parámetros para redefinir un nuevo subespacio con la fase polinomial estimada. Dicho subespacio podría abarcar la señal de entrada si pertenece al nuevo modelo de señal de fase polinomial. En caso de que la señal escape al nuevo subespacio, se puede aplicar nuevamente el algoritmo LMS para mejorar la estimación de la fase polinomial. Se observó que cuando se aplica el algoritmo a señales de sistemas de potencia reales, a partir del segundo intento el polinomio de fase varía ya muy poco (milirads). De manera que la innovación del subespacio alcanza su estado final rápidamente. Por esta razón, el algoritmo LMS es aplicado desde el subespacio generado por el polinomio de fase del intervalo de tiempo precedente. De esta forma, cada nueva estimación autocorrige el subespacio anterior y lo acepta como el más cercano a la señal a estimar. Como resultado, tenemos un seguidor óptimo del patrón de fase de la señal de entrada. El algoritmo siempre ofrece los mejores estimados del subespacio más cercano a la señal, minimizando así el error de aproximación. 18 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna El procedimiento está soportado por un marco teórico elegante. Una importante propiedad comparada con la abundancia de soluciones parciales o incompletas. De hecho, este método incluye el criterio de error tradicional usado en teoría de aproximación y en telecomunicaciones: la tasa de señal a ruido (Signal To Noise Ratio, SNR). Contrariamente a los errores del estándar: el TVE (total vector error), el error en frecuencia, o en la ROCOF, que toman en cuenta cada parámetro independientemente, la SNR ofrece una medida sintética del error que toma en cuenta todo el conjunto de parámetros estimados, con una elegante interpretación en el espacio de Hilbert (Ver Sección III, y Apéndice B). Además la SNR es válida para bases oblicuas, y se calcula a partir de las muestras de la señal, sin necesidad de conocer sus parámetros, los cuales son conocidos únicamente para las señales de prueba del estándar. En lo que sigue, se desarrolla el método matemáticamente, y se prueba el procedimiento de medición con las señales de prueba definidas en el estándar de sincrofasores, desde las más apegadas al modelo de señal, hasta las más alejadas. También consideramos su comportamiento contra armónicas o ruido aditivo blanco presente en la señal. Se concluye que el procedimiento se comporta bien, abriendo el camino a los análisis espectrales dinámicos, y que podría ser fácilmente extendido a la transformada Taylor-Fourier.23,24 SEÑAL DE BANDA LIMITADA Una señal de banda limitada se define como (1) el fasor donde es la frecuencia fundamental, y dinámico, Es posible aproximar un polinomio de Taylor de grado d al fasor dinámico: (2) en forma matricial se puede escribir como (3) donde la matriz T contiene muestras de los términos de Taylor, y el vector P1 los coeficientes complejos correspondientes a cada término de Taylor, La señal correspondiente será: (4) donde E es una matriz diagonal conteniendo las muestras de la función compleja en la diagonal, o el perfil de fase y la barra ¯ indica el operador conjugado complejo. Los mejores coeficientes de Taylor para una señal dada s, en el sentido LMS, son dados por la solución a las Ecuaciones Normales: (5) donde G es la matriz de Gram (6) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 19 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna la cual es Hermitiana y formada por bloques redundantes. Por lo que hay mucha simetría en la solución. Es fácil demostrar que su inversa es de la forma (7) con Así, en vez de calcular la inversa de una matriz, es necesario únicamente obtener dos de La señal aproximada será: (8) y la norma cuadrática del mínimo error de la aproximación LMS: (9) El segundo término de esta ecuación muestra que la energía de la señal estimada puede calcularse de la forma cuadrática de los parámetros estimados, Esta fórmula ofrece un criterio más completo para evaluar el error de estimación, y por tanto la calidad del conjunto completo de parámetros. Además, este criterio trabaja tanto para bases ortonormales como para biortogonales. En el primer caso, se reduce a la energía de los parámetros estimados, ya que en ese caso la matriz de Gram es la identidad (G=I, ver el Apéndice B). Esta es la razón por la que consideramos en este artículo la norma cuadrática del error de aproximación (normalizada), como una medida más completa de la calidad de la estimación. Usualmente, la norma cuadrada del error es normalizada por la de la señal, por lo que tenemos (10) Otra medida del rendimiento de la aproximación es la tasa señal a ruido (SNR), definida como (11) La solución LMS ofrece el mejor punto pese a la oblicuidad de la base vectorial. La ventaja de una fórmula general cuadrática es que toma en cuenta todos los parámetros de la señal sintética con respecto a la señal conocida. Responde a la pregunta sobre el significado de una frecuencia en un cambio abrupto de amplitud o de fase. Sabemos a través de Fourier que una discontinuidad requiere un número infinito de armónicas. Es entonces por la composición de la señal reconstruida que todos los parámetros tienen sentido. Ellos son capaces de reconstruir la mejor señal que el modelo puede ofrecer para la señal dada. Por tanto, es hasta que la señal aproximada es compuesta por la ecuación de síntesis que los parámetros adquieren una interpretación significativa. Hasta aqui los estimados LMS se obtienen, medidos del subespacio definido por los términos de Taylor modulados a la frecuencia fundamental nominal mediante el operador E y su conjugado. La principal contribución de este artículo consiste en usar la información de fase ofrecida por los estimados LMS en para acercar más el subespacio a la señal disponible, modulando los vectores de la base con la exponencial compleja con el último perfil de fase disponible. Iniciamos suponiendo una fase dinámica inicial nula: (12) y los parámetros LMS ofrecen la innovación: (13) 20 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna donde es la fase determinada por un polinomio de Taylor de d-ésimo orden, correspondiente al polinomio pronosticado por el algoritmo LMS en el k -ésimo paso. Este procedimiento se puede repetir sucesivamente para mejorar el perfil de fase en los elementos de en el operador del algoritmo LMS como sigue: (14) hasta que un error muy pequeño sea alcanzado. De esta manera, el subespacio es atraıdo sucesivamente hacia la señal de entrada. Y el algoritmo siempre ofrece las mejores estimaciones de fasor, frecuencia, y ROCOF, que ofrece el subespacio más cercano. El k -ésimo patrón de fase no fundamental (15) se obtiene de las siguientes ecuaciones para d=3: (16) (17) Estas se obtienen fácilmente evaluando las ecuaciones del Apéndice A en el centro del intervalo temporal, t0. Note que las derivadas de amplitud dependen de las partes reales de las estimaciones fasoriales, y las derivadas de la fase, de las partes imaginarias. Por tanto, en la medida que mejoramos nuestro patrón de fase agregando polinomios de fase, los estimados fasoriales se convierten en amplitudes reales, y los estimados de fase pasan al operador E. Por lo tanto, el método separa las estimaciones de amplitud y fase y sus derivadas correspondientes. También es posible hacer esto varias veces hasta que la norma del error de aproximación sea suficientemente pequeña. Al aplicar este procedimiento a señales provenientes de un sistema de potencia se observó que el procedimiento es capaz de enganchar la fase de la señal con suficiente precisión a partir de la primera corrida del algoritmo LMS. En la segunda vuelta el diferencial de fase era ya del orden de miliradianes. Entonces, se decidió correr el algoritmo LMS con la fase aproximada de la etapa precedente. Esto es suficiente para asegurar el seguimiento sucesivo del perfil de fase de la señal. Este es el procedimiento que se siguió para obtener los resultados numéricos de este artículo. La implementación digital de (5) con una frecuencia de muestreo de Nf1Hz, requiere muestrear los términos de Taylor en la matriz T en los instantes Si el estimado obtenido con la matriz en (5) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 21 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna es entonces, tenemos las siguientes relaciones entre los elementos de y (18) donde es la corrección del perfil de fase algoritmo LMS en el k-ésimo paso. ofrecida por el Carga Computacional Para una señal de longitud N, la estimación de estados fasoriales desde el plano de Fourier de frecuencia fundamental requiere 2(d+1)N2 productos. La pseudoinversa a la frecuencia fundamental es constante y calculada solamente una vez. En el algoritmo propuesto es necesario calcular una pseudoinversa para cada estimación de estados fasoriales. La inversa de la matriz de Gram necesita la inversión de dos matrices de (d+1) × (d+1) datos. Y la pseudoinversa requiere 4(d+1)2N productos. Entonces la carga computacional para cada estimación de estados fasoriales aumenta a 2(d+1)N2+4(d+1)2N+2(d+1)2, asumiendo que el costo de cada inversión es de O((d+1)2). ASPECTOS TEÓRICOS Esta sección explica los conceptos geométricos necesarios para entender las implicaciones de la biortogonalidad, concepto crucial para comprender completamente este artículo. En el Apéndice B se encuentran las formulaciones bien conocidas de la desigualdad de Bessel y de la igualdad de Parseval para el caso de subespacios generados por una base ortogonal. Aquí generalizamos tales teoremas para subespacios generados con una base vectorial oblicua. En la mayoría de los libros de análisis funcional (ver por ejemplo),25,26 la desigualdad de Bessel y la igualdad de Parseval son demostradas asumiendo bases ortogonales. Los matemáticos se precipitan en la ortogonalidad, arguyendo que una base ortonormal puede ser derivada de cualquier base oblicua mediante el procedimiento de Gram-Schmith. Aquí mantenemos que se usa una base ortonormal únicamente por la simplicidad de la demostración. De manera que la prueba para una base oblicua es necesaria hoy en día para encontrar las formulaciones biortonormales. Esto es importante aquí, ya que para polinomios de Taylor de orden superior a cero, las bases formadas con los términos de Taylor son oblicuas. Y las estimaciones tanto del fasor, como de la frecuencia y su derivada (ROCOF) provienen de tal estructura vectorial. Teorema 1. (Proyección y Desigualdad de Bessel Biortonormal) Sea x un elemento arbitrario de un espacio vectorial un elemento del subespacio generado por una secuencia contable de elementos oblicuos {xi} de x en la matriz X. Para cada x∈χ existe un único tal que y es ortogonal a cada uno de los elementos de la base xi, i=1,..., n. Además, la desigualdad de Bessel biortonormal mantiene que Demostración. Para la primera parte tenemos (19) y por tanto (20) 22 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna Y para la segunda parte, la prueba es como sigue: (21) puesto que (20) Es fácil ver de (20) que a pesar de que los vectores en X sean oblicuos, la Hermitiana de la matriz pseudoinversa X†=(XHX)-1XH y X forman un par de bases biortonormales, dado que Este resultado es algebraicamente sorprendente, y proviene de la ortogonalidad de la proyección. De (19) tenemos que el complemento es ortogonal no solamente a , sino también a todos los elementos del subespacio xn, el cual es generado por X. Y la energıa faltante en la desigualdad de Bessel es precisamente la energıa del complemento: Así, el teorema Pitagoreano es más completo que la desigualdad de Bessel. Note que cuando la base vectorial en X es ortonormal, la expresión de la desigualdad de Bessel biortonormal se reduce a la del bien conocido caso de vectores ortonormales. Por otra parte, Parseval afirma que la igualdad se cumple, si y solo si la señal de entrada se encuentra en el subespacio. En cuyo caso, la proyección preserva la energıa de la señal. Probemos el teorema de Parseval con bases oblicuas. Teorema 2. (Igualdad de Parseval Biortonormal) Si x∈χ n, entonces Demostración. Para x=Xα, se tiene y entonces La biortogonalidad garantiza que si una señal de entrada tiene únicamente componentes del modelo de señal (vectores oblicuos xi) los filtros biortonormales en la matriz pseudoinversa son capaces de separar perfectamente la señal en esas componentes una por una, sin ninguna interferencia entre ellos. Los filtros separan perfectamente (ortonormalmente) cada componente, de tal manera que los parámetros estimados son capaces de reconstruir perfectamente la señal. Sin embargo, si una componente oblicua no incluida en el modelo aparece en la señal de entrada, esa componente exógena tendrá una proyección con interferencia en las componentes oblicuas del modelo. De acuerdo con la igualdad de Parseval, la biortogonalidad garantiza la descomposición y la reconstrucción perfecta de señales conteniendo términos de Taylor hasta del máximo grado incluido en el modelo de señal. En este caso, la biortonormalidad de las bases oblicuas trabaja tan bien como la ortonormalidad lo hace con las armónicas incluidas en la DFT. Excepción hecha de la señal modulada senoidalmente, las señales de prueba del estándar de sincrofasores son versiones moduladas por términos de Taylor (con una discontinuidad en el origen). Entonces, fuera de los brincos, los filtros Taylor-Fourier ajustan perfectamente (biortonormalmente) las componentes de Taylor, y consecuentemente, en ausencia de ruidos aditivos o componentes fuera de banda de paso, los filtros ofrecen mediciones de estados fasoriales, mientras las señales contengan términos de Taylor de orden inferior al máximo incluido en el modelo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 23 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna Propiedades geométricas de las señales de prueba El estándar mide separadamente los errores paramétricos en el error vectorial total (Total Vector Error, TVE), el error de frecuencia (Frequency Error, FE), y el error de la ROCOF (ROCOFE). El TVE mira solamente al plano de Fourier de frecuencia fundamental (término de Taylor de cero-ésimo orden del subespacio Taylor-Fourier), donde viven las senoidales de amplitud y fase constante (ver el primer conjunto de ecuaciones de (16) y (17)). Pero el fasor dinámico instantáneo p(n), la frecuencia instantánea f(n), y su derivada ROCOF(n) son conocidos solamente en las señales de prueba del estándar. Todas las señales del estándar son construidas de acuerdo a la siguiente descomposición básica: En cualquier instante t, las señales de prueba se separan en dos componentes, una componente estática sc(t), la cuál está en el plano de Fourier de frecuencia fundamental, y una dinámica sd(t), la cuál está fuera de ese plano. Se tiene: (22) donde (23) son las series de Taylor alrededor de de respectivamente. Estas series son puramente dinámicas. Fig. 1. Diagrama de la descomposición de señal s(t) en sus componentes constante sc(t) y dinámica sd(t) que definen un hiper-plano del espacio de Hilbert. La componente estática se puede encontrar simplemente removiendo las dinámicas. Es posible ver en (22), que si se reduce a Y que su fasor dinámico instantáneo se encuentra en el plano de Fourier de frecuencia fundamental. La componente dinámica es simplemente su componente complementaria sd(t)= s(t)-sc(t), la cual es igual a la parte derecha de (22), pero con [cosφ(t-t0)-1] en vez del factor cosφ(tt0). Con este cambio, es claro que sd(t) es puramente dinámico, con sd(t0)=0. El estándar supone que un buen algoritmo (TVE=0) es capaz en cada instante de admitir la componente estática, y de rechazar perfectamente las componentes dinámicas. Note en la figura 1, que esas componentes son oblicuas. Los filtros 24 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna deben de tener respuestas impulsionales oblicuas, y por tanto un buen algoritmo necesita filtros biortonormales. Al incluir hasta la componente de Taylor de késimo orden, los filtros Taylor Fourier son capaces de rechazar perfectamente las componentes hasta de ese orden. Consideraciones Geométricas del TVE El error fasorial (TVE) entre el fasor instantáneo estimado p(n) se define en el estándar como: y el verdadero (24) y mide el módulo instantáneo del error fasorial normalizado en el plano de frecuencia fundamental de Fourier. Es equivalente a la distancia Euclidiana entre ambos parámetros, y de acuerdo al teorema de Parseval, es únicamente una medida completa cuando la señal está en ese subespacio. Es una medición excelente cuando el fasor instantáneo es conocido, como es el caso de las señales del estándar de sincrofasores. Pero esta distancia es insuficiente para comparar el rendimiento de diferentes algoritmos cuando la secuencia fasorial es desconocida, como es el caso de la mayoría de las aplicaciones prácticas, en las cuales solamente se dispone de las muestras de la señal. Debido a que el TVE desprecia información tan útil como las fluctuaciones de frecuencia y la ROCOF, es insuficiente para medir completamente la calidad de la aproximación a la señal de oscilación lograda por los parámetros estimados. EVALUACIÓN DE FILTROS PLL TAYLOR-FOURIER El rendimiento de los filtros PLL Taylor-Fourier es muy bueno cuando operan sobre segmentos de señal continua definidos por polinomios de Taylor, como las del estándar, ya que sus parámetros se ajustan perfectamente las condiciones estáticas y dinámicas impuestas por dichas señales. La amplitud, fase y frecuencia de éstas se definen por polinomios de Taylor en dos intervalos de tiempo separados por una discontinuidad. La señal con amplitud y fase sinusoidal también es aproximada con suficiente precisión con un polinomio de Taylor de tercer orden, como veremos en los resultados. Pero es sabido en análisis funcional que las discontinuidades son las enemigas de las descomposiciones de Fourier y de Taylor. Es bien conocido que una discontinuidad en el tiempo necesita un conjunto infinito de frecuencias en la base de Fourier, y nuestro filtro está equipado con solamente una de ellas. El estándar evalúa el rendimiento del transitorio con el TVE. Aquí se propone medir el rendimiento con el error de aproximación de la señal sintética, tomando en cuenta todos los parámetros estimados para reconstruir la señal aproximada. Consideramos el filtro TF que incluye hasta el término de Taylor de 3-er orden (d=3), truncado con una ventana rectangular de dos ciclos de la frecuencia fundamental, el cuál es el más corto que ofrece la banda de paso más amplia con ganancias lisas. Las bandas de paso de los más largos son más angostas como puede verse en la figura 4 de.2 Las señales son muestreadas a N=48 muestras por ciclo, y se obtienen estimados instantáneos en cada muestra. En lo que sigue, se presentan las señales de prueba de la más conveniente a la menos ajustada. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 25 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna Rampa de Frecuencia La señal de frecuencia modulada con una rampa de frecuencia se adecua perfectamente con el modelo de señal polinomial de los filtros TF PLL. Esta señal es definida por la amplitud y fase siguientes: (25) (26) donde u(t) es la función escalón, y Rf=1Hz/s. Como puede verse, los segmentos de esta señal quedan cubiertos por el subespacio de los filtros PLL TF, excepto cuando contienen la discontinuidad en t=0. Por tanto, los estimados de amplitud, fase, frecuencia y ROCOF son mediciones perfectas, excepto cuando los filtros procesan la discontinuidad. Los errores de estimación son del orden de 10-14 con el método propuesto. En particular el error de la ROCOF en estado estable es de 10-12. Por otra parte, la SNR de la señal reconstruida tiene un mínimo de 98 dB en el pico del transitorio, y un valor medio de 158 dB cuando los segmentos de la señal están contenidos en el subespacio. Por ende, se puede afirmar que alcanzan reconstrucción perfecta casi en todas partes, para propósitos prácticos. Las estimaciones se muestran en las figuras 2 y 3. Fuera de la discontinuidad los errores son pequeñísimos. Estos resultados son excelentes. Cuando el patrón de fase recursivo es forzado a cero los errores son incomparables debido a la acumulación de error, ya que la demodulación es hecha desde la frecuencia fundamental, con un TVE de 200% al final del intervalo de tiempo de la figura 3. Este enorme TVE es debido únicamente al error de fase producido por el desajuste polinomial de la fase. Los errores de frecuencia y ROCOF sigue una curva parabólica y lineal, respectivamente. Y cuando la fase es modelada por un polinomio de Taylor de segundo orden (caso FLL), el error de frecuencia es nulo, pero el de la ROCOF es lineal. (a) (b) (c) Fig. 2. Errores de amplitud (a), y fase (b), de la señal modulada con una rampa de frecuencia. En (c), el TVE en %. 26 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna (a) (b) Fig. 3. Errores de frecuencia (a) y de la ROCOF (b) en la señal con una rampa de frecuencia. Las estimaciones de amplitud y fase son una constante y una parábola, respectivamente. Respuestas de amplitud y de fase En este caso la amplitud y la fase de la señal de prueba se definen como sigue: (27) (28) donde u(t) es la función escalón unitario. El tamaño del escalón de amplitud es de y el de la fase Aun cuando ambas funciones sean menos suaves que los de la señal con rampa de frecuencia, pueden ajustarse perfectamente con los términos de Taylor de orden cero en los segmentos continuos. Las estimaciones de amplitud y fase son excelentes en estado estable, como puede apreciarse en las figuras 4 y 5, las cuales muestran los principales resultados. Nuevamente, los errores de amplitud, fase, y frecuencia en estado estable son de 10-14. La SNR de la aproximación es de 150 dB en estado estable, y decae hasta 35 dB en la mitad del transitorio. Esto significa que únicamente falta el 0.04% de la energía de la señal en la señal reconstruida en la punta del transitorio debido a la discontinuidad. Y de nuevo, una reconstrucción perfecta se logra en estado estable, indicando que la señal de prueba está en el subespacio de los filtros TF con PLL polinomial. De acuerdo con el Teorema de Parseval, la señal estimada preserva completamente la energía de la señal de entrada, con un ajuste perfecto. En este caso, también los filtros tradicionales Taylor-Fourier2 alcanzan un rendimiento similar en estado estable, ya que la señal de entrada permanece a la frecuencia fundamental nominal. El PLL polinomial no es necesario cuando la señal no contiene desviaciones de frecuencia o de fase. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 27 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna Fig. 4. Estimaciones fasoriales correspondientes a la señal de prueba con un escalón de amplitud: (a) amplitud en pu; (b) fase en rads; y, (c) TVE en %. Fig. 5. Estimaciones de la señal de prueba con escalón de fase con el PLL TF: (a) amplitud en pu; (b) fase en rads; y, (c) TVE en %. Señal modulada en amplitud y fase La señal de prueba se define con la siguiente amplitud y fase (29) (30) donde De nuevo, ambas funciones se definen con funciones suaves, pero en este caso de clase C∞, con una discontinuidad en t=0. 28 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna Esta señal está claramente fuera del subespacio PLL Taylor-Fourier de 3-er orden debido a que las derivadas superiores a tres no están incluidas en el modelo, sobretodo en los puntos de inflexión. Pero en intervalos donde los segmentos sinusoidales son casi parabólicos, el punto de la señal es muy cercano al subespacio con muy pequeños errores de aproximación, como veremos en los resultados siguientes. De hecho, los mayores errores se obtienen en los puntos de inflexión de las oscilaciones. La figura 6 muestra los errores de amplitud y fase del método propuesto. Se aprecia que dichos errores son de hecho muy pequeños. El TVE es también muy pequeño para esta señal. Por otra parte, las figuras 7 y 8 muestran las estimaciones de frecuencia y de ROCOF y sus errores correspondientes. Fig. 6. Errores de amplitud (a) y fase (b) con TVE (c) en por ciento para la señal de prueba modulada en amplitud y fase. Fig. 7. Frecuencia (a) y error de estimación (b) en la señal de prueba modulada en amplitud y fase. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 29 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna Fig. 8. ROCOF (a) Error ROCOF (b) de la señal modulada en amplitud y fase. Nuevamente, el error de frecuencia es inferior a 0.2 mHz, y la ROCOF es inferior a 0.05 Hz/s. Finalmente, en la gráfica al fondo de la figura 9, se puede apreciar que la SNR de la aproximación es 100dB en estado estable, y 32 dB en la punta del error debido a la discontinuidad. De nuevo, un resultado sobresaliente para esta señal. Fig. 9. Energía del error normalizado (a) y SNR (b) logrado en la señal modulada en amplitud y fase. 30 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna Los errores de los filtros Taylor-Fourier con FLL son muy similares a los ilustrados, excepto el error de la ROCOF en la figura 8, los cuáles son muy grandes (200 Hz/s) para el FLL. Señal Real La señal en2,19, y disponible en,27 es analizada con este método y los resultados se presentan en la figura 10. La SNR de la aproximación de esta señal, la cual contiene una 3a armónica, se muestra en la figura 11. Se puede apreciar el orden Fig. 10. Estimaciones instantáneas de amplitud y fase de la señal de un sistema de potencia real. Fig. 11. SNR incurrido en las estimaciones de amplitud y fase de la señal de un sistema de potencia real. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 31 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna de los errores incurridos en presencia de transitorios (cercanos a 20dB), y los debidos a la presencia de la 5a armónica, de alrededor de 36 dB. La eficacia de la aproximación es aún aceptable. Esto significa que a la señal aproximada le falta únicamente diez milésimas de la energía total de la señal. Análisis del Ruido Se considera la media del TVE debido a la presencia de ruido aditivo Gaussiano blanco. La figura 12 muestra el nivel medio de TVE en función del nivel de ruido dado por los dBs de SNR. Para cada nivel constante de SNR, se obtiene la media de TVE de una serie de estimaciones fasoriales tomadas sucesivamente durante diez ciclos. Se puede observar que para los niveles usuales de SNR (>50 dB), el TVE medio es inferior de 10-1%. La figura 13 muestra los errores en frecuencia y de la ROCOF obtenidos con una SNR de 70dB. Error fasorial debido a las armónicas La figura 14 ilustra el TVE medio debido a armónicas h=2, ..., 23, e interarmónicas con una amplitud constante de 10%. La gráfica de arriba muestra el TVE obtenido con solamente una componente en la base vectorial, mientras que la de abajo, cómo el TVE puede reducirse al incorporar en la base vectorial una componente frecuencial que se adapta a la de la armónica, usando PLL polinomial en ambas frecuencias. De esta manera, la biortonormalidad separa perfectamente ambas componentes. Como puede verse en la figura 14, el TVE medio es extremadamente pequeño (de aproximadamente 3x10-13). Las frecuencias interarmónicas se exploran cada cuarto de frecuencia fundamental. Por supuesto Fig. 12. TVE como función de la SNR con ruido Gaussiano aditivo blanco. que esta solución incrementa el costo computacional del algoritmo. La figura 15 ilustra los errores de frecuencia y ROCOF producidos durante diez ciclos de la armónica más alta (la 23 -ava). De nuevo, ambos errores son casi nulos (0.5x10- 32 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna y 1x10-13), respectivamente. Y son del mismo orden para todas las armónicas e inter-armónicas. Cuando las armónicas o inter-armónicas son desconocidas, se puede usar FFT para detectarlas, y entonces el algoritmo PLL polinomial se iniciaría incluyendo estas componentes, y seguir su fase con mejor precisión. Sin embargo, se requiere más investigación para implementar esta posible solución. 13 Fig. 13. Errores de frecuencia durante diez ciclos con dB de SNR. Fig. 14. TVE medio debidos a interferencia armónica e inter-armónica, a) con una componente de frecuencia, y b) con dos componentes de frecuencia en la base vectorial. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 33 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna Fig. 15. Error de frecuencia y de la ROCOF debidos a la 23 ava armónica. DISCUSIÓN Cuando las señales de prueba están contenidas en el subespacio Taylor-Fourier de fase polinomial (IV-A, IV-B) el TVE es del orden de 10-13%, en la primera señal el TVE máximo en la discontinuidad es de 2.5x10-3%, y en la segunda señal de 5 y 10% para amplitud y fase, respectivamente, con un transitorio de 2 ciclos (33 ms para 60 Hz) alrededor de la discontinuidad, y un sobretiro de 0.7% en amplitud y 0.013 de ángulo de fase. En el caso de la señal modulada en amplitud y fase IV-C, el TVE es inferior a 4x10-3, y el error máximo de frecuencia y ROCOF es de 2x10-4 Hz y 0.05 Hz/s, respectivamente. En el caso de la señal real estos errores no pueden ser medidos ya que se desconocen los parámetros de la señal. En el caso de presencia de ruido (IV-E) TVEs inferiores a 0.1% pueden alcanzarse con SNRs ≥ 50dB, para los cuales el error de frecuencia y ROCOF son inferiores a 10-3 Hz y 6x10-3 Hz/s. Finalmente, en el caso del TVE ante la presencia de armónicas IV-F, los errores de frecuencia y ROCOF son casi cero (10-13) para todas las armónicas e inter-armónicas consideradas, asumiendo que sus frecuencias son conocidas a priori. Es evidente que los rangos de error están muy por abajo de las umbrales del estándar.1 Un buen resumen tabular de las cotas del estándar para las señales de prueba puede encontrarse en.28 Además, los resultados obtenidos mejoran los comparables en10 con TVEs más pequeños, y con colas de transitorias más cortas. CONCLUSIONES El sistema propuesto trabaja como un observador de fase y amplitud, ofreciendo mediciones de estados fasoriales cuando el punto de la señal se encuentra en el subespacio dinámico Taylor-Fourier, y las mejores estimaciones de derivadas fasoriales cuando la señal se encuentra fuera de su alcance. Los filtros adaptivos siguen instantáneamente la fase y son máximamente lisos junto a la frecuencia instantánea. El esquema alcanza errores tolerables en señales con 34 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna SNR superiores a 50dB. Se puede aplicar para extraer armónicas indeseables y reducir el error fasorial. La adaptación a la fase mejora las estimaciones de los esquemas existentes actuales, sin embargo sus estimaciones no son tan buenas ante discontinuidades de amplitud, fase o frecuencia, debido a la dificultad para representarlas con polinomios de Taylor. El resultado podría extenderse a todas las frecuencias incluidas en la transformada Taylor-Fourier, evitando que las frecuencias instantáneas no se colapsen, contribuyendo así a la solución de problemas más amplios de estimación espectral: ofreciendo representaciones espectrales más exactas que las que ofrece la tradicional DFT, que ofrece las más groseras por corresponder al Taylor-Fourier de orden cero. Además de la excelente contribución al problema de estimación de sincrofasores, el resultado podría tener un impacto en el área más amplia de análisis dinámico, o análisis tiempo-frecuencia, debido a su formidable capacidad de seguir fluctuaciones dinámicas de frecuencias. RECONOCIMIENTOS El autor agradece al Dr. Edward J. Powers por su valioso consejo de fijarse en la fase al resolver problemas de medición fasorial. Apéndice A Derivadas del fasor dinámico Si es el fasor dinámico, entonces sus derivadas son las siguientes: Apéndice B Pruebas de la desigualdad de Bessel e igualdad de Parseval Se presentan las pruebas de la Desigualdad de Bessel y de la Igualdad de Parseval. Ambos teoremas son clásicamente probados usando bases ortonormales. Teorema B.1. (Proyección y Desigualdad de Bessel Ortonormal) Sea x y x_ un elemento arbitrario del espacio χ, y x_ un elemento del subespacio , generado por una secuencia contable de elementos ortonormales de χ en la matriz Φ. Para cada x∈χ existe un único tal que es ortogonal a cada uno de los elementos de la base Además, la desigualdad de Bessel mantiene que para todo x∈χ. Demostración. Para la primera parte tenemos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 35 �Midiendo sincrofasores con filtros Taylor-Fourier con enganche adaptivo de fase polinomial / José Antonio De la O Serna y por tanto (31) ya que ΦHΦ=I, la cual es precisamente la condición de ortonormalidad de los vectores en Φ. Y para la segunda parte porque . Entonces tenemos la desigualdad de Bessel Teorema B.2. (Igualdad de Parseval Ortonormal) Si x∈χ n, entonces . Demostración. Para se tiene y entonces La igualdad de Parseval es importante porque indica que la energía de la señal es preservada en una transformación. Esto se cumple solamente cuando la señal se encuentra en el subespacio. Los matemáticos la usan para probar convergencia en subespacios completos. REFERENCIAS 1. IEEE standard for synchrophasor measurements for power systems, IEEE Std C37.118.1-2011 (Revision of IEEE Std C37.118-2005), pp. 1-61, Dec 2011. 2. J. 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Alejandro Gutiérrez GutiérrezB, Daniel Gerardo Bencomo TrejoA Departamento de Ciencias de la Ingeniería del Instituto Tecnológico Superior de Nuevo Casas Grandes B Comité Técnico de Aguas Subterráneas Casas Grandes msaenz@itsncg.edu.mx A RESUMEN Se presentan resultados de la colaboración entre el Comité Técnico de Aguas Subterráneas (COTAS) y el Instituto Tecnológico Superior de Nuevo Casas Grandes (ITSNCG), para conocer la condición del acuífero Casas Grandes y la de explotación de agua subterránea, para con ello concientizar a los usuarios en la práctica de métodos más eficientes, además del control de recurso hidráulico y la energía. Se aplicó una metodología basada en la Ley de aguas nacionales y las normas de eficiencia electromecánica y resulta que en relación a un estudio realizado por el Instituto Mexicano de Tecnologías del Agua (IMTA) en 2006, el acuífero continua siendo sobreexplotado. PALABRAS CLAVE Acuífero, abatimiento, sobreexplotación, aguas subterráneas, eficiencia. ABSTRACT Results of the collaboration between the Technical Committee on Groundwater (COTAS) and Instituto Tecnológico Superior de Nuevo Casas Grandes (ITSNCG) presented to determine the condition of the aquifer Casas Grandes and exploitation of groundwater, to thereby sensitize users in practice more efficient methods besides resource control and hydraulic energy. A methodology based on the National Water Law and electromechanical efficiency standards were applied, it is found in that in reference of a study conducted by the Mexican Institute of Water Technology (IMTA) in 2006, the aquifer is still over exploded. KEYWORDS Aquifer, Dejection, overexploitation, groundwater, efficiency. INTRODUCCIÓN El agua es un recurso indispensable para el desarrollo, económico, social y cultural de la humanidad. Sin embargo, su disponibilidad es variable en tiempo y ubicación. Se requiere la elaboración y aplicación de una política sustentable que contemple un equilibrio entre la disponibilidad natural del recurso agua y la extracción realizadas para lograr su uso eficiente Para contar con un uso sustentable del agua se requiere la gestión integral de este recurso, para con esto evitar por su Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 39 �Estado actual del Acuífero Casas Grandes / Margarita S. Sáenz Rodríguez, et al. uso indiscriminado, generar una nueva cultura del agua, establecer prioridades a atender y realizar una correcta administración del recurso hídrico. Un acuífero es “cualquier formación geológica o conjunto de formaciones geológicas hidráulicamente conectadas entre sí, por las que circulan o almacenan aguas del subsuelo que pueden ser extraídas para su explotación, uso o aprovechamiento y cuyos límites laterales y verticales se definen convencionalmente para fines de evaluación, manejo y administración de las aguas nacionales del subsuelo.1 La sobreexplotación de los acuíferos genera una serie de consecuencias negativas entre las cuales se encuentran el impacto ecológico irreversible del agotamiento de manantiales, la desaparición de lagos y humedales, la desaparición o reducción de los caudales base de los ríos, la eliminación de la vegetación nativa y la pérdida de un ecosistema. La regulación del uso, explotación, manejo, distribución y control del agua que se considera propiedad nacional se estipula en la Ley de aguas nacionales. Dicha tarea le corresponde a la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), de acuerdo a su publicación más reciente en el año 2014 del Diario Oficial de la Federación. La CONAGUA es un órgano administrativo desconcentrado de la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, con funciones de derecho público en materia de gestión de las aguas nacionales y sus bienes públicos inherentes, con autonomía técnica, ejecutiva, administrativa, presupuestal y de gestión, para la consecución de su objeto, la realización de sus funciones y la emisión de los actos de autoridad que conforme a esta ley corresponde tanto a ésta como a los órganos de autoridad a que la misma se refiere.1 La administración del agua se hace a través de regiones hidrológicas, las cuales están integradas por una o varias cuencas hidrológicas, unidad básica para la gestión de recursos hídricos; así mismo éstas se dividen en sub cuencas, luego en micro cuencas. Cabe mencionar que no coinciden con las divisiones políticas pues dependen de las características morfológicas, orográficas e hidrológicas. La disposición o derecho de uso del agua del subsuelo se hace a través de concesiones de derechos; según la ley de aguas nacionales, es un título que se otorga a través de CONAGUA o del Organismo de Cuenca que corresponda, para la explotación, uso o aprovechamiento de las aguas nacionales. De acuerdo con la ley de aguas nacionales vigente,1 los concesionarios tienen derecho para explotar, usar o aprovechar las aguas nacionales y los bienes a los que se refiere y realizar obras o trabajos para la explotación de aguas nacionales, estando obligados a instalar dispositivos de medición, evitar explotar volúmenes mayores a los concesionados. Sin embargo, debido a los cambios en condiciones climáticas y a la falla en el cumplimiento de las obligaciones anteriores; como estrategia para el cuidado y preservación de los recursos hidrológicos, en los últimos años se han declarado no aptos para explotación hidráulica algunos territorios, en el siguiente apartado se explican estas declaratorias. El Acuífero Casas Grandes cuenta con varios estudios realizados en fechas anteriores a 2006 en donde se evidencia la gran problemática que hay con el uso, manejo y utilidad del agua, pero no se encontró algún estudio formal posterior a 40 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Estado actual del Acuífero Casas Grandes / Margarita S. Sáenz Rodríguez, et al. esa fecha, aunque los usuarios de aguas subterráneas han visto que el volumen de extracción de agua ha disminuido, lo que afecta el área de siembra, por lo que hay interés en conocer lo que está ocurriendo en el acuífero. El estudio del Acuífero Casas Grandes más reciente se llevó a cabo el año 20063 por el IMTA, cuyos resultados se dieron a conocer en su publicación e indican que la precipitación media anual en la cuenca es de 2,114.3 mm. Marca además que al 2006 el Registro Público de Derechos de Agua (REPDA) cuenta con 1,585 títulos registrados en el acuífero con un volumen total concesionado de 212.142 millones de metros cúbicos. En esa ocasión se inventariaron 1199 aprovechamientos (incluyendo 25 norias y 14 tajos) de los cuales el 78.6% se encontraba en estado activo y el restante 21.4% en estado inactivo. El volumen total bombeado del acuífero se estimó en 216.061 millones de metros cúbicos (95.6% de uso agrícola y el 3.9% en uso doméstico o pecuario, figura 1). Fig. 1. Clasificación de posos según su uso. El municipio donde se extrae más agua del acuífero es Nuevo Casas Grandes (67.1%) y el resto en el municipio de Casas Grandes. En ese entonces, el volumen total de agua requerido para cultivar la superficie de riego de 16,595.1 hectáreas era de 206.672 millones de metros cúbicos. El informe indica también que el acuífero Casas Grandes en el 2006 era el tercero en el estado de Chihuahua en cuanto a sobreexplotación. Y el abatimiento medio anual en el acuífero en los últimos 30 años es de alrededor de 0.867 m.2 El sistema de Información Nacional del Agua (SINA) muestra en la figura 2 el comparativo del estado de los acuíferos por región hidrológica – administrativa, el acuífero Casas Grandes pertenece a las cuencas centrales del norte. Es la región VII en la imagen y en la tabla se aprecia que el 78.26% de los acuíferos de esta región están sobre explotados, además de ser la región con menos recarga media anual. Otro problema que se encuentra es que, a pesar de contar con un territorio tan grande, cuenta con pocos acuíferos para suministrar el recurso hídrico.3 La problemática que se presenta en esta región, de acuerdo al último estudio realizado por el Instituto Mexicano de Tecnologías del Agua (IMTA) en el año 2006, es que el acuífero Casas Grandes se encuentra sobreexplotado, y de que no se realiza ningún tipo de trabajo para la recuperación y preservación del mismo, esto se debe a varios factores. El volumen anual que se extrae del acuífero se estima que es mayor tanto del que se encuentra concesionado y como del volumen estimado de recarga. En la actualidad existen registros de que año con año el nivel del agua está descendiendo considerablemente en todo el acuífero, en puntos donde la extracción es mayor se presenta aún más, trayendo como consecuencia pozos más profundos, incremento en el consumo de energía eléctrica y altos contenidos de sales en el agua.2 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 41 �Estado actual del Acuífero Casas Grandes / Margarita S. Sáenz Rodríguez, et al. Bajo el fenómeno de Región Con Total de salinización HidrológicoSobreexplotados intrusión acuíferos de suelos Administrativa marina y aguas salobres Recarga media (hm3) Península de Baja California 88 15 10 4 1,658.10 II Noroeste 62 10 5 0 3,206.60 II Pacífico Norte 24 2 0 0 3,076.40 IV Balsas 45 1 0 0 5,350.90 I V Pacífico Sur 36 0 0 0 1,935.90 VI Río Bravo 102 18 0 8 5,900.20 VII Cuencas Centrales del Norte 65 23 0 18 2,319.60 VIII Lerma Santiago Pacífico 128 32 0 0 9,669.90 IX Golfo Norte 40 1 0 0 4,068.70 X Golfo Centro 22 0 0 0 4,705.30 XI Frontera Sur 23 0 0 0 22,717.70 XII Península de Yucatán 4 0 0 1 25,315.70 XIII Aguas del Valle de México 14 4 0 0 2,346.10 Total 653 106 15 31 92,721.10 Fig. 2. Comparativo de acuíferos por región hidrológica – administrativa. La CONAGUA cuenta con procesos que no siempre resultan eficientes para controlar el incremento de nuevos aprovechamientos, manifestándose irregularidades en los trámites de distribución, relocalización, así como las trasmisiones de derechos parcial y total del volumen. En muchos de los casos, los pozos que ceden las concesiones en su totalidad se quedan operando y los que ceden una parcialidad del volumen extraen la misma cantidad que la que tenían; peor aún, los pozos nuevos extraen mucho más y la dependencia no revisa el cegado de pozos ni monitorea los volúmenes que se extraen de los mismos. 42 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Estado actual del Acuífero Casas Grandes / Margarita S. Sáenz Rodríguez, et al. Debido a que no se ha implementado una reglamentación específica para el acuífero Casas Grandes existe un gran problema, y algunas variantes que lo causan es que no se les da manejo adecuado a las aguas superficiales, debido a esto, se opta por la extracción de agua de los mantos acuíferos subterráneos que año con año se realiza a mayor profundidad. La falta de implementación de instrumentos de medición para el control del volumen extraído y el volumen concesionado en cada uno de los aprovechamientos hidráulicos existentes en el acuífero acrecientan el problema, ya que no se respeta el volumen concesionado. Otro factor que influye es la forma de riego, pues se siguen utilizando métodos de muy baja eficiencia como el riego rodado o por gravedad, los cuales provocan pérdidas por infiltración y evaporación; o por ejemplo el uso de conducciones largas, que incrementan las pérdidas de carga, lo cual al final se traduce en altos consumos de energía. El conocer el perjuicio que ocasiona lo anterior puede permitir, si se puede lograr la concientización de los usuarios, el diseño y la aplicación de estrategias que vayan reduciendo el abatimiento y la sobre explotación, a través del uso eficiente del recurso hidráulico, siendo necesario apoyarse de la ley de aguas nacionales, las normas oficiales que aplican y los estudios anteriormente realizados. Zona de veda Se denomina zona de veda a aquellas áreas específicas de las regiones hidrológicas, cuencas hidrológicas o acuíferos, en las cuales no se autorizan aprovechamientos de agua adicionales a los establecidos legalmente y éstos se controlan mediante reglamentos específicos, en virtud del deterioro del agua en cantidad o calidad, por la afectación a la sustentabilidad hidrológica, o por el daño a cuerpos de agua superficiales.1 El Acuífero Casas Grandes ha recibido dos decretos de veda por tiempo indefinido para la perforación de obras de alumbramiento de agua del subsuelo con fecha de publicación en el diario oficial de la federación del 16 de junio de 1954 y 27 de marzo de 1981, esto con el fin de evitar la extracción de agua del subsuelo desordenada en este acuífero, así como para procurar la conservación del acuífero en condiciones de explotación racional y controlar las extracciones de aguas subterráneas en pozos existentes. Agua superficial Otra información importante que ayuda a establecer el estado del acuífero es determinar la demanda de agua superficial. El primer paso es localización de represas, se toma nota del número y las condiciones en que se encuentran. La asociación de usuarios puede proporcionar el área destinada al riego con el agua superficial, de acuerdo al tipo de cultivo y la superficie cada unidad de riego se encarga de la distribución del agua y determinar el tiempo de riego que corresponde a cada usuario. NORMA NOM-006-ENER 2015 Esta norma tiene como finalidad establecer la mínima eficiencia energética de las bombas verticales tipo turbina con motor externo eléctrico vertical que se Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 43 �Estado actual del Acuífero Casas Grandes / Margarita S. Sáenz Rodríguez, et al. comercialicen en los Estados Unidos Mexicanos a efecto de ahorrar energía para contribuir a la preservación de los recursos energéticos y la ecología, además de proteger al consumidor de productos de menor calidad y consumo excesivo de energía. Aplica únicamente a bombas verticales tipo turbina, con motor externo eléctrico vertical, distribuido y vendido en los Estados Unidos Mexicanos, para el manejo de agua limpia con las propiedades que se especifican en esta norma.5 En esta norma se indica además el procedimiento a seguir al hacer las pruebas y cálculos necesarios para determinar la eficiencia electromecánica del sistema. METODO DE ANÁLISIS La metodología empleada para el análisis del estado del acuífero es en su mayoría correlacional, ya que se basa en la comparación de los valores tomados a través del trabajo de campo con los valores establecidos por las normas vigentes. Tiene a su vez naturaleza descriptiva, pues consiste en determinar el comportamiento y las características del acuífero y de la infraestructura instalada en cada aprovechamiento. Y, sobre todo, se aplica una metodología causal, a través de la interpretación de la información de acuerdo a la experiencia y los datos estadísticos. Existen 30 puntos estratégicos marcados en el estudio anterior,3 los cuales representan una muestra que abarca la totalidad del acuífero. La medición de niveles se debe realizar 2 veces al año, antes y después del periodo de lluvias, para llevar la estadística de abatimiento del acuífero. RESULTADOS Los resultados obtenidos se basan en una muestra de 30 pozos distribuidos en todo el acuífero incluyendo los poblados de Colonia Juárez, Colonia Cuauhtémoc, San Diego, Madero, Guadalupe, Buena Fe, Casas Grandes, Nuevo Casas Grandes, El Llano, Sección Hidalgo, Sección Enríquez, Ejido Hidalgo, ej. Guadalupe victoria, Ejido Graciano Sánchez, Corralitos y la colonia menonita El Capulín, desde el año 2011 se realizó el sondeo en estos pozos dos veces por año una en el mes de marzo y la otra en octubre como indica CONAGUA una antes de las lluvias y la otra después y en la figura 3 se muestra los resultados obtenidos del año 2011 a la fecha, en ella se puede apreciar un abatimiento promedio anual de 1 metro. Agua superficial De la actividad de recopilación de información y localización de las represas, se obtuvo la información del estado de operación, su superficie de riego, número de usuarios y sus principales cultivos, en la tabla I se muestran los resultados. En la tabla se observan las 29 represas que están ubicadas a lo largo de los ríos que se encuentran en el acuífero y las coordenadas exactas de operación. La suma de la superficie beneficiada, es cerca de 14,000 hectáreas, con posibilidad de ser aprovechada, teniendo como sus principales cultivos alfalfa, durazno, nogal, entre otros. 44 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Estado actual del Acuífero Casas Grandes / Margarita S. Sáenz Rodríguez, et al. Fig. 3. Evolución anual de nivel estático. Presa Palanganas La presa Palanganas es un proyecto que se localiza en el poblado El Rusio municipio de Casas Grandes. Esta es una obra muy esperada por todos los usuarios de agua del río Casas Grandes, ya que contará con una estructura hídrica que podrá almacenar 100 millones de m³ con una cortina de 10 metros de ancho y 523 de largo, satisfaciendo las necesidades de las 29 represas existentes por todo el ciclo agrícola, se tenía contemplada su construcción para el año 2012, sin embargo, a la fecha que no se ha iniciado su construcción. Agua subterránea El Registro Público de Derechos de Agua (REPDA) tiene inscritos 1,531 títulos de concesión de aprovechamientos del agua subterránea en el acuífero Casas Grandes con un volumen total concesionado de 213, 682,937.28 M³ (REPDA, 2015). De los pozos registrados el 61.4% se ubican en el municipio de Nuevo Casas Grandes y el 31.7% en Casas Grandes. Según el uso del agua el 93.9% del volumen concesionado es de uso agrícola.4 DISCUSIÓN De acuerdo a las mediciones realizadas del nivel estático en los diferentes puntos estratégicos dentro del acuífero Casas, los resultados muestran que el abatimiento medio anual en los últimos 5 años es aproximadamente de un metro, teniendo como consecuencia que la extracción del agua sea cada vez a mayor profundidad, generando con esto mayores costos de extracción y en ocasiones una mala calidad del agua. El acuífero cuenta con un escurrimiento natural que es el río Casas Grandes por donde fluye un volumen aproximado medio anual de Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 45 �Estado actual del Acuífero Casas Grandes / Margarita S. Sáenz Rodríguez, et al. Tabla I. Características del agua superficial. Superficie No. Usuarios Principal Cultivo 30°20’41.90’’N 108°8’25.20’’O 258-59-85.37 145 Cuauhtémoc 30°18’35.69’’N 108°4’49.76’’O Alfalfa, durazno, manzano, nogal y frijol. Coordenadas Río Piedras Verdes Cuevitas Latitud Longitud 249-00-00.00 42 San Diego 30°16’2.20’’N 108°1’51.70’’O 179-50-00.00 34 Trincheras 30°15’49.10’’N 108°1’34.80’’O 77-00-00.00 9 Llano Largo 30°15’16.60’’N 108°59’6.50’’O 294-00-00.00 36 Río Palanganas El Rucio 30°2’47.10’’N 108°2’18.90’’O 122-32-63.93 23 Godina 30°4’7.40’’N 108°2.42.90’’O 108-88-08.53 21 Macheros 30°5’36.40’’N 108°2’6.50’’O 166-01-62.63 24 Los Alisos 30°6’23.00’’N 108°2’18.40’’O 53-55-16.398 6 Sandoval 30°6’48.20’’N 108°2’15.20’’O 215-54-44.96 33 El Manzano 30°8’12.00’’N 108°2’20.00’’O 128-62-61.34 26 Moraleña 30°9’58.70’’N 108°1’21.60’’O 184-26-62.474 35 El Adobe 30°11’13.90’’N 108°0’54.40’’O 170-04-51.04 32 Pilares 30°11’50.20’’N 108°0’36.11’’O 138-26-26.21 19 La Boquilla 30°12’44.10’’N 108°0’25.90’’O 83-00-00.00 18 Alfalfa, frijol, avena, trigo y frutales. Río Casas Grandes Anchondo 30°14’55.10’’N 107°58’9.86’’O 113-00-00.00 18 Madero 30°15’23.60’’N 107°57’41.70’’O 277-25-00.00 39 Los Comunes 30°19’33.54’’N 107°56’57.63’’O 944-05-39.00 110 Las Lagunas 30°20’45.50’’N 107°55’53.70’’O 1,915-80-00.00 33 La Riqueña 30°21’28.42’’N 107°55’39.56’’O 308-96-93.00 8 San Isidro 30°22’45.60’’N 30°22’45.60’’N 511-99-26.00 47 San Francisco 30°24’52.40’’N 107°56’19.30’’O 193-25-00.00 9 San José 30°25’35.50’’N 107°56’31.80’’O 645-00-00.00 7 Enriquez 30°27’6.00’’N 107°56’11.90’’O 921-50-00.00 74 Hidalgo 30°27’49.00’’N 107°55’40.70’’O 1,131-75-94.00 68 Zaragoza 30°29’19.00’’N 107°55’14.00’’O 2,912-54-14.97 124 El Llano 30°30’45.40’’N 107°55’1.60’’O 740-39-89.72 34 Juárez 30°32’57.10’’N 107°55’1.60’’O 860-00-00.00 43 Graciano Sánchez 30°37’41.63’’N 107°55’27.10’’O 207-72-90.00 9 14,111-86-29.6 1126 46 Nogal, durazno, alfalfa, sorgo, trigo, avena, manzano, sandía, frijol, maíz y papa. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Estado actual del Acuífero Casas Grandes / Margarita S. Sáenz Rodríguez, et al. 90 millones de metros cúbicos de agua, del cual muy poca se aprovecha, porque no existe una presa de captación su almacenamiento, las únicas obras con que se cuenta son las lagunas, pero solo pueden almacenar 20 millones de metros cúbicos, y de ello se estima que se utiliza menos de la mitad debido a las malas obras de distribución del agua y el mal manejo de ellas. Existe la posibilidad de regar con aguas superficiales una área aproximada de 14,000 hectáreas para usar una tercera parte de esta superficie, puesto que en la temporada de lluvias, cuando el río lleva un gran flujo de agua debido a la gran fuerza que esta lleva, no se puede tener un control para la distribución, solo se puede emplear cuando el flujo es menor, por medio de la infraestructura que existe para el levantamiento y conducción de la misma, Además con la obra hidroagrícola con la que se cuenta se desaprovecha una gran cantidad de agua, ya que la mayoría de las represas, canales, compuertas y acequias se encuentran en pésimo estado. Otra razón por la que se pierde gran volumen de agua es por la mala cultura de riego por parte de los agricultores y por la falta de trabajo en las parcelas como lo es en la nivelación y la deficiente conducción del agua. Debido a que no se ha actualizado el censo de los aprovechamientos subterráneos, no existe un dato real de pozos existentes en el acuífero Casas Grandes; la información que maneja el Registro Público de Derechos de Agua (REPDA) es de 1531 aprovechamientos subterráneos con un volumen de concesionado de 213, 682,937.28 M³ en el año 2015. De acuerdo al IMTA en el año 2006 existían en el REPDA un total de 1,585 títulos con un volumen total concesionado de 212.142 millones de m3.4 Esto indica que el registro no presenta datos reales del número de aprovechamientos existentes, pues del 2006 a la fecha se han incrementado el número de aprovechamientos, provocado por la falta de control en las divisiones de volúmenes por parte de la CONAGUA y de acción en contra de los pozos irregulares. La recarga anual que se estimaba para el año 2015 de 180 millones de m³ según la CONAGUA, pero ese valor se ha reportado constante desde 2002, lo que indica que no se han observado los grandes cambios que se han dado en la precipitación pluvial desde entonces, por lo que en la práctica no ayuda a evidenciar el agotamiento paulatino de los acuiferos. De acuerdo al estudio de 2006 por parte del IMTA, la superficie total agrícola era de 16,640.5 hectáreas y un total de 6955.72 ha tecnificadas. Para el año 2015, de acuerdo con SAGARPA, la superficie total agrícola es de 23,631.2 hectáreas y 9,670 hectáreas tecnificadas, esto indica un incremento de 39.02% del 2006 al 2015, pero también aumentó el área agrícola total en un 42.01%, para el año 2015 el área total tecnificada es de 40.92%. Si bien es cierto que la tecnificación es una ventaja, el crecimiento del área total agrícola, provoca una disminución en el porcentaje de área tecnificada ahora en el 2015 de 40.9%, esto representa que en el 2006 existía más porcentaje tecnificado que en año 2015 (un 1% mayor). A fin de cuentas, desde el punto de vista ecológico este incremento en la tecnificación no representa ningún beneficio en la disminución de la extracción del agua, pues más bien ha crecido. Con lo anterior, si en el 2006 se extraían 216.061 millones de metros cúbicos para abastecer 16,640.5 hectáreas, ahora que se riegan 23,631.2 con un porcentaje similar en tecnificación, suponiendo que el comportamiento de volumen extraído sea proporcional al porcentaje en el aumento de hectáreas de uso agrícola, es Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 47 �Estado actual del Acuífero Casas Grandes / Margarita S. Sáenz Rodríguez, et al. posible estimar que se requieran ahora aproximadamente 302.507 millones de metros cúbicos para abastecer la demanda de riego. Lo cual representa un déficit de 122.5 millones de metros cúbicos. Significa una demanda sobrada en un 67.7%. En cuanto a eficiencia energética, de los 10 equipos evaluados, 6 resultaron estar trabajando con un rendimiento menor al 40%, que es valor límite considerado para llevar a cabo la rehabilitación mayor de los equipos de bombeo según la NOM-006-ENER-2015, lo anterior representa el 60% de los equipos evaluados, el otro 20% necesita rehabilitación menor, el último 20% se encuentra en buen estado, en general el 80% necesita algún tipo de rehabilitación. De acuerdo a la muestra que se analizó, se estima que la mayoría de los equipos que se encuentran trabajando en el acuífero necesitan algún tipo de rehabilitación, demandando un alto consumo de energía eléctrica que significa una pérdida económica considerable para el productor. COMENTARIOS Y RECOMENDACIONES FINALES La gran demanda que se presenta de agua para el uso agrícola dentro del Acuífero Casas Grandes, en mayor parte debido a que los cultivos principales en esta región son altamente consumidores de agua, como lo son maíz, trigo, alfalfa, nogal entre otros. Se recomienda a los productores que seleccionen bien el cultivo con el que van a trabajar, que no requiera tanta agua y a su vez que sea redituable económicamente, esto se debe consultar con un área especializada en el tema. Es posible apoyar al acuífero para su recuperación, comúnmente llamado cosechar agua además de seguir las recomendaciones siguientes: • La inyección de agua al subsuelo con la elaboración de pozos de absorción es decir que se realiza una perforación cercana o dentro de un afluente de agua que pueden ser un río o un arroyo, con el fin que cuando por ellos circule agua ésta se pueda conducir al pozo de absorción e infiltrarse dentro del mismo y así recargar el manto acuífero en forma directa, es importante mencionar que estas obras deben de estar estrictamente monitoreadas para evitar algún tipo de contaminación que pudiera llegar al subsuelo y así mismo contaminar el agua en él. • Otra de las recomendaciones es que en los campos menonitas la mayoría cuenta con pozos domésticos y su vez cuentan con grandes bodegas y casas, estas serían utilizadas cuando llueva, si se pudiera captar esa agua que escurre en los techos de éstas y dirigirla al pozo sólo se deberá instalar un sistema de filtros convencional para proteger de contaminantes. • Realizar obras de captación de agua pluvial como lo son presas y represas para la utilización del agua para el uso agrícola, una de las obras futuras más importante para la región es la presa palanganas, la cual almacenara 100 millones de m³ y abastecerá un área de cultivo de aproximadamente 14 mil hectáreas nuestra recomendación es promover a nivel gubernamental la construcción de esta obra y otras más para aprovechar al máximo el agua superficial. • Acceder a los programas existentes para la forestación y reforestación como los que ofrece la CONAFOR, esto con el fin de incrementar la población de vegetación en los bosques con los que se cuenta en la región, y así apoyar a la 48 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Estado actual del Acuífero Casas Grandes / Margarita S. Sáenz Rodríguez, et al. recuperación de los mismos de la explotación a la que está siendo sometida, ya que es de donde se origina el agua principalmente. • Evitar la erosión del suelo por el sobre pastoreo, otra parte es que se puede hacer es trabajar la tierra con maquinaria sin afectar la vegetación con el fin de ablandar el suelo y cuando la lluvia se presente, frenarla y que se pueda infiltrar al subsuelo para la optimización mejor del agua. Para el ahorro de agua se pueden realizar varias acciones y las recomendaciones son las siguientes: • Incrementar la superficie tecnificada en el acuífero, al 100% sería un gran apoyo para la disminución de la extracción además que con estos métodos las cosechas son más redituables. • Utilizar la mayor cantidad de agua superficial posible, la utilización del agua superficial trae muchos beneficios para la región ya que esta no genera costo alguno y además no representa ninguna afectación al acuífero, el problema es de que se desaprovecha un gran porcentaje, se recomienda apoyar a la organización del distrito de riego ya que si se organizan se puede tener un mejor control del agua además pueden gestionar al gobierno la realización de obras de almacenamiento, la creación de canales para la distribución y la nivelación de tierras, con estas obras se pudiera dar una mejor utilidad al agua superficial, y se dejaría de extraer mucha agua del subsuelo que se pudiera remplazar por agua superficial. • La implementación de sistemas confiables de medición es muy importante para controlar la extracción que se está realizando de agua del subsuelo, el COTAS (Comité Técnico de Aguas Subterráneas) en Casas Grandes ha hecho pruebas con equipos de telemetría, estos equipos son capaces de enviar a un equipo receptor las lecturas de la extracción día con día. La única inconveniencia es que son equipos caros, pero si se accede a un apoyo de gobierno esto pudiera ser posible y así se controlaría la extracción de los pozos. • Mejoramiento de eficiencia electromecánica de pozos, se recomienda realizar un diagnóstico energético en cada pozo para saber en qué condiciones está trabajando, así mismo se conocerá si el equipo necesita algún tipo de reemplazo, esto con el fin de reducir el consumo excesivo de corriente eléctrica. Es importante mencionar que existen varios apoyos gubernamentales para la rehabilitación de equipos de bombeos, si todos los equipos estarían funcionando correctamente los productores dejarían de pagar grandes cantidades de dinero para la extracción y además se estaría apoyando a la disminución de contaminantes y así al planeta. REFERENCIAS 1. Comisión Nacional del Agua. (2014). Ley de Aguas Nacionales y su Reglamento. México, D.F.: Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales. 2. Instituto Mexicano de Tecnologías del Agua. (2006). Estudio para la Operación del Manejo Sustentable del acuífero Casas Grandes, Chihuahua. Cd. de México: IMTA. 3. CONAGUA. (24 de noviembre de 2015). Sistema de Información Nacional Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 49 �Estado actual del Acuífero Casas Grandes / Margarita S. Sáenz Rodríguez, et al. 4. 5. 6. 7. 8. 50 del Agua. Obtenido de Comisión Nacional del Agua: http://www.cna.gob. mx/Contenido.aspx?n1=3&n2=60&n3=60 REPDA (2015). Registro público de Derechos de agua, México. CONAGUA. Comité Consultivo Nacional de Normalización para la Preservación y Uso Racional de los Recursos Energéticos (21 de julio de 2014), NOM-006ENER-2015, Eficiencia energética electromecánica en sistemas de bombeo para pozo profundo en operación. Límites y método de prueba, Diario Oficial de la Federación. Comité Consultivo Nacional de Normalización y Uso Racional de los Recursos Energéticos. (06 de agosto de 2014). NOM-001-ENER-2014 Eficiencia Energética de Bombas Verticales Tipo Turbina con motor externo eléctrico vertical, límites y método de prueba. Diario Oficial de la Federación. Comisión Nacional para el Ahorro de Energía. (18 de 04 de 2005). NOM010-ENER-2004. Eficiencia energética de conjunto motor bomba sumergible tipo pozo profundo. Límites y método de prueba. Diario Oficial de la Federación. CONAGUA (2013), Manual de Operación del Programa S217 Modernización y Tecnificación de Unidades de Riego, MOTUR. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y de los hadrones usando un modelo de bolsa esférico para el confinamiento de quarks J. Rubén Morones Ibarra Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ciencias Físico Matemáticas rubenmorones@yahoo.com.mx RESUMEN En este artículo se resuelve de forma exacta el problema de una partícula relativista de Dirac cuando se encuentra en un campo de fuerzas centrales. Como aplicación especial, se trata el problema de un pozo de potencial esférico como una simulación de la fuerza fuerte que confina a los quarks en el interior de los hadrones (MIT BAG MODEL). Las funciones de onda encontradas nos permiten determinar, con un buen grado de aproximación, la masa de los quarks y por consiguiente la de mesones y hadrones. PALABRAS CLAVE Quarks, cromodinámica cuántica, modelo de bolsa del MIT. ABSTRACT In this paper the Dirac equation is solved for the general case of a particle in a central potential. As a particular case the solutions for a spherical cavity are obtained and the MIT bag model is used to simulate the quark confinement. From the Dirac wave functions for the ground state the constitutive mass of quarks and hadrons are estimated. KEYWORDS Quarks, quantic, chromodynamics, MIT bag model. INTRODUCCIÓN En la naturaleza existen cuatro interacciones fundamentales: la gravitacional, la electromagnética, y las interacciones nucleares fuerte y débil. Estas interacciones permiten clasificar a las partìculas en dos grandes grupos, que son los hadrones y los leptones. Las partículas que son sensibles a la fuerza fuerte se conocen como hadrones y a ellas pertenecen el protón, el neutrón el pion y muchas otras más. Ningún hadrón es una partícula elemental. Como veremos, los hadrones, están formadas por quarks que son partículas consideradas elementales hasta el momento actual. El otro tipo de partículas son los leptones, que no sienten la fuerza fuerte. A esta última categoría pertenecen el electrón, el muón, el neutrino Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 51 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra y el tauón. En este artículo trataremos sólo de los hadrones y los quarks. Los antecedentes de esta clasificación de las partículas “elementales” como son usualmente llamados también los hadrones, aun cuando no sean elementales, los encontramos en el año de 1961 cuando de forma independiente los físicos Murray Gell-Mann y Ne’emann encontraron ciertas regularidades en las partículas elementales que permitían poner algo de orden en la gran cantidad de partículas que se descubrían en los aceleradores. Estas regularidades encajaban muy bien en la estructura del grupo de simetría SU(3) (grupo unitario espacial). Con esto se inició la búsqueda de algo más profundo que justificara estas coincidencias entre el grupo se simetría SU(3) y el conjunto de partículas descubiertas que parecían seguir la misma historia de la Tabla Periódica de los Elementos propuesta por Mendeleiev. Después del descubrimiento del núcleo atómico y posteriormente del protón y del neutrón, los físicos creyeron que estas dos últimas partículas junto con el electrón, eran las estructuras fundamentales de la materia. Sin embargo, al finalizar la década de 1960 experimentos de dispersión electrón-nucleón realizados en Acelerador Lineal de Stanford California (SLAC) revelaron que los protones y los neutrones no son partículas fundamentales, sino que están formadas por otras partículas, a las que se les llamó inicialmente Partones. El físico Murray GellMann, quien desarrollo el modelo para explicar la estructura de los hadrones, les dio el nombre de quarks, que es como se conocen actualmente. Una serie de experimentos han confirmado el modelo de Gell-Mann de los quarks, donde se propone que los protones y neutrones están formados por tres de ellos. Debido a que ni los quarks ni los gluones han sido observados en libertad se presentan varios problemas para determinar sus características. La masa de los quarks, por ejemplo, tiene que determinarse de manera indirecta. La teoría que describe las interacciones fuertes es la Cromodinámica Cuántica (CDC), cuya formulación matemática tiene un elevado grado de complejidad. Resulta prácticamente imposible resolver las ecuaciones de movimiento que se obtienen de su formulación lagrangiana. Es por ello que para obtener información física de los procesos que ocurren mediante esta interacción, se recurre a modelos matemáticos que contengan información relevante de la teoría fundamental. Entre las características básicas de la CDC encontramos la libertad asintótica y el confinamiento. Estas propiedades de la teoría implican que los quarks están confinados en alguna región y que por lo tanto no pueden ser observados libremente. La libertad asintótica establece que a muy altas energías (pequeñas distancias) la fuerza entre quarks se vuelve muy débil. El modelo de bolsa del MIT propone que los quarks están encerrados en una esfera con ciertas características que mencionaremos más adelante. Este modelo incorpora dos de las características fundamentales de la CDC: la libertad asintótica y el confinamiento. Con este modelo es posible tratar a los quarks y los gluones como gases libres atrapados en una caja esférica. Según el Modelo Estándar en teoría de partículas los mesones están formados por un par quark-antiquark.1 y los bariones estan formados por 3 quarks. Dado que los quarks son partículas de espín ½, el tratamiento cuántico relativista que describe su dinámica consiste en resolver la ecuación de Dirac para un potencial propuesto.2 Supondremos que los quarks están confinados en una cavidad esférica 52 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra de radio R y que en ella se mueven libremente. La forma matemática del potencial V(r) está dada por: (1) Esto corresponde físicamente a una esfera de radio de paredes impenetrables. Nos proponemos resolver la ecuación de Dirac para este potencial cuya forma es (2) 2 donde es el Hamiltoniano de Dirac, dado por: H=cαp + βmc + V(r), siendo α y β las matrices de Dirac que en bloques se escriben de la siguiente forma 3 donde las σi son las matrices de Pauli. El vector de onda ψ que satisface la ecuación (2) es el biespinor de cuatro componentes que se escribe en forma de matriz columna: (3) Puesto que el potencial V(r) no depende del tiempo, entonces la solución es separable (4) y nuestro interés se centrará en hallar la solución de la ecuación (5) Primera parte Una de las características más importantes de la ecuación de Dirac es que sus soluciones son funciones de cuatro componentes, dos corresponden a partículas y dos a antipartículas.4 Cada par de componentes es un arreglo de los estados de espín para un valor de la energía. Para el problema de fuerzas centrales es necesario redefinir el operador L.S, donde L y S son los operadores de momentum angular y de espín, respectivamente, que nos permita obtener los valores propios de la energía, así como los del espín en el formalismo de la teoría de Dirac. Para esto se sugiere el operador (1-6) i donde σ son las matrices de Pauli y β es la componente temporal de las matrices de Dirac. Puede verse que conmuta con J y con el hamiltoniano H Sus eigenvalores podemos determinarlos de la siguiente forma Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 53 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra Usando la fórmula (2) con este resultado (3) Por medio de K construiremos eigenfunciones simultáneas de H, J2 y J3, por supuesto, serán eigenfunciones de K. La función de estado para este problema es el biespinor (4) el cual satisface las ecuaciones de eigenvalores (5) Si escribimos (6) Matricialmente escribimos K como Cuando K actúa sobre el biespinor ψ, obtenemos de aquí obtenemos las ecuaciones de eigenvalor (7) Dado que el hamiltoniano conmuta con J y K, los espinores ψA y ψB corresponden a un estado de J2, J3 (9) 54 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra pero L no es constante del movimiento en la teoría de Dirac, ya que por consiguiente L2 no conmuta con H Sabiendo que la función de onda que satisface la ecuación de Dirac es un biespinor, por lo que los operadores J2 y J3 tienen cuatro componentes. En cambio es de dimensión dos. Veremos a continuación que ψA y ψB, son por separado, eigenfunciones de este operador de la ecuación (7) se tiene que entonces (10) Para k= j + ½ por lo tanto, los eigenvalores del operador L2 actuando sobre el espinor ψA son (11) si tomamos en (10) (11a) Realizando el mismo procedimiento los eigenvalores de L2 actuando sobre ψB son (12) (12a) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 55 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra Con estos resultados escribimos la parte angular de la función de onda de Dirac como una combinación de productos de funciones que contengan una parte angular orbital y una espinorial con j, l y mj dados (13) donde los Y son los armónicos esféricos y l. lAB. Estas funciones espinoriales esféricas deben ser también eigenfunciones de J2 , L2 y J3, por lo que se propone un armónico esférico Y tal que La primera de estas ecuaciones se puede reescribir como de esta expresión podemos encontrar la forma en la que σ.L actúa sobre con como , el eigenvalor de σ.L, el cual explícitamente se escribe es decir (14) recordemos que mediante el cual se obtiene el siguiente sistema de ecuaciones (15) 56 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra donde , la ecuación (15) nos permitirá encontrar el eigenvalor q. Para obtener una solución no trivial, exigimos que el determinante de (15) sea cero lo que nos da como resultado la cual es nula si por lo tanto . Si tomamos inicialmente q = l, de las ecuaciones (11) y (12) tendremos que Desde que los armónicos esféricos forman un conjunto ortonormal de funciones lo que implica que Sustituyendo q = l en (15) se obtiene de la segunda ecuación de (18) se tiene que al sustituir c0 en (17) obtendremos si sustituimos c1 en (17) tendremos la expresión para c0 Si se considera Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 se tiene que y 57 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra La solución normalizada es entonces donde χ+ y χ- son los espinores respectivamente. Ahora podemos separar las partes angular y radial de la solución de la ecuación de Dirac. (19) donde los coeficientes g y f son funciones arbitrarias de r. Segunda Parte Sustituimos (19) en la ecuación de Dirac lo que nos lleva a de aquí llegamos al sistema de ecuaciones (20) necesitamos conocer cuál es el efecto de (σ⋅p) sobre ψA y ψB. Podemos escribir (σ⋅p) como ya que entonces donde (21) De las ecuaciones (7) despejamos σ⋅L y la sustituimos en (21) 58 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra donde Sustituimos la expresión (19) para ψA (22) Puede demostrarse que (23) para esto, debemos primero probar que entonces pero por lo que donde de estas expresiones tenemos que Regresando a la ecuación (23) vemos que (24) ya que , por lo tanto, tenemos que (25) Entonces, la ecuación (22) se expresa como (26) de manera análoga se obtiene para ψB donde entonces con Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 59 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra (27) de las ecuaciones (26) y (27) llegamos al sistema de ecuaciones Podemos prescindir de la dependencia angular, por lo que llegamos al sistema de ecuaciones radiales y estas ecuaciones son resueltas para cualquier potencial central. Tercera Parte A continuación, resolveremos el problema del pozo de potencial esférico expresado en la forma (29) este potencial proporciona una descripción fenomenológica de los quarks, los cuales están confinados dentro de los hadrones. Los quarks serán considerados como partículas sin masa dentro de una esfera o bolsa de dimensión finita e infinitamente masivos fuera de la bolsa, lo que concuerda con el hecho de que nunca se ha detectado un quark en estado libre. Este modelo es conocido como el Modelo de la Bolsa del Instituto Tecnológico de Massachussetts (MIT BAG MODEL).5 Comencemos por obtener la solución en el interior de la bolsa, V=0. Derivamos la ecuación (28b) y sustituimos en (28a) donde con esta expresión para f´, la ecuación (28a) se escribe como (30) de (30) encontramos una expresión de f en función de g Sustituyendo f en (28b), tendremos que (31) 60 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra mediante la sustitución ρ=ζ0r, donde ζ0, (31) se escribe como desde que , se tiene que (32) donde las soluciones son las funciones de Bessel esféricas Para el estado base y la función de estado será (33) Para encontrar f(r), utilizamos la ecuación (28b), donde sustituyendo , tenemos Para tener una solución finita del estado base tomamos k=1, y de esta forma de las relaciones de recurrencia de las funciones de Bessel6 la función de estado se escribe como (34) donde N1 es una constante de normalización. Supongamos que los quarks se mueven libremente en el interior del hadrón (o la bolsa), por lo que su energía de reposo es nula y por lo tanto (35) Donde Las soluciones de la ecuación de Bessel para r>R que son regulares cuando r→∞, son las funciones de Hankel. Para obtener la función de onda exterior m Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 61 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra →∞, ya que se necesita una masa infinita para penetrar el potencial. Con estas consideraciones de esta forma Donde N2 es una constante de normalización. Las propiedades de las funciones de Hankel son6 Entonces escribimos la solución exterior como (36) en el MIT BAG MODEL se pide que en la frontera, lo que implica que lo cual no es posible puesto que las funciones de Bessel son linealmente independientes. Entonces, se sugiere lo siguiente, una forma de expresar que la partícula no puede estar fuera de la bolsa es tomar (37) elegimos N2 de tal forma que (37) sea finito, sea , por lo que (38) entonces se concluye que y llegamos a la ecuación trascendental que nos proporcionará los valores permitidos de la energía (39) la cual es equivalente a (40) donde las J son las funciones de Bessel del primer tipo. Graficando (40) (figura 1) encontramos que El radio de los hadrones es del orden de los 10-15m, 8 c=3x10 m/seg, ħ=1.054572x10-34 J.seg y 1 eV=1.6x10-19J. Por lo que la masa del quark es 62 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra Fig. 1. Las funciones de Bessel de primer tipo para CONCLUSIONES Con el modelo de bolsa hemos podido estimar al valor de la masa de los quarks considerando que este se encuentra en el nivel de energía fundamental del potencial esférico. Este modelo sencillo nos ha permitido también estimar con un grado de aproximación de 4% de error, la masa del mesón Ro. El modelo utilizado no considera las interacciones entre los quarks dentro de la bolsa. Aquí Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 63 �Estimación de la masa constitutiva de los quarks y los hadrones usando un modelo de bolsa / J. Rubén Morones Ibarra solo hemos hecho el cálculo para el nivel fundamental de energía, pero tomando en cuenta los estados excitados, que corresponden a soluciones de mayor energía, los resultados se apartan de los valores experimentales, lo cual se debe a la gran simplificación que esta involucrada en el modelo. REFERENCIAS 1. Griffiths, David, Introduction to Elementary Particles, John Wiley and Sons, Inc., (1987). 2. Perkins, Donald H., Introduction to High Energy Physics, Addison-Wesley Publishing Company, Inc., (1987). 3. Kane, Gordon, Modern Elementary Particle Physics, Perseus Books, (1993). 4. Sakurai, J.J., Advanced Quantum Mechanics, Addison-Wesley Publishing Company, Inc., (1967). 5. Bhaduri, Rajat, Quark Models of the nuclei, Allan M. Wylde. 1988 6. Arfken, George, and Weber, Hans, Mathematical Methods for Physicists, Academic Press, (1994). 64 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Vol. XIX, No. 73 �Eventos y reconocimientos FIME INICIA ACTIVIDADES ACADÉMICAS EN LINARES El 3 de agosto de 2016 iniciaron las actividades de la primera generación de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica en Linares, Nuevo León. Las clases son impartidas en las aulas de la Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” del mismo municipio, y como coordinador de este campus está el Ing. Enrique Córdova Meza. Se contó con la presencia del Mtro. Rogelio G. Garza Rivera, rector de la UANL, el Dr. Jaime Castillo Elizondo, director de la institución, el maestro decano, el M.C. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza y el Ing. Rodolfo de la Garza Treviño. Primera generación de la FIME en Linares Ingenierías, Octubre–Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 RECONOCIMIENTO AL DR. RAÚL GERARDO QUINTERO FLORES El 17 de agosto de 2016 se instauró en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica la Cátedra “Raúl Gerardo Quintero Flores” como reconocimiento a un universitario y profesionista ejemplar, quien fue pionero de la FIME, así como un visionario por las actividades de desarrollo académico que llevó a cabo en la facultad. En el evento estuvieron presentes el director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), el Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, el director general del Instituto de Innovación y Transferencia de Tecnología de Nuevo León, el Dr. Jaime Parada Ávila, así como también el rector de la universidad, el Mtro. Rogelio G. Garza Rivera. Desde la izquierda la secretaria general, Lic. Carmen del Rosario de la Fuente García, el Dr. Raúl Gerardo Quintero Flores, el Mtro. Rogelio G. Garza Rivera, rector de la UANL y el director de la FIME, el Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo. 65 �Eventos y reconocimientos “FIMEBOOK” El día 19 de agosto de 2016 fue inaugurado en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) el espacio cultural denominado “FIMEBOOK”, que cuenta con libros, revistas, CD´s y DVD´s, esto con la intención de fomentar en los alumnos la cultura, así como el gusto por la lectura. En la inauguración estuvo presente el Dr. Jaime Castillo Elizondo, director de dicha institución, el M.C. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza, ex director de la misma, la doctora María Teresa Cedillo Salazar, coordinadora de bibliotecas de la facultad y el Mtro. Rogelio G. Garza Rivera rector de la universidad, quien dio un pequeño discurso a los alumnos, sobre la importancia de ese espacio cultural: “Uno de los proyectos importantes, aparte de ofrecer una educación e investigación, es la extensión y la difusión de la cultura, y uno de los ejes estratégicos es el fomento a la lectura, precisamente con este módulo, tendrán la oportunidad de un fácil acceso, 66 no solo a los libros de ingeniería que ya conocemos, sino también libros de cultura que son parte de todos ustedes”. Desde la izquierda el Consejero alumno de la facultad Víctor Manuel Salazar, el M.C. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza, ex director de la facultad, el Mtro. Rogelio G. Garza Rivera, rector de la UANL, el Dr. Jaime Castillo Elizondo, director de la facultad, la Dra. María Teresa Cedillo Salazar, coordinadora de bibliotecas de la facultad y el presidente de la sociedad de alumnos de la facultad, Kevin Alexis Segovia Villarreal Ingenierías, Octubre–Diciembre 2016, Año. XIX, No. 73 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Julio - Septiembre 2016 Marcel Francisco Carpio Garza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Desarrollo de ventanas de proceso para tratamientos térmicos de aceros estampables en caliente, 1 de julio. Milton Carlos Mendoza Cárdenas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Tesis: Evaluación del impacto del uso de estrategias de climatización pasiva en el consumo de energía eléctrica de dispositivos de acondicionamiento de aire en viviendas en Monterrey, 4 de julio. José Luis Olivares Cortez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: Deposición de oxihaluros de bismuto por craporación térmica para formar películas delgadas con propiedades fotocalíticas para la descontaminación con agua y aire, 4 de julio. Mayra Alejandra Mendoza González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Tesis: Modelo físico y computacional del proceso de congelación de alimentos mediante convección forzada, 4 de julio. José Gaspar Borcardo Martínez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: Optimización de un sistema de producción de tubería de acero mediante la implementación de un modelo matemático, 4 de julio. Ana Cristina Rico Cárdenas, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: RSN WEB- Diseño de Interfases, 5 de julio. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 Claudia Iveth Quintanilla Valdés, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Determinación de la capacidad del proceso de llenado de la empresa Arca Continental, mediante el control estadístico, 7 de julio. Mayela Villarreal García, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones. Proyecto: Centralized optical wavelenght monitoring and control system (CWMCS) of multiple wdm transmiters in an HTC optical network by using a single neutrodyne receiver and a RF frequency detector, 8 de julio. Carlos Antonio Santana Delgado, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Dinámica de Vuelo. Proyecto: Análisis aerodinámico de un ala con álula espiroidal, 8 de julio. Orlando Martínez Galván, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Dinámica de Vuelo. Proyecto: Integración de un procesador digital de señales a una computadora de vuelo comercial, 8 de julio. Luis Alberto Stanziola Meneses, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Optimización del desgaste de una herramienta en una talladora de engranajes CNC mediante el Método Taguchi, 8 de julio. Octavio Vela González, Maestría en Ingeniería en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior. Proyecto: Análisis de productividad para una comercialización eficiente, 8 de julio. Valery Janeth Garza Alejandre, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Tesis: Análisis del ciclo de vida de aislantes térmicos para la aplicación en edificaciones, 8 de julio. 67 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Eber Armando Flores Olvera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Optimización topológica y estandarización para soporte de secador de aire en camiones clase 8, 11 de julio. Romel Wilmar Pérez González, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Asignación de recursos alimenticios en ganadería bovina, 13 de julio. Sinuhé Uriel Costilla Aguilar, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: Síntesis y caracterización La2Ni3O10 y Nd2Ni04+ por vía sol-gel y desempeño electroquímico para aplicación en generación eléctrica limpia y sustentable mediante celdas de combustible de óxido-sólido, 14 de julio. Luis Roberto Salazar Garza, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica. Proyecto: Análisis del impacto en grietas sobre lámina rolada en frío, 14 de julio. Pedro Antonio Liomón Díaz, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Dinámica de vuelo. Proyecto: Sistema de guía, navegación y retroalimentación para un misil tierra-aire a través de sistemas híbridos, 15 de julio. Erick de Jesús Ordaz Rivas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: Estudio de comportamientos emergentes en enjambres de robots basados en mecanismos de influencia, 15 de julio. Luis Alberto Maltos Ortega, Maestría en Ciencias de la Ingeniería de Sistemas. Tesis: Optimal location of car wreck adjuites, 18 de julio. Carlos Eduardo Benavides Lee, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Tesis: Desarrollo de procuramet app, 18 de julio. Armando Esaú Leal Díaz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: Simulación de la transferencia de calor en tarjetas de circuito impreso fr-4 durante el proceso de reflujo, 19 de julio. Adalberto Olivo Jiménez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Planeación y ejecución de infraestructuras en la demanda del cliente en la industria automotriz, 20 de julio. 68 María Isabel Cardona Reyes, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: Códice-Registro de acceso, 22 de julio. Johana Elizabeth Vega Rodríguez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: Optimización de un horno rotatorio corto de producción de plomo secundario mediante un balance de materia y energía y caracterización de sus escorias, 25 de julio. Gracia Patricia Gámez García, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: Rediseño al proceso de compras a los cambios de ingeniería en la industria automotriz, 25 de julio. Evelyn Fabiola Villeda Galván, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Juntos avanzamos, 25 de julio. Ana Karen Antopia Barrón, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: El impacto en la privacidad y seguridad de información a través de la redes sociales facebook, twitter e instagram desde la perspectiva de los usuarios, 28 de julio. Octavio Perales Quiroz , Maestría en Administración Industrial de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: Simulador de plantillas inteligentes para restaurantes, 29 de julio. Karen Adeline Reyna Cavazos, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: Síntesis de ZnO por soligel para la evaluación de su actividad fotocatalítica en la eliminación de no del aire, 1 de agosto. Guillermo Rodríguez Martínez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, Proyecto: Análisis de la viabilidad de exportación de la toronja en conserva en presentación 8oz a Europa, 4 de agosto. Juan Gabino Ramírez Rodríguez, Maestría en Ingeniería Aeronáutica. Proyecto: Análisis aerodinámico de una aeronave no tripulada, 5 de agosto. Daniel Alejandro Loera Zermeño, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año. XIX, No. 73 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Estimación y planificación de la recolección de productos retornables a una empresa cervecera, 5 de agosto. Adonai Zapata Gordon, Maestría en Ingeniería Aeronáutica. Proyecto: Recubrimiento de zinc electrolítico con medios ácidos en la industria aeronáutica, 5 de agosto. Javier Hernández Veloz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: Diseño de un elevador diferencial tolerante a la presencia de componentes frecuenciales no fundamentales, 5 de agosto. Juan Manuel Ruiz de León, Maestría en Administración Industrial y de Negocios. Proyecto: Ahorro energético en planta Kemet, 10 de agosto. Erick Rocha Juárez, Maestría en Logística y cadena de suministro. Proyecto: Planeación del abastecimiento desarrollando una estrategia de selección de proveedores, 11 de agosto. María del Carmen Ramírez López , Maestría en Ingeniería Aeronáutica. Caracterización mecánica y microestructural en aceros inoxidables unidos mediante soldaduras por arco eléctrico con material de aporte (GMAW) aplicados en aletas de misiles, 12 de agosto. Catalina Jaramillo Isaza, Maestría en Ingeniería Aeronáutica. Proyecto: Estudio de corrosión asistida por esfuerzo en aleaciones y superlaciones para aplicaciones aeronáuticas, 12 de agosto. Pablo Gabriel Don Juan Pérez, Maestría en Ingeniería. Proyecto: Implementación de una red telefónica, 15 de agosto. Omar Andrés Vicente Reyes, Maestría en Ingeniería. Proyecto: Análisis de la máquina de inducción, 25 de agosto. Luis Gerardo Corona Ramos, Maestría en Ingeniería. Proyecto: GNS3 Server-Cisco Virtual Lab, 29 de agosto. Raudel Vela Haro, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: Algoritmo de localización de fallas basado en la estimación del voltaje de falla, 29 de agosto. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 Javier Zaith Ayala López, Maestría en Administración Industrial y de Negocios. Proyecto: Proyecto de mejora Magnekon, 5 de septiembre. Elizabeth Mendoza González, Maestría en Logística y Cadena de Suministro. Proyecto: Reducción de contaminantes mediante un modelo matemático de transporte intermodal, 8 de septiembre. Salvador Álvarez Caballero, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: Identificación de parámetros RLC del transformador de potencia, 9 de septiembre. *José Luis Ortiz Palacios, Maestría en Ingeniería. Reducción de defectos. Proyecto: Elevación carcasa de estator, 9 de septiembre.* Jessica Alejandra Acosta Gómez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro. Proyecto: Modelo de apoyo en la toma de decisiones del sistema de distribución de una empresa comercializadora, 12 de septiembre. Blanca Idalia Pérez Pérez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro. Proyecto: Determinación de políticas de inventario aplicando metodologías basadas en lógica difusa, 19 de septiembre. Irving Alonso Gallardo Araujo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Efecto de incorporación de porcelana de desecho sobre las propiedades de un concreto refractario, 23 de septiembre. Ana Margarita Macías Trillo, Maestría en Ingeniería. Proyecto: Calidad de la energía, 29 de septiembre. José Juan Escobedo Muñoz, Maestría en Ingeniería. Metodología para el análisis operativo de motores CA y CD, 29 de septiembre. Juan Manuel Pérez Guillén, Maestría en Ingeniería. Proyecto: Proyecto de calidad de energía, 29 de septiembre. Kathia Gabriela Flores Rodríguez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: Estudio de consumo de la energía metabólica en locomoción, 30 de septiembre. 69 �Acuse de recibo Bionatura Ingeniería La revista Bionatura publica artículos sobre biotecnología, inmunología, bioquímica y otras disciplinas afines. Está dirigida a lectores especialistas en las áreas ya mencionadas para la generación de nuevos conocimientos. La publicación de la revista tienen un impacto a escala mundial debido a los temas que se abordan como el artículo: ‘‘Nimotuzumab en el tratamiento de pacientes con glioma maligno’’ en el que se menciona una alternativa de tratamiento multimodal recomendado en pacientes con gliomas malignos de alto grado para evitar el crecimiento del tumor cancerígeno. Se recomienda combinar el tratamiento con la radioterapia para su eficacia. El artículo se encuentra en la siguiente página: http://revistabionatura.com/ La revista Ingeniería es una publicación editada por la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Yucatán. Los trabajos que se publican son de carácter científico y tecnológico, como el artículo: ‘‘Evaluación del poder biosorbente de cáscara de naranja para la eliminación de metales pesados, Pb (II) y Zn (II)’’ dicho trabajo está elaborado con el fin de promocionar el cuidado del medio ambiente al reciclar las cáscaras de naranja, debido a que el residuo de los metales pesados son los que afectan en gran medida a la condición ambiental. El objetivo principal de la revista es constituir un medio de difusión de la investigación científica y tecnológica. La publicación se realiza en los meses de abril, agosto y diciembre. La revista puede ser consultada en la siguiente liga: www.revista.ingenieria.uady. mx/ 70 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año. XIX, No. 73 �Colaboradores Alfaro Cázares, Neydi Gabriela Es profesora de tiempo completo de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL) desde 2008, cuenta con la licenciatura en Derecho y Ciencias Sociales por la Facultad de Derecho y Ciencias Sociales y Colegio de Criminología de la UANL, (2003) y Maestría en Administración Industrial y de Negocios con especialidad en Relaciones Internacionales por la FIME, UANL (2006). Ha desempeñado diversos cargos en la FIME: Secretaria Administrativa de la Subdirección Académica, Subdirectora de Inscripciones y Credencialización, Departamento Escolar y de Archivo, UANL, Subcoordinadora General de Servicios Escolares, Coordinadora General de Operación Académica y Coordinadora Editorial de la Revista Ingenierías. Es líder del Cuerpo Académico en consolidación “Diseño de modelos de formación integral del ingeniero ante la internacionalización”, y reconocimiento PRODEP. Es miembro de la Sociedad Española de Pedagogía. Ávila Godoy, Ramiro Profesor investigador del Departamento de Matemáticas de la Universidad de Sonora (UniSon). Es Licenciado en Matemáticas por la UniSon. Maestro en Ciencias con Especialidad en Matemática Educativa por el Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional y Doctor en Ciencias en Matemática Educativa por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos. Ha impartido cursos de: matemáticas, metodología de la enseñanza de las matemáticas, didáctica de las matemáticas y otras disciplinas a profesores de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 diversos niveles de educación, desde preescolar hasta posgrado, tanto en instituciones nacionales como de otros países. Cuenta con una amplia trayectoria como investigador y ha sido galardonado por diversas instituciones. Bencomo Trejo, Daniel Gerardo Egresado de la Universidad Autónoma de Chihuahua, posgrado de la facultad de Ciencias Químicas. Docente de tiempo completo del Instituto Tecnológico Superior de Nuevo Casas Grandes. Coordinador del área de investigación de 2013 a 2014. Forma Parte del comité científico evaluador del congreso internacional de docencia e investigación en química de 2012 a la fecha. Perfil deseable PRODEP. Miembro de cuerpo académico en formación “Sistemas de producción”. De la O Serna, José Antonio Doctor en Telecomunicaciones por la Escuela TELECOM ParisTech, Francia (1982). Entre 1982 y 1986 trabajó en el ITESM. De 1988 a 1993 trabajó en el Politécnico de Yaoundé, Camerún. Actualmente es Profesor Investigador de la UANL. Es miembro del SNI. De las Fuentes Lara, Maximiliano Profesor investigador de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California (U. A. B. C.). Es Ingeniero Civil por la U. A. B. C., Maestro en Ciencias con Especialidad en Matemática Educativa por la Universidad de Sonora y Doctor en Ciencias por la U. A. B. C. El desarrollo de su trabajo es en el desempeño docente, la publicación y titularidad de proyectos de investigación en Matemática Educativa. Cuenta con el perfil PRODEP de la SEP. 71 �Colaboradores Flores Gasca, Santiago Ingeniero Electromecánico, Maestro en Ingeniería de Elementos de Máquinas, con 19 años de Docente en el departamento de Ciencias de la Ingeniería y Tecnología en el Instituto Tecnológico Superior de Nuevo Casas Grandes. Cuenta con una maestría en Ciencias de la Ingeniería Industrial y 2 Certificaciones en Solidworks: Certified SolidWorks Associate, y Certified SolidWorks Professional. La actividad docente la desarrolla en las materias de Diseño e Ingeniería Asistidos por Computadora, Diseño Mecánico, Manufactura Avanzada. Procesos de Manufactura y de Fabricación, Metrología Mecánica. En Investigación se enfoca en el Diseño y el análisis estructural de esfuerzos. Gutiérrez Gutiérrez, Luis Alejandro Ingeniero Electromecánico, empleado en el Comité Técnico de Aguas Subterráneas del Acuífero Casas Grandes. Con 5 años en el área de técnico de campo, ejecutando trabajos de estudios electromecánicos para conocer la eficiencia en los equipos de pozos profundos, videos de inspección para detectar averías en pozos, trámites administrativos a usuarios ante la Comisión Nacional del Agua, actualización de estudios realizados en el acuífero Casas Grandes, en los niveles piezómetros, eficiencias electromecánicas, incrementos en el área cultivada y nuevos aprovechamientos, asesorías para el buen manejo del recurso hidráulico para los productores de la región. Martínez Gradilla, Gabriel Estudiante del programa de Doctorado en Ciencias del Instituto de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California. Es Ingeniero Industrial por el Instituto Tecnológico de Sonora y Maestro en Ingeniería por la Universidad Nacional Autónoma de México. Su trabajo está dirigido al desempeño docente e investigación en Ciencias Básicas y Ciencias Aplicadas a la Ingeniería. Morones Ibarra, José Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas por la UANL. Doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es catedrático de la FCFM-UANL. 72 Sevilla García, Juan José Profesor investigador del Instituto de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California (U. A. B. C.). Es Licenciado en Química por la U. A. B. C., Maestro en Ciencias por el Instituto Tecnológico de Tijuana y Doctor en Ciencias por la Universidad Iberoamericana. El enfoque de su trabajo es en Educación Superior: profesión académica, administración y gestión institucional. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, nivel 1 y cuenta con perfil PRODEP de la SEP. Rivera Castellón, Ruth Elba Profesora investigadora de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California (U. A. B. C.). Es Ingeniera Mecánica Electricista por la U. A. B. C., Maestra en Ciencias con Especialidad en Matemática Educativa por la Universidad de Sonora y Doctora en Ciencias por la U. A. B. C. El desarrollo de su trabajo es en el desempeño docente, la publicación y titularidad de proyectos de investigación de Matemática Educativa. Cuenta con el perfil PRODEP de la SEP. Sáenz Rodríguez, Margarita Sayuri Ingeniero Electromecánico, Maestra en Ingeniería en Manufactura orientada a Automatización. Con 16 años como docente del departamento de Ciencias de la Ingeniería y la Tecnología en el Instituto Tecnológico Superior de Nuevo Casas Grandes. Su trabajo docente se desarrolla en el área de las propiedades de los fluidos, la hidráulica de distribución y de potencia. Los trabajos de investigación están enfocados en el uso adecuado de recurso hidráulico y el ahorro de energía, aplicado en el aprovechamiento de aguas subterráneas en la región noroeste del estado de Chihuahua (Mpio. De Buenaventura, Flores Magón, Casas Grandes y Nuevo Casas Grandes). Soto Tapia, Jesus Orlando Ingeniero Electromecánico, empleado en el Comité Técnico de Aguas Subterráneas del Acuífero Casas Grandes. Con 5 años en el área de técnico de campo, ejecutando trabajos de estudios electromecánicos para conocer la eficiencia en los equipos de pozos profundos, videos de inspección para detectar averías en pozos, trámites administrativos a usuarios ante la Comisión Nacional del Agua, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año. XIX, No. 73 �Colaboradores actualización de estudios realizados en el acuífero Casas Grandes, en los niveles piezómetros, eficiencias electromecánicas, incrementos en el área cultivada Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 y nuevos aprovechamientos, asesorías para el buen manejo del recurso hidráulico para los productores de la región. 73 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de 74 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año. XIX, No. 73 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Revisores Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año XIX, No. 73 75 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. 76 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2016, Año. XIX, No. 73 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2016 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 19 Número Número de la revista 73 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2016, Año 19, No 73, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2016 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020836 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Cromodinámica cuántica Quarks ROCOF Semiosis matemática Transformaciones https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20795/Ingenierias_2016_Ano_19_No_72_Julio-Septiembre.pdf 9ea4810e9df5a0584523262c6733ab06 PDF Text Text �72 Contenido Julio-Septiembre de 2016, Año XIX, No. 72 2 Directorio 3 Editorial: Gestión académica del profesor universitario Juan Antonio Pérez Patiño 6 Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra para filtros de microondas Jorge Aguilar Torrentera, Gerardo García Sánchez, César González Cervantes 19 Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión basado en análisis modal Simón Torres Paz, Manuel A. Andrade Soto, Ernesto Vázquez Martínez 35 Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz Carlos Vargas Arvizu, Ángel Rodríguez Liñan, Luis M. Torres-Treviño 53 Una aplicación de la metodología seis sigma para la optimización de línea de producción de arneses Manuel Baro-Tijerina, Mauricio Estada-Ruis, Iván García-Garrobo 62 Diseño y análisis de un sustrato multicapa en etiquetas RFID pasivas para redirigir energía Gerardo Arturo García Sánchez, Norma Patricia Puente Ramírez, José Ramón Rodríguez Cruz 72 Eventos y reconocimientos 76 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 79 Acuse de recibo 80 Colaboradores 83 Información para colaboradores 84 Código de ética Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 � �DIRECTORIO Ingenierías, Año XIX N° 72, julio- septiembre 2016. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Impresos Baez, Jesús M. Garza 3219 Oriente, Col Francisco I. Madero, Monterrey Nuevo León, México, C.P. 64560. Fecha de terminación de impresión: 15 de julio de 2016. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2016 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Mtro. Rogelio G. Garza Rivera Rector M.A. Carmen del Rosario de la Fuente García Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Dr. Celso José Garza Acuña Secretario de Extensión y Cultura Lic. Antonio Ramos Revillas Director de Editorial Universitaria FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván M.C. Jesús G. Puente Córdova Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster María de los Ángeles Baez Acuña Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIDESI / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL. COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñán, FIME-UANL. � Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 �Editorial: Gestión académica del profesor universitario Juan Antonio Pérez Patiño Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Universidad Autónoma de Nuevo León juan.perezp@uanl.mx La dinámica de los cambios que está viviendo la sociedad como la globalización, la revolución tecnológica y multiculturalidad, entre otros, es tal que no le damos alcance, retando en la actualidad a las instituciones educativas, en particular a las de educación superior, a satisfacer nuevas demandas y a mediano plazo, ser promotoras de grandes cambios, como se aprecia en los modelos centrados en el aprendizaje y el movimiento revisionista en las instituciones socioeducativas en cuanto a nuevas exigencias de calidad, eficiencia y eficacia. También han provocado modificaciones trascendentes en las funciones, roles y tareas asignadas al profesor universitario, requiriendo en estos momentos docentes de tiempo completo que trabajen en forma exclusiva en una institución universitaria. Desde esta perspectiva podemos asumir que los profesores tienen una alta dedicación por lo que se refiere a cumplir con las funciones primordiales de docencia, investigación (generación del conocimiento) y tutoría. Hay una cuarta función asignada que es la gestión, la cual implica organizar, planificar, coordinar, dirigir, sistematizar y reportar, entre otras acciones que parecerían más administrativas que docentes, pero que son ineludibles para alcanzar cualquier objetivo que se plantee. Aquí se debe enfatizar que la gestión no se vuelve académica de manera automática porque se lleve a cabo dentro, o en relación, con una institución de educación. La gestión se vuelve académica cuando está dedicada a ese objetivo con actividades que son el soporte de la administración en asuntos tales como las reformas del currículo, diseño de unidades de aprendizaje, redes temáticas de colaboración para la generación de conocimiento, redes interinstitucionales, integración a cuerpos académicos, comités, comisiones o consejos, e incluso puestos directivos con enfoque académico en las instituciones. La carga administrativa propia de la gestión hace que ésta sea la función menos valorizada, tanto por los mismos profesores, como por las instituciones a las que pertenecen. Parte de la poca valoración se debe a que generalmente se le toma como una actividad aislada de la docencia, generación de conocimiento y tutoría, lo que lleva a una situación que se puede interpretar como una falta de definición del rol del profesorado en esta materia, aunado a que hay un número importante de tareas de carácter puramente administrativo que no pueden, o no deben, ser atendidas por la academia y que con frecuencia son Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 � �Gestión académica del profesor universitario / Juan Antonio Pérez Patiño transferidas a ésta, de manera que los profesores apoyan a la administración, pero la contribución de su trabajo llega a ser desconocida por su falta de repercusión académica. Es común que los expedientes que se manejan en las instituciones de educación requieren análisis técnicos, ingenieriles y científicos que solamente puede ser elaborados por los profesores, de manera que hay un mínimo de dedicación que deben dar a estas tareas de gestión, ya que de otra manera diferentes solicitudes, como las becas, los proyectos de ciencia, las estancias de investigación con su respectivo apoyo económico no podrían lograrse. El otro extremo es la dedicación excesiva a la gestión que crea una condición potencial para que las acciones de los profesores se diluyan en el conjunto de tareas rutinarias que pertenecen a los administradores, lo que pudiera propiciar el detrimento de las actividades fundamentales propias de un docente, afectando la capacidad académica de las instituciones, que por ahora está tasada por el número relativo de profesores de tiempo completo adscritos a ellas que cuenten con posgrado, perfil de profesor deseable (Prodep) y sean reconocidos por el Sistema Nacional de Investigadores. Esto significa que para valorar la gestión académica se requiere que los profesores le dediquen un tiempo razonable según los objetivos de las instituciones y que éstas reconozcan su aportación a los diferentes logros, especialmente los relacionados con la academia. Se debe tener presente que la gestión académica se ocupa tanto de procedimientos para cumplir con objetivos específicos, como de respuesta a convocatorias. En el primer caso los resultados están asociadas a la efectividad con la que se realizan las tareas, mientras que en el segundo, el resultado puede depender además de otros factores, por ejemplo, en una solicitud para financiamiento de proyectos de ciencia, a pesar de que la presentación sea excelente, la disponibilidad de recursos podría afectar la respuesta, de manera que el apoyo que se logre podría ser parcial o hasta nulo, pero esto no demerita el valor de la gestión, pues para este ejemplo, el trabajo necesario para presentar la solicitud se llevó a cabo. Otro ejemplo más en este orden está en la participación y respuesta a los llamados del Programa de Fortalecimiento a la Calidad en Educativa (PFCE, antes conocido como PIFI), de la Secretaría de Educación Pública (SEP) para apoyar a las instituciones de educación superior a lograr el aseguramiento y la mejora de altos niveles de calidad en sus programas educativos y servicios que ofrecen. Este programa provee recursos a las instituciones en respuesta a las prioridades que derivan de un ejercicio de planificación estratégica a corto y mediano plazo en la que la participación del profesor universitario es esencial. La asignación de recursos de estos programas depende de la información que se provee en la solicitud del proyecto, ya que incluye una sección de autodiagnóstico que presenta el estado de las instituciones a través de una autoevaluación académica y de la gestión institucional, en la que se muestra el grado de cumplimiento de las metas académicas comprometidas por las instituciones en sus planes de desarrollo. El resultado de esta gestión depende en gran medida de la confiabilidad y sistematización de la información disponible para atender los requerimientos � Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 �Gestión académica del profesor universitario / Juan Antonio Pérez Patiño establecidos en el manual de las reglas de operación del PFCE. No es raro que los responsables administrativos de sistematizar y poner al alcance la información a quienes la requieran para responder a estadísticas, convocatorias, reportes, informes y peticiones de transparencia, acudan en primera instancia a los jefes y coordinadores académicos de carrera de las instituciones, además de los miembros de las áreas administrativas correspondientes, lo que puede llevar a que finalmente haya una asignación para los profesores que afecte el balance de su contribución académica. En síntesis, una buena administración en las instituciones de educación superior debe crear las condiciones para que los profesores aprecien que la inclusión de la gestión en su quehacer universitario contribuye a que sean más efectivas en la competencia para obtener recursos, reclutar a los mejores profesores y estudiantes, y ser un referente internacional positivo, valorando la trascendencia de esos logros en la vida universitaria. En este proceso la administración debe minimizar la asignación de actividades que no son académicas a los profesores, dejando éstas en manos de personal especializado en las áreas administrativas, de manera que sea una facilitadora para que se cumplan cabalmente los deberes académicos en las instituciones. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 � �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra para filtros de microondas Jorge Aguilar TorrenteraA, Gerardo García SánchezA, César González CervantesB Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME, Departamento de Posgrado en Ingeniería Eléctrica B Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME jorge.aguilart@uanl.mx A RESUMEN Los filtros planares presentan grandes ventajas en el desarrollo de transreceptores de sistemas de comunicación. Actualmente, las estructuras de microncintas con defecto son un tema de interés en la investigación de los sistemas de radiocomunicaciones que operan a frecuencias de microondas. Sin embargo, algunas de ellas presentan radiación electromagnética significativa a frecuencias mayores de resonancia, deteriorando la banda de rechazo de los filtros. Se presenta un estudio comparativo del desempeño de celdas con defecto en microcinta y con defecto en plano de tierra. Se determina el acoplamiento de potencia en los puertos, frecuencias de corte, banda de atenuación y pérdidas; entre otros parámetros. Los resultados se corroboran mediante prototipos de celdas construidas en substrato FR4 “printed circuit board” diseñadas para frecuencias de microondas. PALABRAS CLAVE Línea microcinta, circuitos planares, estructuras de tierra imperfectas, microcintas imperfectas. ABSTRACT Planar filters have significant advantages in the development of the transceivers of communications systems. Nowadays, defected microstrips is a hot topic in the research on microwave systems. However, some of them present significant radiation at frequencies above resonant frequency, which impairs greatly the rejection band of filters. A comparison of radiation effects in defected ground and defected microstrip cells is presented. Power coupling to the ports, cut-off frequencies, losses and attenuation; among other responses, are determined. Results are corroborated with measurements of defected microstrips built on the same substrate FR4, which is commonly used for printed circuit boards, and designed to resonate at microwave frequencies. KEYWORDS Microstrip line, planar circuits, defected ground structures, defected microstrip. � Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. INTRODUCCIÓN En los sistemas de comunicación que operan en las bandas de microondas y ondas milimétricas es indispensable evaluar la relación de requerimientos de los sistemas en su conjunto. Dichos requerimientos se establecen para cumplir diferentes compromisos de diseño que se resumen en la evaluación del desempeño de cada subsistema en términos de ruido, potencia consumida, linealidad, y ganancia en frecuencia. Por ejemplo, en los amplificadores que operan en las bandas de microondas, existe un compromiso entre figura de ruido mínima y máxima ganancia en frecuencia.1 Así mismo, en los sistemas de comunicaciones móviles, los bajos niveles de alimentación de los equipos terminales deterioran la linealidad de los amplificadores de bajo ruido generando efectos de distorsión no lineal que se manifiestan como una compresión o expansión de la ganancia; etcétera. Comúnmente, para cumplir con los compromisos de diseño, se requiere mitigar ruido y atenuar componentes espectrales no deseadas usando filtros que operan en un intervalo amplio de frecuencia. Este artículo trata sobre estructuras de microondas con defecto. Dichas estructuras tienen aplicaciones en los sistemas de comunicaciones debido a los altos niveles de atenuación introducidos a la frecuencia de resonancia así como a sus bajas pérdidas de inserción, lo cual no es fácil de realizar con filtros cerámicos de bajo orden. Las celdas a considerar son la microcinta con defecto en el plano de tierra (DGS; del inglés, defected ground structure) y la microcinta con defecto en la línea (DMS; del inglés, defected microstrip structure). Ambas celdas son estructuras electromagnéticas bandgap que al ser introducidas periódicamente presentan características de banda de rechazo y pasabandas a frecuencias de microondas y ondas milimétricas.2 Debido a su fácil implementación, dichas estructuras tienen una amplia gama de aplicaciones en sistemas de radiofrecuencia tales como en antenas de parche, filtros de microondas, atenuadores de armónicos, entre otros.3 Sin embargo, se ha encontrado que algunas estructuras con defecto que se han propuesto para el diseño de filtros pueden presentar pérdida por radiación significativa,4,5 lo cual da lugar a acoplamientos potenciales no deseados con otras estructuras, como por ejemplo, la antena de un transreceptor. La compatibilidad EM (electromagnética) entre subsistemas complejos se puede analizar mediante procesos de simulación. Sin embargo, un análisis de la antena y filtro de microondas en su conjunto representa grandes retos en virtud de que el dominio de la solución de los campos electromagnéticos resulta ser muy grande comparado con el tamaño de diferentes elementos estructurales básicos, lo que hace que la simulación sea muy lenta y costosa en términos computacionales. La figura 1 muestra la estructura DGS a considerar y que fue propuesta inicialmente en.6 Los parámetros de la celda son la distancia de apertura, g, y el tamaño de los grabados a y b que están conectados a una apertura angosta de área W×g. Los grabados tienen un espesor igual al del conductor en el plano de tierra, t. La cinta en el plano superior tiene un ancho igual a W mm. Esta celda tiene la capacidad de incrementar la inductancia y capacitancia equivalente distribuida para formar el efecto de onda lenta, con lo cual se incrementa la reflexión a la frecuencia de resonancia sin necesidad de variar el ancho de la microcinta. Esto representa una ventaja estructural ya que se evitan discontinuidades y los efectos Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 � �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. Fig. 1. Esquema de una celda DGS. parásitos asociados que aparecen en otras estructuras como por ejemplo en los filtros de impedancia escalonada.7 Por otro lado, la celda DMS se basa en un defecto en la línea microcinta que consiste en grabar una ranura a lo largo de la línea como se muestra en la figura 2. Esta estructura fue propuesta inicialmente en.3 En la microcinta convencional se tiene una velocidad de propagación dada por c/√εeff, (la razón entre la constante de la velocidad de la luz en el vacío y la raíz cuadrada de la permitividad efectiva de la línea microcinta). El efecto de onda lenta se crea por la inductancia distribuida a lo largo de la ranura grabada en la línea microcinta. La frecuencia de corte se determina analíticamente a través de la inductancia y longitud de stub en la ranura. Debido a sus características particulares, esta celda no se propuso para sustituir a la estructura de tierra imperfecta sino para complementarla.3 Fig. 2. Esquema de la celda DMS. Para el análisis de la radiación generada por celdas con defecto DGS y DMS se consideran condiciones de absorción en el espacio libre que facilita los cálculos en la simulación electromagnética. En este trabajo se emplea el simulador de onda completa de estructuras 3D CST,I la cual es una herramienta de solución numérica de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD, del inglés Finite Difference Time Domain). Inicialmente, se analiza una microcinta convencional � Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. con el fin de obtener una referencia de desempeño con respecto a las microcintas con defecto. En la simulación se encuentra la caja de simulación y las condiciones en la frontera que evita la aparición de resonancias no deseadas. Posteriormente, las estructuras DGS y DMS se sintonizan empleando el mismo substrato y las mismas condiciones de frontera que las empleadas para la microcinta. Los resultados de simulación se corroboran por mediciones hechas con el analizador vectorial. Después, se muestra el cálculo de radiación empleando las capacidades de post procesamiento de CST y se comparan las características en frecuencia de las celdas utilizando parámetros S (de dispersión) medidos y calculados. Finalmente, se dan las conclusiones de este trabajo. LÍNEA MICROCINTA La figura 3 muestra las variables geométricas de una microcinta convencional. La estructura se diseñó usando el laminado FR4II el cual es ampliamente usado en tarjetas de circuito impreso.8 Las características eléctricas del laminado empleado Fig. 3. Microcinta convencional y sus parámetros geométricos. así como las dimensiones de la microcinta con impedancia característica de 50 Ohms se listan en la tabla I. Cuando la microcinta se diseña como una línea de transmisión de baja reflexión, las pérdidas intrínsecas se atribuyen a la disipación de potencia en los metales, pérdidas en el dieléctrico y en un menor grado a las pérdidas por radiación.9 TABLA I. Parámetros de la microcinta y substrato FR4. Parámetro Valor W 2.95 mm H 1.58 mm L 85.0 mm permitividad relativa, εr 4.9 conductividad cobre, σ 5.8×107 S/m espesor del metal, t 34.0 µm tangente de pérdidas, tan δ 0.025 Las figura 4.a muestra las condiciones de frontera y la figura 4.b muestra las variables geométricas que definen el dominio de simulación y una selección cuidadosa de sus parámetros permite mantener acoplamientos electromagnéticos mínimos con las paredes de la caja de simulación. Las estructuras se excitan a Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 � �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. través de puertos numéricos que introducen una onda transversal electromagnética (TEM) en toda el área del puerto. Esto requiere de una pared eléctrica de resistividad cero como condición en la frontera de los puertos. Las paredes laterales se configuran para condiciones de absorción. Fig. 4. Configuración de simulaciones en CST: a) condiciones EM de frontera (izquierda), b) parámetros de la caja de simulación (derecha). Cuando se simula dicha microcinta, CST da como advertencia que los resultados pueden ser inexactos debido a la aparición de configuraciones de campos electromagnéticos de alto orden. Esto se debe a la característica no homogénea dieléctrico-aire que presenta, además de los modos de microcinta, configuraciones de campo con acoplamiento en el espacio libre. Basándose en los resultados de CST se corrobora que no hay inexactitud en el cálculo de los campos al analizar el balance de energía que invoca al Teorema de Poynting.10 En la simulación, la transmisión de potencia depende del acoplamiento de potencia en la estructura y también de la selección de las dimensiones de la caja de simulación y de los puertos de entrada-salida, como se muestra en la figura 4.b. La impedancia característica de la microcinta, Z0, es diferente a la impedancia de los puertos (la cual se mantiene fija en todo el intervalo de frecuencias) ya que los campos penetran en el dieléctrico al incrementar la frecuencia dando lugar a cambios en la constante de propagación. Lo anterior resulta en una línea de transmisión dispersiva y con reflexiones pequeñas. Así mismo, diferentes fenómenos como la creación de campos eléctricos no transversales asociados a pérdidas óhmicas, dependencia de la permitividad del substrato con la frecuencia y la no homogeneidad del sistema de materiales dan origen al modo de propagación cuasi-TEM. El acoplamiento de potencia en los puertos de entrada-salida representa en sí mismo un problema de optimización en el que la selección de variables de los puertos numéricos y dimensión de la caja de simulación permite reducir el coeficiente de reflexión de la estructura. En dicha optimización se considera que la impedancia TEM de la microcinta es igual a la impedancia de los puertos que se utiliza para normalizar los parámetros S. La optimización se realizó satisfactoriamente en un intervalo amplio de frecuencias al minimizar el coeficiente de reflexión en el puerto de entrada calculado a la máxima frecuencia de interés, ωmax. El coeficiente de reflexión en el puerto de entrada está dado por: (1) donde Zin es la impedancia vista por el puerto hacia el interior de la estructura. 10 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. En general, la impedancia de entrada vista desde el puerto tiene la ecuación:7,10 (2) donde Ps es la potencia promedio de la fuente (normalizada a 1W en simulaciones). Ploss corresponde al promedio de potencia debido a las pérdidas asociadas a la reflexión en el puerto lejano; disipación por efecto óhmico; pérdidas en el dieléctrico; y radiación. ω es la frecuencia angular, I es el fasor de corriente en el puerto de entrada y Wm y We es la energía magnética y eléctrica, respectivamente, en el volumen encerrado por la caja de simulación. El coeficiente de reflexión definido por la ecuación 1 toma en consideración todos los fenómenos de propagación que tienen lugar en la guía de onda. La optimización basada únicamente en la minimización del parámetro |S11| no toma en cuenta la reflexión en el puerto lejano (por definición) ni las pérdidas introducidas a lo largo de la línea que son significativas en la variación de la impedancia de entrada con respecto a la impedancia característica TEM de referencia. Para una microcinta convencional se puede considerar que la impedancia de entrada tiene un carácter puramente resistivo ya que la diferencia entre la energía de los campos eléctricos y la energía de los campos magnéticos es prácticamente igual a cero. La potencia acoplada al puerto se optimiza al encontrar la combinación de valores de la caja de simulación de la figura 4.b que minimiza la diferencia |Zin(ωmax) − Z0|, siendo Z0 la impedancia característica TEM. Una ventaja de este método reside en que CST puede realizar el cálculo de la impedancia de línea como una etapa de post procesamiento sin incurrir en un costo computacional elevado. La tabla II muestra los parámetros encontrados que reducen el efecto de la caja de simulación en las respuestas de la línea microcinta y también en las celdas con defecto. TABLA II. Parámetros de simulacion en CST Parámetro Wport Hport Htop1 Htop2 Ltotal Wtotal Valor 12W 10H 15H 5H 85 mm 85 mm La figura 5 muestra el vector de densidad de flujo de potencia en la microcinta, mostrando una reducción pequeña en la transmisión de potencia a lo largo del eje de propagación, ex. La potencia transmitida por la microcinta está dada por la integral:9 (3) donde Et y Ht son los fasores de los campos transversales eléctricos y magnéticos respectivamente, y dA es el vector del área infinitesimal de la sección transversal de la línea de transmisión. En coordenadas cartesianas dA=dzdyex. Debido a que la microcinta es una estructura cuasi-TEM, el vector de flujo presenta dispersión y esto crea pérdidas por radiación. El cálculo de la pérdida de potencia se calcula Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 11 �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. mediante el vector de Poynting en la frontera con la caja de simulación. La potencia radiada está dada por: (4) donde S es el fasor del flujo de potencia neta que abandona la estructura, ∂V corresponde a la superficie formada por la paredes laterales definidas por la condición de absorción y dA es el vector de superficie diferencial del plano con dirección del vector normal que apunta hacia afuera de la estructura. La ecuación 4 se implementa como una etapa de post-procesamiento en CST y se empleará en las siguientes secciones para realizar el cómputo de pérdidas por radiación. Fig. 5. Vector de densidad de potencia a lo largo de la microcinta a 3.5 GHz. RESPUESTAS EN FRECUENCIA Utilizando simulación EM y un mallado de baja resolución (relativa a la longitud de onda mínima), se sintonizaron las celdas para resonar a 1.5 GHz. Es importante mencionar que en este proceso no se consideró optimizar los parámetros de diseño con una resolución alta, como la que se emplea para el análisis de radiación que se trata posteriormente, en virtud del alto costo computacional que implica la sintonización de las variables de diseño. La figura 6 muestra los prototipos construidos en FR4. Los parámetros obtenidos por simulación para DGS son α=23.8 mm, b=23.8 mm, y g=0.4 mm; y para DMS son Ws=0.5 mm, Lm=51.55 mm, y We=0.35 mm (ver figura 1 y figura 2, respectivamente). Las mediciones se llevaron a cabo con el Analizador Vectorial de Redes HP 8753 en el intervalo de frecuencias 30 kHz - 3 GHz. La figura 7 muestra el VNA (por sus siglas en inglés; Vector Network Analyzer);III los dispositivos de prueba para calibrar el VNA en condiciones de circuito corto, abierto y thru para un sistema de 50 Ohms; y los cables tipo APC-7 y conectores tipo N empleados. Las figuras 6 y 7 muestran las bases metálicas empleadas sobre las cuales se fijan el conector N hembra. En este método de alimentación las “condiciones de absorción” se encuentran limitadas por las bases metálicas de aluminio que actúan como paredes laterales de espesor igual a 1 pulgada y que modifican las condiciones de radiación, principalmente en el defecto de tierra. Esto da lugar a discrepancias entre las mediciones y resultados experimentales a altas frecuencias que se muestran a continuación. 12 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. Fig. 6. Prototipos de las celdas DGS y DMS: a) vista del plano de tierra con defecto (arriba), b) vista de la microcinta con defecto (abajo). Fig. 7. Medición de las celdas con defecto utilizando el analizador vectorial HP 8753. Para el diseño de las celdas, se han propuesto circuitos de respuesta Butterworth de parámetros concentrados para modelar resonancia3 y punto de corte a 3dB6 de las celdas DMS y DGS, respectivamente. Estos modelos circuitales no permiten analizar la atenuación a frecuencias altas, en las bandas de rechazo de los filtros, por lo que se hace indispensable el modelado EM. Las figuras 8 y 9 muestran la magnitud de los parámetros S utilizando un mallado más fino que el utilizado Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 13 �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. en el proceso de sintonización, dando lugar a variaciones en la frecuencia de resonancia. Se muestra que ambas estructuras presentan aproximadamente la misma profundidad de atenuación en resonancia. La celda DGS presenta el punto de frecuencia de corte de 3 dB, f3dB (= 0.6 GHz) menor que el que presenta la celda DMS; con f3dB = 1.01GHz. La celda DMS presenta periodicidad en las respuestas, mostrando un primer cero aproximadamente a 3.2 GHz y un segundo polo a 4.8 GHz. También se muestra que la celda DMS introduce una baja atenuación para componentes alrededor de 3.2 GHz. Por otro lado, la celda DGS no presenta periodicidad e introduce una atenuación casi constante a frecuencias mayores de resonancia. El parámetro |S11| muestra un acoplamiento alto a bajas frecuencias y periodicidad en la respuesta de la celda DMS. Fig. 8. Magnitud de parámetros de transmisión. Fig. 9. Magnitud de parámetros de reflexión. Los resultados experimentales que se obtuvieron del VNA HP 8753 se muestran en la figura 10. En la figura 10.a, MARKER 1 se fija a una frecuencia de resonancia de la celda DGS igual a 1.720 GHz; indicando una atenuación igual a 25.85 dB. Los resultados de CST muestran una atenuación igual a 28.87 dB, casi exactamente a la misma frecuencia de resonancia. Por otro lado, la figura 10.b, muestra |S21| con MARKER 1 a 1.600 GHz indicando una atenuación igual a 29.26 dB, lo cual contrasta muy bien con resultados de CST; una frecuencia de resonancia igual a 1.580 GHz y atenuación igual a 28.42 dB. Para la celda 14 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. DGS, se encontró una diferencia en |S21| de 5 dB a frecuencias cercanas a 3 GHz. Se presume que esta diferencia se debe principalmente al efecto de la base de aluminio empleada para la alimentación y que actúa sobre los campos radiados. Otras lecturas de los parámetros hechas con el VNA muestran diferencias menores entre los resultados de simulación y experimentales. Fig. 10. Parámetros |S21| medidos con el analizador vectorial HP 8753: dgs (arriba), b) dms (abajo). Los parámetros S11 medidos (gráficas no mostradas aquí) muestran una alta correspondencia con los resultados simulados en el intervalo medido (3kHz 3GHz). Se encuentra que a 3 kHz, el parámetro |S11| medido para la celda DGS es igual a −28.3 dB y para la celda DMS es de −32.5 dB. Esto muestra que el diseño de las microcintas que alimentan a las celdas y la optimización de campo acoplado en los puertos de la microcinta fueron realizados correctamente. PÉRDIDAS POR RADIACIÓN A continuación se comparan las pérdidas por radiación de tres estructuras: la microcinta convencional, la celda DGS y la celda DMS. La radiación en microcintas presenta diferentes mecanismos, no únicamente como la propagación de ondas en la línea microcinta que se acoplan directamente al espacio libre, sino también como ondas que se propagan dentro del dieléctrico en zigzag y que Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 15 �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. eventualmente se difractan en la interface del dieléctrico con la pared lateral. La figura 11 muestra las pérdidas por radiación calculadas por la ecuación 4. Se observa que las tres estructuras presentan radiación baja a frecuencias menores a 1 GHz. En particular; la microcinta convencional presenta pérdidas por radiación muy bajas en todo el intervalo de interés y menores que sus pérdidas óhmicas, como era de esperarse. La figura 11 muestra que la estructura de microcinta imperfecta tiene un desempeño muy similar al de la microcinta convencional, en contraste con la celda de tierra imperfecta en la que la radiación se incrementa considerablemente a partir de la frecuencia de resonancia. En la celda DGS se acentúa el efecto de difracción en la interface del dieléctrico; siendo una fuente potencial de interferencia con otras estructuras planares. Dichas pérdidas afectan la banda de rechazo y profundidad de atenuación a frecuencias mayores que resonancia. Esto da lugar a bajas pérdidas por inserción en la banda de rechazo (aproximadamente igual a 10 dB para frecuencias mayores a 3 GHz, ver figura 8) y una disminución sostenida de las pérdidas de retorno con la frecuencia (ver figura 9). Las pérdidas por radiación pueden ser de hasta 40% la potencia del puerto a la máxima frecuencia de interés. Fig. 11. Pérdida por radiación normalizada a 1 W. Es importante resaltar el desempeño de la microcinta imperfecta, que resulta ser similar al de la microcinta convencional en términos de radiación. Los acoplamientos de campo cercano alrededor de la ranura con ancho Ws seleccionado (ver figura 2), siendo éste parámetro mucho menor que la longitud de onda, reduce la dispersión de campos alrededor de la celda. Se puede corroborar que la característica de baja radiación es un factor a considerar en la selección de dicha estructura. Por otro lado, análisis EM muestran que los efectos pelicular (skin) y de proximidad incrementan considerablemente las pérdidas óhmicas con la frecuencia, como una característica intrínseca de la celda de microcinta con defecto. Debido a los altos niveles de potencia acoplados en el espacio que rodea a la imperfección introducida en el plano de tierra es de fundamental importancia considerar los efectos de las pérdidas por radiación, las cuales no son analizadas explícitamente en 3,6. 16 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. CONCLUSIONES El diseño de filtros basado en microcintas con defecto requiere del análisis de las pérdidas por radiación como una característica a considerar en la selección de la celda. Se comprobó experimentalmente y por simulación que las celdas DMS y DGS se pueden diseñar con gran exactitud para resonar a una frecuencia predeterminada empleando modelado EM de 3D. Se comprobó que en el modelado es crucial emplear una densidad en el mallado alta para obtener una correspondencia aceptable entre resultados teóricos y experimentales. Las pequeñas discrepancias encontradas en los parámetros S en todo el intervalo de frecuencia valida el método de simulación desarrollado. Se encuentra experimentalmente que los efectos de alto orden asociados a las pérdidas por radiación dependen en gran medida del espacio que rodea a las celdas, lo cual requiere de un esquema de medición con condiciones de absorción y sin reflexiones con la estructura de alimentación. Originalmente, la celda DMS se propuso como una estructura complementaria a la celda DGS en virtud de que un diseño en cascada de dichas estructuras presentaría una banda de rechazo más amplia y una mejora en la atenuación. Del análisis EM se encuentra que la celda DGS puede producir acoplamientos potenciales con componentes planares, por lo que la complementariedad de las celdas DMS y DGS debe ser evaluada cuidadosamente considerando fundamentalmente los efectos de radiación. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue realizado como parte del proyecto de investigación financiado por PRODEP, UANL-PTC-826 con Carta de Aceptación 103.5-15-6797. REFERENCIAS 1. G. D. Vendelin, A. M. Pavio, U. L. Rohde, Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques, Dallas, TX: John Wiley, 1990. 2. K. Chul-Soo, P. Jun-Seok, D. Ahn, L. Jae-Bong, “A novel 1-D periodic defected structure for planar circuits.” IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 10, pp. 131-133, abril 2000. 3. J. Tirado-Mendez, Diseño conjunto del bloque de RF de transreceptores con aplicación de tierras (DGS) y microcintas imperfectas (DMS), Tesis Doctoral, Sección de Comunicaciones, Cinvestav-IPN, junio 2008, 292 pp. 4. Jorge Aguilar-Torrentera, Zabdiel Brito-Brito, Juan C. Cervantes-González y Carlos A. López, “EM simulation of a low-pass filter based on microstrip defected ground structure,” Comsol Conference Boston 2012, Proc., 10-14 octubre, 6 pp. 5. G. Breed, “An introduction to defected ground structures in microstrip circuits,” High Frequency Electronics, pp. 50-54, 2008. 6. D. Ahn, J. Park, C. Kim, J. Kim, Y. Qian, and T. Itoh, “A design of the lowpass filter using the novel microstrip defected ground structure,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 49, pp. 86-4537, enero 2001. 7. D. Pozar, Microwave Eng., Amherst Massachusets: Adison-Wesley, 1990. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 17 �Análisis electromagnético de celdas con defecto en microcinta y en plano de tierra... / Jorge Aguilar Torrentera, et al. 8. S. C. Thierauf, High-Speed Circuit Board Signal Integrity, Boston: Artech House, 2004. 9. G. Kompa, Practical Microstrip: Design and Applications, Boston: Artech House, 2005. 10. R. Collin, Foundations for Microwave Engineering, New York: McGraw Hill, IEEE Press, 1992. I. CST Microwave Studio 2009, CST AG, Darmstadt, Germany, 2009. II. Accurate Plastics Inc., Epoxi-Glass™ G10, FR4 sheets. III. Equipo empleado para enseñanza e investigación que se encuentra en el Laboratorio de Microondas de FIME-UANL. 18 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión basado en análisis modal Simón Torres Paz, Manuel A. Andrade Soto, Ernesto Vázquez Martínez Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME, Doctorado en Ingeniería Eléctrica, simon.torres.paz@gmail.com, manuel.andradest@uanl.edu.mx, evazquezmtz@gmail.com RESUMEN Este artículo trata sobre la selección de fase para disparos monopolares en líneas de transmisión basado en el análisis modal. El algoritmo utiliza la matriz de varianzas-covarianzas obtenida a partir de las mediciones de corriente y realiza el cálculo de valores y vectores propios derechos e izquierdos para identificar y seleccionar la fase fallada cuando ocurre una falla de línea a tierra. Se analizó el desempeño del algoritmo ante diversos casos de simulación en un sistema de potencia de prueba, considerando fallas simultáneas, acoplamiento mutuo entre líneas y resistencia de falla. PALABRAS CLAVE Selección de fase, Disparos Monopolares, Análisis modal, Falla de línea a tierra. ABSTRACT This paper deals with phase selection for single-pole tripping in transmission lines based on modal analysis. The algorithm uses a variance-covariance matrix built from current signal and computes the eigenvalues and the right and left eigenvectors to identify and select correctly the faulted phase when a single line to ground fault occurs. The performance of the algorithm was analyzed for many simulation cases in a test power system, considering simultaneous faults, mutual coupling between lines, and fault resistance. KEYWORDS Phase selection, Single-pole tripping, Modal analysis, Single-line-to-ground fault. INTRODUCCIÓN Una falla en la red de transmisión tiene un impacto significativo en la capacidad de transferencia de potencia del sistema eléctrico. Dejar fuera de servicio una línea de trasmisión para liberar una falla eléctrica reduce drásticamente la capacidad de transferencia de potencia y puede ocasionar problemas con la estabilidad del sistema.1 El índice más alto de fallas ocurre en líneas aéreas debido a su inherente Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 19 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. característica de estar expuestas a las condiciones atmosféricas, siendo en su mayoría fallas monofásicas de línea a tierra y de naturaleza transitoria.2 Por esta razón una falla de línea a tierra puede ser despejada exitosamente solamente con la apertura de la fase fallada (disparo monopolar), permitiendo así que las fases sanas restantes continúen en servicio. En la figura 1 puede observarse la frecuencia con la que ocurren cada uno de los diferentes tipos de fallas.3 Fig. 1. Frecuencia de ocurrencia de fallas eléctricas. Los disparos monopolares son utilizados para mejorar la estabilidad, la capacidad de transferencia de potencia, la confiabilidad y la disponibilidad de la red de transmisión durante y después de fallas monofásicas. Considerando el hecho que las fallas de línea a tierra (AG, BG, CG) ocurren con mayor frecuencia que los otros tipos de fallas (AB, BC, CA, ABG, BCG, CAG, ABC), el objetivo es diseñar un esquema de protección que permita identificar correctamente que ha ocurrido una falla monofásica, con el propósito de realizar un disparo monopolar en lugar de un disparo tripolar que tiene como consecuencia la pérdida completa de la línea de transmisión.4 Existen diversos enfoques para lograr la identificación del tipo de falla, actualmente los algoritmos de selección de fase fallada utilizados por relevadores comerciales están basados en componentes simétricas.5,6,7 Fundamentalmente estos algoritmos se basan en los siguientes aspectos: a) Ángulo de la relación de corrientes de secuencia negativa y secuencia positiva. b) Ángulo de la relación de corrientes de secuencia negativa y secuencia cero. Los algoritmos de selección de fase basados en componentes simétricas son afectados principalmente por el acoplamiento mutuo entre líneas paralelas, por lo que desarrollar un algoritmo que sea inmune a los efectos de acoplamiento mutuo ayudaría a solucionar esta problemática. En este artículo se propone un nuevo algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión basado en análisis modal; es un algoritmo de fácil implementación, tiene la capacidad de identificar la fase fallada aún en condiciones de fallas simultáneas en líneas paralelas y es inmune a los efectos de acoplamiento mutuo. 20 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. DISPAROS MONOPOLARES Un relevador de protección que ofrece la función de apertura monopolar es aquel que después de detectar una falla y establecer que se debe realizar una apertura, abrirá sólo el polo de la fase fallada para fallas de línea a tierra. Si la falla involucra más de una fase, se realizará la apertura tripolar. Para esto, es necesario que el interruptor cuente con circuitos de disparo separados. El disparo monopolar se complementa con un recierre automático, a fin de recuperar la fase una vez que la falla haya desaparecido. En general, los esquemas de disparos monopolares operan de acuerdo a los siguientes puntos: • Cuando ocurre una falla de línea a tierra en una línea de transmisión energizada, se realiza la apertura de la fase fallada y después de un tiempo adecuado se ejecuta un recierre automático. Si la falla es liberada, el esquema de protección se restablece. Si la falla aún está presente cuando se realiza el recierre, el interruptor opera de manera tripolar sin tener en cuenta un nuevo recierre. • Cuando se presenta una falla que no sea de línea a tierra en una línea de transmisión se efectúa una apertura tripolar. • Si durante la energización de una línea de transmisión se presenta una falla de cualquier tipo, se realiza una apertura tripolar sin la consideración de un recierre automático. Los esquemas de disparos monopolares son usualmente considerados para incrementar: a) Disponibilidad de una estación generadora aislada que es conectada a un centro de carga a través de una o dos líneas de transmisión. b) Confiabilidad de un sistema de transmisión con configuración mallada. Los sistemas de potencia modernos han reducido sus niveles de redundancia y operan cerca de sus límites de seguridad. El uso de disparos tripolares para liberar una falla de línea a tierra puede causar una pérdida de sincronismo bajo ciertas condiciones de operación. Una apertura tripolar es necesaria para fallas que involucren más de una fase, sin embargo, para una falla de línea a tierra, es posible realizar sólo la apertura de la fase fallada y mantener las fases restantes conectadas. Los esquemas de selección de fase sólo abren el polo del interruptor correspondiente a la fase fallada, permitiendo que la línea continúe transmitiendo potencia a través de las fases sanas durante el tiempo de apertura del polo. Esta transferencia de potencia reduce la posibilidad de pérdida de sincronismo.8 ALGORITMO PROPUESTO El algoritmo está basado en el comportamiento de los valores y vectores propios derechos e izquierdos, calculados a partir de una matriz de varianzas-covarianzas construida con los valores de las corrientes incrementales de línea. Como se utilizan cantidades instantáneas, el algoritmo no requiere de una estimación fasorial, además su funcionamiento no se ve afectado por el acoplamiento mutuo entre líneas paralelas o la componente aperiódica exponencial decreciente Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 21 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. (componente CD), permitiendo una selección rápida y correcta de la fase fallada para fallas de línea a tierra en líneas de transmisión. En la figura 2 se presenta la estructura general del algoritmo propuesto para la identificación de la fase fallada a partir de las corrientes de entrada. Con el fin de enfatizar una condición de falla, y diferenciar en forma confiable entre el estado de falla y pre-falla, las corrientes secundarias instantáneas (ia, ib, ic) son filtradas a través del filtro Delta,9 de manera que se obtienen las corrientes incrementales (∆ia, ∆ib, ∆ic). Fig. 2. Diagrama de bloques del algoritmo de detección de fase para disparo monopolar basado en análisis modal. Después de eliminar la componente sinusoidal de estado estable de las corrientes de línea, se construye la matriz de cantidades incrementales, definida por (1), donde cada una de sus columnas representa k muestras por ciclo de las corrientes incrementales. A partir de la matriz de cantidades incrementales se obtiene la matriz de varianzas-covarianzas (∑), donde los elementos de la diagonal principal contienen las varianzas de las variables (∆ia, ∆ib, ∆ic), mientras que los elementos fuera de la diagonal contienen las covarianzas entre todos los pares posibles de variables. La matriz ∑ esta definida por (2). (1) 22 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. (2) A fin de eliminar el acoplamiento y diagonalizar ∑, considere la siguiente transformación modal:10,11 (3) donde Φ es la matriz de vectores propios derechos, Ψ es la matriz de vectores propios izquierdos, y ᴧ es la matriz de valores propios, asociados a ∑. Las matrices de vectores propios derechos e izquierdos y ʌ están definidas por (4), (5) y (6), respectivamente. (4) (5) (6) La matriz de factores de participación, definida por (7), es calculada utilizando los vectores propios derechos e izquierdos. La suma de los valores de todos los elementos de una fila o columna de P es siempre igual a 1.10 (7) Para determinar si existe una condición de falla en el sistema de potencia se observa el comportamiento de los valores propios asociados a la matriz de varianzas-covarianzas. Para identificar la fase fallada, se utiliza la matriz de factores de participación, la cual mide la participación relativa de las variables de estado (Δia, ∆ib, ∆ic) en cada uno de los modos (λ1, λ2, λ3). Por ejemplo, para una falla de línea a tierra en la fase C, la variable ∆ic tendrá un factor de participación mayor que los relacionados con las variables ∆ia y ∆ib , en la columna correspondiente con el valor propio dominante. La figura 3 muestra el diagrama de bloques utilizado para la identificación de la fase fallada. El incremento de los valores de corriente durante una falla en una línea transmisión provoca un incremento en la magnitud de los valores propios de la matriz de varianzas-covarianzas; un análisis del comportamiento de los valores propios durante la transición del estado de pre-falla a falla permitió establecer que existe una condición de falla cuando la magnitud del valor propio dominante sea mayor a tres veces su magnitud medio ciclo anterior. Una vez que se establece la condición de falla, se debe de identificar y seleccionar la fase fallada para realizar una apertura monopolar. Para lograr la identificación de la fase fallada se utilizan tres matrices FAG, FBG y FCG, las cuales están definidas por (8). (8) La identificación de la fase fallada se realiza mediante la comparación de la columna de la matriz de factores de participación correspondiente al valor propio dominante con una constante igual a 0.3. Esta constante fue determinada en base a Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 23 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. Fig. 3. Diagrama de bloques para la identificación de la fase fallada. que la suma de filas o columnas de la matriz de factores de participación es igual a 1, debido a que P es una matriz cuadrada de 3x3, se determinó que la constante de 0.3 es adecuada para diferenciar la fase fallada del resto de las fases sanas. Si el resultado de la comparación es igual a alguna de las matrices definidas por (8), entonces se selecciona a la fase correspondiente como la fase fallada. SISTEMA DE PRUEBA El sistema de prueba que se muestra en la figura 4, fue implementado en PSCAD/EMTDC para la evaluación del algoritmo propuesto basado en el análisis modal. Este sistema está compuesto por dos fuentes equivalentes de Thevenin interconectadas por 3 secciones de líneas paralelas. Cada par de líneas paralelas están sobre una misma estructura, teniendo interés principalmente en las líneas de transmisión identificadas como “Línea 1” y “Línea 2”, las cuales están protegidas por los relevadores R1, R2 y R3, R4, respectivamente. Los parámetros del sistema de potencia se muestran en la tabla I, el arreglo de los conductores para cada par de líneas de transmisión se muestra en la figura 5. Téngase en cuenta que al utilizar este tipo de arreglo, se considera el efecto de acoplamiento mutuo entre las fases de una misma línea y el acoplamiento entre líneas paralelas, como es el caso de las líneas 1 y 2 de la figura 4. 24 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. Fig. 4. Sistema de prueba. Tabla I. Parámetros del Sistema de Potencia. Voltaje nominal 230 kV Longitud de las líneas 1 y 2 100 km Impedancia de la fuente A Z1= 17.95<87.67° Z0= 14.9980.86° Ω Impedancia de la fuente B Z1= 3.887.69° Z0= 6.0280.9° Ω Impedancias de las líneas 1 y 2 Z1= 4385.32° Z0= 150.9775.33° Ω Relación del TC 1500:5 Relación del TP 2000:1 Fig. 5. Configuración de conductores de las líneas de transmisión. RESULTADOS Para la evaluación del desempeño del algoritmo se realizaron un total de 102 simulaciones en las que se consideraron cada uno de los 10 diferentes tipos de fallas eléctricas. En la tabla II se presenta un resumen del número total de casos para la evaluación del desempeño del algoritmo en las que se consideraron el efecto del acoplamiento mutuo, distintos ángulos de inserción de falla, desbalances y diferentes valores de resistencia de falla. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 25 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. Tabla II. Casos simulados para la evaluación del desempeño del algoritmo. Tipo de falla Ubicación de la falla (km) Resistencia de falla (Ω) Ángulo de inserción (grados) Número de casos simulados Falla monofásica AG 30, 60, 90 20, 50 0, 45, 90 18 Falla monofásica BG 30, 60, 90 10, 40 0, 60, 135 18 Falla monofásica CG 30, 60, 90 15, 30 90, 150, 210 18 Falla bifásica AB 60, 90 50, 70 0, 90 8 Falla bifásica BC 60, 90 35, 50 45, 135 8 Falla bifásica CA 60, 90 50, 60 210, 245 8 Falla bifásica a tierra ABG 90 40, 50 0, 90, 135 6 Falla bifásica a tierra BCG 90 50, 60 210, 245, 290 6 Falla bifásica a tierra CAG 90 30, 40 15, 75, 165 6 Falla trifásica ABC 90 40, 60 0, 90, 135 6 A continuación se presentan 3 casos para mostrar el desempeño del algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión. En el caso 1 se incluye una figura que contiene información gráfica de las corrientes secundarias instantáneas, los factores de participación asociados con el valor propio dominante y la respuesta de salida del algoritmo, mientras que en los casos 2 y 3 sólo se muestran las corrientes secundarias y la respuesta de salida del algoritmo para cada uno de los relevadores R1, R2, R3 y R4, respectivamente, los cuales están instalados en las líneas de transmisión 1 y 2 del sistema de potencia que se muestra en la figura 4. A. Falla de línea a tierra. En este caso se simula una falla de línea a tierra (BG) al 90% de la línea protegida (línea 1) a partir de R1 con una resistencia de falla (Rf) de 15 Ω en el instante de tiempo igual a 6.0 s. La falla monofásica produce un incremento en las corrientes medidas de los secundarios de los transformadores de corriente instalados en los extremos de la línea fallada, como se muestra en las figuras 6a y 6b, produciendo que la fase B tenga un factor de participación mayor que el de las fases sanas. Los relevadores R1 y R2 seleccionan la fase B como la fase fallada de manera correcta. Debido al acoplamiento mutuo que existe entre las líneas de transmisión, se inducen corrientes de falla en la línea paralela (línea 2), sin embargo a pesar de este efecto no deseado, el algoritmo no opera, lo cual es correcto ya que no existe una falla en la línea paralela. B. Falla de fase C de la línea 1 contra la fase A de la línea 2. En ese escenario se simula una falla bifásica entre la fase C de la línea 1 y la fase A de la línea 2 de la figura 4. La falla ocurre en el instante de tiempo igual a 5.006777 s con una Rf=0 Ω. En las figuras 7c y 7d se observa que el algoritmo 26 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. a) Corrientes secundarias en línea 1 - R1 b) Corrientes secundarias en línea 1 – R2 c) Factores de participación asociados con - R1 d) Factores de participación asociados con - R2 e) Respuesta de salida del algoritmo - R1 f) Respuesta de salida del algoritmo – R2 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 27 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. g) Corrientes secundarias en línea 2 – R3 h) Corrientes secundarias en línea 2 – R4 i) Factores de participación asociados con - R3 j) Factores de participación asociados con - R4 k) Respuesta de salida del algoritmo - R3 l) Respuesta de salida del algoritmo - R4 Fig. 6. Falla de línea a tierra en línea de transmisión 1. 28 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. selecciona correctamente la fase C como la fase fallada, mientras que las figuras 7g y 7h muestran que la fase fallada es la fase A. Por lo tanto, se realizan dos disparos monopolares, uno en la línea 1 correspondiente a la fase C y el otro en la línea 2 correspondiente a la fase A. a) Corrientes secundarias en línea 1 - R1 b) Corrientes secundarias en línea 1 – R2 c) Respuesta de salida del algoritmo - R1 d) Respuesta de salida del algoritmo – R2 e) Corrientes secundarias en línea 2 – R3 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 29 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. f) Corrientes secundarias en línea 2 – R4 g) Respuesta de salida del algoritmo – R3 h) Respuesta de salida del algoritmo – R4 Fig. 7. Falla bifásica entre líneas 1 y 2. C. Falla bifásica a tierra. En el caso de ocurrir una falla que no sea de fase a tierra, se debe realizar una apertura tripoar. En este caso se muestra el desempeño del algoritmo ante una falla bifásica a tierra (CAG), que ocurre al 90% de la línea protegida a partir de R1 con una Rf=0Ω en el instante de tiempo igual a 6.0 s. De la figura 8 se observa que R1 y R2 operan de manera tripolar debido a la falla bifásica a tierra en la línea protegida. También se observa que R3 y R4 no operan ya que no existe una falla en la línea paralela. ANÁLISIS DE RESULTADOS Los escenarios mencionados en la sección anterior muestran de manera gráfica que el algoritmo es capaz de identificar y seleccionar la fase fallada para fallas de línea a tierra. En la tabla III se describen distintos escenarios de fallas a tierra; las fallas fueron simuladas en distintos instantes de tiempo respecto a la onda de voltaje (esto modifica la polaridad y magnitud de la componente de CD en la corriente de falla), en distintos puntos de la línea de transmisión y con diferentes valores de la resistencia de falla. En todos los casos, la respuesta del algoritmo fue correcta, se disparó la fase fallada en el caso de fallas monofásicas y se realizó apertura tripolar para una falla distinta a la monofásica. 30 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. Tabla III. Distintos escenarios de falla a tierra simulados. Tipo de Falla Instante de inserción de falla Ubicación de la falla en línea 1 Resistencia de falla Tiempo de operación AG 5.8875 s 90 km 50 3.891 ms AG 5.8854 s 90 km 50 2.575 ms AG 5.8875 s 90 km 20 3.091 ms BG 4.9559 90 km 10 3.410 ms BG 4.9573 60 km 40 2.822 ms BG 4.9573 s 60 km 10 2.522 ms CG 6.2036 s 90 km 30 3.001 ms CG 6.1984 s 90 km 30 2.556 ms CG 6.2039 s 90 km 15 2.801 ms a) Corrientes secundarias en línea 1 - R1 b) Corrientes secundarias en línea 1 – R2 c) Respuesta de salida del algoritmo - R1 d) Respuesta de salida del algoritmo – R2 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 31 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. e) Corrientes secundarias en línea 2 – R3 f) Corrientes secundarias en línea 2 – R4 g) Respuesta de salida del algoritmo – R3 h) Respuesta de salida del algoritmo – R4 Fig. 8. Falla bifásica a tierra en línea de transmisión 1. CONCLUSIONES En este artículo se presentó un nuevo algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión basado en el análisis modal. Los valores instantáneos de las corrientes secundarias de los TC’s son filtradas y organizadas en la matriz de cantidades incrementales, donde cada una de sus columnas representa k muestras por ciclo de las corrientes incrementales de línea. A partir de la matriz de cantidades incrementales se obtiene la matriz de varianzas-covarianzas. Se aplica el análisis modal para obtener los valores propios y los factores de participación asociados para identificar y seleccionar la fase fallada. La selección de la fase fallada se realiza mediante la comparación de la 32 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. columna correspondiente al valor propio dominante de la matriz de participación con una constante de 0.3, determinada sobre la base de que la suma de filas o columnas de la matriz de factores de participación es igual a 1. Una ventaja del análisis modal es que la magnitud del valor propio dominante permite diferenciar entre un estado de pre-falla y falla, por lo que no es necesaria una función de detección de fallas. El algoritmo de detección de fase basado en el análisis modal es capaz de identificar y seleccionar la fase fallada para fallas de línea a tierra sin importar la ubicación en donde ocurre la falla en la línea de transmisión con o sin el efecto de acoplamiento mutuo entre líneas paralelas. Así mismo, el algoritmo es inmune al efecto de la resistencia de falla y no es afectado en el caso de fallas simultáneas. Se realizaron 102 casos de simulación en un sistema de potencia considerando el efecto de acoplamiento mutuo entre líneas de transmisión, desbalances, asimetrías y diferentes valores de resistencia de falla. En todos los casos, el algoritmo propuesto identificó correctamente entre fallas de fase a tierra (disparo monopolar) y otros tipos de fallas (disparo tripolar). El tiempo de operación promedio para la selección de la fase fallada es de 3 ms, que es menor comparado con los algoritmos utilizados actualmente en relevadores comerciales. REFERENCIAS 1. E. Godoy, A. Celaya, H. J. Altuve, N. Fischer and A. Guzmán, “Tutorial on Single-Pole Tripping and Reclosing”, proceedings of the 39th Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, WA, October 2012. 2. AREVA, Network Protection & Automation Guide, Barcelona, Cayfosa, 2005. 3. F. Calero and D. 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Serna, J.C. Rivera, H.E. Prado, H.J. Altuve, D. Sánches and J. Gallegos, “Transmission Line Single-Pole Tripping: Field Experience in the Western Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 33 �Algoritmo de detección de fase para disparo monopolar en líneas de transmisión... / Simón Torres Paz, et al. Transmission Area of Mexico”, Proceedings of the 37th Annual Western Protective Relay Conference, October 2010. 9. G. Benmouyal y J. Roberts, “Superimposed Quantities: Their True Nature and Application in Relays”, Schweitzer Engineering Laboratories, 1999. 10. P. Kundur, “Power System Analysis”, McGraw-Hill Series in Electrical and Compoter Engineering, 1999. 11. H. K. Khalil, “Nonlinear Systems”, Prentice Hall, 2002. 34 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz Carlos Vargas Arvizu, Angel Rodríguez-Liñán, Luis M. Torres-Treviño Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME, Posgrado en Ingeniería Eléctrica ing.arvizu.imtc@gmail.com, angel.rodriguezln@uanl.edu.mx, luis.torres.ciidit@gmail.com RESUMEN En este trabajo, se propone la implementación de un controlador por lógica difusa optimizando sus reglas mediante un algoritmo genético. Este controlador comanda a un sistema robótico que consiste en un mecanismo diseñado para realizar seguimiento de una fuente lumínica, aún si el entorno presenta perturbaciones lumínicas. El uso de los sistemas de lógica difusa nos permite tener buenas aproximaciones e interpretaciones del conocimiento que alcanza el algoritmo genético, además presenta robustez y buena precisión. PALABRAS CLAVE Robótica evolutiva, Lógica difusa, Algoritmo genético, Sistema difusoevolutivo, Control de robots. ABSTRACT In this work, it is proposed an implementation of a fuzzy logic rule-based controller with rules optimized by a genetic algorithm. This controller leads a robotic system that consists in a linkage designed to perform light tracking, even if the environment changes due to the light disturbances. The fuzzy-evolutionary system allows finding good approximations for the control task due to the evolutionary behavior, also has robustness and relative precision. KEYWORDS Evolutionary robotics, Fuzzy logic, Genetic algorithm, Fuzzy-evolutionary system, Robot control. INTRODUCCIÓN La Robótica Evolutiva (RE) es un paradigma derivado de aplicar los principios de la Teoría de la Evolución biológica, en forma de técnicas computacionales para robots no pre-programados; y con el propósito de que los robots sean capaces de evolucionar, hasta alcanzar la mejor solución a ciertos problemas complejos.1 Este paradigma se ha investigado recientemente por un creciente número de investigadores en los diferentes aspectos de la robótica2 (como en diseño estructural, diseño de controladores, coevolución ‘cerebro-estructura’ del robot, percepción), así como el reto de la implementación física de dicho paradigma. Este trabajo se enfoca particularmente en la aplicación de controladores evolutivos para robots. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 35 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. ANTECEDENTES Algunas de las técnicas de control evolutivo, reportadas en la literatura, incluyen lógica difusa y optimización por medio de algoritmos evolutivos (AE) para mejorar las reglas de sistemas difusos. En el trabajo de (Cervantes-Castillo, 2013)3 se evoluciona a las funciones de membresía de un sistema de lógica difusa para optimizarlas. Otra estrategia de optimización evolutiva es modificar los valores de las variables de las reglas de un sistema de lógica difusa hasta llegar a la solución óptima.4,5 Un sistema difuso-evolutivo basado en reglas reemplaza fácilmente a un sistema difuso respetando las entradas y salidas requeridas para su correcto funcionamiento, también presenta la misma ventaja de un sistema puramente difuso de describir las entradas y salidas en forma lingüística basándose en aproximaciones cuantitativas, y adicionalmente, mejora la robustez y adaptabilidad de los métodos de control clásico.3,6,7 A menudo, en el sistema robótico evolutivo se implementa una calibración inicial para proporcionar una mayor precisión en las mediciones de los sensores.8 Contribución En este trabajo, se desarrolla un prototipo de robot seguidor de luz con un controlador difuso-evolutivo basado en reglas en la plataforma Arduino Due®, el cual no requiere el conocimiento previo de una persona experta acerca de la dinámica del sistema, además se plantean experimentos de seguimiento de luz en cuatro escenarios de prueba, incluyendo perturbaciones y variaciones lumínicas, lo que ilustra la adaptabilidad del sistema evolutivo. En la siguientes secciones se explica el controlador propuesto, basado en lógica difusa y un algoritmo genético, que optimiza las reglas difusas; así como el hardware del prototipo robótico diseñado, y posteriormente las discusiones de los experimentos en los escenarios propuestos. CONTROLADOR DIFUSO-EVOLUTIVO BASADO EN REGLAS Sistemas de lógica difusa La lógica difusa se presenta como un paradigma de sistemas inteligentes, que permite modelar un sistema o proceso a través de aproximaciones conocidas como términos lingüísticos que definen a conjuntos y reglas difusas. En un modelo de lógica difusa las entradas, salidas y valores involucrados son diferentes a los habitualmente utilizados en la lógica Booleana ‘clásica’, que consisten en ‘1’ o ‘0’ (VERDADERO o FALSO, respectivamente); los valores de lógica difusa consisten en grados de membresía o pertenencia al conjunto difuso. Una ventaja de la representación difusa es que permite trasladar de manera más natural el conocimiento de un individuo experto en valores numéricos aproximados de variables de un sistema, de tal forma que se obtiene un modelo relativamente funcional y sencillo a pesar del uso de información imprecisa. Un sistema de lógica difusa basado en reglas está conformado por: 1. Reglas: Las reglas son relaciones entre variables de entradas y salidas que modelan los aspectos cualitativos de un sistema sin requerir un análisis cuantitativo de precisión. Estas reglas son de la forma ‘SI-ENTONCES’ (IFTHEN en inglés), que abstraen los conocimientos de humanos expertos acerca 36 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. de la interpretación de datos numéricos del proceso que se desea modelar, mediante términos lingüísticos. Algunos ejemplos son: 1) “SI temperatura_A ES caliente y temperatura_B ES caliente ENTONCES velocidad_abanico ES rápida”, 2) “SI temperatura_A ES fría y temperatura_B ES caliente ENTONCES velocidad_abanico ES moderada”, donde frío, caliente, moderada y rápida son los términos lingüísticos de las reglas. Cabe señalar que a cada valor cuantitativo de las variables del proceso le corresponden valores difusos de cada valor lingüístico (como caliente y frío) asignados por las llamadas ‘funciones de membresía’. Una función de membresía se define como una relación que determina el grado de pertenencia de un valor cuantitativo de las variables del sistema en un conjunto difuso, dado para cada término lingüístico, como se ilustra en la figura 1. En la literatura hay diversos trabajos sobre la optimización de los parámetros de funciones de membresía.7,9 Fig. 1. Funciones de membresía. 2. Fusificación: Es el proceso que consiste en transformar los valores cuantitativos de las variables de entrada en valores difusos asociados a los conjuntos difusos, mediante las funciones de membresía; para poder ser interpretados en las reglas del sistema difuso. Éstas se distribuyen en un intervalo normalizado entre 0 y 1, como se muestra en la figura 2. Fig. 2. Funciones de membresía uniformemente distribuidas para cada conjunto difuso. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 37 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. 3. Mecanismo de Inferencia: Es el proceso que determina una salida difusa para cada una de las reglas, es decir, valores difusos de un conjunto difuso son mapeados a otro conjunto difuso de salida. Además, este mecanismo determina la activación de las reglas y la forma en cómo éstas se combinan. Funge como el ‘cerebro’ del sistema difuso, haciendo las inferencias para determinar la salida difusa del sistema. 4. Defusificación: Es el proceso que consiste en tomar el valor difuso de la salida, generado en el mecanismo de inferencia, y convertirlo en un valor cuantitativo de la salida. Algoritmo genético Un algoritmo genético (AG) es una técnica de búsqueda iterativa basada en los principios biológicos de la selección natural. Con esta técnica, la evolución biológica de las especies se modela como un algoritmo que inicia con una ‘población’ de ‘individuos’ con ‘cromosomas’ representados por vectores, cuyas n componentes son llamadas ‘genes’ o ‘alelos’. La capacidad de ‘supervivencia’ de cada individuo de la población se evalúa mediante una función de aptitud; luego de ser evaluados, se seleccionan los individuos con mejor aptitud de la población y se reproducen para generar nuevos individuos con cromosomas similares. En las nuevas poblaciones generadas, se ejecutan los mismos procesos de evaluación y reproducción de los individuos, iterativamente. Después de N generaciones, los individuos de la población tendrán los cromosomas que mejor cumplan la función de aptitud dada. Por lo cual, estos algoritmos son utilizados para resolver problemas de optimización de valores y parámetros en procesos y sistemas, donde se busca maximizar o minimizar una función aptitud, identificando los individuos (valores de parámetros) óptimos.10,11 En general, los algoritmos de búsqueda son propensos a estancarse en óptimos locales, a lo cual se denomina convergencia prematura; sin embargo, los AG tienen mecanismos de selección, cruce y mutación, que los hacen más eficaces para prevenir la convergencia prematura y mejorar la búsqueda, para encontrar el óptimo global. Otra ventaja de los AG es que pueden resolver problemas de un alto grado de complejidad y altamente dimensionales, a diferencia de los métodos de optimización tradicionales analíticos. En la figura 3 se representa la analogía formulada a partir de los cromosomas biológicos, para generar un cromosoma artificial con genes en un algoritmo genético. Las etapas del algoritmo genético de genes enteros son: Fig. 3. Cromosomas en algoritmos genéticos. 38 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. 1. Inicialización: Consiste en la generación de la población inicial de individuos y cromosomas que se proponen para el problema de optimización. En el caso de sistemas de lógica difusa, los términos lingüísticos se encuentran en un rango de valores, por lo tanto, para generar cada valor de los genes de los cromosomas iniciales, se asignan valores aleatorios dentro del rango de los términos lingüísticos. La población inicial está dada por Pinicial  g11 g =  21     g m1 g12  g1n  g 22  g 2 n  ,      g m 2  g mn  (3) donde gij, con j=1,2,..., m, son los m genes producidos aleatoriamente, para el i-ésimo cromosoma del individuo, con i=1,2,..., n. 2. Evaluación y selección: Consiste en evaluar cada uno de los elementos de la población mediante la función de aptitud, y asignar una puntuación en un intervalo normalizado. Dependiendo del criterio de evaluación (maximizar o minimizar) la función de aptitud es: (4) para n número de cromosomas. Además, se considera la puntuación obtenida por cada individuo, tomando los de mejor valor de aptitud. 3. Reproducción: A partir de los individuos seleccionados con mejor aptitud, se genera una nueva población que contiene individuos con cruce de cromosomas de los antepasados más aptos, por lo tanto se espera sean una mejor población. 4. Mutación: La mutación es otro mecanismo de evolución de cromosomas, que ayuda a evitar la convergencia prematura, y crea un mejor espacio de soluciones para la búsqueda del óptimo global. La mutación se ve afectada por un parámetro de probabilidad de mutación que establece la probabilidad de producir un cambio en cada uno de los genes de cualquier cromosoma. El valor de la probabilidad de mutación se selecciona normalmente en el intervalo [0.01, 0.3]. La mutación implica la alteración de algunos genes en el cromosoma. 5. Elitismo: Para mejorar el rendimiento del algoritmo genético se introduce el elitismo, el cual es responsable de tomar al individuo más apto de la generación anterior e insertarlo nuevamente en la población para garantizar que el individuo con los mejores genes esté presente en la población de cada generación. Esto ayuda al algoritmo genético a converger a la solución óptima en menos tiempo. En este trabajo, el algoritmo genético tiene como objetivo mejorar el sistema de lógica difusa. En la figura 4 se muestra su diagrama de flujo. Los parámetros que se han seleccionado para el algoritmo genético están en la tabla I. Tabla I. Parámetros de algoritmo genético que optimiza al sistema de lógica difusa. Número de Generaciones Número de Poblaciones Número de Genes del Cromosoma PC MC 10 10 25 0.8 0.1 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 39 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. Fig. 4. Diagrama de flujo del algoritmo genético. En la literatura se ha reportado el desarrollo de métodos innovadores para minimizar las desventajas de los algoritmos genéticos simples,12 entre los cuales se han propuesto nuevos esquemas de algoritmos evolutivos, o también, manteniendo la estructura simple del algoritmo pero variando algunos mecanismos importantes, por ejemplo, la mutación.13 Esquema propuesto de controlador difuso-evolutivo basado en reglas En este trabajo se propone un controlador difuso-evolutivo, que está compuesto por un sistema de lógica difusa de tipo I y un algoritmo genético con cromosomas de genes enteros. En el sistema de lógica difusa tipo I, se utiliza el método de defusificación por alturas, cuya expresión de cálculo es (1) donde y-1 es el centro de gravedad del conjunto difuso Bk asociado con la activación de la regla Rl y con M reglas. Este defusificador es fácil de implementar debido a que, comúnmente, el centro de gravedad de las funciones de pertenencia se conoce previamente. Independientemente si se utiliza la inferencia del producto o mínimo, el centro de gravedad coincide siempre con el centro de la forma geométrica de la función de pertenencia simétrica. También se hace uso de las 40 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. Fig. 5. Esquema del sistema difuso. funciones de membresía trapezoidal y triangular, que se ilustran en la figura1a y la figura 1b, respectivamente. En la figura 2 se ilustra la distribución de las funciones de pertenencia de los conjuntos difusos. La figura 5 representa un esquema del sistema difuso considerado en este trabajo. Los términos lingüísticos usados para las aproximaciones son: • MB = Término lingüístico de Muy Bajo que corresponde al valor cuantitativo de 1. • B = Término lingüístico de Bajo que corresponde al valor cuantitativo de 2. • M = Término lingüístico de Medio que corresponde al valor cuantitativo de 3. • A= Término lingüístico de Alto que corresponde al valor cuantitativo de 4. • MA = Término lingüístico de Muy Alto que corresponde al valor cuantitativo de 5. El total de reglas para el sistema gobernado por lógica difusa se determina por la relación (2) donde Rl es el número de reglas, Bk los conjuntos difusos asociados a los términos lingüísticos establecidos y xi es el número de entradas. Aunque los sistemas difusos son modelos suficientemente fáciles de interpretar, al utilizar un controlador difuso-evolutivo, donde un algoritmo evolutivo se encarga de la optimización, la interpretación del resultado obtenido puede no ser del todo comprensible, por ello, hay estudios que tratan de hacer más comprensible la extracción del conocimiento de los resultados obtenidos por estos algoritmos.5 El algoritmo genético implementado optimiza la siguiente función de aptitud del controlador difuso-evolutivo: (5) donde Xani (para i={1,2}) son los valores de los voltajes analógicos medidos por el Arduino DUE®. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 41 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. El algoritmo genético considera 10 cromosomas, donde cada cromosoma está compuesto por 25 genes que corresponden al número de reglas del sistema de lógica difusa, y estas reglas son los parámetros a optimizar, similar a como se propuso en el trabajo de Wei-Wang.14 Además, se selecciona y guarda el individuo con el mejor valor de aptitud (elitismo). Para la optimización de las reglas del sistema de lógica difusa se considera la minimización del error generado por la diferencia de los voltajes medidos en sensores fotoresistivos (LDR por sus siglas en inglés). Para la etapa de selección, se asigna el mecanismo de selección estocástica, el cual asigna un valor de probabilidad a cada uno de los elementos, de modo que la selección es aleatoria y emula de mejor manera los principios de la selección natural. La selección estocástica se formula de la siguiente manera: (6) para n número de cromosomas y donde σ es la probabilidad aleatoria asignada en cada evaluación con un valor en el intervalo [0,1]. Para la reproducción, se asigna el mecanismo de cruce uniforme, ilustrado en la figura 6, el cual implica la generación de una máscara binaria aleatoria que define la condición del intercambio de genes, y que establece que al haber ‘1’s en la máscara, los genes del primer padre se intercambia con el primer hijo y los genes del segundo padre se intercambia con el segundo hijo, en cambio, cuando hay ‘0’s, el intercambio de los genes se invierte, es decir, el primer hijo toma genes del segundo padre y el segundo hijo toma genes del primer padre, de tal modo que hay un intercambio de genes de mayor aleatoriedad, además, la selección de los padres en el cruce es aleatoria y el cruce se lleva a cabo con diferentes individuos (cromosomas), es decir, sin cruzarse consigo mismos. La probabilidad de cruce PC establece la probabilidad de que ocurra la reproducción, y se escoge 0.8, del intervalo [0,1]. La probabilidad de mutación establece que los genes pueden mutar en valores que se encuentran en el intervalo [1,5], es decir, los posibles valores de las reglas del sistema de lógica difusa; dicha probabilidad se elige como 0.1 del intervalo [0,1]. Fig. 6. Cruce uniforme para la reproducción de los cromosomas. 42 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROLADOR DIFUSO-EVOLUTIVO EN EL SISTEMA ROBÓTICO El sistema robótico evolutivo completo consta del controlador difuso-evolutivo y de un prototipo robótico. Un diagrama de bloques del sistema robótico evolutivo se muestra en la figura 7. El hardware del sistema robótico evolutivo se ilustra en la figura 8 y se describe a continuación: • Microcontrolador: La tarjeta electrónica Arduino Due® contiene el código computacional del controlador difuso-evolutivo. Las características más importantes para la selección de esta tarjeta son principalmente, la capacidad de procesamiento y el espacio de memoria disponible para almacenamiento de código y datos. • Servomotores: El robot tiene dos servomotores, un servomotor controlado por la salida del sistema de lógica difusa y un servomotor de la fuente lumínica para la posición de la misma en las etapas de calibración, evaluación y el modo de pruebas del sistema. • LED de Potencia: Su objetivo es proporcionar la fuente lumínica que sigue el robot. Se puede ajustar la cantidad de luz proporcionada y el encendido/apagado. Fig. 7. Diagrama de bloques del sistema robótico evolutivo. Fig. 8. Hardware del sistema robótico evolutivo. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 43 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. • Sensores LDR: Se utilizan sensores fotosensibles en el robot para medir la cantidad de luz de su entorno. Los valores de los sensores son las entradas al sistema de lógica difusa. Estos componentes son sensores analógicos de bajo costo, y además, tiene potenciómetros para calibrar la sensibilidad con la que los sensores detectan las variaciones de la intensidad lumínica. RESULTADOS Las pruebas experimentales para el controlador difuso-evolutivo con el sistema robótico ilustran la capacidad de optimización en cuatro casos de estudio; en los que el sistema alcanza la mejor solución en 10 generaciones de evaluación. Se observa su evolución y adaptación en las distintas condiciones de luz del entorno. Se establece que el primer y tercer caso de prueba, consideran que no hay perturbaciones de luz en el entorno, es decir, la diferencia entre los valores medidos por los dos sensores sea aproximadamente cero cuando no está presente la fuente de luz a seguir. En el segundo y cuarto caso, se consideran perturbaciones lumínicas significativas en el entorno, de tal modo que al obtener las mediciones de los sensores se ven afectadas debido a la cantidad de luz presente. Tabla II. Reglas difusas de las pruebas I y II. 44 Reglas(Rl) Entrada (x1) Entrada (x2) R1 Muy Bajo Muy Bajo R 2 Muy Bajo Bajo R3 Muy Bajo Medio R4 Muy Bajo Alto R5 Muy Bajo Muy Alto R6 Bajo Muy Bajo R7 Bajo Bajo R 8 Bajo Medio R 9 Bajo Alto R10 Bajo Muy Alto R11 Medio Muy Bajo R12 Medio Bajo R 13 Medio Medio R14 Medio Alto R Medio Muy Alto R16 Alto Muy Bajo R17 Alto Bajo R18 Alto Medio R19 Alto Alto R20 Alto Muy Alto R21 Muy Alto Muy Bajo R22 Muy Alto Bajo R 23 Muy Alto Medio R24 Muy Alto Alto R Muy Alto Muy Alto 15 25 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. Prueba I En esta prueba, no hay perturbaciones de luz en el entorno. Se considera una población inicial aleatoria que tiene diez cromosomas generados aleatoriamente. Las reglas optimizadas por el algoritmo genético para este caso están en la tabla II y los genes del individuo más apto encontrado se muestran en la tabla III. Los resultados obtenidos a partir de los valores de aptitud para cada uno de los individuos de cada generación se muestran en la figura 9. En la figura 10 se ilustra el error de los sensores con respecto al desplazamiento de la fuente de luz. Tabla III. Genes para el mejor individuo encontrado en la prueba I. g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18 g19 g20 g21 g22 g23 g24 g25 3 1 2 5 4 5 2 5 4 2 4 1 1 2 3 4 2 5 2 2 3 2 1 5 3 Fig. 9. Valor de aptitud de cada individuo más apto en cada generación evaluada de la prueba I. Fig. 10. Error promedio de diez muestras tomadas para cada grado de desplazamiento del servomotor desde 40º hasta 125º del individuo más apto encontrado en la prueba I. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 45 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. Prueba II Se considera que la cantidad de luz en el entorno es una perturbación. Se obtiene información para determinar cómo afecta la luz ambiental en comparación con el caso anterior, donde no existe tal perturbación. La población inicial es generada aleatoriamente y sus reglas de optimización son descritas en la tabla II y los genes del individuo más apto encontrado se muestran en la tabla IV. La figura 11 muestra el valor de aptitud del individuo más apto y en la figura 12 se muestra el error de los sensores con respecto al desplazamiento de la fuente de luz. Tabla IV. Genes del mejor individuo encontrado en la prueba II. g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18 g19 g20 g21 g22 g23 g24 g25 3 1 2 3 2 2 2 4 1 5 2 3 2 4 2 4 5 4 5 5 2 3 5 1 4 Fig. 11. Valor de aptitud de cada individuo más apto en cada generación evaluada de la prueba II. Fig. 12. Error promedio de diez muestras tomadas para cada grado de desplazamiento del servomotor desde 40º hasta los 125º para el individuo más apto encontrado en la prueba II. 46 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. Prueba III Caso en donde se siembra una solución (conjunto de reglas), para determinar si el control difuso-evolutivo es capaz de encontrar una mejor solución a partir de una solución derivada del conocimiento de un experto. En esta prueba se establecen las mismas consideraciones que en la prueba I. Se toma una población aleatoria de nueve cromosomas en la población inicial y se siembra un cromosoma que proviene del conocimiento experto. Se espera que la convergencia a la solución óptima sea más rápida en comparación con las pruebas anteriores. En esta prueba, el sistema de lógica difusa basado en reglas es capaz de dar prioridad a una sola entrada, así que, cuando alguna de las reglas optimizadas sea igual a cero, la prioridad recae en la variable lingüística diferente de cero para cada una de las reglas que tienen valores nulos en algunas de sus entradas. Las reglas se muestran en la tabla V y los genes del individuo más apto encontrado se muestran en la tabla VI. La figura 13 muestra el valor de la aptitud del individuo más apto y en la figura 14 se muestra el error o diferencia de voltajes de los sensores con respecto al desplazamiento de la fuente de luz. Tabla V. Reglas difusas de las pruebas III y IV. Reglas(R1) Entrada (x1) R 1 Entrada (x2) Muy Bajo R2 Muy Bajo Muy Alto R3 Bajo Muy Alto R4 Bajo Alto R 0 Muy Bajo Alto R6 Alto Muy Alto R7 Medio Muy Alto R 5 8 R9 R 10 R11 Bajo Medio Muy Bajo Medio Medio Medio Bajo Bajo Alto Alto R13 Muy Alto Muy Alto R14 Muy Bajo Muy Bajo R15 Muy Alto Alto R 16 Muy Alto Medio R17 Muy Alto Bajo 18 Alto Medio R19 Alto Bajo R R 12 Muy Alto Muy Alto R21 Alto Muy Bajo R22 Medio Bajo R23 0 Muy Bajo R24 Muy Alto Bajo R25 Muy Alto Muy Bajo R 20 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 47 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. Tabla VI. Genes del individuo más apto encontrado en la prueba III. g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18 g19 g20 g21 g22 g23 g24 g25 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 2 3 3 4 4 4 4 4 5 4 2 5 5 5 Fig. 13. Valor de aptitud de cada individuo más apto en cada generación evaluada de la prueba III. Fig. 14. Error promedio de diez muestras tomadas para cada grado de desplazamiento del servomotor desde 40º hasta 125º para el individuo más apto de la prueba III. Tabla VII. Los mejores genes encontrados para el mejor individuo de la prueba IV. g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18 g19 g20 g21 g22 g23 g24 g25 1 2 1 5 2 2 4 4 2 4 1 3 1 3 1 5 5 4 5 3 5 4 5 5 5 Prueba IV En este caso se toman las condiciones de luz ambiental del entorno de la prueba II, se realiza el sembrado de un cromosoma, como en la prueba III y se observa cómo se ve afectada la optimización evolutiva, posteriormente, se 48 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. analiza la información del desempeño del sistema robótico en la búsqueda del mejor comportamiento, que se explica en la sección de discusiones. Las reglas se muestran en la tabla V y los genes del individuo más apto encontrado se muestran en la tabla VII. La figura 15 muestra el valor de la aptitud del individuo más apto encontrado y en la figura 16 se muestra el error o la diferencia de voltajes de los sensores fotosensibles que se produce debido al desplazamiento de la fuente de luz. Discusión de resultados En todas las pruebas se ilustraron los valores de aptitud que fueron alcanzados en 10 generaciones, y además, el error promedio de diez muestras en cada grado del servomotor que comprende un desplazamiento desde los 40º hasta los 125º, Fig. 15. Valor de aptitud de cada individuo más apto en cada generación evaluada de la prueba IV. Fig. 16. Error promedio de diez muestras tomadas para cada grado de desplazamiento del servomotor desde 40º hasta los 125º que se obtuvieron a partir del individuo más apto de la prueba IV. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 49 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. es decir, se tomaron 85 muestras, que son el número de posiciones donde se detecta la luz, así como también, corresponde a la cantidad de evaluaciones del error. En la figura 9 se ilustran los valores de aptitud en donde se toma en cuenta que las condiciones de luz del entorno de prueba no suponen una perturbación significativa para el sistema robótico evolutivo y el error es mínimo, como se ilustra en la figura 10, para cada posición del mejor individuo inicial y el mejor individuo final, donde también se observa cómo se ve afectado el primer individuo más apto después de la optimización del sistema hecha por el algoritmo genético. Se logra mejorar el desempeño del sistema, ya que el error del individuo final fue menor que el error generado por el individuo inicial. En la prueba II se ilustran los individuos más aptos de cada generación en la figura 11, se introdujeron perturbaciones en la luz ambiental del entorno, sin embargo, no resulta ser una limitante, ya que en la última generación se logra el objetivo de optimización, y se observa el desempeño de los individuos inicial y final en la figura 12. Dado que la diferencia del error entre el individuo inicial y el individuo final es muy pequeña, se considera que la luz ambiental es un factor que impidió tener una optimización. Tabla VIII. Los valores de la aptitud de los individuos más aptos de cada prueba. Individuos más aptos Valores de aptitud Prueba I 0.84 Prueba II 0.81 Prueba III 0.85 Prueba IV 0.86 Para las pruebas III y IV se considera inicialmente el sembrado de una solución óptima, que corresponde al mejor individuo inicial que se obtuvo en un entorno de prueba en el que no se considera la luz ambiental como una perturbación, en la población. En la figura 13 se ilustran los mejores individuos de cada generación de la prueba III. La optimización no fue muy efectiva según la figura 14, donde el comportamiento del sistema con la solución final está por debajo de la solución sembrada inicialmente, aunque hay algunas posiciones donde la solución final tiene un mejor rendimiento, la optimización no da buenos resultados como se esperaba. La optimización de la solución final podría mejorar significativamente si se modifican parámetros del algoritmo. En la figura 15 se muestra el valor de aptitud de cada uno de los individuos en cada generación de la prueba IV, estableciendo las mismas condiciones de la prueba II. Hubo una optimización significativa en el valor de aptitud del individuo final, a comparación de la prueba III, esto se ilustra en la figura 16, por lo tanto, el proceso de optimización logra que el robot evolutivo se adapte y minimice el efecto de la perturbación presente en el entorno de prueba, logrando que la optimización sea satisfactoria. De los cuatro experimentos, los valores de aptitud alcanzados por los individuos finales fueron similares como se ilustra en la tabla 8, sin embargo, mejores a pesar de las perturbaciones, por lo tanto, el sistema es capaz de adaptarse a las condiciones de su entorno, aún si se le brinda información inicial o no al sistema, lo cual es una característica de la optimización evolutiva. El valor de aptitud más alto se logró en la prueba IV, en dónde la luz ambiental es una perturbación, pero gracias a la optimización evolutiva, se tiene un sistema robusto que logra un buen desempeño. 50 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. Otro de los aspectos a resaltar es que el valor de aptitud que se alcanza podría parecer bajo o regular, pero es un resultado que ofrece un buen comportamiento para el robot. En estas pruebas se emplean 10 generaciones, aunque si se aumenta este número podría mejorar la optimización. CONCLUSIONES En la implementación de un sistema robótico con controlador difuso-evolutivo se han obtenido buenos resultados para la tarea encomendada. Además, a pesar de que el sistema esté inicializado con una población de individuos generados completamente al azar, el conjunto de soluciones obtenido al final de la optimización logra buenas soluciones y el sistema robótico se comporta como se espera para la tarea en cuestión. También se concluye que es necesario hacer ajustes en el software, como calibración inicial, de modo que las mediciones obtenidas sean precisas y el algoritmo genético pueda trabajar para obtener mejores resultados. Se observó que en el caso de haber perturbaciones en el entorno de prueba, la optimización evolutiva permite que el sistema se adapte a las condiciones presentes. A pesar de ser pocas generaciones, la evaluación de individuos más aptos del sistema por medio de la función objetivo propuesta es un proceso lento, y es deseable mejorar esta etapa. Finalmente, para el prototipo robótico y la información extraída de los experimentos, se logra una implementación satisfactoria de un controlador difuso-evolutivo, que brinda cierta robustez, adaptabilidad y facilidad de interpretación. AGRADECIMIENTOS El autor Carlos Vargas Arvizu agradece a CONACyT por su beca de estudio No. 610956. REFERENCIAS 1. Duarte, M., Sancho, M.O., and Lyhne Christensen, A. Evolution of hybrid robotic controllers for complex tasks. Journal of Intelligent & Robotic Systems, (2015) 78(3):463–484. 2. Gupta, S., and Singla, E. Evolutionary robotics in two decades: A review. Indian Academy of Sciences, (2015) 40(4):1169–1184. 3. Cervantes, L., and Castillo, O. Genetic optimization of modular type-1 fuzzy controllers for complex control problems. Genetic Optimization of Modular Type-1 Fuzzy Controllers for Complex Control Problems: Soft Computing Applications in Optimization, Control, and Recognition, (2013) 294:125154. 4. Ishibashi, R., and Nascimento, C.L. Knowledge extraction using a genetic fuzzy rule-based system with increased interpretability. IEEE 10th International Symposium on Applied Machine Intelligence and Informatics. (2012) 247252. 5. Ishibashi, R., and Nascimento, C.L., GFRBS-PHM: A genetic fuzzy rule-based system for phm with improved interpretability.IEEE International Conference on Prognostics and Health Management. (2013). Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 51 �Controlador difuso-evolutivo para robot seguidor de luz / Carlos Vargas Arvizu, et al. 6. Chiou, J.-S., y Liu, M.-T. Using fuzzy logic controller and evolutionary genetic algorithm for automotive active suspension system. International Journal of Automotive Technology. (2009) 10(6):703–710. 7. Gao S., Zhang H., Zhang Y., Zhang B. Optimization to the inverted pendulum system by genetic fuzzy strategies. 24th Chinese Control and Decision Conference. (2012) 1562-1565. 8. Chávez, F., Fernández, F., Alcalá, R., Alcalá-Fdez, J., and Herrera, F. 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La metodología Seis Sigma fue aplicada para el aumento de la eficiencia en una línea de producción de arneses automotrices, determinando los factores significativos, a través del ciclo DMAIC. También se realizó un contraste de resultados cuantitativos contra las condiciones iniciales, mediante el uso de métodos estadísticos, con el objetivo de inferir en el aumento de la eficiencia de la línea de producción a un nivel de confianza establecido. De acuerdo a los métodos utilizados, se comprueba que la aplicación de la metodología Seis Sigma auxilia en el aumento de la eficiencia en los procesos de producción, reduciendo los desperdicios y utilizando de forma óptima los recursos disponibles. PALABRAS CLAVE Seis Sigma, DMAIC, producción, desperdicio, inferencia estadística. ABSTRACT Six Sigma is widely used in the automotive industry, since it provides tools and methods to optimize the efficient in manufacturing processes or services. Six Sigma methodology was applied to increase the efficiency of a production line of automotive harnesses, determining the significant factors, through the DMAIC cycle. A contrast of quantitative results against the initial conditions was performed also, by using statistical methods in order to infer the increased efficiency of the production line at a confidence level established. According to the methods performed, the importance of applying Six Sigma in industries is verified, and how by using this methodology it is possible to increase efficiency in production processes, reducing waste and making the company able to use its resources optimally. KEYWORDS Six Sigma, DMAIC, production, wasting, statistical inference. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 53 �Una aplicación de la metodología seis sigma para la optimización de línea de producción de arneses / Manuel Baro-Tijerina, et al. INTRODUCCIÓN Seis Sigma es una estrategia de negocio y una metodología sistemática, su uso conduce al aumento de la rentabilidad, ya que mejora la calidad del producto de manera cuantitativa y en el servicio, la satisfacción del cliente aumenta.1 El concepto de la aplicación de seis sigma en procesos fue iniciado en Motorola en la década de 1980 y el objetivo era reducir el número de defectos hasta un mínimo de 3/4 partes por millón de oportunidades.2 Para la ejecución efectiva de los proyectos seis sigma en las organizaciones, hay que entender los factores críticos de éxito que harán que la aplicación exitosa. 2 Este trabajo presenta los ingredientes clave, que son esenciales para la implementación de seis sigma. 3 La nomenclatura de seis sigma procede de la letra griega sigma “σ”, término utilizado en estadística para identificar la desviación estándar de una población,4 la cual indica la variación dentro de un conjunto de elementos o población. Este conjunto de elementos debe referirse a los que surgen de la realización de un mismo proceso.5 Así, en un proceso cualquiera, se encuentra que la distribución de resultados o histograma corresponde aproximadamente con una campana de Gauss (figura 1), donde existen límites superiores e inferiores que indican la zona que cumple las especificaciones de cliente.6 Lógicamente, cuanto más alta y centrada sea la distribución de la curva, mayor nivel de confiabilidad podrá alcanzar el proceso, y a la inversa, cuanto más achatada y descentrada, mayor será la probabilidad de defectos puesto que será mayor el área exterior de los límites.2 Fig. 1. Nivel sigma con distribución gaussiana. 54 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Una aplicación de la metodología seis sigma para la optimización de línea de producción de arneses / Manuel Baro-Tijerina, et al. Por otra parte seis sigma se rige por principios que conforman las bases del comportamiento de una organización, necesarios para una correcta implantación de la filosofía. Estos principios se enumeran a continuación: orientación al cliente, enfoque basado en datos y hechos, fijación en el proceso, trabajo proactivo, colaboración sin fronteras y búsqueda de la perfección.7 La metodología seis sigma se basa en cinco fases bien diferenciadas, las cuales son: definir, medir, analizar, mejorar y controlar (figura 2), lo que se conoce por metodologia DMAIC (Definir, medir, analizar, mejorar y controlar, por sus siglas en inglés).8 Fig. 2. Ciclo DMAIC. DEFINICIÓN Se definen desde el punto de vista del cliente cuales van a ser los objetivos de la implementación de sies sigma, cuál va ser el impacto en la empresa y quienes van a ostentar las responsabilidades. Se establecerá cuál es el propósito de la implementación, cuales son los parámetros de inicio y hasta qué nivel se quiere involucrar al equipo. En esta fase, la dirección revisa una lista de proyectos potenciales seis sigma y selecciona los significativos para la optimización a través de esta metodología.2. Ésta es la etapa más importante en el desarrollo del proyecto ya que de ella depende el enfoque que se dará a lo largo de todo su proceso. Las herramientas para su desarrollo son en su mayoría de tipo cualitativo, por lo que su complejidad radica en el conocimiento del proceso y en el mantener claridad en los objetivos.9 Este trabajo tiene como objeto el aumento de la eficiencia en la línea de producción 011 de ForkLift que trabaja con una amplia gama de modelos, los cuales son clasificados en cinco patrones A, B, C, D y E, contando actualmente con un total de 8 mesas dedicadas al subensamble, donde trabajan siete personas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 55 �Una aplicación de la metodología seis sigma para la optimización de línea de producción de arneses / Manuel Baro-Tijerina, et al. Para realizar un análisis de la situación actual y los críticos de calidad se utilizó la herramienta QCD (Quality, Cost & Delivery), la cual permite revisar por separado las partes de un proceso. Los defectos son medidos por DPH (Defectos por cada 100 arneses producidos), la meta global es de 1.17 DPH para la línea de producción, la figura 3 muestra la cantidad de defectos en porcentaje obtenido mediante el QCD. Como puede ver, el 89% de los defectos de la línea de producción 011 de ForkLift son detectados en el proceso de prueba eléctrica (P-E), lo que se refiere a un total de 134 defectos. Fig. 3. Porcentaje de defectos por proceso. MEDICIÓN En esta etapa se mide la cantidad de defectos de la línea de producción mediante índices de capacidad de proceso (Cp y Cpk), que muestran la desviación estándar que está dentro de los límites de especificación del cliente, lo que implica una interpretación fácil del número de defectos y su contrastación en la fase de control.10 Índice de Capacidad de Proceso (Cp y Cpk) El índice de capacidad de proceso está formulado de manera tal que mide la desviación estándar del proceso está dentro de los límites de especificación del cliente. Cuando se cumple que un proceso es normal y se encuentra bajo control estadístico, la característica de calidad a medir en los elementos fabricados, se espera que se encuentre entre μ-3σ y μ+3σ (99.73%). Por tanto sí seis sigma es menor (o mayor) que el intervalo de las tolerancias a cumplir se tiene: (1) Por otra parte, el índice Cpk, se conoce como índice de capacidad real de proceso, es considerado una versión corregida del Cp que sí toma en cuenta el 56 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Una aplicación de la metodología seis sigma para la optimización de línea de producción de arneses / Manuel Baro-Tijerina, et al. centrado del proceso. Existen varias formas equivalentes para calcularlo, una de las más comunes es la siguiente: (2) Los resultados obtenidos en la aplicación de los índices de capacidad de proceso en la línea de producción son: Cpk: 0.1966 Ppm: 274,900 Por lo cual se concluye que la línea de producción no es capaz de cumplir con los requerimientos del cliente, por otro lado un nivel de Cpk=0.1966, conlleva 274900 Ppm de defectos, lo que genera pérdidas de material, de producto y la reparación de los arneses defectuosos, es decir una pérdida de calidad (figura 4). Fig. 4. Nivel de sigmas del proceso estudiado. ANÁLISIS Una vez que se obtuvo el nivel de sigmas de la línea de producción se lleva a cabo un diagrama de Ishikawa para identificar la causa raíz. Los resultados obtenidos en la prueba piloto, se consideran para solución del problema (figura 5). Se obtuvo que el método no era el correcto, dado que la secuencia en la reglilla hace que los cables se tuerzan; en cuanto a la mano de obra por falta de capacitación no se obtienen resultados óptimos, puesto que el método es nuevo, y para la línea de subensamble es desconocido, esto conlleva tiempo diferente del estándar y errores por parte de los trabajadores. 5 Por qué´s A partir del diagrama de Ishikawa se aplican los 5 por qués, la cual es una técnica que ayuda a identificar las causas principales más probables de un problema. A continuación se muestra el desarrollo de la técnica en algunos problemas encontrados: Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 57 �Una aplicación de la metodología seis sigma para la optimización de línea de producción de arneses / Manuel Baro-Tijerina, et al. Fig. 5. Diagrama causa-efecto en línea de producción. Fig. 6. Análisis de los 5 por qué´s. Como se observa mediante el diagrama de causa raíz y 5 porque´s, la causa principal en la cantidad de defectos producidos en la linea de ensamble se debe al método ineficiente. MEJORA En la etapa de análisis se determinó que la causa raíz de la cantidad de defectos y el nivel bajo de Cpk se debe al método implementado en la línea de ensable, debido a esto se realiza un diseño de reglilla que fuera capaz de cumplir con las 58 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Una aplicación de la metodología seis sigma para la optimización de línea de producción de arneses / Manuel Baro-Tijerina, et al. Fig. 7. Diseño de la reglilla etapa de mejora. especificaciones del arnés, cuidando que los componentes no se dañaran y que para los operadores fuera fácil de manejar (figura 7). A continuación se presenta el diseño que fue aprobado por el departamento de producción cumplíendo con los requerimientos de diseño y la funcionalidad: Una vez diseñada la reglilla se puso en funcionamiento en el proceso de subensamble para la reducción de las puntas sueltas que llegaba al área de direccionado, con lo cual se redujo de forma significativa la cantidad de defectos producidos y el tiempo invertido en el área de producción. CONTROL En esta última etapa se realizó el registro de una muestra de tiempos en el área de direccionado, esto con el fin de observar el comportamiento que tenía la implementación de la mejora en la línea de producción. A continuación se presenta el análisis de diferencia de medias a un nivel de 95% de confianza, realizado con Minitab 17, el cual fue obtenido a partir de una muestra de 40 tiempos tomados en el proceso de direccionado. Como se puede observar (figura 8) los datos de los tiempos tomados muestran una distribución normal, los datos se encuentran dentro de los límites de tolerancia; por otra parte el tiempo fue mejorado en un 37% con lo cual se asegura que con la implementación de la mejora y con la capacitación adecuada el personal podrá ir mejorando los tiempos ya expuestos. Con el fin de hacer un contraste se muestra el análisis de datos con tiempos reales, a continuación se presenta el caso de los tiempos tomados en el proceso normal que se tenía implementado: En contraste se puede observar (figura 9) que los datos son inconstantes, lo que deja ver claros atrasos en la línea de producción ocasionando defectos dada la variación presentada. Además obsérvese que la media del tiempo es mayor que la media del tiempo de la mejora, dejando claro que el tiempo medio de la mejora planteada aumenta la eficiencia en el procesamiento. Por otro lado se tiene una desviación estándar más alta en la toma de tiempos reales, a comparación de la desviación que se obtuvo en la muestra de la mejora implementada, esto implica que la variación en el proceso de arneses disminuye con esta mejora. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 59 �Una aplicación de la metodología seis sigma para la optimización de línea de producción de arneses / Manuel Baro-Tijerina, et al. Fig. 8. Tiempo mejorado valor probabilístico. Fig. 9. Tiempo inicial valor probabilístico. 60 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Una aplicación de la metodología seis sigma para la optimización de línea de producción de arneses / Manuel Baro-Tijerina, et al. CONCLUSIONES Mediante la metodología seis sigma fue posible aumentar la eficiencia de la línea de producción y a su vez reducir las horas hombre requeridas. Teniendo un impacto favorable para la empresa donde se realizó esta investigación. Es importante señalar que las causas que afectaban directamente la eficiencia de la línea de producción, así como la inversión en horas hombre para producir, era la cantidad de personal que estaban asignados en una de las áreas que no agregaban valor al producto, una vez identificada la causa se logró satisfactoriamente la disminución del número de operadores. Por otro lado mediante el análisis estadístico de los datos se confirma la mejora implementada y la eficiencia de la metodología. REFERENCIAS 1. Enrique, N., & Solano, C. (2013). Implementación del programa Seis Sigma para desarrollo sostenible en consumo de químicos en procesos litográficos *, 8(2), 21–32. 2. Chabukswar, A., Jagdale, S., Kuchekar, B., Joshi, V., Deshmukh, G., Kothawade, H., … Lokhande, P. (2011). Six sigma: process of understanding the control and capability of ranitidine hydrochloride tablet. Journal of Young Pharmacists : JYP, 3(1), 15–25. http://doi.org/10.4103/0975-1483.76415 3. Gutiérrez, H., & Salazar, R. 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El presente trabajo detalla el diseño y simulación de un sustrato multicapa de materiales dieléctricos capaz de redirigir la señal en dirección a la etiqueta, para ello se se obtiene la eficiencia del sistema a partir del coeficiente de transmisión de energía total. Teóricamente, se utiliza la teoría de rayos, principio de Fermat y coeficientes de Fresnel, considerando para la simulación valores reales de la etiqueta RFID pasiva y del material a utilizar a una frecuencia de operación de 915 MHz. PALABRAS CLAVE Etiqueta RFID, Teoría de Rayos, Ley de Snell, Coeficiente de Transmisión (TE) ABSTRACT Radiofrequency identification (RFID) technology has grown up considerably in applications where product identification and traceability is required. Passive RFID tags present a performance dependent of the material where the RFID tag is adhered. Therefore, to achieve an optimum operation for this technology in any product it is necessary to design a substrate for the RFID tag that optimize the transmission coefficient of the signal. This paper details the design and simulation of a multilayer substrate made of dielectric materials to redirect towards the RFID tag. The efficiency of the system can be obtained calculating the total energy transmission coefficient. Using Ray Theory, Fermat’s principle and Fresnel coefficients, considering for simulation, real values for the passive RFID tag and dielectric materials and working at a frequency of 915 MHz.. KEYWORDS RFID Tag, Ray Theory, Snell’s Law, Transmission Coefficient (TE). 62 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Diseño y análisis de un sustrato multicapa en etiquetas RFID pasivas para ... / Gerardo Arturo García Sánchez, et al. INTRODUCCIÓN La identificación por radiofrecuencia (RFID) es una forma de comunicación inalámbrica que utiliza ondas a determinada frecuencia para identificar y rastrear objetos, en los últimos años ha ido reemplazando gradualmente a los códigos de barras UPC (Universal Product Code) o EAN (European Article Number). Los sistemas de RFID están constituidos por un lector, una antena y una etiqueta, que opera en bandas de baja frecuencia (LF), alta frecuencia (HF), ultra alta frecuencia (UHF) e ISM (Industrial, Scientific and Medical). Las etiquetas RFID pueden ser pasivas, semipasivas o activas, las activas requieren de alguna fuente de alimentación, mientras que las pasivas no cuentan con una fuente de alimentación propia sino que captan su alimentación del campo generado por la señal RF de la lectora y la utilizan para proveer de energía al circuito integrado (C.I.). El modo de operación es el siguiente, el lector envía ondas electromagnéticas usando una antena de polarización circular u horizontal, como una señal a la cual la etiqueta debe responder dependiendo de la información del producto. 1 Una etiqueta RFID se compone de un circuito integrado conectado a una antena que se ha impreso, grabado o estampado, en la mayoría de los casos sobre un sustrato de papel o de tereftalato de polietileno (PET) que permite adherirse al producto a rastrear, 1 sin embargo, el sustrato de papel o PET cambia la frecuencia de resonancia de la señal RF. Durante los últimos años, varios grupos de investigación se han dedicado al diseño y análisis de las antenas en las etiquetas RFID para reducir problemas de operación que provoca la interacción de la etiqueta RFID pasiva con el producto al cual es adherida, 2-4 siendo un área de investigación el diseño y análisis de un sustrato capaz de minimizar lo ya planteado. Por lo anterior, con rigor numérico, se propone el diseño de un sustrato multicapa que cambie la dirección del coeficiente de transmisión (TE) de la señal RF que incide y traspasa la etiqueta RFID pasiva. Con el objetivo de redirigir el coeficiente de transmisión (TE), como se ilustra en la figura 1, se calculan los ángulos de incidencia y transmisión en cada capa, las alturas, los coeficientes de Fig. 1. Vista transversal del sistema completo de propagación de señal RFID en etiquetas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 63 �Diseño y análisis de un sustrato multicapa en etiquetas RFID pasivas para ... / Gerardo Arturo García Sánchez, et al. reflexión y transmisión de campo eléctrico y el tiempo de trayectoria real en que viaja el rayo. Se utiliza la teoría de Rayos, el principio de Fermat, las ecuaciones de Fresnel e igualdades trigonométricas, 5 para el diseño del sustrato, los cálculos numéricos se realizan en Matlab. Aplicaciones Conociendo que las etiquetas RFID pasivas operan a una frecuencia entre 860 – 960 MHz y que se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones que incluye la gestión de inventario, antifalsificación de productos farmacéuticos y/o la configuración de dispositivos inalámbricos, el presente sustrato multicapa puede ser utilizado sobre la mayoría de los productos, para proveer el correcto funcionamiento de la tecnología RFID en sus diversas aplicaciones. MARCO TEÓRICO Teoría de rayos Un rayo es una línea en el espacio que corresponde a la dirección del flujo de la energía radiante. 6 Cuando un rayo pasa de un medio a otro, pueden ocurrir tres fenómenos: reflexión, refracción o esparcimiento, para los primeros dos fenómenos se considera la ley de Snell. Ley de Snell Se considera que: “Si un rayo de luz cruza la frontera de una superficie, existe una relación entre los ángulos de incidencia y transmisión, con respecto a los índices de refracción del medio 1 y del medio 2”. 6 Como se ilustra en la figura 2, la relación es la siguiente: n2 sen (θ2) = n1 sen (θ1) (1) donde n1 y n2 son los índices de refracción de los medios incidente y transmitido, respectivamente, en tanto que los ángulos θ1 y θ2 representan los ángulos incidente y transmitido, respectivamente. Principio de Fermat Se establece que la trayectoria real entre 2 puntos tomada por un haz de luz es aquella que es recorrida en el tiempo mínimo,6, 7 por lo tanto, el tiempo de recorrido de los rayos se trabaja en base al Principio de Fermat e involucra la Ley de Snell. La siguiente ecuación presenta la relación de tiempo: (2) donde se representa a c como la velocidad de la luz (3 X 108 m⁄s), ni como el índice de refracción en la i-ésima capa a analizar y Si como el recorrido que realiza la señal dentro de la i-ésima capa. Ecuaciones de Fresnel Las ecuaciones de Fresnel proveen los coeficientes que permiten medir la relación entre los campos eléctricos, transmitido y reflejado, cuando una onda experimenta cambios en sus propiedades dependiendo del medio en donde se propaga. Estos coeficientes se presentan corresponden al concepto de la Ley de 64 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Diseño y análisis de un sustrato multicapa en etiquetas RFID pasivas para ... / Gerardo Arturo García Sánchez, et al. Fig. 2. Ángulos incidente (θ1), transmitido (θ2) y reflejado (θ3) debido a una frontera entre 2 medios. Snell que indica que un rayo incidente, al momento de pasar por la frontera entre el medio 1 y 2, presenta un porcentaje de energía que se refleja hacia el mismo medio 1 y el resto de la energía logra transmitirse al medio 2. Lo anterior hace referencia a coeficientes de reflexión (RE) y transmisión (TE), reflectancia y transmitancia, respectivamente, del campo eléctrico en donde se debe de cumplir la relación RE + TE = 1 por conservación de energía.6,8 Para realizar el cálculo de los coeficientes de reflexión y transmisión se presentan las siguientes ecuaciones: (3) (4) donde el ángulo θ representa al ángulo de incidencia y los índices de refracción n1 y n2 corresponden a los medios 1 y 2, respectivamente, refiérase a la figura 2. Además, cumpliendo la condición que los coeficientes de energía resulten en RE = 1 y TE = 0 se logra que la totalidad de energía de campo eléctrico sea reflejada en dirección al medio incidente a un ángulo reflejado, θ3, igual al ángulo incidente, θ1, respecto a la normal. DISEÑO DEL SUSTRATO En esta sección se presentan las características de la etiqueta RFID pasiva a utilizar, las características físicas del sustrato a diseñar y el cálculo utilizado. Paso 1: Estructura propuesta. Consideraciones En la figura 3 se ilustra el bosquejo del sustrato propuesto en donde se visualizan el camino del rayo (flechas entrando hasta el centro de la última capa y redireccionadas hacia la etiqueta) y la cantidad de capas a diseñar. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 65 �Diseño y análisis de un sustrato multicapa en etiquetas RFID pasivas para ... / Gerardo Arturo García Sánchez, et al. Se consideran los siguientes puntos: 1) Dimensiones de la etiqueta RFID pasiva: 50 mm (L) x 30 mm (A) del proveedor Avery Dennison 9 con número de parte 600527. 2) La altura de la primera capa de sustrato resulta en la quinta parte de la medida de largo (L) de la etiqueta RFID pasiva. 3) Las capas del sustrato en el camino entrante (flechas dirigidas hacia el centro de la última capa del sustrato) se colocan en esa configuración, mientras que visualizando el camino final (flechas redirigidas desde el centro de la última capa del sustrato hacia el exterior) las capas del sustrato multicapa se configuran de manera encontrada, es decir, al revés respecto a la configuración de entrada. Se mantiene la última capa del sustrato sin modificación alguna para realizar el cambio de dirección de la señal RF. 4) El valor de L del sustrato multicapa mide 1 cm extra a lo largo de cada extremo de la etiqueta RFID. 5) En la capa 4, se desprecia la altura pero se considera el material. 6) Para realizar los cálculos, se considera una onda electromagnética no polarizada. Fig. 3. Sustrato multicapa propuesto para rayos en etiquetas RFID. Paso 2: Elección de materiales Se considera que el material del sustrato a seleccionar sea comercial, se asume que el medio inicial en donde viaja la señal de RF es aire (naire = 1.0). Debido a las medidas referenciadas de la etiqueta RFID pasiva, es necesario utilizar materiales cuyo índice de refracción sea menor a 1.8,10-13, por lo cual se agrupan los siguientes índices de refracción: Grupo #1: n1 = 1.433, n2 = 1.47, n3 = 1.49 Grupo #2: n1 = 1.338, n2 = 1.433, n3 = 1.47 Grupo #3: n1 = 1.338, n2 = 1.627, n3 = 1.47 Grupo #4: n1 = 1.338, n2 = 1.77, n3 = 1.47 El conjunto de materiales en cada grupo se selecciona por simulación numérica, considerando que cumpla con un mínimo del 50% en el coeficiente de transmisión del campo eléctrico. 66 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Diseño y análisis de un sustrato multicapa en etiquetas RFID pasivas para ... / Gerardo Arturo García Sánchez, et al. Paso 3: Cálculo de número de capas de sustrato Uno de los factores a estimar para determinar el número de capas en el diseño, es el tiempo que tarda el rayo en completar el recorrido dentro del sustrato. Otro factor es que el índice de refracción, limitado por la medida de la etiqueta RFID, pertenezca a un material comercial. Debido a lo anterior, se consideran 3 capas de sustratos y una cuarta capa que cumpla la condición RE = 1 y TE = 0. El cálculo del tiempo se realiza utilizando la ecuación (2). Paso 4: Cálculo de ángulo de incidencia, de transmisión y altura de cada capa En la figura 4 se ilustra, para un rayo incidente y una capa de sustrato, el camino (flecha punteada) que sigue el rayo hasta antes de llegar a la siguiente interfase. Fig. 4. Relación de medidas en el sustrato. Refiriendo a la figura 4, se utilizan los conceptos de Ley de Snell, teorema de Pitágoras y funciones trigonométricas para realizar el cálculo del ángulo de incidencia, formado cuando el rayo incide al sustrato multicapa. Lo anterior se realiza despejando de (1) el ángulo incidente θ1 y sustituyendo las ecuaciones sen(θ)=co⁄h y h=√(co2+ca2), donde se obtiene: θ1=sen-1((n2 co/√(ca2+co2 ))/n1) , (5) los parámetros co y ca presentados en (5) mantienen relación en la ecuación (1). Se calcula el ángulo de transmisión despejando de (1) el ángulo transmitido θ2, obteniendo: θ2=sen-1((n1 senθ2)/n2) . (6) Para calcular los parámetros de la segunda capa del sustrato, se considera como ángulo de incidencia al ángulo de transmisión de la primera capa, el índice de Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 67 �Diseño y análisis de un sustrato multicapa en etiquetas RFID pasivas para ... / Gerardo Arturo García Sánchez, et al. refracción de la primera capa será el índice de refracción n1 y así sucesivamente en siguientes capas. Una vez descrito lo anterior, se calcula el valor de ca (altura de cada capa), despejando de (1) el seno del ángulo de transmisión (sen(θ2)) y sustituyendo sen θ = co⁄h y h=√(co2+ca2) para obtener términos en co y ca en el lado izquierdo de la ecuación resultante, por último, se obtiene ca: ca=√((co/(((n1 sen(θ1 ))/n2 ) ))2-co2 ) (7) por último se calcula el ángulo de transmisión utilizando la ecuación (6). El mismo procedimiento se continúa hasta la última capa del sustrato. Al considerar la capa 4, en la figura 3, se utilizan los coeficientes de las ecuaciones (3) y (4) con el objetivo de calcular un índice de refracción n4 tal que se cumpla la condición RE = 1 y TE = 0, asegurando que la totalidad de la energía del campo eléctrico que incide en la capa 4, se refleje en dirección a la etiqueta e inicie el recorrido de salida. Por tal motivo, se despeja de la ecuación (4) el índice de refracción n2 que para este punto es el índice de refracción del material en la capa 4, n4, y conociendo TE = 0 se obtiene la expresión: n2=√(n12 sen2(θ)) (8) donde el ángulo θ representa al ángulo incidente y el índice de refracción n1 corresponde al medio del ángulo incidente. Una vez obtenido el índice de refracción n2 se realiza el mismo análisis planteado, pero dirigiendo el rayo en dirección a la etiqueta, ver figura 3, considerando la información en “paso 1 - punto 3” del presente documento. A continuación, se determina el coeficiente de transmisión (TE) de energía total debido al sustrato multicapa, y se calcula el tiempo que tarda el rayo en completar el recorrido. Para determinar el coeficiente (TE) total se hace uso de las ecuaciones (3) y (4) en cada punto que el rayo atraviese una capa, es decir, cuando el rayo viaja por los caminos aire – capa 1, capa 1 – capa 2, capa 2 – capa 3, RE ≈ 1, capa 3 – capa 2, capa 2 – capa 1 y capa 1 – aire. El coeficiente de transmisión (TE) de energía total será el resultado de la multiplicación de cada coeficiente TE en cada camino descrito, medido en porcentaje. El tiempo que el rayo viaja en el sustrato multicapa se calcula con la ecuación (2), donde el parámetro Si representa el recorrido del rayo en una capa. Este parámetro se calcula debido a la ecuación sen(θj) = co⁄hj, donde θj y hj representan respectivamente el ángulo de transmisión y parámetro Si, de la j-ésima capa del sustrato y realizando el despeje de hj se obtiene: hj = co/sen(θj) (9) Una vez iterada la ecuación (9) se puede sustituir y calcular la ecuación (2). 68 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Diseño y análisis de un sustrato multicapa en etiquetas RFID pasivas para ... / Gerardo Arturo García Sánchez, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Simulación numérica El sustrato multicapa diseñado trabaja a un ángulo de incidencia tal que el porcentaje del coeficiente de transmisión TE total sea el óptimo, esto se ve reflejado en la tabla 1 y figura 5. Utilizando el software Matlab, en la tabla 1 se muestran los resultados debido a cada grupo de materiales. El índice de refracción n4 necesario para cumplir la condición RE = 1 y TE = 0 se determina como un valor menor a 1, además, la altura de la capa 4 no se considera dentro del diseño del sustrato multicapa. Tabla 1. Tabla comparativa de resultados para diferentes grupos de materiales. Grupo #1 Grupo #2 Grupo #3 Grupo #4 n1 1.433 Fluorita 1.338 Criolita 1.338 Criolita 1.338 Criolita n2 1.47 Pirex Glass 1.433 Fluorita 1.627 Flint Glass 1.77 Zafiro n3 1.49 Plexiglas 1.47 Pirex Glass 1.47 Pirex Glass 1.47 Pirex Glass Ángulo incidencia inicial 66.54° 58.93° 58.93° 58.93° Ángulo transmisión final 66.54° 58.93° 58.93° 58.93° Altura total 3.10 cm 3.27 cm 3.50 cm 3.66 cm Tiempo Recorrido 38.96 ns 38.94 ns 42.79 ns 45.94 ns RE inicio 21.98 % 10.99% 10.99 % 10.99 % TE inicio 78.01 % 89.00 % 89.00 % 89.00 % RE final 23.55 % 14.44 % 20.84 % 25.01 % TE final 76.44 % 85.55 % 79.15 % 74.98 % TE Total 59.51 % 75.22 % 66.68 % 60.02 % Fig. 5. Comparación del coeficiente de trasmisión (TE) de energía total para diferentes grupos de materiales. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 69 �Diseño y análisis de un sustrato multicapa en etiquetas RFID pasivas para ... / Gerardo Arturo García Sánchez, et al. La figura 5 ilustra un gráfico de barras que ayuda a visualizar el coeficiente de transmisión total (eje de las abscisas) y la altura total del sustrato multicapa (eje de las ordenadas) de cada grupo de materiales, con el objetivo de distinguir eficiencia en cada uno. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Refiriendo a la figura 5 se observa que el grupo #1 presenta menor altura total del sustrato multicapa a comparación de los 3 grupos restantes y el menor porcentaje de energía total transmitida de los 4 grupos. Describiendo el grupo #4, éste presenta la mayor altura total de sustrato multicapa a comparación de los 3 grupos restantes, resultando con un porcentaje de energía total transmitida menor que los grupos #2 y #3. Lo anteriormente descrito descarta a los grupos #1 y #4 de ser los mejores para diseñar el sustrato multicapa. El grupo #2 presenta una altura total de 3.27 cm y un porcentaje de energía total transmitida de 75.22 %, mientras que el grupo #3 presenta una altura total mayor que los grupos #1 y #2 pero con energía menor al grupo #2. Se determina que el mejor grupo para diseñar el sustrato multicapa es el grupo #2. Al momento de optar por teoría de Rayos no es necesaria la consideración de la frecuencia de operación de la señal, en este caso del rayo. Por tal motivo, los coeficientes de reflexión y transmisión resultantes presentan una independencia a la frecuencia. CONCLUSIONES Se ha diseñado un sustrato multicapa que permite controlar la transmisión de onda electromagnética por incidencia de antena RFID, basado en diferentes combinaciones de materiales. Los resultados han mostrado que el grupo #2 de materiales es el ideal para el diseño del sustrato multicapa. Es notable la eficiencia del coeficiente de transmisión para el grupo 2. Se concluye la utilidad de la teoría de rayos para el análisis de un sustrato multicapa de materiales dieléctricos, capaz de redireccionar el coeficiente de transmisión de campo eléctrico en dirección de la etiqueta. REFERENCIAS 1. Finkenzeller, K., RFID Handbook Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards, Radio Frequency identification and Near-Field Communication, 3rd Edition Wiley & Sons, (2010). 2. Ma Elena de Cos, Fernando Las-Heras, Troubleshooting RFID Tags Problems with Metallic Objects Using Metamaterials, ISBN: 978-953-307-356-9, Intech, (2011). 3. Sung-Lin Chen, Ken-Huang Lin, A Slim RFID Tag Antenna Design for Metallic Object Applications, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 70 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 �Diseño y análisis de un sustrato multicapa en etiquetas RFID pasivas para ... / Gerardo Arturo García Sánchez, et al. 7, (2008). 4. 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Edición Editorial Tébar, Segunda Impresión (2003). 13. Monedero Isoma, J., Simulación visual de materiales: teoría, técnicas, análisis de casos, 1era Edición Oficina de Publicacions Académique Digitals de la Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Vol. XIX, No. 72 71 �Eventos y reconocimientos Segundo informe de actividades del DIRECTOR DE LA FIME El pasado 25 de abril, el Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, presentó su Segundo Informe de Actividades correspondiente al periodo 20152016. Entre las autoridades e invitados estuvieron presentes: el Rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León y ex Director de la FIME, Mtro. Rogelio G. Garza Rivera; los Exdirectores el Ing. Guadalupe E. Cedillo Garza, Ing. José Antonio González Treviño y el Ing. Esteban Báez Villarreal, Directores de Departamentos Centrales de la UANL, Miembros del STUANL, Subdirectores, Tesorero, Contralor, Miembros del Consejo Consultivo de la FIME, Profesores Eméritos, Consejero Maestro y Alumno, Presidente de SAFIME, Maestros, Personal administrativo y Alumnos. En su mensaje, el Dr. Castillo destacó los logros alcanzados en este año de su administración y agradeció a todos los que forman parte de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica su contribución para el cumplimiento de los objetivos de su gestión. MAE S TRA DE LA FIME O B TIENE RECONOCIMIENTO COMO CONSEJERA ESTUDIANTIL La Asociación Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE, por sus siglas en inglés) celebró su El Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, presentando su Segundo Informe de Actividades. 72 La maestra Yumei Mata Hi sosteniendo la placa de su reconocimiento, con el Coordinador Regional de Actividades Estudiantiles, Bill Simpson. Ingenierías, Julio–Septiembre 2016, Año. XIX, No. 72 �Eventos y reconocimientos Conferencia Regional de Capítulos de 2016 (CRC) para la región VIII del 28 al 30 de abril, en Tayler, Texas, sede del capítulo anfitrión “East Texas”. En esa conferencia, la M.C. Yumei Mata Hi, maestra de la FIME, fue reconocida como la mejor coordinadora de actividades estudiantiles de la región VIII y por sus actividades de promoción de la ingeniería en niños de primaria. La M.C. Mata Hi es la Coordinadora de Actividades Estudiantiles del Capítulo Monterrey de ASHRAE y Consejera de la Rama Estudiantil UANL, que tiene su sede en la FIME. ACREDITACI Ó N d e CARRERA DE INGENIERO en MECATRÓNICA DE LA FIME En una ceremonia celebrada el pasado 4 de mayo, el Consejo de Acreditación para la Enseñanza de la Ingeniería (CACEI) entregó a la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, el certificado de acreditación de las carrera de Ingeniero en Mecatrónica. En este acto estuvieron presentes: el Rector de la UANL, Mtro. Rogelio G. Garza Rivera; el Director de FIME, Dr. Jaime Castillo Elizondo; y la Directora General del CACEI, la Ing. María Elena Barrera Bustillos, acompañados del Secretario Académico de la UANL, el Dr. Juan Manuel Alcocer González, la Directora del Sistema de Estudios de Licenciatura de la UANL, M.A. Emilia Edith Vásquez Farías: y el Secretario Académico de la En el presidium, desde la izquierda: Dr. Juan Manuel Alcocer González, Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, Mtro. Rogelio Garza Rivera, Maestra María Elena Barrera Bustillos, M.A. Emilia Edith Vásquez Farías, Dr. Arnulfo Treviño Cubero. Ingenierías, Julio–Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 FIME, Dr. Arnulfo Treviño Cubero, entre otras autoridades e invitados. En esta misma ocasión, se entregó también el certificado de reacreditación de las carrera de Ingeniero en Aeronáutica. DÍA del MAESTRO El pasado 12 de mayo, se llevó a cabo la celebración del día del maestro, en el que se reconoció a los maestros que cumplen 15, 20, 25, 30 y 45 años de servicio en la UANL. Esta ceremonia fue presidida por el Director de FIME, Jaime A. Castillo Elizondo, quien estuvo acompañado por el Secretario General del Sindicato de Trabajadores de la UANL, Dr. Félix Martínez Lazcano; por el Decano de la FIME, Ing. Guadalupe Cedillo Garza; el Exrector de la UANL y Exdirector de la FIME, Ing. José Antonio González Treviño; y el miembro de la Junta de Gobierno de la UANL, M.C, Marco Antonio Méndez Cavazos. En esta misma celebración, se brindó un homenaje póstumo al Ing. Francisco Javier Delgadillo Arreola, en el que su esposa e hijas recibieron el reconocimiento a su labor. Maestros que cumplen 15 años de servicio Dra. Ana María Arato Tovar M.C. Adán Ávila Cabrera M.C. Enrique Córdoba Meza Dra. Indira Gary Escamilla Salazar M.I. Hiram Overín Flores Cruz M.E. Martha Elia García Rebolloso M.C. César González Cervantes Ing. Noel Alejandro Hortiales Corona M.C. Elizabeth Guadalupe Lara Hernández M.C. Alejandro E. Loya Cabrera M.C. Carlos Alberto Martínez García M.C. Martín Luis Ogazón Reyes M.C. José Nicolás Rodríguez Flores M.C. Gloria A. Rodríguez Aguayo M.C. José de Jesús Villalobos Luna M.C. Saturnino Soria Tello Maestro que cumple 20 años de servicio Dr. Simón Martínez Martínez Maestros que cumplen 25 años de servicio Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Ing. Francisco Javier Aldaco Rodríguez 73 �M.C. Rafael Covarrubias Ortiz M.C. Guillermo Farías Lara Dra. Norma Esthela Flores Moreno M.C. Adrián García Mederez M.C. David Garza Castaño M.C. Dante A. Jiménez Domínguez Ing. Mario Mireles Carreón Dr. Martín Edgar Reyes Melo Ing. Ricardo Rodríguez Lara Ing. María de los A. Rodríguez Elías M.C. Myriam Solano González Maestro que cumple 35 años de servicio M.C. Santiago Neira Rosales Maestros que cumplen 45 años de servicio M.C. Alfredo de la Garza González M.C. Joel González Marroquín M.C. Enrique López Guerrero M.C. Armando Páez Ordoñes Grupo de maestros que cumplen 45 años de servicio, acompañados de las autoridades e invitados. Grupo de maestros que cumplen 25 años de servicio, acompañados de las autoridades e invitados. Maestros que cumplen 30 años de servicio MTS. Rosalinda Cepeda Álvarez M.A. Virgilio Cisneros González M.C. Fernando Flores Olvera M.C. Antonio Adolfo Garza Torres M.C. Jesús Martínez Hernández Ing. Humberto Moreno Obregón Grupo de maestros que cumplen 30 años de servicio, acompañados de las autoridades e invitados. 74 CONFERENCIA ANFEI Del 8 al 10 de junio, la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica fue sede del XLIII Congreso Nacional de Ingeniería de la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería (ANFEI), cuyo tema fue “La Formación de los Estudiantes de Ingeniería para enfrentar los Retos Globales” En el marco de esta reunión se realizaron una serie de actividades, iniciando con la Décima Reunión del Comité Ejecutivo 2014-2016 y la , así como la Cuarta Reunión del Comité Académico para esta conferencia. Para la inauguración de la Conferencia Nacional se contó con la presencia del Ing. Jaime Rodríguez Calderón, Gobernador del Estado de Nuevo León, acompañado en el presidium del Maestro Rafael Vidal Uribe, Coordinador General de los Comités Interinstitucionales de Evaluación de la Educación Superior (CIEES); Lic. Vicente López Portillo Tostado, Director General del Consejo para la Acreditación de la Educación Superior (COPAES); Mtro. Rogelio G. Garza Rivera, Rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León; Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, Presidente de la ANFEI y Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica Ingenierías, Julio–Septiembre 2016, Año. XIX, No. 72 �Inauguración de la XLIII Conferencia Nacional de Ingeniería, ANFEI. y Eléctrica de la UANL; Ing. María Elena Barrera Bustillos, Directora del Consejo de Acreditación de la Enseñanza de la Ingeniería (CACEI); y el Ing. Enrique Rodríguez Jacob, Secretario de Planeación, Evaluación y Desarrollo Institucional del Tecnológico Nacional de México. Además de las ponencias y presentaciones en póster, se llevó a cabo la entrega de reconocimientos al Mérito Académico 2016, en donde se reconoció a cuatro profesores por su excelencia académica, El Dr. Rafael Colás Ortiz recibiendo su Reconocimiento al Mérito Académico. Ingenierías, Julio–Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 entre ellos se encuentra el Dr. Rafael Colás Ortiz, profesor de la FIME. Finalmente, se entregaron reconocimientos a la Excelencia Académica, a los mejores egresados , en 2015, de las carreras de ingeniería de las instituciones afiliadas a la ANFEI. En el caso de la FIME, los egresados distinguidos son: Ingeniero Mecánico Administrador, Arturo Eduardo Aranda Sánchez Ingeniero en Aeronáutica, Ángel de León Hernández Ingeniero en Mecatrónica, Jorge Contreras Serna Ingeniera Administradora de Sistemas, Nataly de la Garza Cortés Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones, Roger Argaez Ramírez Ingeniera en Tecnología de Software, Irma Patricia González Badillo Ingeniera en Materiales, Abigail Mayte Valadez Benavides Ingeniero Mecánico Electricista, Jesús Ignacio Garza Benavides Ingeniero en Electrónica y Automatización, Luis Fernando Martínez González Egresados de FIME que recibieron su Reconocimiento a la Excelencia Académica. Desde la izquierda, los ingenieros Luis Martínez, Roger Argaez, Jesús Garza, Nataly de la Garza, Abigail Valadez, Irma González Cedillo, Jorge Contreras, y Arturo Aranda, acompañados del Director de la FIME, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo (centro). 75 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Abril - Junio 2016 Leonardo Oliver Jiménez Rueda, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior. Proyecto: Modelo de Negocio Calo-firmeza, 8 de abril. Eduardo Valdez García, Maestría en Ciencias de Ingeniería de Sistemas. Tesis: Problema biobjetivo del agente viajero con múltiples viajes, 11 de abril. Juan Cristóbal Granados Ortiz, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Protecciones Eléctricas de BCO de transportación, 13 de abril. Arturo Hernández González, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: Aplicación punto de venta de eventos masivos, 13 de abril. Karina Susana Rodríguez Brewster, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior. Proyecto: Plan de marketing para exportación de café chiapaneco a España, 15 de abril. Jesús Anselmo Moreno Armendariz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Metodología para validación del diseño de portalámparas automotriz mediante elemento finito y pruebas vibratorias, 15 de abril. Enrique González Leal, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: Rediseño de escalera articulada de aluminio tipo multipropósito, 15 de abril. Elena Fustolia Alferez Castañeda, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: Propuesta de indicadores clave de desempeño del departamento * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. 76 de logística de venta de una comercializadora de metales, 22 de abril. Sarahí Espinosa Romo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: Ahorro de costos II, 27 de abril. Genicis Maya Serrato, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Movimientos internos Navistar, 28 de abril. José Carlos Cantú Morales, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: Importancia del proceso de recursos humanos en las medianas y pequeñas empresas de México, 4 de mayo. Luis Gerardo Lozano Garza, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: Optimización de sistemas de transmisión en unidad de lavado, 5 de mayo. Israel Ramírez Martínez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Desarrollo y evaluación de una prótesis temporal de cadera con liberación de antibiótico, 6 de mayo. Jorge Antonio Calderón Cota, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Estudio de evaluación microestructural de una superaleación base Ni-CrMo bajo diferentes condiciones termomecánicas, 6 de mayo. Juan Carlos Ruiz García, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: Diseño normalizado de generadores de residuos lineales, 6 de mayo. Miguel Ángel Roque Flores, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Análisis de Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año. XIX, No. 72 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL calidad de la energía en un sistema industrial, 9 de mayo. Javier Antonio Ramos García, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Síntesis de películas delgadas por abrasión iónica, 9 de mayo. Arturo Francisco Vidales Sánchez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Ahorro de energía en OXXO, 11 de mayo. Raúl Enrique Rossainz Bache, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Correlación tiempo de calentamiento y decarburización en piezas de acero H13 nitruradas, 13 de mayo. Gerardo Alfredo García González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: Estudios y trabajos realizados de seguridad y prevención en laboratorios soldadura y fundición en FIME, 13 de mayo. Raúl Alejandro Cortés Treviño, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: Automatización del proceso de ensamblaje en empresa, 16 de mayo. Luis Daniel Flores García, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica. Proyecto: Corrosión en metales, 25 de mayo. Roberto Cantú Funes, Maestría en Ciencias de la Ingeniería de Sistemas. Tesis: Optimización de la logística de transporte y distribución, 26 de mayo. Orlando René Martínez Pérez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Análisis de la respuesta dinámica de una estructura bajo cargas de vibración generadas por transportes, 1 de junio. Oscar Armando Martínez Domínguez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: Diagnóstico, administración y control para el área de inventario de refacciones mediante la reducción de ordenes en espera, 3 de junio. Jesús Juárez Ramírez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía térmica y renovable. Tesis: Análisis termofluidodinámico de Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 un horno mantenedor de aluminio y su rediseño, 3 de junio. Mirna Maricela Martínez Flores, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía térmica y renovable. Tesis: Desempeño energético debido al uso de estrategias de control en una cámara de clima controlado mediante el índice de desempeño y la eficiencia del sistema de refrigeración, 3 de junio. Ana Isabel Macías García, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Precipitación inducida por deformación por el método de relajación de esfuerzos en una superaleación base Ni, 8 de junio. Luis Alfonso Garza Elizondo, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: Simulación de máquina de revenido BT1, 8 de junio. María Elena González Molina, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y operaciones. Proyecto: Factores que influyen en la generación de inventarios de piezas obsoletas en una empresa comercializadora de refacciones, 8 de junio. Rogelio Igor Sánchez Castro, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y análisis. Proyecto: Mapeo, prospección y optimización de rutas para abastecer PDS de cierta bebida isotónica, 8 de junio. Ever Benjamín Huerta Leija, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: Localización de fallas en líneas de transmisión, 10 de junio. Mayra Alejandra Luna Peña, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Problema dinámico de rutas de vehículos centrado en el cliente, 13 de junio. Hashim Abdel Suárez Ramírez, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica. (Por materias), 13 de junio. Juan Arnoldo Casas Pérez, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: Diseño de flecha en horno rotatorio, 13 de junio. Luis Humberto Cuellar Leal, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica. Proyecto: Comparativa de termoplásticos en la industria de la iluminación automotriz, 15 de junio. 77 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL César Rubén Lucio Rojas, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Fabricación de boquillas de alta corriente para transformadores de distribución, 15 de junio. Álvaro Garza Treviño, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica: Proyecto: Rediseño en pieza de herramientas de carpintería, 16 de junio. Dafné Yoanny Habib Mireles, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas: Proyecto: Análisis de información financiera FEM para la toma de decisiones, 17 de junio. Marcela Moreno Garza, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global. Proyecto: Análisis y seguimiento de una PYME recicladora PET, 17 de junio. Ángel Arturo González Padilla, Maestría en Adiministración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: Análisis de información y proyecciones, 17 de junio. María Patricia Escalera Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Capacidad del proceso alambrón de cobre, 22 de junio. Liliana de Jesús Pacheco Constantino, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: Modelo híbrido del transformador de potencia para el estudio de corrientes geométricas inducidas, 24 de junio. Nely Grisel Flores Lica, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. 78 Tesis: Desarrollo de una fundición para una aplicación en aguas residuales, 24 de junio. Beatriz Hernández Muñoz, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Atención de los índices de calidad de energía, 24 de junio. Edgar Juventino Treviño Rodríguez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería de Sistemas. Tesis: Modelo de la optimización para la planificación de la producción perecederos considerando un sistema de desensamble, 25 de junio. Jesús Mario García González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Disminución de variación de tono de electrocoloración en anodizado, 27 de junio. Myriam del Carmen Herrera Balderas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería de Sistemas. Tesis: Programación de la producción en una empresa automotriz, 30 de junio. Diego Armando Mendoza Muñiz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Síntesis y caracterización de CeO2 para posibles usos en celdas de combustible de óxido sólido, 30 de junio. Sergio Cruz Alvarado, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Diseño de un proceso de conformado para largueros de espesor variable, 30 de junio. Leonardo Vinicio Rodríguez Puebla, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Developing a mixed reality assistance system based on projection mapping technology for manual operations at assembly workstation, 30 de junio. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año. XIX, No. 72 �Acuse de recibo Journal of Electromagnetic Waves and Applications Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy Esta revista, publicada por Taylor & Francis, cubre los aspectos de teoría de ondas y sus aplicaciones. Publica artículos originales y de revisión sobre nuevas teorías, metodologías y técnicas computacionales , así como interpretaciones de resultados teóricos y experimentales. Los tópicos a los que presta mayor atención son: teoría de propagación de onda, fibras ópticas, guías de onda, sensores ópticos, efectos de la atmósfera y la ionósfera en la propagación de ondas, teoría de antenas y aplicaciones y mediciones con radares. Hay más información en el sitio: http://www.tandfonline.com/toc/tewa20/ Esta revista tetramestral es editada por el International Microwave Power Institute y publicada por Taylor & Francis. Publica artículos sobre tecnología de microondas y radiofrecuencia, proveyendo espacio a los ingenieros e investigadores para presentar artículos sobre aplicaciones industriales, científicas, médicas y de instrumentación. Entre los tópicos que incluye se encuentran: aplicaciones en ciencia de materiales y nanotecnología, caracterización de tejidos biológicos, industria de los alimentos, procesos químicos, procesamiento de desechos con microondas. Hay más información en el sitio: http://www.tandfonline.com/toc/tpee20/ JEWA JMPEE Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 79 �Colaboradores Andrade Soto, Manuel A. Graduado del Instituto Tecnológico de Saltillo en Ingeniería Eléctrica en 2000, obtuvo la maestría (2002) y doctorado (2007) en Ingeniería Eléctrica en el Centro de Investigación y Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN) en Guadalajara. A partir de 2007 es Profesor Asociado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Aguilar Torrentera, Jorge Ingeniero en Electrónica por la Universidad Autónoma Metropolitana, campus Azcapotzalco (1991). Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con opción a Telecomunicaciones por el Cinvestav-IPN, (1994). Doctor en Ciencias por University College London, en el área de Telecomunicaciones. Fue investigador en Intel-Guadalajara Design Center en el área de desarrollo de tecnologías de radiofrecuencia y coordinador de desarrollos tecnológicos de Intel con la Sección de Telecomunicaciones del Cinvestav. Desde 2014 está adscrito al Departamento de Posgrado de Ingeniería Electrónica de Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Baro Tijerina, Manuel Profesor en el ITSNCG., nivel Maestría en Ingeniería Industrial, Universidad Autónoma de Ciudad Juárez. y Licenciatura Ingeniería Industrial, Instituto Tecnológico Superior de Nuevo Casas Grandes. Estrada Ruíz, Victor Mauricio Ingeniero Industrial por el Instituto Tecnológico Superior de Nuevo Casas Grandes (ITSNCG) y 80 Maestro en Ingeniería Industrial con especialidad en Calidad por la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez (UACJ). Ha realizado investigación en el área de confiabilidad y degradación lineal. García Garrobo, Iván de Jesús Ingeniero Industrial por el Instituto Tecnológico Superior de Nuevo Casas Grandes (ITSNCG) y Maestro en Ingeniería Industrial con especialidad en Calidad por la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez (UACJ). Reconocimiento Perfil Deseable. Ha desarrollado estadías técnicas empresas, desarrollado proyectos en el área de confiabilidad en Accelerated life testing (ALT) y Sistemas de Gestión de la Calidad (SGC) bajo la norma ISO 9001:2001. Certificado como Auditor Interno y Auditor Líder en ISO 9001:2008 y es profesional acreditado como Certified SolidWorks Associate (CSWA). García Sánchez, Gerardo Arturo Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, durante el periodo de 2008 – 2013. Laborando en la empresa Avaya Communications de México durante el periodo 2013 – finales 2014. Actualmente es estudiante de Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con orientación a Telecomunicaciones en el programa de Posgrado en la Facultad de Ingeniería Eléctrica. García Sánchez, Gerardo Arturo Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (2013). Trabajó para la empresa Avaya Communications de Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año. XIX, No. 72 �Colaboradores México (2013-2014). Actualmente es estudiante de la Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con orientación a Telecomunicaciones de la FIME. González Cervantes, César Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones (1990) y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Electrónica (1996) por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Obtuvo el Master en Iniciación a la Investigación en Comunicaciones por la Universidad Pública de Navarra, Campus Arrosadia, España (2008). Actualmente es Jefe de la Academia de Electromagnetismo en la Coordinación de Electrónica, Comunicaciones y Automatización. Pérez Patiño, Juan Antonio Ingeniero Electricista Administrador (FIMEUANL, 1980), Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (FIMEUANL, 1996). Profesor titular de la coordinación de materiales desde 1978, y jefe del Departamento de Tecnología de Materiales (1990-1996). A partir de 2002 ha estado a cargo de la gestión de proyectos institucionales, primero como Coordinador de Proyectos Académicos de la FIME y a partir de 2015 como Coordinador de Gestión de Recursos Institucionales y Coordinador Operativo de PROFOCIE (Programa de Fortalecimiento de la Calidad en Instituciones Educativas) antes PIFI (Programa Integral de Fortalecimiento Institucional). Puente Ramírez, Norma Patricia Egresada de la facultad de Ciencias en la UASLP, realizo la maestría en Ciencias con orientación en optoelectrónica por el CICESE, doctora en Ciencias por la UABC. Profesor de tiempo completo adscrito al programa de Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la FIME. Miembro del SNI, Nivel candidato. Sus áreas de investigación son el sensado óptico y la propagación de ondas electromagnéticas. Rodríguez Cruz, Jose Ramón Profesor titular “A” de la FIME, adscrito al posgrado en Ingeniería Eléctrica y miembro del SNI Nivel 1. Sus líneas de investigación se centran en el estudio de modelos matemáticos de canales de comunicación, Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 sistemas de RFID y codificación conjunta de canal y fuente. Rodríguez Liñán, Juan Angel Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones (2003), Maestro en Ciencias de Ingeniería Eléctrica especialidad en Control (2005) y Doctor en Ingeniería Eléctrica (2009) por la FIME, UANL. Desde 2005 es catedrático de FIME, Profesor de Tiempo Completo desde 2009 en el Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología; desde 2012 en el Posgrado en Ingeniería Eléctrica. Pertenece al Cuerpo Académico Tecnología e Innovación Mecatrónica. Desde 2011 ha sido reconocido por PRODEP y SNI. Obtuvo el Premio de Investigación UANL 2009. Sus áreas de interés son: Modelado, análisis y control de sistemas robóticos, sistemas caóticos y sistemas no lineales. Torres Treviño, Luis M. Obtuvo la Licenciatura en Electrónica con especialidad en sistemas digitales en la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (1997), cursó la Maestría en Ingeniería Eléctrica en la misma universidad (1998). Obtuvo el grado de Doctor en Inteligencia Artificial en el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey campus Monterrey (2004). Actualmente es profesor de tiempo completo en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Torres Paz, Simón Graduado como Ingeniero Mecánico Electricista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León en el año 2014. En el mismo año ingreso a la Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica en la misma facultad, actualmente cursa el 4to semestre de su maestría. Vargas Arvizu, Carlos Recibió el grado de Ingeniero en Mecatrónica con especialidad en máquinas inteligentes en el 2014 por parte de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Actualmente, es estudiante del programa de Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Mecatrónica en la misma institución, cursando el tercer semestre. 81 �Colaboradores Vázquez Martínez, Ernesto Graduado como Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones en 1988; Maestría en Ingeniería Eléctrica con especialidad en Sistemas Eléctricos de Potencia en 1991; Doctorado en Ingeniería Eléctrica en 1994, ambos estudios realizados en la Facultad 82 de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL. Desde 1996 ha trabajado como profesor investigador en el área de la Ingeniería Eléctrica en la UANL. Es miembro del IEEE. En el año 2000 realizó una estancia de investigación en la Universidad de Manitoba, Canadá. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año. XIX, No. 72 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx 83 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Revisores Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, 84 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año. XIX, No. 72 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año XIX, No. 72 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. 85 �86 Ingenierías, Julio-Septiembre 2016, Año. XIX, No. 72 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2016 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 19 Número Número de la revista 72 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2016, Año 19, No 72, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2016 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020835 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Circuitos planares DMAIC Línea microcinta Lógica difusa Robótica evolutiva Six Sigma https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20794/Ingenierias_2016_Ano_19_No_71_Abril-Junio.pdf 5cf3e500b0dcfa1d0afe5a3c461a74ed PDF Text Text �71 Contenido Abril-Junio de 2016, Año XIX, No. 71 2 Directorio 3 Editorial: Cooperación internacional en la educación Juan Antonio Aguilar Garib 6 Determinación de coeficientes de transferencia de calor en moldes de investment casting con virutas de cobre Emmanuel Norberto Garza Collazo, José Hilario García-Duarte, José Roberto Benavides-Treviño, Marco Antonio L. Hernández-Rodríguez, Arturo Juárez-Hernández 14 Acoplamiento de Cds/g-C3N4 en la degradación fotocatalítica de tetraciclina Diana Hernández-Uresti, Sergio Obregón Alfaro, Alejandro Vázquez Dimas 24 Optimization for order batching problem using scheduling and route strategies Alicia Vergara Flores, Catya Atziry Zuñiga Alcaraz 39 Herramienta informática para el análisis de criticidad de activos modelos de criticidad personalizados Erich Mario Gómez Pérez, Armando Díaz Concepción, Jesús Cabrera Gómez, Yaniris Blanco Zamora 49 Algoritmo de estimación del voltaje de falla en líneas de transmisión Raudel Vela Haro, Ernesto Vázquez, Manuel A. Andrade Soto 58 Eventos y reconocimientos 60 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 63 Acuse de recibo 64 Colaboradores 66 Información para colaboradores 67 Código de ética Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año XIX, No. 71 � �DIRECTORIO Ingenierías, Año XIX N° 71, abril-junio 2016. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Impresos Baez, Jesús M. Garza 3219 Oriente, Col Francisco I. Madero, Monterrey Nuevo León, México, C.P. 64560. Fecha de terminación de impresión: 15 de abril de 2016. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2016 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Mtro. Rogelio G. Garza Rivera Rector M.A. Carmen del Rosario de la Fuente García Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Dr. Celso José Garza Acuña Secretario de Extensión y Cultura Lic. Antonio Ramos Revillas Director de Editorial Universitaria FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván M.C. Jesús G. Puente Córdova Daniela Gutiérrez Dimas Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster María de los Ángeles Baez Acuña Impresor Samantha Abigail Martínez Ávila / David Orlando Cansino Martínez /Ricardo Adrián Herrera Ortiz Auxiliares CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. 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Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL. � Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año XIX, No. 71 �Editorial: Cooperación internacional en la educación Juan Antonio Aguilar Garib Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Universidad Autónoma de Nuevo León juan.aguilargb@uanl.edu.mx En origen, la Cooperación Internacional mencionada en la Carta de la Naciones Unidas, firmada el 26 de junio de 1945, se refiere a la ayuda voluntaria que otorga un país a la población de otro, haciendo énfasis en los aspectos económicos y sociales, también se refiere, específicamente, a la colaboración internacional en el orden cultural y educativo. Esta carta se firmó alrededor del fin de la segunda guerra mundial, el segundo acto de un conflicto bélico, que terminó demostrando que aun cuando las batallas fueran regionalizadas, las consecuencias tendrían alcances mundiales. Aunque la globalización es un término que no se había acuñado entonces, en la actualidad se puede confirmar que independientemente del tipo de conflagración, social, política, comercial, por mencionar algunas, las consecuencias se manifiestan en forma de problemas socio-económicos que no se limitan a aquellos que se encuentren en conflicto. Las condiciones actuales son diferentes, los países establecen de manera cada vez más enfática sus marcos de dignidad y soberanía, por lo que los casos de ayuda humanitaria serían los únicos en los que se podría admitir la versión simplificada de donantes y beneficiarios con la que se suele describir a la cooperación internacional. Más bien se trata del establecimiento de relaciones entre naciones que para alcanzar sus propias metas de desarrollo, comparten sus experiencias y conocimientos. Las actividades que se requieren para cumplir las metas son ejecutadas por personas, y la eficiencia con la que lo hacen depende de sus competencias, las cuales son construidas por los individuos a través de la consolidación de información, conocimientos y experiencias. De estos elementos, la información es la única que puede ser transmitida de quien la tiene a quien la requiere, oralmente, mediante documentos, o utilizando las modernas tecnologías de la información. En cuanto al conocimiento, hasta definirlo es más difícil, pues lleva implícita la comprensión de la manera en que la información se relaciona con lo que se aprende a través de la comprobación realizada mediante la observación y reflexión sobre vivencias, es decir, con la experiencia. Estando relacionada la experiencia a las vivencias y éstas con la cultura, resulta explicable que aunque en todas partes haya personas con talento, las competencias que se desarrollan en cada país sean diferentes. El carácter local, regional o internacional de un proyecto depende de quienes responden a la convocatoria para realizarlo, quienes podrían encontrarse en la localidad, en la región o en otros países. Es así que la cooperación se vuelve internacional si Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año XIX, No. 71 � �Cooperación internacional en la educación / Juan Antonio Aguilar Garib quienes atienden la convocatoria son extranjeros, pero se debe tener presente que no se les llama por esa razón, sino porque cuentan con las competencias con las que otros no cuentan. Ocurre lo mismo que con las asociaciones o los congresos internacionales, que tienen esta denominación por las diferentes nacionalidades que reunen en su membresía, o en sus asistentes y expositores. Un elemento de los planes de desarrollo de diferentes países, es el de contar con el número de especialistas necesarios para su propio crecimiento y para colaborar con sus contrapartes extranjeras, lo cual es perfectamente congruente con la exigencia de una cooperación en la que las partes cuenten con expertos con competencias complementarias. La educación tiene un papel central en la formación de estos expertos a quienes les otorgan títulos profesionales. Si estos títulos tienen el mismo nombre de carrera que los de otras instituciones nacionales y las de otros países, entonces sus modelos curriculares deben ser de alguna forma equivalentes. Sin embargo, dada la relación de vivencias y experiencias únicas para cada entorno, se mantienen diferencias que no necesariamente deben ser resueltas, pues constituyen parte de lo que desde el exterior podría ser considerado como una fortaleza. La internacionalización considera el interés en que los estudiantes construyan competencias similares a las de los estudiantes en otros países, lo cual no es sencillo, pues pone a prueba el nivel de la formación básica en curso, al mismo tiempo que debe mantener en balance la manifestación más esperada por muchos, la cual consiste en becas para estudiar en el extranjero y programas de movilidad e intercambio académico, ya que existe el interés de estudiantes, docentes, investigadores y profesionales mexicanos en realizar, o por lo menos completar, su preparación académica fuera de México. Sin embargo, con frecuencia se menciona que los más beneficiados de los programas de movilidad son aquellos estudiantes que participan directamente, ya sea con una estancia corta o con la obtención de un grado. No es posible que todos los estudiantes y profesionistas lleguen a tener una experiencia personal en el extranjero, pero sí es posible que todos se beneficien de los programas de cooperación, ya que la experiencia internacional, desde el punto de vista profesional, no solamente está en vivir en otro país, también está en las visitas y en la participación en eventos internacionales, tales como competencias, conferencias y publicaciones. Los estudiantes requieren cierta preparación para poder aprovechar la experiencia internacional. Usualmente ellos consideran que se trata únicamente de buenas calificaciones e idioma. También deben tomar en cuenta actitudes y costumbres frente el trabajo, no es necesario ir a otro país para entender la importancia de las actitudes, pues en el mismo México hay instituciones en las que las exigencias para los estudiantes son tan altas como las de cualquier otro país; pero no todo son requerimientos de carácter académico, también hay aspectos de adaptabilidad al medio, como son los usos y costumbres, que incluso sobrepasan al manejo del idioma. Es dificil valorar la magnitud de estos aspectos que con seguridad pueden afectar el desempeño de los participantes de los programas de movilidad. Los profesores, como ejemplo de actitud, tenemos una responsabilidad seria como promotores de las aspiraciones de superación de los estudiantes. La � Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año XIX, No. 71 �Cooperación internacional en la educación / Juan Antonio Aguilar Garib exposición de los profesores a visitantes de otras instituciones que muestran su forma de pensar y actitudes, por supuesto, pone a prueba nuestras creencias, manera de hacer las cosas, así como nuestras fortalezas y debilidades. Una verdadera cooperación implica que los participantes tienen cierto nivel que les permite asociarse en interés de objetivos comunes, eso exige que tanto nosotros como nuestras contrapartes establezcan mecanismos que validen el potencial, la producción y la productividad de ambos. La cooperación implica una influencia mutua que no proviene únicamente de que los participantes se trasladen de un país a otro. Nos exponemos a la internacionalización cuando se llevan a cabo certificaciones, asistimos a comités, escribimos artículos o nuestros estudiantes, a quienes hemos preparado, nos representan. Como ya se mencionó, la cooperación se vuelve internacional cuando los participantes son internacionales, se les invita porque son expertos, como se invitaría a cualquier persona de la localidad o de la región, que tuviera las competencias que los intereses de los participantes del convenio de cooperación requieren. Los puestos de trabajo disponibles y la ubicación de las instituciones de las que egresan los profesionistas han dejado de coincidir, con lo que será cada vez más frecuente que los egresados de un país sean puestos a prueba en otro. No es posible adivinar las necesidades y formas de trabajo de los demás países, y sí es conveniente que se tengan intereses comunes que lleven a modelos de cooperación internacional en materia de educación, para asegurar que los profesionistas, independientemente de que tengan la oportunidad de trasladarse a otro país, o aprovechar otros elementos de los convenios, finalmente cuenten con las competencias que les permitan desenvolverse en cualquier país como si fueran egresados del lugar. Ésta sería la prueba del éxito de la cooperación en educación, que se haría sentir mundialmente con la participación de más países. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año XIX, No. 71 � �Determinación de coeficientes de transferencia de calor en moldes de investment casting con virutas de cobre Emmanuel Norberto Garza CollazoA, José Hilario García-DuarteB, José Roberto Benavides-TreviñoA, Marco Antonio Loudovic Hernández-RodríguezA, Arturo Juárez-HernándezA A UANL-FIME B Consultores en Conformado y Procesos de Manufactura S.A. de C,V. artjua@yahoo.com RESUMEN Se modifican moldes “investment casting” con virutas de cobre para incrementar su conductividad térmica, favorecer la tasa extracción de calor durante la solidificación y modificar las propiedades finales del material vaciado, disminuyendo el DAS (dendritic arms pacing). Se midió la velocidad de enfriamiento y se calcularon coeficientes de transferencia por módulo inverso de un software comercial PROCAST y mediante un modelo analítico. Los resultados muestran que la adición de refuerzos metálicos incrementa el coeficiente de transferencia de calor debido al incremento de la conductividad térmica del molde. PALABRA CLAVE Investment casting, virutas de cobre, coeficiente de transferencia de calor. ABSTRACT Investment casting molds were modified with the insertion of copper chips for increasing their thermal conductivity, promote heat extraction during solidification, and modify casting final properties, decreasing the DAS (dendritic arm spacing). Cooling rate was measured and the heat transfer coefficients were calculated by inverse module with a commercial software PROCAST and through an analytical model. Results show that the addition of copper chips increases the heat transfer coefficient due to an increase in mold thermal conductivity. KEYWORDS Investment casting, copper chip, heat transfer coefficient. INTRODUCCIÓN Actualmente en México el desarrollo tecnológico se encuentra en aumento, existe en el país una creciente demanda de productos especializados como moldes permanentes, álabes de turbina y moldes para inyección por sectores económicos de gran tamaño como automotriz, aeronáutica/aeroespacial y los que requieren � Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Determinación de coeficientes de transferencia de calor en moldes de investment... / Emmanuel Norberto Garza Collazo, et al. las industrias de los plásticos. La fabricación de moldes metálicos es un área poco explotada dentro del país, ya que pocas empresas se dedican a la fabricación de dichos componentes1-4 y muchas de ellas emplean métodos costosos, como el maquinado mediante control numérico; por lo que en el presente trabajo se estudia un parámetro de fabricación que influye en las propiedades mecánicas de moldes obtenidos directamente de la fundición, minimizando los trabajos de maquinado. Dicho parámetro es el coeficiente de transferencia de calor, h, el cual depende de diferentes parámetros de proceso5,6 y durante la solidificación es el que controla la evolución de las características macro y micro estructurales como el tamaño de grano y el espaciamiento interdendrítico.7 Procedimiento experimental Para determinar el coeficiente de transferencia de calor, h, en moldes de investment casting, se fabricaron tres moldes cilíndricos en diferentes condiciones, modificando en uno de ellos el material del molde mediante adición de virutas de cobre. La temperatura se midió utilizando termopares tipo k situados a diferentes profundidades (figura 1). El estudio de solidificación se realizó con una aleación de aluminio 356, cuya composición química se reporta en la tabla I y las condiciones de vaciado se muestran en la tabla II. Fig.1. Ubicación de termopares a diferentes profundidades. Tabla I. Composición química de aleación 356 (% en peso). Al 356 Si Fe Mg Mn Ti Sr Cu Zn Al % en peso 7.73 0.15 0.35 0.02 0.12 0.02 0.02 0.02 Bal. Tabla II. Contenido de vaciado experimental. Condición espesor T, molde T, vaciado T, ambiente Tiempo de Tiempo de (°C) (°C) (°C) vaciado (s) enfriamiento (s) M6 Molde 6 mm 570 713 MC6 Molde 6 mm + (22%) viruta 341 704 M8 Molde 8 mm 253 743 Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 30 2 674 � �Determinación de coeficientes de transferencia de calor en moldes de investment... / Emmanuel Norberto Garza Collazo, et al. Previo a la realización del experimento se efectuaron tres simulaciones del caso de estudio por medio de análisis de del software comercial PROCAST, los datos de entrada del valor de, h, fueron datos supuestos, posteriormente con los historiales térmicos experimentales se prepararon casos con el método inverso y con estos se obtuvieron los coeficientes de transferencia de calor correspondientes. Adicionalmente, se comparó con el modelo general de conducción de calor (ecuación 1) en coordenadas cilíndricas, estado estable, una dimensión y con conductividad térmica constante, para el cálculo de flujos de calor (ecuación 2) y de resistencia térmica para obtener los coeficientes de transferencia de calor analíticamente (ecuación 3). (1) (2) (3) Para obtener la conductividad térmica de un material compÓsito, en este caso del molde con virutas metálicas, se aplicó el modelo de conducción en serie de Tsao,8 determinado por la siguiente ecuación: (4) Donde kc es la conductividad del molde compuesto, km la conductividad del metal, kf la conductividad del cerámico y Ɵ el porcentaje de cerámico. Simulación en PROCAST Se revisó un modelo computacional con el software comercial PROCAST, donde se utilizaron las propiedades termofísicas de la aleación y molde bajo estudio, finalmente el software fue alimentado con las curvas de enfriamiento experimentales en la posición de los termopares, para así calcular el coeficiente de transferencia promedio, figura 2. Resultados y discusión Enfriamiento A continuación se presentan las conductividades térmicas de los moldes y sus constituyentes, siendo para el molde convencional, k = 0.65W/m K y para el molde con 22% de viruta, k = 0.83 W/m K. En las figuras 3, se muestran los perfiles de enfriamiento con sus respectivas velocidades, dT/dt, de los tres ejemplares vaciados. En la figura 3a muestra la solidificación del metal en el aluminio 356, la temperatura de liquidus es de 614ºC y la temperatura de solidus de 514ºC, 9 en este primer caso M6, inicia cuando la velocidad de enfriamiento toma un valor � Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Determinación de coeficientes de transferencia de calor en moldes de investment... / Emmanuel Norberto Garza Collazo, et al. Fig. 2. Arreglo virtual de termopares durante el proceso de enfriamiento. inicial de 1 °C/s hasta alcanzar el subenfriamiento, posteriormente la velocidad de enfriamiento disminuye debido a la recalescencia, hasta alcanzar los 550°C, a los 380 segundos se observa el efecto de la recalescencia debido al calor latente de fusión causada por la precipitación de α Al, presentándose una meseta hasta los 500 segundos donde el metal solidifica, disminuyendo la velocidad de enfriamiento, aproximándola a cero, finalmente la curva decae a velocidad constante. La figura 3b, MC6, se muestra una disminución en la temperatura de 704ºC a 586ºC durante los primeros 30 segundos de enfriamiento teniendo velocidades de 3.5 °C/s, favoreciendo la nucleación de partículas sólidas debido al sub enfriamiento, en seguida se presenta un incremento en la temperatura debido a la recalescencia a los 30 segundos subsecuentes, y posteriormente un descenso en la temperatura donde se observa una velocidad de enfriamiento de 0.5 °C/s. En la figura 3c, M8, se muestra el historial térmico del metal vaciado en molde convencional de 8 mm de espesor, en él se observa una caída inicial de temperatura de 155°C dentro de los primeros 34 segundos a una velocidad de 4.5 °C/s, la velocidad de enfriamiento es más alta que en los casos anteriores esto es debido a que se tiene mayor espesor y una masa mayor de extracción de calor además de que inicialmente estaba a 253°C y posteriormente la velocidad disminuye hasta 0.01°C/s, siendo la velocidad la más baja observada en estos caso, promoviendo una solidificación prácticamente isotérmica, por la meseta que se presenta en la curva de los 154 segundos a los 274 segundos. Finalmente a los 550°C la velocidad vuelve a incrementar hasta los 0.8°C/s para terminar en los 0.3°C/s a los 674 segundos. Coeficientes de transferencia En la figura 4a, muestra M6, se observa al inicio un valor máximo de coeficiente de transferencia, posteriormente desciende hasta los 70 segundos de Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 � �Determinación de coeficientes de transferencia de calor en moldes de investment... / Emmanuel Norberto Garza Collazo, et al. a) b) c) Fig. 3. Enfriamiento de aluminio y primera derivada de la curva en molde convencional de a) M6 b) MC6 c) M8 10 Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Determinación de coeficientes de transferencia de calor en moldes de investment... / Emmanuel Norberto Garza Collazo, et al. a) M6 b) MC6 c) M8 Fig. 4. Coeficiente de transferencia de calor, h, durante el enfriamiento de casting en molde para a) M6, b) MC6 y c) M8 Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 11 �Determinación de coeficientes de transferencia de calor en moldes de investment... / Emmanuel Norberto Garza Collazo, et al. enfriamiento para incrementarse de una forma importante y volver a descender después de los 150 segundos de enfriamiento, fluctuando entre los 320 y 370 W/m2 K. Es de esperarse encontrar el valor máximo al comienzo del vaciado, cuando el metal está a la temperatura máxima, sin embargo, es durante el periodo de los 74 a 114 segundos es donde el coeficiente incrementa de 396 a 513 W/m2 K, siendo el incremento visiblemente mayor durante el historial térmico, una razón de este incremento es el contacto físico entre la superficie del metal y la superficie del molde. La figura 4b, muestra MC6, existe un comportamiento muy parecido, un máximo al inicio, que rápidamente disminuye para mantenerse fluctuando entre valores de 343 y 346 W/m2 K entre los 34 y 354 segundos, respectivamente. En la figura 4c, muestra M8, el valor inicial en el coeficiente resultó de1444 W/ m2K, sin embargo al transcurrir más de 30 segundos, disminuyó a 460 W/m2 K, posteriormente disminuye hasta llegar a un valor de 316 W/m2 K, esto es debido que al inicio se tiene un metal caliente con una masa de molde más grande que en los casos anteriores teniendo un flujo mayor de calor y disminuyendo de manera importante en la medida que se va calentando el molde. De acuerdo al diseño de experimentos, en la tabla III se muestran los resultados de coeficientes promedio de transferencia de calor obtenidos por PROCAST. Se observan diferencias entre los coeficientes obtenidos mediante método analítico y mediante módulo inverso, siendo el ejemplar convencional de M6, en el que se observa mayor similitud, existiendo solo una diferencia de 40 W/m2 K en promedio. Existen diferentes razones por las cuales los coeficientes calculados analíticamente se aproximen a los obtenidos por módulo inverso: i) Exactitud de las curvas de enfriamiento calculadas por el software; entre mayor sea la diferencia en las curvas de enfriamiento/calentamiento real y calculadas, mayor será el error entre el coeficiente calculado y el real, ii) Consideración de propiedades constantes en el tratamiento analítico, iii) Uso de ecuaciones para análisis de transferencia de calor en estado estable iv) PROCAST calcula un coeficiente promedio de transferencia pero la realidad es que el valor de h cambia en la medida que la temperatura del molde y del metal cambian, v) La temperatura inicial del molde y la masa, el mayor valor de, h, se observa en el M8 donde la cantidad de masa es mayor y la temperatura inicial del molde es menor esto provoca una mayor fuerza motriz dT/dt. Tabla III. Resultados promedio de coeficientes de transferencia de calor Ejemplar Analitico W/ m2 K Modulo Inverso W/ m2 K M6 600-339 379 MC6 460-346 405 M8 1400-316 146 Conclusiones Se determinaron coeficientes de transferencia de calor en moldes de investment casting convencionales y reforzados con fibras metálicas de cobre durante el proceso de solidificación de una aleación de aluminio 356. 12 Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Determinación de coeficientes de transferencia de calor en moldes de investment... / Emmanuel Norberto Garza Collazo, et al. Los comportamientos de los flujos de calor y de los coeficientes de transferencia en los cálculos analíticos de los diferentes moldes dependen de las velocidades de enfriamiento en el metal, siendo estas velocidades dependientes de las temperaturas iniciales de los moldes y de la capacidad de los moldes para conducir el calor. Los coeficientes obtenidos de forma analítica difieren a los obtenidos por modulo inverso debido a la suposición de propiedades constantes en los cálculos, al uso de ecuaciones para estado estable, a la exactitud entre las curvas de enfriamiento reales y a el hecho de que son valores promedio. Se concluye que la adición de refuerzos metálicos incrementó la conductividad del material base, el coeficiente de transferencia de calor y la extracción de calor. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al CONACYT por el apoyo para este proyecto. Referencias 1. INEGI Boletín de Prensa Núm. 514/14 19 de Noviembre, 2014. Aguascalientes, Ags. 2. Plan Nacional de Vuelo Industria Aeroespacial Mexicana MAPA DE RUTA 2014. PROMEXICO. 3. Información obtenida en coordinación con los presidentes de los clústeres aeroespaciales, ProMéxico y las Secretarías de comercio de los estados (SEDECOS). 4. Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT). 5. R. Colas. 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Hernández-UrestiA, Sergio Obregón AlfaroA , Alejandro Vázquez DimasB Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, UANL, México Facultad de Ciencias Químicas, UANL, México ing.dianahdz@gmail.com A B RESUMEN En este documento se reporta la preparación de un sistema acoplado CdS/g-C3N4 con un comportamiento fotocatalitico superior a los semiconductores CdS y g-C3N4. La preparación del nitruro de carbono (g-C3N4) fue llevada a cabo mediante la calcinación de un precursor orgánico con alto contenido de nitrógeno. Luego, nanopartículas de CdS fueron añadidas en la superficie del g-C3N4 mediante la síntesis del sulfuro de cadmio bajo irradiación de microondas. De esta manera, el sistema acoplado CdS/g-C3N4 fue caracterizado por difracción de rayos X y espectroscopia de reflectancia difusa. El sistema fue evaluado mediante la degradación fotocatalítica del antibiótico tetraciclina bajo irradiación UV-vis. Se observó que la incorporación de CdS en la superficie del nitruro de carbono incrementó el comportamiento fotocatalítico hasta la obtención de velocidades de reacción iguales a 1.63x10-4 s-1, en el caso de la muestra con 8% CdS/g-C3N4. PALABRAS CLAVE g-C3N4, CdS, fotocatálisis, tetraciclina. ABSTRACT This document reports the preparation of a coupled system CdS/g-C3N4 with an enhanced photocatalytic behavior compared with the pristine CdS and g-C3N4 semiconductors. The preparation of the carbon nitride (g-C3N4) was carried out through a thermal treatment to an organic precursor with high nitrogen amount. Then, CdS nanoparticles were added to the surface of g-C3N4 by means the synthesis of the cadmium sulfide under microwave irradiation. Thus, the coupled system CdS/g-C3N4 was characterized by X-ray diffraction and diffuse reflectance spectroscopy. The heterojunction system was evaluated through the photocatalytic degradation of the antibiotic tetracycline under UVvis irradiation. It was observed that the incorporation of CdS on the surface of the carbon nitride increased the photocatalytic behavior until reaction rates values of 1.63x10-4 s-1 for the sample with 8% CdS/g-C3N4. KEYWORDS g-C3N4, CdS, Photocatalysis, Tetracycline. 14 Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Acoplamiento de CdS/g-C3N4 en la degradación fotocatalítica de tetraciclina / Diana Hernández Uresti, et al. INTRODUCCIÓN En la actualidad, los procesos avanzados de oxidación son considerados alternativas emergentes en la remoción de contaminantes nocivos para la salud humana. Entre estos procesos, la fotocatálisis heterogénea es una novedosa técnica que ha sido aplicada en numerosos procesos relacionados a la remediación medioambiental, que incluye aguas residuales, aire y suelos así como en procesos de interés energético (producción de H2 mediante disociación del agua o reducción de CO2 para obtener combustibles).1,2 El mayor incentivo que provee la fotocatálisis es la posibilidad de utilizar radiación solar como fuente de energía para activar las reacciones, lo que le otorga un significativo valor ambiental siendo un claro ejemplo de tecnología sustentable. Por otro lado, la fotocatálisis heterogénea presenta grandes ventajas sobre los métodos tradicionales de tratamiento de aguas residuales dado que posee la capacidad de lograr una degradación completa de los contaminantes así como una alta eficiencia de mineralización de casi todos los compuestos orgánicos. Es por ello que algunos autores la consideran como un ejemplo de fotosíntesis artificial, tal como lo muestra la figura 1.3 Diversos materiales han sido examinados como fotocatalizadores, siendo los semiconductores los de mayor auge debido a su rendimiento como, TiO2, ZnO, ZnS, WO3, entre otros. El semiconductor TiO2 anatasa tiene mayor aplicación debido a su alta estabilidad y bajo costo.4 Fig. 1. Comparación esquemática entre la fotocatálisis y la fotosíntesis. Recientemente, el nitruro de carbono (g-C3N4) ha recibido una amplia atención debido a su prominente eficiencia fotocatalítica en la producción de hidrogeno y oxígeno a partir de moléculas de agua bajo irradiación de luz visible.5 Otras de sus ventajas consisten en su alta estabilidad química y facilidad de preparación a partir de la policondensación de compuestos orgánicos con alto contenido de nitrógeno.6 La configuración atómica propuesta para este material consiste en estructuras bidimensionales de unidades heptazina (tristriazina) conectadas a través de aminas ternarias, tal como se muestra en la figura 2.7 Basados en los reportes encontrados en literatura, podemos afirmar que el uso del g-C3N4 constituye la vanguardia de la fotocatálisis heterogénea en la actualidad. Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 15 �Acoplamiento de CdS/g-C3N4 en la degradación fotocatalítica de tetraciclina / Diana Hernández Uresti, et al. Una de las principales desventajas de cualquier fotocatalizador, incluido el g-C3N4, radica en su limitada eficiencia fotocatalitica por la alta velocidad de recombinación de los pares hueco-electrón fotogenerados. Es por ello que para incrementar la fotoactividad, diversos métodos han sido estudiados, entre los que destacan la formación de estructuras con alta porosidad, dopado con metales, adición de grafeno, acoplamiento con otros semiconductores, entre otros. Respecto a este ultimo método, la formación de heterouniones entre semiconductores provee un interesante mecanismo sinérgico, donde cada uno de ellos actúa como un sumidero de los transportadores de carga fotogenerados, provocando una eficiente separación espacial y por ende, disminuyendo la recombinación e incrementando el carácter fotocatalitico del sistema acoplado.10 En el presente trabajo se muestran los resultados obtenidos en la preparación de un sistema acoplado entre los semiconductores CdS y g-C3N4. Tanto los semiconductores como la heterounión fueron ampliamente caracterizados mediante diversas técnicas con el objetivo de correlacionar sus propiedades estructurales, optoelectrónicas y morfológicas con su comportamiento fotocatalítico. Para ello, se eligió al antibiótico tetraciclina como modelo de reacción. El seguimiento de la concentración del antibiótico durante el proceso fotocatalítico se realizó a través de la técnica de espectrofotometría UV-vis. Fig. 2. Estructura molecular del g-C3N4. EXPERIMENTAL Síntesis de g-C3N4 La formación del fotocatalizador g-C3N4 se realizó mediante la policondensación de un compuesto orgánico con alto contenido en nitrógeno. Para ello, 10 gramos de melamina (Aldrich, 99%) fueron calcinados a 500 °C durante 4h en un crisol de porcelana provisto con una cubierta para prevenir la sublimación del precursor.6 Acoplamiento de los semiconductores CdS/g-C3N4 Para la obtención de los materiales acoplados se mezclaron en proporción estequimétrica una solución 30 mm de CdCl2 (Aldrich, 99%) y una solución 16 Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Acoplamiento de CdS/g-C3N4 en la degradación fotocatalítica de tetraciclina / Diana Hernández Uresti, et al. 30 mm de tioacetamida (Aldrich, 99%) en una solución conteniendo 29.4 mg de citrato de sodio como estabilizante de las nanopartículas de CdS y 200 mg del fotocatalizador g-C3N4. La cantidad de CdS producido, suponiendo una precipitación completa, fue de 2 %, 4 %, 8 % y 25 % en peso. En todos los casos el volumen se llevó a 50 mL con agua desionizada y se ajustó el pH a 8 con una solución de NaOH. Posteriormente se sometieron durante 60 s a un calentamiento mediante irradiación de microondas. Para la obtención de los materiales acoplados se mezclaron en proporción estequimétrica una solución 30 mm de CdCl2 (Aldrich, 99%) y una solución 30 mm de tioacetamida (Aldrich, 99%) en una solución conteniendo 29.4 mg de citrato de sodio como estabilizante de las nanopartículas de CdS y 200 mg del fotocatalizador gC3N4. La cantidad de CdS producido, asumiendo una precipitación completa, fue de 2 %, 4 %, 8 % y 25 % en peso. En todos los casos el volumen se llevó a 50 ml con agua desionizada y se ajustó el pH a 8 con una solución de NaOH. Posteriormente se sometieron durante 60s a un calentamiento mediante irradiación de microondas en un horno convencional de 2.45 GHz y 1650 W de potencia nominal. Finalmente, se centrifugó, se lavó el polvo con etanol y se dejó secar al aire. Caracterización de materiales Los materiales obtenidos fueron caracterizados mediante difracción de rayosX en polvos (DRX), espectroscopia de reflectancia difusa (DRS), fisisorción de nitrógeno y microscopía electrónica de barrido (SEM). Degradación fotocatalítica del antibiótico tetraciclina La degradación fotocatalítica del antibiótico tetraciclina se llevó a cabo en un reactor de borosilicato bajo irradiación de luz UV-vis, como ha sido reportado previamente.11 Inicialmente se realizó, 200 ml de una solución acuosa de tetraciclina (20 mg/l) fueron mezclados con 200 mg del fotocatalizador. La suspensión fue mantenida en condiciones de oscuridad durante 1h. Posteriormente, la fuente de luz UV-vis fue encendida y diversas muestras fueron tomadas cada 30 minutos. Las alícuotas se centrifugaron a 3500 rpm durante 10 minutos y fueron analizadas mediante espectrofotometría ultravioleta-visible a través del pico de absorción característico del antibiótico a 357 nm. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El fotocatalizador g-C3N4 fue preparado por policondensación del precursor melamina a 500 °C. La figura 3 muestra el difractograma característico de este material, donde se pueden observar dos picos de difracción a 13.1° y 27.5° (2θ), correspondientes a los planos de difracción (100) y (002), respectivamente. De acuerdo a reportes previos, la presencia del plano de difracción (100) es asociada al arreglo periódico de las unidades condensadas de heptazina (tris-s- triazina), mientras que el plano de difracción (002) es relacionado al apilamiento del sistema aromático conjugado del que se encuentra compuesto el g-C3N4.7 De esta manera, podemos confirmar que el material deseado ha sido obtenido de manera satisfactoria sin la presencia de ningún tipo de impureza. Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 17 �Acoplamiento de CdS/g-C3N4 en la degradación fotocatalítica de tetraciclina / Diana Hernández Uresti, et al. La caracterización del nitruro de carbono tambien fue llevada a cabo mediante espectroscopia de reflectancia difusa, esto con el objetivo de elucidar sus propiedades optoelectrónicas así como estimar energía de banda prohibida. Como se puede observar en el recuadro de la figura 3, el material estudiado presenta absorción de energía a partir de 550 nm, lo cual es un indicativo de que puede ser excitado bajo irradiación de luz visible. Dado su carácter polimérico, diversos estudios basados en la teoría de funcionales de la densidad (DFT) sugieren que el orbital molecular ocupado de más energía (HOMO) del g-C3N4 se deriva principalmente de la combinación de los orbitales pz del nitrógeno, mientras que el orbital molecular no ocupado de más baja energía (LUMO) se localiza principalmente en los orbitales del enlace carbono-nitrógeno.12 A partir del espectro anterior y obteniendo la intersección en absorbancia cero para la pendiente de absorción, podemos estimar en 456 nm su borde absorción. Este valor traducido en términos de energía es equivalente a 2.8 eV, el cual consiste en la barrera energética existente entre las posiciones de los orbitales HOMO y el LUMO (HOMO-LUMO gap), mejor conocido como energía de banda Fig. 3. Difractograma de rayos-X y espectro de reflectancia difusa (recuadro) del fotocatalizador g-C3N4 prohibida en el caso de los semiconductores. La morfología del g-C3N4 fue estudiada a través de microscopia electrónica de barrido, como es ilustrado en la figura 4. El análisis morfológico muestra que el material presenta formas irregulares y de gran tamaño, mayores a 5 μm. Tambien es posible observar una superficie irregular lo cual puede dar un indicio de sus propiedades de textura. Para llevar a cabo el análisis superficial y de textura del material, se realizaron mediciones de fisisorción de nitrógeno a una temperatura de -196 °C. De acuerdo a los resultados, el g-C3N4 presentó una isoterma de adsorción tipo IV, característica de los sólidos mesoporosos (poros de tamaño entre 2 y 50 nm). En otras palabras, el semiconductor presenta un aumento en la cantidad de nitrógeno adsorbido a presiones relativamente 18 Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Acoplamiento de CdS/g-C3N4 en la degradación fotocatalítica de tetraciclina / Diana Hernández Uresti, et al. intermedias, y ocurre mediante un mecanismo de llenado en multicapas.13 A partir de esta técnica fue posible calcular el área superficial de acuerdo al método BET (Brunauer-Emmett-Teller) obteniendo un valor de 4.8 m2/g. Asimismo, la distribución de tamaño de poro fue estimada utilizando los valores de la isoterma de desorción de acuerdo al método BJH (Barrett-JoynerHalenda). Los resultados mostraron que el nitruro de carbono posee una amplia distribución de tamaños de poros dentro de un rango comprendido entre 5 y 100 Fig 4. Imagen de microscopía electrónica de barrido del fotocatalizador g-C3N4. nm, siendo el valor promedio de 20 nm. Una vez que el semiconductor g-C3N4 ha sido caracterizado, se ha procedido a llevar a cabo su acoplamiento con nanopartículas de CdS. Los difractogramas de rayos-X para el sistema acoplado CdS/g-C3N4 se muestran en la figura 5. En la parte inferior de la figura, podemos apreciar el difractograma correspondiente a las nanopartículas de CdS preparadas mediante síntesis con radiación microondas. Los picos de difracción encontrados en 26.7°, 43.8° y 51.9° (2θ) son asociados a los planos de difracción (111), (220) y (311) del CdS, respectivamente. Por lo tanto, este difractograma coincide perfectamente con el reportado para la fase cúbica del semiconductor (PDF 10-454). Asimismo, es digno de señalar la gran amplitud de los picos antes mencionados, lo cual puede ser correlacionado con el tamaño nanométrico de las partículas del CdS. Tomando en cuenta lo anterior, el tamaño de dominio cristalino (crystallite size) fue calculado a partir de la ecuación de Scherrer, D = 0.9λ•(β•cos θ)-1, donde λ es la longitud de onda de la rayos-X (radicación Cu Kα), β es la amplitud a media altura del pico de difracción situado a 26.7° (2θ) y θ es el angulo de Bragg. El resultado estimado fue de 3.6 nm, lo cual confirma el tamaño nanometrico de las partículas de CdS obtenidas mediante irradiación microondas. Adicionalmente, la figura 5 muestra los difractogramas obtenidos para el sistema acoplado CdS/g-C3N4 a diferentes porcentajes en peso del Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 19 �Acoplamiento de CdS/g-C3N4 en la degradación fotocatalítica de tetraciclina / Diana Hernández Uresti, et al. Fig. 5. Difractogramas de rayos-X del sistema acoplado CdS/g-C3N4. semiconductor CdS. Los difractogramas no muestran la presencia de los picos de difracción asociados al CdS ni siquiera a altos porcentajes añadidos, esto puede ser explicado debido a la alta dispersión de las nanoparticulas de CdS sobre la superficie del g-C3N4, así como a la baja cristalinidad observada para el CdS, lo cual se traduce en una baja intensidad en sus picos de difracción, casi imperceptibles comparados con la relativamente alta cristalinidad observada por el nitruro de carbono. Los espectros de reflectancia difusa para el sistema acoplado se muestran en la figura 6. Para el CdS se observa un perfil de absorción a partir de longitudes de ondas menores a 450 nm, lo cual es correlacionado con su energía de banda prohibida estimada en 2.99 eV, este valor es mayor que el reportado para el CdS (2.41 eV) debido principalmente al efecto de confinamiento cuántico en partículas de tamaño nanométrico. Por otro lado, las muestras del sistema acoplado CdS/g-C3N4 presentan un ligero desplazamiento en su absorción hacia longitudes de onda menores conforme se incrementa la cantidad de nanopartículas de CdS, tal como se observa en el recuadro de la figura 6. Este desplazamiento puede ser atribuido a la estrecha interacción entre el g-C3N4 y el CdS en el sistema acoplado. El comportamiento fotocatalítico del sistema CdS/g-C3N4 fue evaluado mediante la degradación del antibiótico tetraciclina bajo irradiación de luz UVvis. La figura 7 muestra las constantes de la velocidad de reacción obtenida para cada muestra las cuales fueron calculadas de acuerdo al modelo de LangmuirHinshelwood considerando un orden de reacción similar a la unidad. De acuerdo a los resultados, el nitruro de carbono presentó una velocidad de reacción de 1.04x10-4 s-1. Asimismo, la incorporación de bajas cantidades de CdS incrementó el comportamiento fotocatalítico del sistema hasta la obtención de velocidades de reacción iguales a 1.63x10-4 s-1, siendo este el caso para la muestra con 20 Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Acoplamiento de CdS/g-C3N4 en la degradación fotocatalítica de tetraciclina / Diana Hernández Uresti, et al. Fig. 6. Espectros de reflectancia difusa del sistema acoplado CdS/g-C3N4. Fig. 7. Constantes de primer orden para la reacción de degradación del antibiótico tetraciclina en presencia del sistema acoplado CdS/g-C3N4. un 8% de nanopartículas de CdS. A concentraciones aún mayores (25%), la fotoactividad del sistema CdS/g-C3N4 disminuyó drásticamente, hasta una velocidad de reacción igual a 0.27x10-4 s-1, probablemente a una sobresaturación de nanopartículas de CdS en la superficie del nitruro carbono, sirviendo como puntos de recombinación de los pares hueco-electrón disminuyendo de esta manera la fotoactividad. Ingenierías, Mayo-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 21 �Acoplamiento de CdS/g-C3N4 en la degradación fotocatalítica de tetraciclina / Diana Hernández Uresti, et al. En otras palabras, el fotocatalizador 8% CdS/g-C3N4 mostró un 56% de incremento en la velocidad de degradación del antibiótico tetraciclina comparado con el g-C3N4 sin modificar. La degradación fotocatalítica del antibiótico tetraciclina provee la formación de múltiples intermediarios polares y no polares, tal como ha sido reportado previamente a través de la técnica de cromatografía líquida de alta eficacia acoplada a un espectrómetro de masas (HPLC-MS).15 Estos intermediarios son producidos a través de la escisión de los anillos de la molécula de tetraciclina, los cuales son posteriormente oxidados a moléculas de bajo peso molecular tales como ácidos orgánicos y alcoholes. CONCLUSIONES El presente trabajo reporta la preparación de un sistema acoplado entre los semiconductores CdS y g-C3N4. Para ello, el nitruro de carbono fue obtenido mediante un tratamiento térmico del precursor melamina a 500 °C. La deposición /in situ/ de las nanopartículas de CdS en el g-C3N4 se realizó a través de un método de síntesis bajo irradiación de microondas. El sistema de heterounión fue realizado con diferentes cantidades de CdS con el objetivo de evaluar su efecto en el comportamiento fotoactivo del sistema. La incorporación del sulfuro de cadmio produjo un desplazamiento del borde absorción del gC3N4 hacia longitudes de onda menores, debido a la alta dispersión de las nanopartículas de CdS que cubren la superficie del g-C3N4. Las velocidades de reacción de la degradación del antibiótico tetraciclina mostraron un considerable aumento al pasar de 1.04x10-4 s-1 a 1.63x10-4 s-1, siendo estos resultados la evidencia experimental que confirma el eficaz acoplamiento entre ambos semiconductores. AGRADECIMIENTOS Agradecemos al CONACYT por su apoyo a este trabajo de investigación a través del proyecto 220792, PRODEP por el apoyo al proyecto DSA/103.5/15/6797 y a la UANL por el apoyo del proyecto PAICYT 2015. REFERENCIAS 1. Chong M.N., Jin B., Chow C.W.K., Saint C. Recent developments in photocatalytic water treatment technology: A review. Water Research. 2010. 44: 2997-3027. 2. Kubacka., Fernández-García., Colón. G. Advanced Nanoarchitectures for Solar Photocatalytic Applications. Chemical Reviews. 2012. 112: 1555-1614. 3. Singh, V., Beltran I.J.C., Ribot J.C. Nagpal P. Photocatalysis Deconstructed: Design of a New Selective Catalyst for Artificial Photosynthesis. Nanoletters 2014. 14: 597-603. 4. Kudo A., Miseki Y. Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting. Chemical Society Reviews. 2009. 38: 253-278. 5. Wang, X., Maeda K., Thomas A., Takanabe K., Xin G., Carlsson J.M., Domen K., Antonietti M. 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B Universidad Aeronáutica en Querétaro, Departamento de Posgrados, catya.zuniga@unaq.edu.mx A Resumen Dentro del manejo de almacenes, la recolección de órdenes es uno de los procesos más importantes dentro de una compañía, este proceso representa el 55% de los costos del almacén. Por varias décadas se han realizado diversas investigaciones para lograr una posible solución a este problema en particular. La mayoría de estos estudios se enfocan en el Problema de procesamiento de órdenes por lotes (OBP), el cual es el proceso de consolidar órdenes en lotes en base a sus fechas de entrega, para reducir tiempos y costos mediante la generación de una ruta de secuencias para recolectar los artículos. Este trabajo presenta una formulación diferente del problema, en dónde se compara el efecto de primero procesar los lotes y posteriormente generar una ruta de recolección, contra el proceso de generar los lotes y la ruta mediante una estrategia de ruteo en un almacén real. Palabras clave Almacén, Problema de procesamiento de órdenes por lotes, Optimización. Abstract In warehouse management system, order picking is one of the most important processes in a company; It involves nearly 55% of the warehouse costs. For many decades there have been large investigations and developments of possible solutions for this particular problem. Most of the studies have been focused in the Order Batching Problem (OBP), which is the process of consolidate orders into batches according to its due dates. In order to reduce time and costs, this process generates a sequence and a possible route to pick the items. This work presents a different problem formulation pursuing a progress at OBP solution by comparing the effect of first batching orders using a heuristic and then generate a route, against using route strategies to batch orders, in a real warehouse system. Keywords Warehouse, Order Batching Problem, Optimization. Introduction Warehousing is an important and costly element in the supply chain because it must provide a service on time and satisfy costumer necessities. Its costs represent 24 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz on the verge of 14% to 36% of the final product costs. 1 This cost includes storage, staff, equipment, space associated to it, among others. Although each warehouse is unique, activities within it are similar in all of them. 2 Therefore, in warehouses with mainly manual systems or those with very intensive operation with automated systems; an efficient process is crucial in terms of cost and service provided. Warehouses can be classified according to their main roles in the Supply Chain Management (SCM) in: consolidation centers, cross-dock centers & trans-shipment points. According to Piaw, 3 warehouse processes can be divided in five main phases. The first phase is called receiving process: Large orders arrive by truck or internal transport (in case of a production warehouse). At this stage, the products may be checked or transformed (e.g., repacked into different storage modules) and wait for transportation to the next process. Sometimes, an assignment policy is used to determine the truck allocation to docks. The second phase is called storage process: Incoming articles are placed in storage locations; there are several policies such as, the random storage policy where the location decision is taken by the operator, other is the dedicated storage policy where a particular location is prescribed for each product to be stored. There are also some special areas within the warehouse (e.g. reserved area, where products are stored in the most economical way; or the forward area; where products are stored for easy retrieval by an order picker). If any of these or other areas exists, a storage policy is needed for each space. The third phase is called order picking process: Retrieval of items from their storage locations. The order picking process arises because of the nature of incoming articles volume (i.e. incoming articles are typically received and stored in large volume meanwhile customers’ orders are the combination of several items, articles or products in small quantities). The fourth phase is called checking and shipping process: In the checking process, orders are checked to ensure quality, quantity, labeling customer´s information, accuracy and right condition of the items to be picked; all these characteristics must coincide to orders and due dates. If there is an incomplete or inaccurate order a re-order pricking process should be done until costumer’s requirements are fulfilled. Following this stage, the shipping process is performed enclosing mainly packing and loading, the complete quantity of items must be carried out to any transportation vehicle (e.g. trucks, trains, etc.) in order to be shipped, and consecutively reported to the inventory control. The fifth and last phase that is not always integrated in warehousing but is important to name it because is a crucial point to build an efficient system is the delivery process: This process basically consists in delivering the consignment to the consignee at the agreed time and place. The process must consider the delivery areas, number of destinations convened, different location and number of orders to satisfy the requirement. With this event the order is considered fulfilled, representing the final phase in the warehouse process. 4 It has been stated that the logistic cost of the order picking process is about the 55% of the total warehouse costs, and the time that is invested is up to 50% of the total time of all process 5. In this sense, it is not hard to see that an efficient picking process can reduce cost and time in the warehouse operations and in the supply Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 25 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz chain. This makes the picking process a central issue to develop improvements that would generate direct benefits in the enterprise. The order picking process is well known in the literature as the order batching problem (OBP). It aims to minimize the total processing time while assigning customer orders to batches which can be transformed to determine the optimal composition of batches. OBP is classified as a NP-hard problem 4. Therefore, the decision variables have to be wisely analyzed in order to optimize resources while delivering the products at the right time. The OBP is subjected to diverse constraints such as: orders to be processed, the due dates for each item, the picking method used, the warehouse layout, number of racks, just to mention some of them. Customer orders consist of number of order lines. Each order line represents one product or article that has to be shipped to the customer in a certain quantity called the order line quantity. Those order lines which should be processed together are contained on a picking list. The picking list can be gathered either by the order lines of a single customer order (single order picking or picking-by-order) or may be consolidated, i.e. it can encapsulate or group articles destined for the same customer into picking orders (pick-by-order or batch picking). It is very important in distribution and material warehouses to consider the order’s due date when conforming the order batching. Mainly because the batches schedule transportation to an internal or external location has to be done with certain due dates to avoid delivery and/or production delays, shortage or excess inventory and customer’s dissatisfaction among other situations. If due dates are not considered, orders can be batched inaccurately creating a miscalculate delivery, the merchandise might arrive before or after the time required. Henn 6 defined the tardiness of a customer order as “the positive value between the completion times of a customer order with its due date” meanwhile, the completion time is that time than a picker takes to finish his tour of gathering all items and comes back to the starting point. The OBP can be performed either manually, or automated. Automated systems are more productive and accurate, facilitate order picking and provide added value activities (e.g., picking time is reduced, better customization and regulation of items is improved by labelling them). It represents a viable option for assembly operations, where companies adopt postponement strategies. The disadvantage of these systems is the cost; it is more expensive to have an order picking automated than manually in most scenarios and this is not convenient for the enterprise 6. Within the automated systems, the parts-to-picker systems involve a significant automation of carousels and mini-loads that are linked to a computer control center. The carousels have the responsibility to pick and present the items to pickers in an appropriate sequence; therefore, order pickers do not move within the system. There are different parts-to-picker systems but the most common are the Automated Storage1 and Retrieval Systems (AS/RS), also known as miniloads. These systems use cranes that go from aisles to bounds retrieving one or more unit load (item). Other systems used are the Vertical Lift modules (VLM). They also bring unit loads to the order picker in an automated manner, but in this case, the order picker is responsible for the quantity of each item taken.7 26 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz Manual systems are usually applied in small warehouses where there is not enough space to install machines, and for small items that can be easily handled by an operator. These systems are also cheaper to implement and maintain, but with labor-intensive. Even tough, they are the most common ones used in industry. In manual systems, pickers (person that realize the labor) play an essential part in the system. Basically a picker takes a picking list and travels within the warehouse to complete the list required. 4 There are two types of picker-to-part systems: low- level where items are picked up from storage racks while they travel along the aisles; and the high-level, where the pickers travel to the picking locations on board of a vehicle (normally a fork lift). Once the location has been reached, the truck stops in front of the assigned location and waits for the collecting order. This paper is focused on solving the OBP in a real warehouse system where a preliminary problem is analyzed. Order Batching Problem The manual OBP involves one or multiple agents moving items within a warehouse from their corresponding storage locations to the receiving or shipping area. The order picking normally involves two main phases: batch formation (scheduling customer orders), and route strategies to picking items from their storage locations. Batch formation In a single order picking policy, each order is taken in one picking tour, this situation could be convenient when a small amount of orders are picked. Nevertheless, product movement within warehouses is simplified by consolidating orders into batches. Therefore, an efficient organization of the order batching process is needed when dealing with big amounts of orders from different costumers. The problem of batch formation can be defined as finding the orders of constructed batches to be processed further. This activity should be done before the retrieval process, i.e. picking customer orders is performed. 8 Batching is a popular strategy to improve productivity due to the reduction in order picking travel time. Instead of traveling through the warehouse to pick a single order, the picker completes several orders with a single trip. Hence, the travel time per pick up can be reduced. There are some trade-offs in the order picking process: if batch sizes increase, the flow rates to pick stations will decrease, leading to lower utilization of the stations. On the other hand, a larger number of orders in a batch mean longer service time at pick stations. It also implies a larger batch size and longer queuing time for batch completion and longer processing time in the following process. Therefore an interesting topic is to determine when to batch orders, how to batch orders, and to determine the impact of batch size on the system performance. There are basically two criteria for batching: the proximity of pick locations and time windows. Proximity batching assigns each order to a batch based on proximity of is storage location. The major issue in proximity batching is how to measure the proximities among orders; the objective is to minimize the lead-time Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 27 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz of any batch 9. In the case window batching time; the orders arriving during the same time interval, called a time window, are grouped as a batch, these orders are then processed simultaneously, in the following stages: If the order spitting is not allowed, it is possible to sort items by order during the picking process. Picking strategy is often referred as the sort-while –pick picking strategy, the optimal picking batch size is determined in a straightforward manner. 4 Warehouses operate usually in a first-in first-out (FIFO) basis with respect to the unit loads of a particular item to avoid spoilage and obsolescence of the product held in the unit load in this way. It might be possible reduce the makespan when forming a batch while minimizing delays on customer responses. Once the batch formation has been performed, a routing policy may be needed and an order sequencing. Route strategies The route strategies are defined as the processes of identifying the minimum distance which would be traveled by the picker in a warehouse upon identifying which order should be picked first 9. Therefore, the main objective of the routing strategies is to find an optimal sequence for the items that are on the pick list. This route allows traveling a minimum distance route through the warehouse. The routing problem in a warehouse is a scenario in the Traveling Salesman Problem (TSP). In practice the problem of routing pickers is mainly solved by using heuristics, like the S-Shape, the return method, midpoint method and the largest gap strategy. 10, 17 • The S-Shape heuristic, is a route strategy where all the aisles are visited in an S shape, it is also called the transversal strategy, because the picker enters an aisle from one end and left the aisle from the other end. • Return Method uses a procedure where the dock returns in each pick aisle that contains the items to be picked, therefore it crosses and don´t travel along one single aisle. For the Midpoint method the warehouse is divided in an “artificial” midpoint line, with an upper and a lower section. The picker collects all the items in the upper section, and then it collects the lower section. • The largest gap strategy determines two sections in a warehouse; it is based on the largest distance between two items that are going to be picked. • The midpoint method, this strategy divides the warehouse in two sections, the compilation from the first stage access in the front part of the cross aisle, meanwhile the items located in the other access from the back cross aisle, the picker traverses to the back half by either the last or the first aisle. State of the art The OBP has been analyzed by different authors under two main frameworks: the automatic and the manual system our interest aims the late. An overview of the developments in academic literature can be found in references 6, 11, 13 and 16 to mention some of them. According to Henn, 6 the OBP resolution methods can be classify as: priority rule based algorithms, seed algorithms and saving algorithms. Also in the literature can be find a mix of different techniques and algorithms what we call hybrid algorithms. 28 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz Priority rule based algorithms These algorithms consist on assigning priorities to a certain list of activities, processes or resources. In the OBP, a priority is assigned to every order to be used in a second stage to batch sequentially in decreasing order of priority. A constraint that cannot be violated, is the capacity of the picker device. The most usual rules are Next-fit, First –fit, Best-fit and the First come first served (FCFS) rule. 12 In the next fit rule, it is kept a single active batch at each time, if the next item cannot be packed into the active batch then, the item must wait until a new batch is active to be placed within it. The First fit rule is used when it exist more than one batch available to where an order fits, so the item is always placed into the batch with the lowest index where it fits. The best fit rule is similar to the first fit rule, but it takes in count the batch where the order fist best, considering not only the batch with the lowest index, but also the batch with the width, height and area that fists best. 14 According to Horvat 13, the most straightforward rule is the FCFS because it assigns priorities based on which customer order arrived first and it is not only focused on the depots available. Andrinsyah, et al. 18 uses the FCFS rule in an automated order picking system taking in count two priority rule variants the FCFS and a non-FCFS sequence, proposing a model that aggregates stochasticities that contribute to the flow time performance. The authors conclude that the effect of both policies in combination with the aggregate model gives a flow time in both cases with a good accuracy in prediction of the flow time distribution of products and orders, so this technique is a good alternative for stochastic systems. Also, Henn et al. 19 compares the effect of the FCFS and different batching policies in complement with metaheuristics such as Iterated Local Search (ILS) and the Ant Colony Optimization. It is compared the improvement among these methodologies, taking as an initial point the FCFS algorithm and considering that all customer orders have the same priority, generating a random sequence in customer orders, according to which orders are assigned to each batch. At the end the result presents that the best improvement reduces the length of the picking tours in more than a 20% compared with the FCFS. Seed algorithms The aim of seeds algorithms, also known as construction algorithms, is to make iterative searches using different seeds until there is not a better solution. The basic idea behind this technique is to use a seed order (initial order) to be first selected based on seed selection rules for a batch and afterward unassigned orders are added into the batch according to order addition rules until the order picker is filled to capacity. In the OBP, this algorithm constructs batches sequentially and in two phases. The first phase consist on choosing an order that is going to be the seed, according to the seeds selection rule, in the second phase, the additional orders must be added to the batch according to the rule named accompanyingorder selection rule, until there are no orders left to be added without violating the capacity restriction. 13 Elsayed et al. 16 present the use of this algorithm in OBP. The algorithm generates batches in two phases, in the first one a seed order is chosen according Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 29 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz to the seed selection rule (distance to the original point), and in the second phase, the additional orders are added to the batch until there are not orders left to add and according to the constrains, so that the batches are constructed until all customer orders have been assigned to a batch, in the study the algorithm develops an improvement in the OBP. There is another study presented by Pan and Lio 18 where there are compared 17 different algorithms, using four seed selection rules and four order addition rules for the order batching problem, making a combination of seed selections with other heuristics. As result they obtain that the minimum travel time is obtained with the seeds rules Saving algorithms These kinds of algorithms are based on the notion of saving from the work of Clarke and Wright (C&W) 19 which was first applied to the vehicle routing problem (VRP). Saving algorithms were born from the idea of time/distance saving that can be obtained by combining two orders in one picking tour as compared to the situation where both orders are picked individually. These algorithms look for the time/distance reduction travelled when orders are picked in the same tour. Orders are added to batches according to the largest saving without violating the capacity of the picker device. Savings are recalculated every time an order is added to a batch or two batches are joined together 12. There are two main versions of the C&W algorithm: the parallel and the sequential version. In the parallel version, it is built more than one route at a time, considering that the capacity of the picker device is not exceeded; on the other hand, the sequential version builds only one route to pick items without overpassing the capacity of the picker device, using booth is very useful in OBP, depending on the case. 14 Hybrid algorithms The state of the art of different authors that had proposed a solution for the OBP, is presented using the previous algorithms and other simulation or optimization tools for the solution in different picking systems. In the work of Elsayed et al. 15 is developed an efficient procedure for sequencing, batching and processing in AS/RS system, where the objective was minimize the sum of the earliness and tardiness penalties in the batches and sequence orders, they used a bisectional search method to sequence the orders, seed algorithms to make the batches and for determining the time for the S/R machine. They used the Weighted Absolute deviation problem, when they got the results of each one, a formula was applied, they call it the traffic congestion ratio (TCR), this must be close to 1. De Koster et al. 16 searched to minimize the total travel time with a robust algorithm, simple enough to use in practice. It is used FCFS, and three different types of C&W, the Equal algorithm to select a combination of two orders as a seed. Small-large (SL) algorithm makes a distinction between large orders and small orders for the batch formation, and as route strategies there where used S-shape and Largest Gap heuristic. A comparison between them was done and the best result was the C&W methodology in combination with the largest gap heuristic with an improvement of the 24% in the travel time. 30 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz The research of Roodbergen and De Koster 17 considered only the routing problem, where different routing methods in a warehouse were compared and analyzed with more than two cross aisles. They used a Branch and bound algorithm in combination with a new heuristic called the +Combined, incorporating a dynamic programming, this technique is compared with an Aisle-by-aisle heuristic, a Travel Salesman Problem (TSP) algorithm, S-shape and Largest gap heuristic. The best result was obtained with the +Combined, combined heuristic. Henn et al. 6 searched and optimal solution for the Order Batching and Sequencing Problem (OBSP), where they focused on minimizing the tardiness for a set of customer orders. This research was based on an Earliest Due Date (EDD) rule, an Iterated Local Search (ILS) and the Attribute-Based Hill Climber (ABHC) for the batch formation with a subsequent comparison between them. The S-shape and Largest gap heuristics were used to create the routes. The ABHC, chooses the initial solution in the neighborhood structure and then a set of attributes, the customer orders are added by pairs, the best result was obtained with the ILS, presenting an improvement of 46% in the tardiness. Azadnia et al. 11 aim to develop a model that reduces the orders procedure time and the travel time in the order picking procedure. This research applied Mining Association Rules with Weighted Items (MINWAL) to assign different priorities to customer orders according to the due dates. A calculation of the initial number of batches was performed by binary integer programming. Once a feasible solution is founded, a Genetic Algorithm (GA) with TSP is applied to solve the picker routing problem. The GA with Sequencing is used for the batch sequencing problem, the called this the ATGH model. As a result the ATGH make and improvement of 68.11% in the reduction time. Model formulation A given enterprise offers the storage and distribution of food products with temperature control, it counts with a storage capacity of 7,000 tons, in 28 freezing chambers, in temperatures from -50°c TO -18°C, for our study case we are focusing only in one of this freezing chambers, aiming to solve the OBP for this particular case, where the due date of the product is one of the priorities of the process together with the optimization of the picking process. In order to develop the research; it is taken in count the warehouse of the enterprise with their physical attributes. These characteristics are described in the following design. As showed in Figure 1, the warehouse is composed by 10 aisles each one with 10 divisions, and 3 floors within each division, hence, the warehouse can store 100 different items with a maximum capacity of 20 items per division. The total capacity of the warehouse is 2,000 items. The warehouse area is 18 m x 20 m depth. Each division has 1.20 m at front and 1 m depth, so each aisle is 12 meter of length and 1.0 depth. Between each aisle there is a 2 m hall. There are two aisles at the right and left end of the area that only have access from one side of the hall. The depot is located at the left side of the warehouse. The model is formulated under the following assumptions: • The warehouse and the distance between each article are considered symmetrical. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 31 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz Fig. 1. Warehouse layout. • There is only one vehicle with a maximum capacity of 50 items in all cases. • The weight of the items is not taking into account. • The velocity of the picker is not considered. • The time of the picker to pick the items is contemplated as 0. For the OBP, the model and heuristics were contemplated as follows: Batch formation Among the most common priority rules, the time window batching considered is the Earliest Due Date, which consists on making a list of the items according to the costumers’ necessities, where the batch is produced. The objective is to make a batch list where two basic restrictions are taking into account. The first is the item due date or the expiration time, depending on the case. The second restriction is the capacity of the vehicle, when the capacity of the vehicle is at the limit and the items with the shortest date are in the batch this must be close and a new batch begins. For this work it is taken in count a variant of the EDD rule that was applied to a warehouse with perishable articles called, the Earliest Due Date with Expiration Time (EDDET). Where the expiration date is considered instead of its due date, the constraints with the shortest expiration date and the vehicle capacity is estimated. Route strategy There are different methods to realize the route strategy, in the present project the S-shape heuristic is used, and in a second stage, the mathematical model form Toth20 the CVRP. The S-shape, heuristic was used to create the matrix of distance among each article creating a route with the form of an S, this matrix was integrated inside the model. 32 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz CVRP The CVRP which aims to minimize the total travel distance was used to create the picker route. This model uses the following nomenclature: n: Number of customer orders j: set of customer orders, where j ={1,2, … ,n} i: set of articles, where i ={1,2, … ,n} c: distance from article i to customer order j. It was considered the Symmetric Capacitated Vehicle Routing Problem (CVRP) model used to solve the route is the one purposed by Toth and Vigomin14 =which aims to minimize the total travel distance. This is subject to the following constraints: (2) And (3) are the constraints imposing that exactly one arc enters and leaves each vertex associated with a customer, respectively. Constraints (4) and (5) impose the degree requirements for the depot vertex. The constraint (6) impose the capacity- cut constraint imposing the connectivity of the solution and the vehicle capacity requirements. The equation (7) aims to eliminate sub tours in the route. The constraints (8) and (9) impose the capacity and the connectivity requirements, also eliminating insolated sub tours. (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 33 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz Instances The software used for the solution of the problem was LINGO. For this particular problem we analyze the output history in the freezing chamber to create the instances from an ABC analysis, in order to obtain the 30 articles with more demand in the warehouse, this articles were selected to create the instances, the results of the ABC analysis can be seen in table I. Table I. Results ABC. No. Kg % %ACUM CLASS 1 4118 0.44127 0.44127 A 2 1691 0.18120 0.62248 A 3 1411 0.15120 0.77368 B 4 315 0.03375 0.80743 B 5 289 0.03096 0.8384 B 6 211 0.0226 0.86101 B 7 168 0.0180 0.87901 B 8 118 0.01264 0.89166 B 9 117 0.0125 0.90420 C 10 77 0.00825 0.91245 C 11 76 0.00814 0.92059 C 12 75 0.00803 0.92863 C 13 70 0.00750 0.93613 C 14 54 0.00578 0.94192 C 15 50 0.00535 0.94727 C 16 36 0.00385 0.95113 C 17 33 0.00353 0.95467 C 18 33 0.00353 0.95820 C 19 32 0.00342 0.96163 C 20 32 0.00342 0.96506 C 21 30 0.00321 0.96828 C 22 27 0.00289 0.97117 C 23 25 0.0026 0.9738 C 24 21 0.00225 0.97610 C 25 20 0.00214 0.97824 C 26 20 0.00214 0.98039 C 27 20 0.00214 0.98253 C 28 20 0.00214 0.98467 C 29 20 0.00214 0.98681 C 30 19 0.00203 0.98885 C Three different instances where analyzed in the same warehouse were the capacity established is 100 different items, and each instance has 30 articles selected from the ABC, with a variable demand of 66, 60 and 62 items, respectively , in the first instance the 30 articles are taken from the the ABC analysis, the second instance, has only 14 items from the ABC and the rest are taken from the 100 different items that the warehouse store. 34 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz In the first part of the experiment EDDET was applied to the three instances with the variation of demand in the 30 articles. Two batches were obtained per instance due to the vehicle capacities, and then a route was made using the CVRP, for bout of them, as shown in the example of Table I. The second experiment, only generated the route with the CVRP for the 3 instances, where the batch formation was obtained as part of the result of the model, as shown in the figures 2, 3 and 4. In table II it can be seen the numerical results in each scenario, where distance and number of items per batch can be compared. Also the percentage of improvement at each instance per batch and per route is showed. The costs associated per item out of its due date and out of its expiration date are showed in comparison with the costs associated to the total distance per instance. Fig. 2. Results for the first instance. Fig. 3. Results for the second instance. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 35 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz As it can be seen in the case of the EDD +VRP, the total distance traveled with two routes created was 303.5 m picking up all the items, in comparison with the EDDET+VRP with a distance obtained of 214.5 m. It is important to highlight that in both cases the number of items per batch is the same. In the case of the VRP the total distance traveled is 174.2 m and the items got per batch are 19 and 47, respectively. Therefore, the VRP presents an improvement of 43% in the total distance, and effectiveness in the batch formation of 94% is accomplished. Also, EDD and EDDET rules provide a performance improvement in batch formation; because the vehicle capacity is properly used in comparison with make the batches only with the VRP adding a capacity constraint to the model. Table II. Example of the batch formation with EDDET. Order of picking /Batch formation 36 For VRP Item Demand Dude date Batch Number Item Demand 5 3 15 1 5 3 8 2 15 1 8 2 12 4 16 1 12 4 77 1 16 1 77 1 14 4 17 1 14 4 20 1 17 1 20 1 93 1 17 1 93 1 97 3 18 1 97 3 24 1 18 1 24 1 29 2 19 1 29 2 30 2 19 1 30 2 38 1 19 1 38 1 75 3 20 1 75 3 39 1 21 1 39 1 40 1 22 1 40 1 41 3 22 1 41 3 45 2 24 1 45 2 46 2 24 1 46 2 74 5 24 1 74 5 78 3 25 1 78 3 90 4 25 1 90 4 85 1 26 1 85 1 48 1 27 2 48 1 50 2 27 2 50 2 60 2 29 2 60 2 61 2 29 2 61 2 63 2 29 2 63 2 68 4 29 2 68 4 66 2 30 2 66 2 91 1 33 2 91 1 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz Fig. 4. Results of the third instance. In the opposite case the VRP model provides the best minimization of the total distance, but with poor performance in batch formation, this result is because the vehicle capacity is not exploited properly. Taking into account the costs associated to each procedure, it is more costly for the enterprise to have a bad performance in the batch formation. These events are the extra costs related to those items out of expiration time and those with items out of due date that are not moved on time in comparison with investing at improving the distance traveled to make a batch properly. This exercise provides a good approach to OBP problem where the batch formation and a convenient route to make a batch are considered. As it was stated before, the optimal applied method depends on the warehouse necessities. Conclusions It is important to have an efficient picking system in any company where a warehouse is related. The warehouse has a high impact in the supply chain. This project shows methods to improve the batch formation and the distance traveled within a warehouse by using the most common methods, where a distance reduction and an efficient batch formation was obtained. It can be observed possible benefits for an enterprise by applying these different methods. References 1. Estrada, S., Ballesteros, P., and Restrepo, L. Análisis de los costos logísticos en la administración de la cadena de suministro, Scientia et Technica, 2010, 15 (45), 272-277. 2. Croucher, P., Rushton, A., and Oxley, J., Handbook of Logistics and Distribution Management, Kogan Page, London, 2000, 669 pages. 3. Piaw, C., Ou, J., and Goh, M., Impact on Inventory costs with consolidation of distribution centers, IIE Transactions, 2001, (33), 99-110. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 37 �Optimization for Order Batching Problem using Scheduling and Route... / Alicia Vergara Flores y Catya Atziry Zuñiga Alcaraz 4. De Koster, R., Le-Duc, T., and Roodbergen, K., Design and control of warehouse order picking: A literature review, European Journal of Operational Research, 2007, 182(2), 421-501. 5. 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Campus CUJAE. Marianao, La Habana, Cuba emgomez@uci.cu A B RESUMEN El mantenimiento juega un papel importante en el logro de los objetivos de cualquier empresa. Los análisis de criticidad de activos son un instrumento que permiten establecer jerarquía o prioridades de procesos, sistemas y equipos, creando una estructura que facilita la toma de decisiones acertadas para lograr una mejor priorización de los programas y planes de mantenimiento. Un análisis de criticidad realizado sobre una herramienta informática permitirá contar con una fuente de datos históricos más completa y unificada. Los cálculos de criticidad pueden ser registrados para poder realizar comparaciones para evaluar la calidad de las decisiones tomadas. Este trabajo presenta el desarrollo de una herramienta para la toma de decisiones a través del análisis de criticidad utilizando modelos matemáticos ya validados en diferentes contextos operacionales. PALABRAS CLAVE Mantenimiento, criticidad, activos, modelos, informática. ABSTRACT Maintenance plays an important role in achieving the goals of any company. The critically analyzes of assets are a tool that establish hierarchy or priority of processes, systems and equipment, creating a structure that facilitates making accurate and effective decisions, for better prioritization of programs and maintenance plans. A criticality analysis performed on a computer tool will have a source of complete and unified historical data, calculations of criticality can be registered to make comparisons to evaluate the quality of the decisions taken. This paper presents the development of a tool for decision making through analysis of criticality using existing mathematical models already validated in different operational contexts. KEYWORDS Maintenance, criticality, active, models, computing. INTRODUCCIÓN En la actualidad el mantenimiento juega un papel importante en el logro de los objetivos de cualquier empresa, el mismo necesita ser analizado como un grupo Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 39 �Herramienta informática para el análisis de criticidad de activos: Modelos... / Erich Mario Gómez Pérez, et al. de técnicas y sistemas de gestión que tienen consecuencia directa en la eficiencia de los procesos productivos, la reducción de los costos y calidad del producto con el objetivo de la satisfacción del cliente. Por tanto se puede definir como mantenimiento: el conjunto de técnicas o tecnologías que aseguran la correcta utilización de las instalaciones y el continuo funcionamiento de la maquinaria para conseguir a un costo competitivo la disponibilidad de los activos productivos.1 La confiabilidad de un activo se define como la probabilidad de que un equipo o sistema opere sin falla por un determinado periodo de tiempo, bajo unas condiciones de operación previamente establecidas. 2 La confiabilidad operacional es la capacidad de una instalación o sistema (integrados por procesos, tecnología y gente), para cumplir su función dentro de sus límites de diseño y bajo un contexto operacional específico. Tiene grandes ventajas para las empresas como: reducción de los tiempos de parada programadas, mejora la calidad de los procesos y servicios, entre otros; es por esto que una de las herramientas del sistema integrado de confiabilidad es el análisis de criticidad. Existen otros enfoques de mantenimiento con los cuales se han obtenido muy buenos resultados, uno de ellos es el: Mantenimiento centrado en la confiabilidad (RCM, por sus siglas en inglés), el cual propone dentro de una de las primeras acciones a realizar , identificar mediante una lista jerarquizada la prioridad de cada sistema, subsistema o equipo.1 Además combina prácticas y estrategias de mantenimiento correctivo, preventivo, predictivo y detectivo con la finalidad de maximizar la disponibilidad de los activos. El objetivo de un análisis de criticidad es establecer un método que sirva de instrumento de ayuda en la determinación de la jerarquía de procesos, sistemas y equipos. En el mantenimiento al tener bien definido cuales son los sistemas más críticos se pueden tomar decisiones sobre la priorización de los programas y planes de mantenimiento, así como priorizar la programación y ejecución de las ordenes de trabajo, identificar un buen plan de inspección, cual debe ser el nivel de equipos y piezas de repuesto que debe contar el almacén, potenciar el adiestramiento del personal enfocado a las áreas más criticas. 3 Con el análisis de criticidad se genera una lista ponderada de los elementos más críticos hasta el menos crítico realizando una diferencia entre los activos: Alta criticidad, media criticidad y baja criticidad. Las ecuaciones más conocidas son:1 Criticidad = Consecuencia * Probabilidad de Ocurrencia * Detectabilidad Los pasos para realizar un análisis de criticidad son los siguientes: (1) ► Definiendo un alcance y propósito para el análisis. ► Estableciendo criterios de importancia. ► Seleccionando un método de evaluación para jerarquizar la selección de sistemas objeto del análisis. Identificando diferentes criterios los cuales pueden ser: ► Seguridad, ambiente, producción, costos (operaciones y mantenimiento), frecuencia de falla, tiempo promedio para reparar. 40 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 �Herramienta informática para el análisis de criticidad de activos: Modelos... / Erich Mario Gómez Pérez, et al. Para poder realizar el cálculo de la criticidad se deben transformar los criterios en valores cuantitativos que permitan poder clasificar los sistemas, subsistemas o equipos objetivamente y que el mismo sirva para poder comparar los criterios entre ellos.1 El análisis de criticidad se define como: metodología que permite establecer la jerarquía o prioridades de procesos, sistemas y equipos, creando una estructura que facilita la toma de decisiones acertadas y efectivas, direccionando el esfuerzo y los recursos en áreas donde sea más importante o necesario mejorar la confiabilidad operacional, basado en la realidad actual.4-6 El análisis de criticidad se debe basar en modelos matemáticos ya contextualizados, debido a la importancia de obtener resultados verídicos y acordes al contexto analizado. Por tal razón surgen los modelos de criticidad personalizados referidos a un contexto operacional específico.6 En la literatura se reconocen diferentes modelos como son: Análisis de criticidad de los subsistemas, objetos de mantenimiento en una instalación hotelera,1 análisis de criticidad personalizado de las plantas eléctricas de grupos electrógenos de la tecnología fuel oil en Cuba,3 formulación y validación de una expresión para el análisis de criticidad del parque de equipos especiales de aeropuertos ,1 obtención y validación de un modelo para el análisis de criticidad de equipos en plantas de producción de productos biológicos,6 los cuales pueden ser llamados a partir de ahora modelos de criticidad personalizados.1 Cada uno de los modelos de criticidad antes mencionados presenta como característica su adaptación según el contexto operacional de los activos en los cuales fue validado, por lo que podemos decir que son personalizados según las necesidades de aplicación. Estos modelos se encuentran de manera independiente, los cálculos para el análisis de criticidad se deben realizar de forma manual o haciendo uso de soluciones particulares sobre hojas de cálculo, proceso que se torna laborioso por la cantidad de cálculos con la posibilidad de errores. Los resultados están orientados de modo independiente y sin relacionarse con otros sistemas externos y no se cuenta con una fuente de información única que permita realizar análisis con los históricos de criticidad para identificar el comportamiento de la jerarquía de los activos en el tiempo. Un análisis de criticidad realizado sobre una herramienta informática permitirá contar con una fuente de datos históricos más completa y unificada, los cálculos de criticidad pueden ser perdurados en el tiempo para poder realizar comparaciones y que los mantenedores tomen decisiones acertadas. Se tendría en una sola herramienta todos los modelos de criticidad antes mencionados, así como una base de datos única. Las herramientas informáticas identificadas para este trabajo que se encuentran disponibles en la literatura son las siguientes: Sistema de confiabilidad integral de activos (SCIA) Sistema desarrollado por la Universidad de las Ciencias Informáticas (UCI) y un equipo de PDVSA uno de los módulos llamado “Herramientas Integrales de Confiabilidad Operacional” consiste en un conjunto de metodologías organizadas en tres etapas: Etapa I (Diagnóstico), Etapa II (Control) y Etapa III (Optimización). Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 41 �Herramienta informática para el análisis de criticidad de activos: Modelos... / Erich Mario Gómez Pérez, et al. En la primera etapa de diagnóstico se realiza una estimación de los niveles de criticidad de los grupos de equipos con la integración de la metodología de Ciliberti, mantenimiento basado en criticidad y las normas API 580 y 581 para equipos estáticos. La combinación de todas ellas se unificó en un solo método, que lleva por nombre: análisis de criticidad integral de activos (ACIA). El ACIA es una metodología “semi-cuantitativa” para dimensionar el riesgo que permite establecer jerarquías o prioridades de instalaciones, sistemas, equipos y dispositivos (ISGEE), de acuerdo a una figura de mérito llamada “criticidad”; que es proporcional al “riesgo”: La criticidad se calcula mediante la siguiente ecuación Criticidad = Fuerza de Falla * Impacto (2) Riesgo = Probabilidad de Falla * Consecuencia (3) Los productos del análisis de criticidad son: ► Lista jerarquizada por “criticidad”. ► Matriz de riesgo; con la calificación del riesgo asociado a cada ÍTEM analizado. SCIA utiliza un repositorio de información unificado (RIU) el cual es el insumo principal de esta aplicación; este repositorio está desarrollado bajo un formato estandarizado según los requerimientos del software y es creado por los usuarios debidamente autorizados para el acceso a la creación y/o modificación de la data.7 El software SCIA presenta varias desventajas las cuales se relacionan a continuación: ► Fue realizado específicamente para el contexto de PDVSA. Venezuela. ► No presenta desarrollado otros modelos de criticidad personalizados. Cuidado integral de activos (IAC) Es una metodología creada en Maracaibo, estado Zulia, Venezuela. La cual es una combinación de las metodologías análisis de criticidad, nivel I de inspección basada en riesgos, mantenimiento centrado en confiabilidad (MCC) y optimización costo riesgo. Para realizar el análisis de criticidad la metodología cuenta con una herramienta creada en formato Excel la cual brinda una lista jerarquizada de equipos en función del riesgo a partir de varios cálculos. 8 El análisis de criticidad para mejorar la confiabilidad operacional Es una metodología para realizar el cálculo de la criticidad de equipos en PDVSA E & P Occidente, Venezuela. Utiliza una herramienta en formato Excel para recolectar los datos con las ponderaciones de los criterios a tener en cuenta, los cuales son: frecuencia de falla, impacto operacional, tiempo promedio para reparar (TPPR), costo de reparación, impacto en seguridad e impacto ambiental. A través de una fórmula se relaciona la frecuencia de falla por consecuencia para proponer un valor de criticidad que posteriormente se grafica en un diagrama de barras. La distribución de barras, en la mayoría de los casos, permitirá establecer de forma fácil tres zonas específicas: Alta criticidad, mediana criticidad y baja criticidad.2 42 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 �Herramienta informática para el análisis de criticidad de activos: Modelos... / Erich Mario Gómez Pérez, et al. Estas herramientas en formato Excel son utilizadas por las dos metodologías antes descritas, presentan como desventaja su implementación en formato hoja de cálculo y es debido a que los datos no se encuentran recogidos sobre una base de datos centralizada que permita tener la información histórica actualizada a la hora de ser consultada por diferentes sitios. Es decir, cada mantenedor contará con una versión de los datos a analizar. El estudio y análisis de estas herramientas permitió identificar la necesidad de crear una herramienta informática para el análisis de criticidad que contenga varios modelos que puedan ser usados por las áreas o personal de mantenimiento para la jerarquización de sus sistemas, subsistemas o equipos, para poder tomar decisiones y trazar mejores estrategias de mantenimiento en las organizaciones. Por tanto se tiene como objetivo de la investigación desarrollar una herramienta informática para el análisis de criticidad basada en los modelos personalizados que permita unificar la información de la jerarquización de instalaciones, equipos y sistemas. Materiales y métodos o metodología computacional Para el desarrollo de la herramienta se estudiaron cada uno de los modelos de criticidad personalizados para lograr una mejor comprensión de cada ecuación matemática definida. Es importante destacar que cada uno de estos modelos se encuentran validados a través de su aplicación en su contexto operacional. Modelo de criticidad de los subsistemas objetos de mantenimiento en una instalación hotelera Función de Criticidad : C = f * c (4) Donde: /C/es criticidad, /f/es la frecuencia de fallo y /c/ es la consecuencia de los fallos. Al desglosar la ecuación según las variables que definen la consecuencia y los niveles de significación asignados por expertos (20% a la pérdida de servicio, 10% a las penalidades y 70% a la perdida de imagen) la función final queda de la siguiente manera: C = f * ( 2 * PS + 1 * PN + 7 * PI ) (5) PS = ps + cps (6) PN = pn + cpn (7) PI = pi + cpi (8) Donde: /ps/ es pérdida del servicio, /pn/ son las penalidades, /pi/ es la pérdida de la imagen, /cps/ es la confiabilidad de la pérdida de servicio, /cpn/ es la confiabilidad de las penalidades y /cpi/ la confiabilidad de pérdida de imagen. Modelo de criticidad personalizado de las plantas eléctricas de grupos electrógenos de la tecnología fuel oil en Cuba C = FF * {[ ( CP * TPPR * IP ) + I.O.S ] * R + ( CR + IA + I.S.S.P )} * D.t.t (9) Consecuencias: capacidad Productiva (variable intrínseca de cada sistema).(CP), impacto a la producción.- (IP), tiempo promedio para reparar. (TPPR), Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 43 �Herramienta informática para el análisis de criticidad de activos: Modelos... / Erich Mario Gómez Pérez, et al. incumplimiento con el objeto social. (I.O.S), redundancia. (R), costos de reparación.- (CR), impacto ambiental (IA), impacto a la salud y seguridad personal. (I.S.S.P) y detectabilidad.(D.t.t) Por la complejidad de algunas instalaciones se hace necesario determinar además un modelo que determine la complejidad: Complejidad = C.P + C.M + C.U (10) Donde: complejidad productiva (C.P), complejidad mecánica (C.M) y complejidad ubicacional (C.U). Modelo para el análisis de criticidad del parque de equipos especiales de aeropuertos El análisis de criticidad de este sistema queda conformado con la mayor cantidad de equipos diferentes recopilados según la bibliografía consultada (sistema de pasajeros, servicio de extinción de incendios, servicio de cargas y equipajes, servicio de aeródromos, servicio de aeronaves y servicio de combustibles. Cada uno de los criterios de evaluación definidos en la ecuación son puntuaciones definidas por los expertos. C=FF*[(NT*Ir*TPPR*Impacto itinerario)+Costo rep.+IS+Impacto M.A] (11) Donde: /FF/ es Frecuencia de Fallo, /NT/ es Niveles de tráfico y /IS/ es Impacto en la Seguridad Modelo para el análisis de criticidad de equipos en plantas de producción de productos biológicos I.C = ( A * Severidad ) * FF * (B* Detectabilidad) (12) Severidad = Impacto Seguridad + Impacto Ambiental + Impacto Productivo (13) Donde: /I.C/ es Criticidad y /FF/ es Frecuencia de falla Los coeficientes /A/ y /B/ afectarán los índices a los que están asociados A=2 producto a que estas categorías presentan un mayor impacto en el índice de criticidad, los mismos tiene un mayor grado de incidencia en la clasificación en dichas plantas B=0.2 producto a que los activos presentan buena instrumentación, da un criterio del estado del proceso,por lo que si /B/ fuera un número entero falsearía los resultados a obtener. I.C = C.P + C.M + C.U (14) Donde: I.C es complejidad 1. Complejidad productiva (C.P): Evalúa cuan complejo es el activo en su manipulación y el nivel de preparación que debe tener el operador para poder trabajar con el mismo. 2. Complejidad mecánica (C.M): Nos brinda un indicador del grado de preparación que debe tener el personal de mantenimiento para ejecutar alguna acción sobre el equipo que se evalúa. 3. Complejidad ubicacional (C.U): Existen áreas certificadas que su acceso es a través del transfer, con los inconvenientes que conlleva para el personal de 44 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 �Herramienta informática para el análisis de criticidad de activos: Modelos... / Erich Mario Gómez Pérez, et al. mantenimiento cumplir con las reglamentaciones de esta acción, por lo que la atención a estos activos se hace más complicado. 6 La base tecnológica de dicha herramienta se encuentra sobre el marco de trabajo Sauxe, desarrollado por el departamento de Desarrollo de Componente del Centro de Informatización de Entidades (CEIGE), compuesto en su totalidad por tecnología libres y apostando a la independencia tecnológica, el mismo esta compuesto por: Vista: Capa de presentación y la lógica de presentación. En la misma se maneja todo el flujo web. Las vistas son los recursos que le permiten al cliente visualizar la información. El framework utilizado es Extjs 3.4. Controlador: El framework utilizado es ZendFramework. Modelo: El framework utilizado es PHP Doctrine como framework de acceso a datos. Gestor de Base de datos: PostgreSQL 9.1. 9 Lenguaje de programación: PHP 5. Tecnología: AJAX. La arquitectura es basada en componentes, utilizando dentro de cada componente el estilo arquitectónico modelo-vista-controlador. Creando un componente por cada modelo implementado, esto proporciona la ventaja que al surgimiento de nuevos modelos puedan integrarse fácilmente. El entorno de despliegue está compuesto por una arquitectura cliente-servidor, donde en el Cliente la aplicación se ejecuta a través de un navegador web, en este caso se debe usar el Mozilla Firefox sobre cualquier sistema operativo (se sugiere GNU/Linux, en específico la distribución de Ubuntu para estaciones donde se conectarán dispositivos externos). En el Servidor Web radica la lógica de negocio de la aplicación. Servidor Web Apache2. Utilizando el lenguaje PHP. Por último el Servidor de Base de datos sobre PostgreSQL 9.1. 10 RESULTADOS Y DISCUSIÓN La herramienta se encuentra estructurada por componentes los cuales conforman cada uno de los módulos del sistema, esto brinda la ventaja de poder utilizar cada componente en dependencia de las necesidades del cliente, cada uno corresponde a un modelo personalizado de análisis de criticidad de activos llamados: Planta de Bioproductos, Grupos Electrógenos Fuel Oil, Equipos Especiales Aeropuerto, Hotel Parque Central, Planta de Coque. Una vez seleccionado el modelo a utilizar se pueden importar todos los activos para realizar el análisis de criticidad. Como se puede apreciar en la figura 1, también se realiza un análisis de complejidad esto es debido que en algunos contextos operacionales es complejo realizar el mantenimiento. La complejidad mecánica y productiva son indicadores esenciales para la toma de decisiones. También se evidencian otras funcionalidades como historial de criticidad por activo, gráficas que muestran de forma interactiva los resultados, así como el listado de activos ordenados desde mayor a menor criticidad. Para realizar los cálculos de criticidad y complejidad se especifica en la herramienta el valor de cada uno de los indicadores, tomando como ejemplo Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 45 �Herramienta informática para el análisis de criticidad de activos: Modelos... / Erich Mario Gómez Pérez, et al. el cálculo de criticidad en Plantas de Bioproductos (figura 2). Cada uno de los valores representa un número ponderado que llevado a la formula de criticidad y complejidad se obtiene como resultado el valor del activo en los dos aspectos. La figura 3 muestra los resultados de la evaluación de la aplicación del modelo de criticidad para todos los activos importados a la herramienta. Por medio de una gráfica de barras donde se pueden observar los equipos más críticos determinados por encima de la media total, se muestra la criticidad numérica vs. referencia de cada activo. Fig. 1. Funcionalidades de la herramienta. Fig. 2. Cálculo de criticidad. Fig. 3. Análisis de criticidad. 46 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 �Herramienta informática para el análisis de criticidad de activos: Modelos... / Erich Mario Gómez Pérez, et al. En función del contexto operacional los criterios que son utilizados para calcular el índice de criticidad y de complejidad presentan el mismo nivel de importancia por tal motivo se realiza un análisis de criticidad versus complejidad. Los valores que se obtienen del resultado de la aplicación de los modelos de criticidad y complejidad se ordenan en una matriz (figura 4), donde los valores medios permiten establecer el contenido de los cuadrantes de dispersión de los activos ubicando los activos de mayor impacto en la criticidad y complejidad en el cuarto cuadrante. Fig. 4. Criticidad vs complejidad. Ventajas de la herramienta: • El histórico de los valores de criticidad y complejidad que brinda la herramienta para realizar análisis de la variación del impacto de los activos en dependencia de sus funciones. • La aplicación de los modelos es menos compleja para el usuario final. • La información se encuentra almacenada en una base de datos única. • Los resultados se obtienen a través de reportes y gráficas que contienen información más interactiva y completa que ayudan a una mejor toma de decisiones. CONCLUSIONES Se demostró la factibilidad de contar con una herramienta informática que integre todos los modelos de criticidad personalizados. Dicha integración garantiza que la información se encuentre almacenada en una base de datos única que pueda ser usada para la toma de decisiones por los ingenieros en mantenimiento. La herramienta permite de forma sencilla la integración de nuevos modelos de criticidad personalizados por su implementación basada en componentes. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX No. 71 47 �Herramienta informática para el análisis de criticidad de activos: Modelos... / Erich Mario Gómez Pérez, et al. AGRADECIMIENTOS Al Centro de Estudio de Ingeniería en Mantenimiento perteneciente al Campus CUAJAE. grupo de investigación de confiabilidad operacional. REFERENCIAS 1. Castillo-serpa, Alfredo del, Brito-Ballina, M.L. and Fraga-Guerra, E. Análisis de Criticidad Personalizados. Septiembre-diciembre de 2009. 25 April 2009. vol. 12, no. 3, Figura 3. 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El objetivo de estimar el voltaje en el punto de falla, es utilizar ese dato para mejorar la precisión de los algoritmos de localización de fallas de un solo terminal, sin la necesidad de utilizar un canal de comunicaciones para conocer la información de voltaje y corriente en el extremo opuesto de la línea de transmisión. PALABRAS CLAVE Estimación del voltaje, línea de transmisión, Newton Raphson, acoplamiento mutuo, fallas. ABSTRACT This paper proposes an algorithm capable to estimate the fault voltage at the fault point in a transmission line. The Newton Raphson method uses the voltage and current fundamental components measured from the TP’s and TC’s to calculate the fault voltage with reference to one-terminal of the transmission line. The goal of the fault voltage estimate is to improve the accuracy of the one-terminal algorithms for locating faults by using this value without need to use a communication channel to know the voltage and current at the remote end of the transmission line. KEYWORDS Voltage estimate, transmission line, Newton Raphson method, mutual coupling, faults. INTRODUCCIÓN Las líneas de transmisión están constantemente sujetas a fallas debido a descargas atmosféricas durante tormentas eléctricas, por contactos con flora y fauna cercanos a los derechos de vía, así como daño en las cadenas de aislamiento por ruptura o contaminación.1 Debido a esto el sistema eléctrico de potencia disminuye su capacidad para transmitir energía, lo que afecta a los usuarios de Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 49 �Algoritmo de estimación del voltaje de falla en líneas de transmisión / Raudel Vela Haro, et al. la red eléctrica. La desconexión de una línea de transmisión debido a una falla, además de generar pérdidas económicas debido a la energía no suministrada a los consumidores, implica llevar el sistema de potencia a una condición crítica de operación, que, en caso de mantenerse, puede ocasionar un disturbio de área amplia.2 Los algoritmos para localización de fallas de un solo terminal en líneas de transmisión basados en la medición de impedancia, son algoritmos sencillos y capaces de proporcionar una respuesta bastante acertada sobre estas ubicaciones.3 Estos algoritmos son creados para utilizar los voltajes y corrientes medidos por el localizador de fallas colocado en una terminal de la línea de transmisión. El objetivo es procesar los datos de voltaje y corriente en los periodos de prefalla y falla y asi determinar el lugar donde ocurrio la falla. Como estos algoritmos utilizan información de un solo extremo de la línea, tienen un error de estimación de ubicación mayor del 5% de la longitud de la línea, que en muchos casos es excesivo y tendría como consecuencia una demora en la localización del punto de falla y en consecuencia un aumento en el tiempo de restauración del servicio a los usuarios.4 Este problema se puede resolver de dos formas, a) con los algoritmos de dos terminales, que comparten los datos de voltaje y corriente entre ambos terminales de la línea a través de un canal de comunicaciones, b) estimando la información de un extremo de la línea partir de los datos de extremo opuesto. El algoritmo propuesto en este artículo estima el voltaje en el punto de falla a partir de los fasores de voltaje y corriente de componente fundamental medidos en un extremo; como el voltaje en el punto de falla no se puede medir debido a la naturaleza estocástica del punto donde puede ocurrir la falla, la idea es realizar un estimado inicial del voltaje de falla, y mejorar este valor estimado utilizando el método iterativo de Newton Raphson.5 El objetivo general es reducir el error de estimación de los algoritmos de localización de falla de un solo terminal mediante la estimación del voltaje en el punto falla.3 ESTIMACIÓN DEL VOLTAJE DE FALLA La estimación del voltaje de falla se hace utilizando el método iterativo Newton Raphson, el cual parte de las ecuaciones de flujo de potencia activa y reactiva a través de una línea de transmisión. Las ecuaciones para estas potencias son: (1) (2) donde los subíndices S y R indican los terminales de la línea de transmisión, esto se muestra en la figura 1. Las flechas en el nodo S muestran los sentidos que los flujos de potencia pueden tener, según la condición de operación de la red. Fig. 1. Flujos de potencia activa y reactiva. 50 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Algoritmo de estimación del voltaje de falla en líneas de transmisión / Raudel Vela Haro, et al. Para el análisis del algoritmo de estimación de voltaje, el localizador de fallas se coloca en el nodo S y el punto de falla F en algún lugar sobre la línea de transmisión, por lo que el extremo R sale de las ecuaciones de flujo de potencia. Considerando el caso de fallas a tierra, que son las de mayor incidencia, se tendrá un valor de resistencia de falla debido al arco eléctrico que se presenta en el momento del cortocircuito y la resistencia del retorno por tierra. Este valor de resistencia se debe sumar al valor de la impedancia entre el localizador y la falla, por lo que representa un error al estimar el punto de falla. Debido a esto, el algoritmo propuesto de estimación de voltaje asume que la parte resistiva de la impedancia de línea es despreciable y además, que la resistencia de falla está implícita en la estimación del voltaje, es decir, que en el voltaje estimado resultante, ya considera el efecto de la resistencia de falla, como se muestra en la figura 2. Fig. 2. Estimación del voltaje de falla con RF incluida. Al asumir que la resistencia de la línea es despreciable y que el nuevo punto (nodo) para el análisis del flujo de potencia a través de la línea es F en (1) y (2) el término ZSR se convierte en: (3) Esto se muestra en el diagrama fasorial de la figura 3. Fig. 3. Diagrama fasorial del nodo S al punto de falla F. Las ecuaciones modificadas de flujo de potencia activa y reactiva son: (4) (5) donde la forma del término VS depende del tipo de falla tal como se muestra en la tabla I. Las variables que se desea estimar en (4) y (5) con ayuda del método Newton Raphson son VF, δF y XAF. El algoritmo comienza calculando los valores iniciales para las variables desconocidas. Las condiciones iniciales de la reactancia del Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 51 �Algoritmo de estimación del voltaje de falla en líneas de transmisión / Raudel Vela Haro, et al. Tabla I. VS, IS y ∆IS según el tipo de falla. Tipo de falla VS IS ∆IS A-G VAF IAF+kIS0 IAF-IApref B-G VBF IBF+kIS0 IBF-IBpref C-G VCF ICF+kIS0 ICF-ICpref AB, AB-G, ABC VAF-VBF IAF-IBF (IAF-IApref)-(IBF-IBpref) BC, BC-G, ABC VBF-VCF IBF-ICF (IBF-IBpref)-(ICF-ICpref) CA, CA-G, ABC VCF-VAF ICF-IAF (ICF-ICpref)-(IAF-IApref) ABC-G VAF IAF IAF-IApref k= (ZL0/ZL1)-1 nodo S a la falla XSF se calculan de la siguiente forma: (6) donde ∆IS también está definido en la tabla I. El valor obtenido en (6) es la impedancia aparente medida por el localizador de falla desde el extremo donde está ubicado hasta el lugar de falla (incluido el error por la resistencia de falla), por lo que se utiliza (3) para conocer el valor XSF. Con el valor obtenido en (6) se calcula la condición inicial del voltaje de falla tal como se muestra: (7) donde VF(0) es un fasor. Una vez obtenidos los valores iniciales de (4) y (5) se inicia con el proceso iterativo. (8) (9) Se calcula el cambio en la potencia activa y reactiva como: (10) (11) donde PS y QS en (10) y (11) respectivamente son las potencias medidas por el localizador de fallas. Definiendo el ángulo del voltaje de falla δF(k) como la variable 1 y la magnitud del voltaje de falla VF(k) como la variable 2, la matriz Jacobiana queda definida como: (12) Los elementos de la matriz Jacobiana desarrollados se muestran enseguida: (13) 52 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Algoritmo de estimación del voltaje de falla en líneas de transmisión / Raudel Vela Haro, et al. (14) (15) (16) donde el cambio en las variables 1 y 2 se calcula como: (17) (18) Los nuevos valores estimados para las variables 1 y 2 se actualizan como se muestra: (19) (20) Utilizando (19) y (20) se procede a calcular el nuevo valor de la variable XSF: (21) Al igual que las variables 1 y 2 se actualizan en (19) y (20), la reactancia a la falla se actualiza en (21) y de esta manera continua el proceso iterativo hasta llegar a la convergencia una vez que se alcanza el error: (22) PRUEBAS DEL ALGORITMO DE ESTIMACIÓN DEL VOLTAJE DE FALLA Con Ayuda de PSCAD/EMTP y MATLAB se simularon distintos tipos de fallas para una línea de transmisión de 230 kV de 100 km de longitud, se obtuvieron las estimaciones del fasor de voltaje de falla y además se hizo una comparación con los datos obtenidos a través de mediciones. Los escenarios que se utilizaron en las simulaciones dependen de parámetros tales como diferencias angulares en los extremos de la línea de transmisión, resistencias de falla y distancia a la falla, sin embargo, dichos factores están implícitos en las simulaciones de estimación de voltaje. En todos los casos, la falla inicia en 0.6 segundos y tres ciclos después en 0.65 segundos es liberada por disparo tripolar. A continuación, se obtendrán estimados para distintos tipos de fallas, considerando la línea sin acoplamiento mutuo en un primer escenario y con acoplamiento mutuo en un segundo escenario. El algoritmo propuesto utiliza los fasores de componente fundamental de voltaje y corriente del terminal donde se ubica el localizador de fallas, así que sus resultados muestran en esencia, el voltaje estimado visto en la falla desde Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 53 �Algoritmo de estimación del voltaje de falla en líneas de transmisión / Raudel Vela Haro, et al. ese extremo que de forma estricta, es el mismo voltaje que debería ser visto por el extremo contrario de la línea de transmisión. a) Falla de línea a tierra. La falla de línea a tierra es la más común en los sistemas de transmisión, con más del 90% del total de las que se presentan, la fase fallada sufre una depresión de voltaje severa y un aumento de corriente muy importante, que depende de la naturaleza del evento. La cual no es crítica si es liberada de manera oportuna dado que el sistema sigue transmitiendo potencia a través de las fases sanas. En la figura 4 se muestran la magnitud y ángulo del voltaje correspondientes a una falla en la fase A, en una línea sin acoplamiento; se aprecian diferencias considerables principalmente en la magnitud, sin embargo, los estimados no presentan oscilación, debido a que la falla sólo afecta una fase de la línea. Fig. 4. Comparación de la magnitud y ángulo del voltaje para una falla monofásica (línea sin acoplamiento mutuo). En la figura 5 se muestra el mismo tipo de falla para la línea con acoplamiento mutuo. Se aprecia en la estimación del voltaje que la magnitud del voltaje de falla medido y estimado se acerca, sin embargo, la diferencia angular es considerable. Cabe destacar que en este escenario también se presentan señales estimadas estables. b) Falla de doble línea a tierra. Este tipo es menos común que la falla de línea a tierra, sin embargo es más severa, dado que restringe más el flujo de potencia por la línea de transmisión. Fig. 5. Comparación de la magnitud y ángulo del voltaje para una falla monofásica (línea con acoplamiento mutuo). En la figura 6 se muestra la comparación de la magnitud y el ángulo del voltaje para la falla de doble línea a tierra, entre las fases A y B, cabe destacar que el voltaje resultante en este tipo de falla está compuesto por la resta del voltaje de la fase B a la fase A como VAB=VA-VB. 54 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Algoritmo de estimación del voltaje de falla en líneas de transmisión / Raudel Vela Haro, et al. Se aprecia que la magnitud del voltaje estimado y medido difiere de manera considerable, más no así el ángulo, del cual puede resaltarse que tiene una parte transitoria severa al inicio de la falla, pero conforme transcurre el tiempo, alcanza el estado estable con poca diferencia respecto al ángulo medido. Fig. 6. Comparación de la magnitud y ángulo del voltaje para una falla de doble línea a tierra (línea sin acoplamiento mutuo). Por otro lado, en la figura 7 se muestra el mismo tipo de falla en una línea con acoplamiento mutuo; puede apreciarse que en este escenario, tanto la magnitud como el ángulo, difieren de manera considerable de los datos medidos. c) Falla trifásica. La presencia de una falla trifásica en una línea de transmisión es poco probable, sin embargo, es la más severa dado que restringe la totalidad del flujo de potencia a través de la línea de transmisión. Esta provoca que el sistema pierda estabilidad y pueda ser vulnerable debido a que como consecuencia de la re-distribución de los flujos de potencia haya líneas sobrecargadas que podrían llegar a desconectarse por una operación de protecciones por sobrecarga. Como en una falla trifásica se tienen valores elevados de corriente, los voltajes son muy reducidos, incluso Fig. 7. Comparación de la magnitud y ángulo del voltaje para una falla de doble línea a tierra (línea con acoplamiento mutuo). cercanos a cero, ocasionando que el flujo de potencia sea casi nulo. En la figura 8 se muestra la respuesta de la estimación del voltaje en una línea sin acoplamiento mutuo; se concluye que ambas estimaciones tienen errores grandes, además de que tienen un comportamiento variable. Por otro lado, en la figura 9 se muestra el mismo tipo de falla para una línea con acoplamiento mutuo. Se aprecia que al igual que en caso anterior, la estimación de la magnitud y el ángulo del voltaje tiene valores muy altos de error. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 55 �Algoritmo de estimación del voltaje de falla en líneas de transmisión / Raudel Vela Haro, et al. Fig. 8. Comparación de la magnitud y ángulo de voltaje para una falla trifásica (línea sin acoplamiento mutuo). Fig. 9. Comparación de la magnitud y ángulo de voltaje para una falla trifásica (línea con acoplamiento mutuo). CONCLUSIONES En este artículo se describió un algoritmo para estimar el voltaje de falla en una línea de transmisión, está basado en el método iterativo Newton Raphson y comienza a partir de las ecuaciones de flujo de potencia activa y reactiva a través de una línea de transmisión. Utiliza solamente fasores de la componente fundamental de voltaje y corriente como entradas, además de que asume que la resistencia de falla está implícita en el resultado que se obtiene de la estimación. Los resultados permiten concluir que el algoritmo de estimación de voltaje hace una estimación del voltaje de falla, pero depende de manera importante del flujo de potencia que puede mantener la línea de transmisión durante el transcurso de la falla. Cabe destacar que se observó principalmente en el tipo monofásico que las estimaciones difieren de manera considerable de los datos medidos, sin embargo, mantienen señales de magnitud y ángulo estables, en el caso de la falla trifásica, las estimaciones tienen errores muy grandes, siendo el ángulo del voltaje un aspecto relevante de la estimación, ya que éste refleja la distribución de la aportación de corriente de cada extremo de la línea de transmisión, este ángulo se puede asemejar al del factor de distribución de corriente, utilizado en algoritmos de localización de fallas de un solo terminal por lo que puede ser considerado para incluirse en alguna modificación de los algoritmos de este tipo a fin de mejorar su desempeño. REFERENCIAS 1. M. M. Saha, J. Izykowski,E. Rosolowski, Fault Location on Power Networks, Springer 2010. 56 Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 �Algoritmo de estimación del voltaje de falla en líneas de transmisión / Raudel Vela Haro, et al. 2. Prabha Kundur, Power System Stability and Control, McGraw Hill, 1983. 3. S. Das, et al, “Impedance-Based Fault Location in Transmission Networks: Theory and Application”, IEEE Access, Vol 2, 2014, pp 537-557. 4. D. A. Tziouvaras, J. Roberts and G. Benmouyal, New Multi-Ended Fault Location Design for Two- or Three- Terminal Lines, Schweitzer Engineering Laboratories, Inc, 2004, pp 1-7. 5. Hadi Saadat, “Power Systems Analysis”, McGraw Hill, 1991. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Vol. XIX, No. 71 57 �Eventos y reconocimientos Entrega del reconocimiento “Libros UANL” El pasado 10 de febrero se realizó la primera entrega del reconocimiento que distingue la labor realizada en el ramo de publicaciones dentro de las distintas dependencias de la Universidad. El evento fue encabezado por el rector, Rogelio Garza Rivera, quien otorgó el galardón a Jessica Nieto Puente, editora de la revista Armas y Letras; Eduardo Estrada Loyo, editor de la revista Ciencia UANL; Ernesto Castillo Ramírez, editor de la revista Entorno Universitario de la Preparatoria 16, y a María Rosaura González de la Rosa, editora de la revista Trayectorias. distinguió a diferentes periodistas por su labor y trayectoria. El evento fue encabezado por el Lic. Miguel Barragán Villarreal, presidente del comité de otorgamiento del premio y cofundador de Fundación UANL. El M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, recibió el premio bajo la categoría de periodista científico, gracias a su labor como editor fundador de la revista Ciencia UANL. Fotografía del galardón. De izquierda a derecha. Ernesto Castillo Ramirez, Jessica Nieto Puente, María Rosaura González, Eduardo Estrada Loyo. Premio “Periodista Científico” La celebración del premio anual de periodismo “Francisco Cerda Muñoz”, el cual otorga la Asociación de Periodistas de Nuevo León, fue entregado el pasado 29 de febrero, en el cual se 58 PATENTES DE LA FIME - UANL El pasado 15 de marzo, el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial (IMPI), distinguió a la UANL como la líder de patentes de 2015. De las 21 patentes que la UANL obtuvo, 5 son de estudiantes y maestros de la FIME, y otras 7 son entre la FIME y otra facultad. De la misma manera, en los “Modelos de utilidad” hubo un registro de 9, teniendo FIME Ingenierías, Abril–Junio 2016, Año. XIX, No. 71 �Eventos y reconocimientos una contribución de 2. Por último, en área de diseño industrial se registraron un total de 38, siendo 8 de FIME, y otras 5 de FIME con la colaboración de estudiantes de distintas facultades. Personal, estudiantes y autoridades del Centro de Tecnología Automotriz. Dr. Sergio Fernández Delgadillo, Secretario de Investigación, Innovación y Sustentabilidad de la UANL. CENTRO DE TECNOLOGÍA AUTOMOTRIZ El pasado 7 de abril se inauguró el DrivenCLAUT Innovation Center (Centro de Tecnología Automotriz) en el Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología (CIIDIT). Este proyecto se realizó con la participación de la UANL, por medio de la FIME, junto con las empresas Caterpillar, Grupo Quimmco, John Deere, Metalsa y Nemak. La inauguración de este centro estuvo encabezada por el Rector, M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, quien estuvo acompañado por el Gobernador del Estado de Nuevo León, Ing. Jaime Rodríguez Calderón; al Secretario de Desarrollo Económico, Ing. Fernando Turner Dávila; el Presidente del Clúster Automotriz, Ing. Leopoldo Cedillo Villarreal, y el Director de Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo. El objetivo del nuevo centro de investigación es desarrollar talento especializado en el área de diseño, nuevos productos y procesos de manufactura, para con ello aportar valor agregado a la industria automotriz de México. Ingenierías, Abril–Junio 2016, Año XIX, No. 71 PRIMER LUGAR EN PROGRAMA INGENIO EMPRENDEDOR El pasado 19 de abril se realizó la entrega del premio “Programa Ingenio Emprendedor: De la idea a la práctica” otorgado por rector de la UNAM, Enrique Graue. Los estudiantes de la UANL Carlos Enrique Muños Bernal, Mauricio Gerardo Franco Herrada estudiantes de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, y Dominik Unices Reyes Nieto de la Facultad de Ciencias Biológicas, recibieron el primer lugar con el proyecto Mykonos el cual propone realizar empaques biodegradables creados a partir de residuos agrícolas y micelio de hongo, generando productos para la industria con propiedades mecánicas, sonoras, estructurales y térmicas. Estudiantes premiados, de izquierda a derecha: Mauricio Gerardo Franco Herrada, Dominik Unices Reyes Nieto y Carlos Enrique Muños Bernal. 59 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Enero - Marzo 2016 Leonardo Rendón Álvarez, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Tesis: Análisis de la calidad de la energía en un sistema eléctrico, 13 de enero. Alberto Solís Oba, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales. Tesis: Utilización del desecho de sílice de la geotérmica de Cerro Prieto en la fabricación de vidrio flotado, 14 de enero. Brenda Lucía Ramírez Acosta, Maestría en Logística y Cadena de Suministros con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: Diseño y optimización de rutas de transporte para centro logístico, 15 de enero. Julio César Macías Torres, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Evaluación del devanado intercalado en bobinas de transformadores monofásicos residenciales con capacidad hasta 5KVA, 18 de enero. Elías Francisco De La Garza Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Optimización de transformadores de distribución tipo poste de acuerdo al nuevo nivel de eficiencias NOM-002-ANCE-2014, 18 de enero. Juan Antonio Lara Martínez, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Comparativa técnica y económica entre el uso del transformador convencional trifásico y el uso de un transformador de tres devanados por fase en aplicaciones de plantas solares, 19 de enero. José Alejandro Garza Caballero, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Análisis de la degradación del Metal Amorfo SA1 en el proceso de recocido bajo una atmósfera controlada, 22 de enero. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. 60 Salomé Alfredo Garza Rodríguez, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Diseño de LAYOUT para mitigar las descargas, 22 de enero. Fernando Saldívar Cerón, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Diseño de parte viva para mitigar descargas parciales, 22 de enero. Juan Rodolfo Bermea Garza, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Sobre-elevación de temperatura en transformadores trifásicos de distribución tipo ONAN para aterrizaje de redes en granjas eólicas, 22 de enero. Bruno Cisneros Damm, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Uso de aceros metalizados para zonas de operación en ambiente marino, 22 de enero. Erick Martin Ambriz De Los Santos, Maestría en Ingeniería con orientación en Informática. Proyecto: Control documental para el instituto de la vivienda de Nuevo León aplicado a la administración y supervisión de subsidios, 25 de enero. Rodrigo Castrillón Escobar, Maestría en Administración Industrial y Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: Workshop Xignax-Qualtia RIE, 25 de enero. Rubén Miguel Velázquez Mendoza, Maestría en Logística y Cadena de Suministros con orientación en Logística global. Proyecto: Aplicación del problema de particionamiento de conjuntos para la agrupación por familias en el proceso de certificación, 25 de enero. Eleazar Gándara Martínez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Materiales. Tesis: Síntesis y caracterización de heteroestructuras de películas delgadas de ZnOA1 y ZnS, 27 de enero. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año. XIX, No. 71 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Salvador Armando Caballero, Maestría en Ingeniería de la información con orientación en informática. Tesis: Estrategias de la TI para trabajar colaborativamente, 28 de enero. Flor Adaguisla Morales Ruíz, Maestría en Logística y Cadena de Suministros con orientación en Logística global. Proyecto: Factores críticos que influyen en competitividad exploradora de las PYMES. Metodología para la formulación del marco teórico, 28 de enero. Ángel Omar Martínez Mata, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Eléctrica. Tesis: Análisis de señalización electroencefalografía (EEG) y electromiografía (EMG) en la locomoción humana, 29 de enero. Jorge Alberto González Yáñez, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Metodología para selección óptima de apartarrayos, 3 de febrero. Elisa María Zambrano Gómez, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Mejoras al modelo de cálculo de pérdidas sin carga, 3 de febrero. Fernando Miguel Leal Ramírez, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Selección de circuitos para pruebas de impulso por rayo en transformadores de potencia, 3 de febrero. Juan José Ramírez Gómez, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Optimización de diseño de boquillas para transformadores mediante la evaluación y simulación de parámetros que definen su desempeño, 3 de febrero. Francisco Javier Gutiérrez de León, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: Implementación ORACLE R12, 3 de febrero. Armín Rodríguez Sandoval, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Automotriz. Proyecto: Diseño y análisis de sistemas de cámara elastomérica con fluido magnetoreológico para su aplicación en sistemas de suspensión automotriz, 5 de febrero. Alberto Rodríguez Medina, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: Recicla MTY, 5 de febrero. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año XIX, No. 71 Daniel Arturo Acuña Leal, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales. Tesis: Síntesis y caracterización de perovskitas hibridas CH3NH Pbl3 para su aplicación en celdas solares, 8 de febrero. Pamela López Quintana, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: Optimización del problema de empaquetamiento de círculos dentro de contenedores rectangulares, 10 de febrero. Martin Alejandro Carrizales Rodríguez, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Estructuras. Proyecto: Análisis numérico de la morfología del ala para uso de fumigación aérea, 12 de febrero. José Daniel Mosquera Artamonov, Maestría en Ciencias de Ingeniería de Sistemas con orientación en Sistemas. Tesis: Empaquetamiento de objetos rectangulares en un contenedor rectangular, 12 de febrero. Gustavo Contreras Ruiz, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Tesis: Comparativa técnica y económica entre un cambiador de derivaciones bajo carga tipo resistivo vs tipo reactivo en un transformador de potencia sumergido en aceite, 12 de febrero. Daniel Alberto Reta Moreno, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Reducción de set-up (tiempos muertos), 12 de febrero. Francisco Javier Rodríguez Hernández, Maestría en Logística y Cadena de Suministros con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: Modelación y análisis de la apertura de un nuevo centro de distribución, 16 de febrero. Enrique Villarreal González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: Impacto económico en el rediseño del breaker de 50 Amp de 2 polos en Fábrica Monterrey, 18 de febrero. Bárbara Gabriela Saldaña Hernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: La administración de los PMM, 22 de febrero. 61 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Nayeli Guadalupe Guzmán Ávila, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Guía para el análisis del registro digital de fallas, 23 de febrero. Alicia Yesenia López Sánchez, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: Simulación para la optimización de la producción de ejes en la línea de ensamblaje de una empresa de manufactura, 24 de febrero. Jessica Janett González Tamez, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica. Proyecto: Sistema de inyección de urea, 25 de febrero. José Roberto Covarrubias Fabela, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Dinámica de vuelo. Proyecto: Banco de pruebas para caracterización de sistemas de propulsión en minivehículos aéreos, 26 de febrero. Eric Salas Méndez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad (por materias), 29 de febrero. Juan Carlos Garay Arguijo, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica (por materias), 29 de febrero. Juan Adán González Villareal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales (por materias), 1 de marzo. Dorian Leonardo Rodríguez Vela, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales. Tesis: Estudio sobre los efectos del post-tratamiento para el desarrollo de estructuras fotovoltáicas usando sulfuro de plata antimonio como material absorbente, 2 de marzo. Yazmín Guadalupe Alvarado Moreno, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Servicios Podológicos Monterrey, 3 de marzo. 62 Alfredo Ramírez Fernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Red estatal de autopistas de Nuevo León OPD, 9 de marzo. Gabriela Saraí Zamarripa Chávez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: Plan operativo anual, 10 de marzo. José Francisco González Navarro, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales. Tesis: Caracterización de Cladding en herramientas de forja, 10 de marzo. Víctor Iván Araujo Ramírez, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: Desarrollo del Poka-Joke en estación de ensamble anillo cubierta, 11 de marzo. Jesús Fernando López Perales, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales. Tesis: Estudio comparativo sobre los efectos de las adiciones de nano-SiO2 y humo de sílice en concretos base cemento portland expuestos a altas temperaturas, 11 de marzo. Jaime Alfonso Ulloa Blanco, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior. Proyecto: Productividad laboral, 14 de marzo. Miriam Cobos Leal, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: Modelo matemático para problema de distribución con entregas divididas y flota heterogénea, 15 de marzo. María Eugenia Sánchez Paniagua, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Garantías, 18 de marzo. Luis Fernando Romano Acosta, Maestría en Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales. Proyecto: Optimización del ciclo de calentamiento previo a la forja grandes lingotes de acero, 18 de marzo. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año. XIX, No. 71 �Acuse de recibo Advances in Mechanical Engineering Wind Engineering La revista Advances in Mechanical Engineering es una publicación en línea, de acceso libre, que publica artículos originales de investigación. Se dedica a escribir reseñas en todas las áreas de ingeniería mecánica. En su publicación de febrero se presentó un artículo sobre el consumo de energía y la emisión de gases en gran escala de un edificio comercial en Shanghai, China, para tener un mejor entendimiento que sirva como referencia para el diseño y construcción de edificios en el futuro. La intención es reducir la emisión de gases debidas a sistemas de baja eficiencia en edificios. La publicación se puede encontrar en el link http://ade.sagepub.com/ La revista Wind Engineering es una publicación bimestral que se especializa en publicar artículos sobre la investigación de la ingeniería del viento. En ella se describen aspectos de eficiencia y los problemas que pueden surgir en el caso de una mala planeación. Como muestra de ello está el artículo Effects of noise from wind turbines inside home, donde se estudia los problemas en el sur de Italia sobre una mala planeación de ubicación de las turbinas de aire las cuales afectan a las casas cercanas; el artículo muestra el nivel de ruido de los motores en diferentes zonas donde existe el problema. La revista puede ser consultada en la página http://wie.sagepub.com/ RHO Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año XIX, No. 71 DOCM 63 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Ingeniero Mecánico y Maestro en Metalurgia por el Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctorado en Ingeniería de Materiales por la UANL (1991). Premio de Investigación UANL en 1991, 2001, 2003 y 2012. Premio TECNOS en el 2000. Es Profesor Investigador de la FIME-UANL, miembro del SNI nivel I y de la Academia Mexicana de Ciencias. Andrade Soto, Manuel Antonio Recibió el grado de Ingeniero Eléctrico por el Instituto Tecnológico de Saltillo, en 2000. Realizó estudios de Maestría y Doctorado en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, ambos con especialidad en Sistemas Eléctricos de Potencia, en el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, Unidad Guadalajara, obteniendo los respectivos grados en 2002 y 2007. Es Profesor Titular de Tiempo Completo y Exclusivo adscrito al Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León desde ese año. Benavides Treviño, Roberto Es Ingeniero en Manufactura en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, y Doctor en Ingeniería de Materiales (2016). Actualmente se desempeña como profesor dentro de en la misma facultad. Blanco Zamora, Yaniris Estudió en el Instituto Preuniversitario Vocacional de Ciencias Exactas “Federico Engels” y trabaja en la Universidad de Ciencias Informáticas, ambos en Cuba. 64 Cabrera Gómez, Jesús Doctor en Ciencias Técnicas y Profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica, Centro de Estudios en Ingeniería de Mantenimiento. Campus CUJAE. Marianao, La Habana, Cuba. Díaz Concepción, Armando Centro de Estudios en Ingeniería de Mantenimiento. Campus CUJAE. Marianao, La Habana, Cuba. García Duarte, José Hilario Estudiante de Doctorado en Materiales, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, e Ingeniero Mecánico Administrador. Durante su formación ha participado como colaborador en diversos proyectos de investigación y desarrollo tecnológico siendo coautor de 4 patentes en registro y dos artículos indexados. Actualmente se desempeña como investigador en la empresa: Consultores CPM Puesto: Especialista en Elemento Finito, Fundición y Soldadura. Garza Collazo, Emmanuel Norberto Es Técnico en Mecatrónica, en mayo 2016 obtuvo el título de Ingeniero en Aeronáutica por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Formó parte del capítulo estudiantil de FIME del programa Materials Advantage. Gómez Pérez, Erich Mario Es Ingeniero Informático que trabaja en la Universidad de Ciencias Informáticas, ambos en Cuba. Hernández Rodríguez, Marco Antonio L. Profesor Investigador Titular A en la Universidad Autónoma de Nuevo León de la Facultad de Ingenieríaa Mecánica y Eléctrica. Está adscrito al Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año. XIX, No. 71 �Colaboradores Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales desde 2005 y es actualmente su coordinador. Hernandez Uresti, Diana B. Ingeniero Mecánico Administrador, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica y Doctorado en Ingeniería de Materiales por la UANL. Pertenezco al S.N.I. nivel Candidato. Premio de Investigación UANL 2013 en el área de Ingeniería y Tecnología. Tercer lugar en el Tercer Encuentro de Jóvenes Investigadores del Estado de Nuevo León en el área de Ciencias Exactas. Estancias de investigación en la Université Bordeaux 1, Francia (2008) y Sun Moon University, Corea del Sur (2011). Actualmente es Profesor Investigadora de la FCFM-UANL. Juárez Hernández, Arturo Desde 2007 estoy adscrito a la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Obregón Alfaro, Sergio Licenciatura en Química Industrial y Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica por la UANL. Maestro y Doctorado en Ciencia y Tecnología de Nuevos Materiales por la Universidad de Sevilla, España. Premio a la mejor tesis de maestría UANL 2009 y Premio de Investigación UANL 2010 en el área de Ingeniería y Tecnología. Estancias de investigación en el Centro de Investigación en Energía, UNAM (2008) y Sun Moon University, Corea del Sur (2008, 2010, 2012). Actualmente es Profesor Investigador de la FCFM-UANL. Vázquez Dimas, Alejandro Licenciatura en Química Industrial, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica y Doctorado en Ciencias con Orientación en Química de los Materiales por la UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel I y del Cuerpo Académico (Consolidado) de Materiales Optoelectrónicos. Estudios de intercambio académico y estancia de investigación en la ENSCCF de la Université Blaise Pascal, Francia (2003-2004). Actualmente es Profesor Investigador de la FCQ-UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año XIX, No. 71 Vázquez Martínez, Ernesto Se graduó de Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones en 1988, y obtuvo su Maestría y Doctorado en Ingeniería Eléctrica en 1991 y 1994 respectivamente, en la Universidad Autónoma de Nuevo León, México. Ha realizado estancias de investigación en la Universidad de Manitoba (20002001) y la Universidad de Alberta (2011-2012). Vela Haro, Raudel Se graduó de Ingeniero Electricista en 2013 en la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Autónoma de Zacatecas. En el 2014 ingreso a los estudios de posgrado en la Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León y actualmente está cursando el cuarto semestre. Vergara Flores, Alicia Se graduó de la carrera de Ingeniería Industrial en la Universidad Iberoamericana de Puebla (2012) y de la Maestría en Logística y Dirección de Cadena de Suministro (2015) de la Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla en el Departamento de Logística y Dirección de la Cadena de Suministro, siendo actualmente investigadora CONACYT. Zuñiga Alcaraz, Catya Atziry Ingeniero Mecánica egresada de la Universidad Autónoma Metropolitana, México (2003); posteriormente realizó estudios de posgrado en la Universidad Autónoma de Barcelona, España, en 2009 concluyó sus estudios de maestría en Técnicas Avanzadas de Producción y en 2012 recibió la mención de Doctorado Europeo en Informática Industrial de la Universidad Autónoma de Barcelona. En 2013 realizó una estancia Post-doctoral en la Escuela Nacional de la Aviación Civil, Francia. Además cuenta con una Especialidad Ingeniería Mecánica estudiada en el Instituto Politécnico Nacional, México y un diplomado en Educación Superior por la Universidad del Tepeyac. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel Candidato. 65 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de 66 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año. XIX, No. 71 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Revisores Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año XIX, No. 71 67 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. 68 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. Ingenierías, Abril-Junio 2016, Año. XIX, No. 71 �� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2016 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 19 Número Número de la revista 71 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2016, Año 19, No 71, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2016 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020834 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Acoplamiento mutuo CdS Fotocatálisis Newton Raphson Tetraciclina https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20793/Ingenierias_2016_Ano_19_No_70_Enero-Marzo.pdf dcc8719f99ce2906d462667c96600e1e PDF Text Text ��70 Contenido Enero-Marzo de 2016, Año XVIII, No. 70 2 Directorio 3 Editorial: El involucramiento en la investigación educativa Sergio Javier Mejía Rosales 7 Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas Jesús Fernando López-Perales, Rodrigo Puente-Ornelas, Maria Cruz Alonso-Alonso, Ana María Guzmán Hernández, Herlinda María Delgadillo-Guerra, Alejando Trujillo-Álvarez 20 Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito Efraín Alcorta García, Francisco Eduardo López Castillo, Salvador Saucedo Flores 31 Magnetics for power electronics integration: from powders to passive components Trong Trung Le, Fréderic Mazaleyrat, Thierry Lebey, Zarel Valdez-Nava 40 Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando análisis modal Héctor Esponda Hernández, Manuel A. Andrade Soto,Ernesto Vázquez 55 Nanobiomateriales Frank Eduardo Meléndez Anzures, Leonardo Chávez Guerrero 69 Eventos y reconocimientos 73 Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL 75 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 79 Acuse de recibo 80 Colaboradores 83 Información para colaboradores 84 Código de ética Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No.70 � �DIRECTORIO Ingenierías, Año XIX N° 70, enero-marzo 2016. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Impresos Baez, Jesús M. Garza 3219 Oriente, Col Francisco I. Madero, Monterrey Nuevo León, México, C.P. 64560. Fecha de terminación de impresión: 15 de enero de 2016. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2016 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Rector M.A Carmen del Rosario de la Fuente García Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Dr. Celso José Garza Acuña Secretario de Extensión y Cultura Dr. Antonio Ramos Revillas Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván M.C. Jesús G. Puente Córdova Daniela Gutiérrez Dimas Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster María de los Ángeles Baez Acuña Impresor Samantha Abigail Martínez Ávila / David Orlando Cansino Martínez /Ricardo Adrián Herrera Ortiz Auxiliares CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL. COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL. � Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 �Editorial: El involucramiento en la investigación educativa Sergio Javier Mejía Rosales Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, Universidad Autónoma de Nuevo León sergio.mejiars@uanl.edu.mx El mundo está lleno de acrónimos, y el ámbito de la ingeniería y las ciencias exactas es más regla que excepción. En el mundo de la ingeniería, el acrónimo STEM tiene dos connotaciones distintas, aunque no completamente desconectadas. La primera se refiere a una técnica de microscopía electrónica que ha alcanzado un nivel de desarrollo técnico de una magnitud tan grande que con su uso es posible obtener análisis de la estructura y composición química de la materia a escala atomística, de tal forma que su impacto en la nanociencia y la nanotecnología, su contraparte tecnológica, es difícil de subestimar. La otra forma de interpretar STEM en el entorno ingenieril es como el acrónimo de Science, Technology, Engineering, and Mathematics, acuñado con la intención de enfatizar la necesidad mundial de establecer estrategias de impulso de áreas científicas y técnicas fundamentales en el andamiaje que soporta la estructura de las sociedades modernas. En esta interpretación, STEM implica una estrategia global de educación en todos los niveles académicos, orientada a producir recursos humanos con un nivel óptimo de competencias en áreas orientadas a ciencia y tecnología. O, para no esconder la idea detrás de conceptos tan académicos como recursos humanos o competencias: Preparar gente para que entienda ciencia e ingeniería. Las dos connotaciones de STEM son tremendamente interesantes y de cada una de ellas puede contarse una historia con un pasado ilustre y un futuro incierto, pero hoy quiero concentrarme en la segunda: Qué podemos, qué debemos hacer para enseñar disciplinas técnicas duras en una universidad. Más aún: en una universidad pública, en México, en el siglo del Internet, de la globalización, del cambio climático, del extremismo político e ideológico. Las disciplinas científicas están cambiando en su contenido y en su entramado de relaciones más rápido que el sistema educativo encargado de enseñarlas. A diferencia de las materias que hoy podríamos etiquetar como clásicas –física, química, biología–.La ciencia de materiales, por poner un ejemplo de relevancia en nuestra universidad, es de un carácter inherentemente multidisciplinario, lo que aunado al grado de dificultad de los conceptos más abstractos del área, hace imposible implementar una técnica simple de enseñanza. Los conceptos abstractos requieren tiempo de maduración, y un estudiante de ingeniería también requerirá tiempo para aprender biología además de las asignaturas más cercanas a STEM (tal como un biólogo a su vez tendrá que hacer lo mismo). Contra lo que se suele suponer, el tiempo es un recurso tremendamente limitado en la vida de un Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No.70 � �El involucramiento en la Investigación educativa / Sergio Javier Mejía Rosales estudiante, y la responsabilidad de los profesores de tomar la estrategia que más aproveche el tiempo y el esfuerzo del alumno se vuelve cada vez más crítica. El estilo tradicional de enseñanza, en el que el profesor dicta una lectura del tema en el salón de clases, encarga actividades a realizarse fuera del salón, y examina a los alumnos periódicamente a través de exámenes, no parece aprovechar el esfuerzo del alumno de forma que lo lleve a apropiarse del conocimiento a un nivel tal que pueda explicar el contenido del tema en el entorno académico y social adecuados Así, la investigación educativa se vuelve un área esencial en la formación de recursos humanos especializados, y no una vertiente optativa con valor meramente curricular. Es necesario contar con estrategias efectivas y eficientes para que nuestros alumnos de licenciatura y posgrado comprendan las ideas y conceptos medulares de su área, y simultáneamente comprender el entorno en el que esos conceptos e ideas coexisten con los de otras disciplinas. No es una tarea trivial, y las universidades públicas del país, y en particular la nuestra, comienzan a migrar sus sistemas educativos hacia metodologías que toman en consideración este grado de complejidad. El aprendizaje por competencias surge como una alternativa al sistema tradicional como una respuesta a esta necesidad de apropiación del conocimiento, pero su alcance, al menos en la forma en que usualmente es implementado en las universidades públicas, es limitado. La investigación educativa comienza entonces a adquirir una preponderancia en el ambiente universitario difícil de subestimar, y las universidades deben estar preparadas para ello, no sólo en la preparación de sus maestros, sino también en la forma en la que la universidad facilita al profesor la preparación de sus clases, y en la manera en la que adecúa los espacios físicos y los horarios para que las sesiones de clase puedan cumplir con este apropiamiento del conocimiento. Como disciplina científica, la investigación educativa enfrenta el mismo tipo de procedimientos y problemáticas que otras áreas de la ciencia. Es necesario realizar las investigaciones de forma rigurosa, y utilizar los medios usuales de difusión de conocimiento científico: presentaciones en congresos, defensas de tesis, publicación de artículos. La publicación de resultados en revistas científicas indexadas está particularmente expuesta al juego de publicar o perecer, ese círculo vicioso al que se refiere Donald T. Campbell cuando habla de la corrupción de indicadores usados para la toma de decisiones: las universidades usan el número de artículos publicados como indicador de productividad científica, lo que genera una alta oferta de revistas, lo que facilita la publicación, lo que impacta en la calidad de las investigaciones. El riesgo es aún mayor en áreas multidisciplinarias, donde el proceso de arbitraje es, en el mejor de los casos, inadecuado. La investigación educativa es casi por definición multidisciplinaria, y la probabilidad de que los árbitros de un artículo (o el mismo editor) no sean expertos en el área, es alta. En los últimos años, la implementación de técnicas educativas es un problema que ha generado terabytes de páginas en revistas especializadas y no tan especializadas en revistas académicas y libros en las última década, y los gobiernos y universidades de muchos países, incluyendo los nuestros, han invertido y siguen invirtiendo cantidades astronómicas de dinero y horas-hombre en el desarrollo de proyectos educativos, con niveles variables (y en muchas ocasiones, inmensurables) de éxito. La explosión en la oferta de publicaciones académicas es a la vez testigo de esta bonanza y cómplice en la variabilidad de la calidad en la investigación educativa; el Blog Scholalry Open Access (SOA), � Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 �El involucramiento en la Investigación educativa / Sergio Javier Mejía Rosales sostenido por el académico Jeffrey Beall, muestra en sus reportes cierta evidencia en la que cuantifica un aumento de 18 “potenciales, posibles, o probables casas editoriales predatorias” en 2011, a 693 en 2015, y muchas de estas compañías publican revistas orientadas a educación con supuesto arbitraje por pares. La definición de Beall de editoriales predatorias contempla prácticas como el que sólo exista un editor para todas las revistas publicadas por la editorial, que el editor y los miembros del consejo editorial no cuenten con las credenciales académicas que los haga meritorios de sus cargos, que la revista no cuente con políticas para la preservación digital de los artículos si la revista deja de existir, y que haya falta de transparencia en las operaciones de la compañía editorial, por citar algunas. SOA da cuenta por ejemplo del caso del International Journal of Education and Research, supuestamente publicado por el Contemporary Research Center of Australia pero basado en Bangladesh, y que cobra 100 dólares americanos a los autores por la publicación de un artículo. SOA documenta uno de los reportes falsos de arbitraje de esta revista, en un ejemplo emblemático de la publicación de artículos académicos de baja calidad con propósitos meramente mercantiles (por el lado de la revista) y de curriculum (por parte de los investigadores). El ejemplo no es aislado y SOA mantiene constantes actualizaciones sobre casos como éste, aunque, desgraciadamente, el Blog da seguimiento principalmente a prácticas predatorias en publicaciones en inglés. La evidencia de publicaciones predatorias en español de revistas y libros en educación es más bien anecdótica, o en forma de correos electrónicos masivos invitando a publicar artículos en revistas y libros reconocidos por diversos sistemas de indexación, pero de calidad más que dudosa. Me he permitido un tiempo razonable para revisar algunas de estas publicaciones, y el panorama que encontré no es muy alentador. Por fortuna el tema de las publicaciones con prácticas predatorias comienza a tratarse en los círculos académicos, y existen plataformas confiables que permiten hacer un decantado de las publicaciones serias en cualquier área (Thomson Reuters Web of Science son buenos ejemplos de esto). Las universidades deben hacer un esfuerzo adicional para concientizar a sus investigadores sobre las consecuencias negativas de la publicación en revistas de baja calidad (tanto para los autores como para la universidad misma, pues tanto la institución como los individuos ven impactada su credibilidad frente a sus pares), y motivarlos a poner su mira en publicaciones establecidas y con estándares editoriales –e índices de impacto– altos. Si la intención de los profesores y de sus instituciones es generar investigación educativa de alta calidad, publicar sus resultados en revistas especializadas de impacto, y aplicar el conocimiento adquirido en nuestras universidades, ¿Qué deberíamos esperar de una buena investigación en educación? Existen por supuesto diversas alternativas metodológicas, en función al sujeto de estudio y a los objetivos específicos de la investigación, pero en el caso de áreas relacionadas con STEM, se debería partir del precepto de que los resultados son susceptibles de contrastación, o, usando la terminología Popperiana, que sea posible su refutabilidad (Falsifiability), en el sentido de que sea factible en principio probar que la teoría sujeta a estudio es falsa, en caso de serlo. Esto en muchas ocasiones implica hacer uso de los métodos y herramientas de la investigación en ciencias naturales y exactas, incluyendo el análisis estadístico concienzudo y tan sofisticado como sea necesario, que no justifique su uso sólo con propósitos decorativos o de exigencia editorial, sino que se implemente con la intención de establecer un alto Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No.70 � �El involucramiento en la Investigación educativa / Sergio Javier Mejía Rosales grado de certidumbre en las conclusiones que puedan extraerse del estudio, y que por ello mismo maximice el carácter utilitario de la investigación. Se requiere que las hipótesis sean específicas y que se definan a priori las reglas de terreno del desarrollo del proyecto, de manera que el estudio no se vuelva un ejercicio de minería de datos que busque la validación de la hipótesis a toda costa, o un ejercicio filosófico que anteponga el interés por publicar y reportar por encima de la búsqueda de respuestas. Y no es que la minería de datos en sí misma deba descartarse (pues puede y debe usarse en circunstancias específicas), o que la discusión filosófica sea estéril (que, cuando es inteligente e inteligible, nunca lo es). Se trata, en todo caso, de comprender bien sus razones, actores, tiempos, lugares, y alcances, para asegurar que su uso está justificado. Una investigación susceptible a ser refutada no necesariamente implica que la investigación sea buena, pero la refutabilidad es necesaria para al menos ser considerada para la discusión científica. Un caso ejemplo: En los últimos años, el concepto de Aprendizaje por Involucramiento (Engaged Learning) ha ganado lugar en el circuito académico de investigación en enseñanza. Su premisa principal es que para que el proceso de enseñanza-aprendizaje suceda de forma óptima es necesario generar las condiciones propicias para que los estudiantes sean capaces de involucrarse profundamente con el proceso de aprendizaje mismo, con lo que estudian, con el contexto en el que su sujeto de estudio está embebido, y con las implicaciones de lo que estudian desde una perspectiva humana. Para que este involucramiento tenga lugar se requiere considerar el contexto social del estudiante, las características del estudiante y de la institución a la que pertenece, y la disciplina que se estudia. Siendo un modelo que requiere establecer estrategias específicas a distintos niveles, el éxito en su implementación es susceptible de ser contrastado empíricamente sólo si la investigación educativa se circunscribe a una parte específica del modelo, de forma que sea factible probar con datos puntuales cómo el control de una variable afecta todo el proceso. Es posible establecer indicadores específicos que correlacionen aceptablemente con el grado de involucramiento del estudiante, de manera que al término del estudio exista un buen grado de certidumbre sobre las conclusiones alcanzadas, y sobre los siguientes pasos a dar en la búsqueda de una mejora significativa en el proceso de enseñanza-aprendizaje. Se puede establecer una discusión sobre la universalidad de las conclusiones, sobre los efectos de agentes exógenos al estudio, sobre las fallas en la metodología y los posibles efectos de estas fallas. Una investigación de esta naturaleza requerirá del esfuerzo concertado de especialistas en educación, de especialistas en la disciplina técnica que se enseña, y de la estructura humana, física y organizacional de la institución que alberga el programa de estudios. Requerirá que los investigadores acepten que la globalización y la tecnología han producido el efecto colateral de facilitar la publicación académica tanto buena como mala, y que es parte de su responsabilidad discriminar una de la otra. Requerirá que sean capaces de explicar sus resultados ante sus pares en los foros más adecuados y no los más fáciles. Requerirá atreverse a exponerse a la crítica, atreverse a mostrar las debilidades del estudio, atreverse a ser objetivos, a ser humildes, a ser precisos, a ser visionarios. Requerirá, de la misma forma que sus estudiantes con el aprendizaje, de que los que realizamos investigación educativa nos atrevamos a involucrarnos en el proceso, cumpliendo con la validación propia de las ciencias. � Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas Jesús Fernando López-PeralesA, Rodrigo Puente-OrnelasA, María Cruz Alonso-AlonsoB, Ana María Guzmán HernándezA, Herlinda María Delgadillo-GuerraA, Alejando Trujillo-ÁlvarezA Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME-CIDET Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (Consejo Superior de Investigaciones Científicas, CSIC). ropuor@gmail.com A B RESUMEN Concretos fueron elaborados reemplazando cemento Portland ordinario por nano-SiO2 geotérmica y humo de sílice. Se curaron a 20ºC y 100% de humedad hasta 7 años y después fueron expuestos a altas temperaturas (350°C, 550°C y 750°C). Se les evaluó la velocidad de ultrasonidos (UPV), análisis termogravimétrico/diferencial (TG/DTA), difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (MEB). La pérdida de peso y la reducción en la UPV fue mayor para los especímenes adicionados (NSG y HS) en comparación con el espécimen de referencia (CPC 100%), además se apreció una mayor degradación en la microestructura de los especímenes con adiciones. PALABRAS CLAVE Resistencia al fuego, concretos, caliza, nano- SiO2, microestructura. ABSTRACT Concretes were fabricated replacing ordinary Portland cement by geothermal nano-SiO2 and silica fume. Were cured at 20°C and 100% humidity for 7 years and before were expoused at higt temperatures (350°C, 550°C y 750°C). They evaluated the ultrasonic pulse velocity (UPV), analysis thermogravimetric/ differential (ATG/ATD), X ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM). Weight loss and reduction in the UPV was higher for specimens additioned (GNS and SF) compared to the reference specimen (CPC 100%), also, a high degradation was observed in the microstructure of the specimens with additions. KEYWORDS Fire exposure, concretes, limestone, nano-SiO2, microstructure. INTRODUCCIÓN En general, el concreto es considerado como un material que presenta un buen comportamiento cuando es sometido a altas temperaturas, debido a que no sufre procesos de combustión o ignición además de ser mal conductor térmico, por lo que el calor tarda un tiempo considerable en alcanzar cierta Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 � �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas / Jesús Fernando López-Perales et al. profundidad. Sin embargo, durante su vida en servicio y por factores que pueden ser de carácter accidental o de diseño, el concreto se puede ver sometido a altas temperaturas, lo que ocasiona una serie de alteraciones en la estructura interna del concreto (cambios físico-químicos) que afectan sus propiedades, como disminución en la resistencia a compresión y módulo de elasticidad, además de presentar agrietamiento y cambios de color en la superficie. 1, 2 El daño que se produce en el concreto dependerá principalmente de la velocidad de calentamiento, la temperatura máxima alcanzada, del tiempo de exposición, de las condiciones de enfriamiento y de las propiedades de los materiales con las que fue elaborado, como son los agregados, tipo de cemento, adiciones suplementarias, agua y aditivos químicos. 3-5 En el tenor de las adiciones suplementarias, la utilización de los residuos industriales como sustitutos parciales de cemento, es una práctica que se ha vuelto muy común alrededor del mundo, principalmente por los beneficios que se obtienen como son el incremento en las propiedades mecánicas y durabilidad del concreto, reducción en el costo de fabricación y reducción en el impacto ambiental al emitir menor cantidad de gases de efecto invernadero. 6 En diversas investigaciones se ha encontrado que la resistencia del concreto expuesto a altas temperaturas se puede mejorar mediante la sustitución parcial de cemento Portland por residuos industriales como son la ceniza volante, humo de sílice, escoria de alto horno, metacaolín, por citar algunos. 7-8 Xu y colaboradores estudiaron concretos de resistencia normal con adiciones de hasta 55% de ceniza volante, encontrando que el concreto adicionado con ceniza volante mejora la resistencia del concreto a altas temperaturas en comparación con el concreto de referencia elaborado únicamente con CPO. 9 Saad y colaboradores realizaron investigaciones en concretos con adiciones de humo de sílice de 10%, 20% y 30% sometidos a temperaturas de hasta 600°C, encontrando que el espécimen con adición de 10% de humo de sílice presenta el mejor comportamiento en relación a resistencia a compresión residual a las diferentes temperaturas. 10 El cambio volumétrico producto de la transformación del Ca(OH)2 en CaO y H2O y su posterior rehidratación, es uno de los fenómenos que produce agrietamiento y el debilitamiento del concreto sometido a altas temperaturas, por tanto, el incremento en la resistencia de este tipo de concretos adicionados con materiales cementantes suplementarios se atribuye a que éstos, por su actividad puzolánica consumen la portlandita y se traduce en un menor agrietamiento y daño en la microestructura. 11 Por otra parte, debido a su tamaño de partícula, el humo de sílice es un material muy utilizado con el fin de producir concretos de alta resistencia, y es este tipo de concretos quien presenta una mayor tendencia a experimentar desprendimiento explosivo, lo cual ocurre debido al tamaño de partícula y la actividad puzolánica del humo de sílice resultando en una matriz cementante más densa, reduciendo la porosidad y permeabilidad del concreto y limitando la capacidad del mismo de remover el vapor creado lo que ocasiona altas presiones y un mayor daño que en el concreto de resistencia normal. 12 � Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas / Jesús Fernando López-Perales et al. Por otro lado, existen escasas investigaciones en las cuales se compara el efecto que produce la nanosílice y el humo de sílice en concretos que son expuestos a altas temperaturas. Morteza y colaboradores en su investigación estudiaron el efecto de las altas temperaturas sobre la resistencia a compresión y tensión de concretos de alta resistencia con adiciones de nanosílice y humo de sílice. Ellos concluyeron que la nanosílice incrementa la resistencia a compresión y tensión residual, mientras que el astillamiento (spalling) y la pérdida de peso disminuyen a medida que la permeabilidad aumenta. 13 En México, las plantas geotérmicas son utilizadas para producir electricidad de bajo costo, sin embargo, también generan un residuo compuesto principalmente por partículas de tamaño nanométrico (~40nm) de sílice amorfa como algunas impurezas como cloruros de sodio y potasio. En investigaciones previas, se ha estudiado el residuo nanosílice geotérmica (NSG) en la elaboración de pastas de cemento, morteros, concretos y geopolímeros, encontrando que se trata de un material promisorio como sustituto parcial de cemento Portland ya que debido a su actividad puzolánica, incrementa las propiedades mecánicas y de durabilidad siendo sus beneficios comparables con los obtenidos al adicionar humo de sílice, por lo tanto el estudio de este residuo industrial como sustituto de cemento Portland se sigue investigando. 14-15 Con el fin de incrementar los conocimientos acerca del comportamiento de este residuo industrial cuando es adicionado en un concreto, la presente investigación tiene por objetivo estudiar el efecto de la adición de residuo nanosílice geotérmica y humo de sílice en concretos base cemento Portland sometidos a altas temperaturas. El daño en la microestructura del concreto se evaluó mediante velocidad de ultrasonidos (VU), análisis termogravimétrico diferencial (ATD), difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido (MEB). EXPERIMENTACIÓN Materias primas La nanosílice geotérmica proveniente de la planta geotérmica Cerro Prieto (localizada en Baja California, México) fue lavada en agua a 100°C debido a que ésta contiene altas concentraciones de cloruro de sodio y potasio. El lavado fue realizado con el fin de obtener las concentraciones deseadas de cloruros totales, 0% en peso de Cl- con respecto al peso del cemento, el cual fue determinado mediante titulación volumétrica utilizando el método de Mohr. Después del lavado, la NSG fue secada por un lapso de 24 h a 120°C en un horno eléctrico; posteriormente la NSG fue tamizada hasta obtener partículas con tamaño menor a 75 μm y finalmente fue homogeneizada. La NSG, el HS y el CPC utilizados en esta investigación fueron caracterizados mediante fluorescencia de rayos X. Además, se determinó su densidad utilizando el método de Le Chatelier de acuerdo a las especificaciones que marca la norma ASTM C-188, el área superficial se determinó utilizando la técnica de absorción de nitrógeno junto con el método de análisis BET. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 � �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas / Jesús Fernando López-Perales et al. La tabla I muestra la composición química de los materiales cementantes utilizados en la elaboración de los especímenes de concreto. Tabla I.- Composición química de los materiales cementantes vía FRX (% peso) SiO2 Al2O3 CPC 18.51 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O CI- PI Densidad Área (g/cm3) BET (m2/g) 4.46 2.61 67.45 1.27 3.26 0.36 0.87 - 0.79 3.03 0.88 HS 95.89 0.42 1.22 0.61 0.42 0.45 0.17 0.82 - 0.29 2.20 24.66 NSG 98.36 0.009 0.04 0.45 - 0.23 0.06 0.31 2.04 8.56 0.03 0.32 Elaboración de especímenes y dosificación de mezclas Los especímenes de concreto fueron elaborados utilizando moldes cilíndricos de dimensiones 50 x 100 mm, cemento Portland compuesto (CPC 30R) de acuerdo al criterio que marca la norma mexicana NMX-C-414-ONNCCE, grava (19 mm), arena (4.75 mm), residuo nanosílice geotérmica (NSG), humo de sílice (HS), agua destilada y superplastificante comercial Glenium 3150 base policarboxilato, utilizando una relación agua/cementantes de 0.5 y niveles de reemplazo de cemento Portland por NSG y HS de 0%, 20% y 30%. Los especímenes fueron curados por 7 años y después de ese tiempo, se determinó su peso, y se caracterizaron mediante UPV, ATD, DRX y MEBEDS. Las mediciones de velocidad de ultrasonidos se realizaron de acuerdo a la normativa europea UNE-EN 12504-4. La designación y dosificación de los especímenes se muestran en la tabla II. Tabla II. Designación y proporción de mezclas Mezcla CPC100 Proporciones de Materiales Cemento Adición R a/c 100% 0% 0.5 CPC80/GNW20 80% 20% 0.5 CPC70/GNW30 70% 30% 0.5 CPC70/SF30 70% 30% 0.5 Régimen de calentamiento Los especímenes de concreto fueron sometidos a un régimen de calentamiento lento. La velocidad de calentamiento se programó a 1°C/min comenzando desde temperatura ambiente hasta alcanzar las diferentes temperaturas críticas (Tc); la Tc se mantuvo constante por un lapso de 2 h para permitir la homogeneización de todos los especímenes y posteriormente, se dejaron enfriar a una velocidad menor a 1°C/min dentro del horno eléctrico con la puerta cerrada. Las temperaturas críticas que se programaron en el horno eléctrico fueron: 350°C, 550°C y 750°C. Caracterización de los especímenes de concreto Después de someter los especímenes al régimen de calentamiento, se determinó el peso y la velocidad de ultrasonidos con el fin de comparar los 10 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas / Jesús Fernando López-Perales et al. valores iniciales con aquellos obtenidos después de ser sometidos a las diferentes temperaturas críticas. Los análisis termogravimétricos se llevaron a cabo tomando muestra de la parte central de los especímenes iniciales y después del régimen de calentamiento; la muestra fue molida en mortero hasta convertirla en polvo. Las condiciones de trabajo fueron: atmósfera de nitrógeno, crisol de alúmina, muestra de entre 30~40 mg y una velocidad de calentamiento de 25°C a 1000°C a una tasa de 10°C/min. El equipo utilizado para el ATD fue un SDT Q600. La identificación de las fases cristalinas se realizó mediante el método de análisis de polvos por difracción de rayos X (DRX) utilizando un equipo Bruker D8ADVANCE. La pasta de cemento previamente acondicionada (impregnación en resina epoxi, corte y pulido) fue estudiada mediante microscopía electrónica de barrido en su modalidad de electrones retrodispersados para analizar el efecto que ocasionan las altas temperaturas en la microestructura de los especímenes. El equipo utilizado fue un S-4800 Scanning Electron Microscope y Bruker XFlash Detector 5030. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Pérdida de peso y velocidad de ultrasonidos (UPV) La figura 1 muestra el porcentaje de pérdida de peso de los especímenes que fueron sometidos a las diferentes temperaturas críticas. Fig. 1. Pérdida de peso a diferentes Tc. Es posible apreciar que la pérdida de peso se incrementa a medida que aumenta la temperatura de exposición. La pérdida de peso es relativamente baja cuando las muestras se expusieron a 350°C y 550°C; por otra parte, cuando los especímenes se expusieron a 750°C, el porcentaje de pérdida de peso se incrementó de manera significativa. Como se puede observar, la pérdida de peso es mayor para los especímenes adicionados con NSG y HS en comparación con el espécimen de referencia (CPC). Esto puede atribuirse a que tanto la NSG como el HS producen una matriz cementante más densa, por lo que la porosidad se reduce y existe menor permeabilidad, limitando la capacidad de eliminar el Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 11 �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas / Jesús Fernando López-Perales et al. vapor creado por la evacuación del agua libre en los poros y la deshidratación de la pasta de cemento, lo que provoca altas presiones y un mayor daño en comparación con el daño que presenta el espécimen de referencia (sin adiciones); lo anterior se pudo comprobar mediante los análisis termogravimétricos. Los porcentajes de pérdida de peso son comparables con los encontrados por Morteza en su investigación donde para la temperatura de 400°C, la pérdida de peso fue de 3-4% y 12-18% para la temperatura de 800°C.13 A 350°C y 550°C la aparición de grietas es mínima, pudiendo relacionarse con los porcentajes de pérdida de peso, lo cual está en acuerdo con el estudio realizado por Omer en donde la aparición de grietas y cambios de color significantes se encuentran a temperaturas por encima de 600°C.1, 16 El agrietamiento de los especímenes es considerado como resultado de la evaporación del agua y la presión del vapor, la contracción de la pasta de cemento y la expansión de volumen que experimenta la transformación del compuesto químico Ca(OH)2 en CaO, como lo reporta Lin y colaboradores.17 La figura 2 muestra los valores de la velocidad de ultrasonidos relativa [UPV (Tc)/UPV (22°C)]. Podemos apreciar que la velocidad de ultrasonidos disminuye gradualmente a medida que la temperatura aumenta, esta reducción es mayor para los especímenes adicionados en comparación con el espécimen de referencia.18 Esto es atribuido a la actividad puzolánica que presentan la NSG y el HS como se discutió anteriormente. A medida que la cantidad de reemplazo de NSG aumenta, la velocidad de ultrasonidos se reduce en mayor porcentaje. En algunas investigaciones se ha encontrado que la adición de HS mejora las propiedades físicas y mecánicas del concreto cuando es expuesto a altas temperaturas. Esto ocurre cuando el HS es adicionado en porcentajes de 10-15%, sin embargo, el espécimen adicionado con HS de nuestra investigación mostró un peor desempeño en comparación con el espécimen de referencia cuando se Fig. 2. Velocidad de Ultrasonidos Relativa. 12 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas / Jesús Fernando López-Perales et al. sometió a altas temperaturas, lo cual está en acuerdo con el estudio realizado por Saad y colaboradores en el que encuentran que la estabilidad térmica del concreto adicionado con humo de sílice, disminuye cuando se adicionan porcentajes mayores de HS (20-30%), como ocurrió en este estudio. 19 Análisis Termogravimétrico Diferencial (ATD) El perfil de ATD mostrado en la figura 3 permite identificar las reacciones típicas que ocurren en la muestra de referencia CPC100. A temperaturas por debajo de 100°C la pérdida de peso que ocurre se relaciona a la pérdida de agua evaporable y agua capilar contenida en los poros. En la región de 100°C a 400°C se observa una pérdida de peso constante la cual se relaciona a la deshidratación del gel CSH, como ha sido reportado en muchas investigaciones. En la región de 400°C a 450°C es posible apreciar la pérdida de peso correspondiente a la deshidratación de la portlandita en CaO y agua. A partir de 630°C, se aprecia una intensa pérdida de peso relacionada a la transformación del CaCO3 proveniente de los agregados. 20 Fig. 3. Perfil ATD/DTG CPC100. La figura 4 muestra la pérdida de peso de los especímenes iniciales; si consideramos que entre 200°C y 350°C comienza la deshidratación del gel CSH, podemos observar que esta pérdida es mayor para los especímenes adicionados comparados con el espécimen de referencia, esto se debe a que los especímenes adicionados producen mayores cantidades de gel CSH debido a la actividad puzolánica de la NSG y el HS. Además, se aprecia como la curva presenta una caída más pronunciada de pérdida de peso a 400°C para el espécimen adicionado con NSG en comparación con el adicionado con HS. Esto se atribuye a que la NSG, debido a su tamaño de partícula nanométrico, exhibe una mayor actividad puzolánica formando mayores cantidades de gel CSH, lo cual se ve reflejado en la mayor pérdida de peso. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 13 �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas / Jesús Fernando López-Perales et al. Fig. 4.- Perfil ATD espécimenes iniciales. El DTG de la figura 5 muestra como el pico correspondiente a la portlandita (400°C a 450°C) se observa para la muestra inicial y para la muestra sometida a la temperatura crítica de 350°C. Este pico desaparece cuando la muestra alcanza la temperatura de 550°C, sin embargo, a 750°C puede observarse de nuevo este pico pero desplazado a la izquierda de la gráfica, lo que sugiere que esta portlandita se formó durante la etapa de enfriamiento y por lo tanto es menos cristalina y se descompone a menores temperaturas, como también lo sugieren algunos autores. 20-22 La figura 6 muestra el DTG de la muestra CPC80/NSG20 inicial y después de ser sometida a las diferentes temperaturas críticas, donde es posible observar Fig. 5. DTG CPC100 a diferentes Tc. 14 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas / Jesús Fernando López-Perales et al. Fig.6. DTG CPC80/NSG20 a diferentes Tc. como el pico correspondiente a la transformación del CaCO3 en CaO y CO2 se desplaza ligeramente a la izquierda de la gráfica comparada con la muestra inicial. Además, se pudo apreciar un segundo pico en la muestra sometida a 750°C, lo que sugiere que se formó durante la etapa de enfriamiento con el CO2 que se encontraba dentro del horno y por lo tanto es menos cristalino y se descompone a temperaturas menores como sugieren algunos autores. 20,23 Difracción de rayos X (DRX) La figura 7 muestra el patrón de difracción de la muestra CPC100 inicial y después de ser sometida a las diferentes temperaturas críticas. Las reflexiones típicas asociadas a la portlandita, calcita, cuarzo, dolomita y gel tobermorita fueron encontradas e identificadas. Los difractogramas de la muestra inicial y de la muestra sometida a 350°C son muy similares, lo que confirma que las fases cristalinas detectadas no sufren transformaciones cuando la muestra se Fig. 7. Difractograma epécimen CPC100 inicial y a diferentes Tc. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 15 �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas / Jesús Fernando López-Perales et al. somete a 350°C. Se observa como en la muestra inicial y a 350°C, se encuentra el pico relacionado a la portlandita, sin embargo éste desaparece cuando se alcanza la temperatura de 550°C, lo cual está en acuerdo con los resultados del análisis termogravimétrico de la figura 5. Por otra parte, en el DTG de dicha figura se aprecia a 750°C un pico correspondiente a la portlandita que como ya se mencionó anteriormente, se formó durante la etapa de enfriamiento y por tal motivo es menos cristalino, es por esta razón que no se puede apreciar en el difractograma en el mismo ángulo 2θ. Microscopía electrónica de barrido (MEB-retrodispersados) La figura 8 muestra las imágenes del análisis MEB del espécimen CPC100 después de someterse a las diferentes temperaturas críticas. Es posible observar que a medida que la temperatura de exposición aumenta, la degradación de la microestructura del espécimen de concreto aumenta.19 La muestra inicial presenta pocos huecos y existe una buena adherencia entre la pasta de cemento y los agregados. A medida que la temperatura se aumenta como se muestra en la figura 8 (a) comienza la aparición de grietas en la zona de la interface pastaagregado, contracción de la pasta de cemento y una mayor cantidad de huecos producto de la deshidratación de la pasta. El espesor de la grieta localizada en la interface pasta-agregado tiene un promedio de 1.2 μm. La pasta de cemento en la figura 8 (b) y figura 8 (c) se puede apreciar con mayor deterioro y un espesor de grieta en la interface pasta-agregado que se incrementa a medida que la temperatura de exposición aumenta con valores promedio de 5.42 μm y 7.16 μm respectivamente. El gran deterioro que presenta la muestra sometida a 750°C puede relacionarse con la pérdida de peso y reducción en la velocidad de ultrasonidos que a esta temperatura se incrementó considerablemente. Estos resultados están en acuerdo con el estudio realizado por Peng y colaboradores en el cual se menciona que la descomposición del gel CSH se vuelve significativa por encima de 600°C y la relación de descomposición se incrementa considerablemente con el incremento en la temperatura. 21, 24 En la figura 9 (a) se muestra como la aparición de grietas comienza en la interface pasta-agregado y en la pasta de cemento, además del aumento en la cantidad de huecos. El espesor de la grieta localizada en la interface pasta-agregado fue de 10.21 μm Fig 8. MEB espécimen CPC100 sometido a diferentes temperaturas críticas. 16 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas / Jesús Fernando López-Perales et al. Fig 9. MEB espécimen CPC80/NSG20 sometido a diferentes temperaturas críticas. promedio. Cuando la temperatura de exposición alcanzó 550°C como se muestra en la figura 9 (b), el deterioro de la pasta se incrementó en comparación a la muestra CPC100, el espesor de la grieta localizada en la interface pastaagregado tiene un promedio de 13.1 μm. El deterioro de la microestructura de la muestra sometida a 750°C es mayor como puede observarse en la figura 9 (c), donde se aprecia la pasta de cemento deshidratada e incluso los agregados comienzan a desintegrarse. La cantidad de huecos en la pasta de cemento se incrementó en comparación con la muestra CPC100 y el espesor de las grietas localizadas en la interface pasta-agregado es de 16.6 μm promedio. CONCLUSIONES Esta investigación se enfocó en evaluar los procesos de degradación más relevantes que se producen a microescala en el concreto cuando es sometido a altas temperaturas, haciendo una comparación entre el concreto adicionado (residuo nanosílice geotérmica y humo de sílice) y el concreto sin adiciones, elaborado únicamente con cemento Portland compuesto (CPC). La pérdida de peso de los especímenes expuesto a 350°C y 550°C fue relativamente baja, siendo significativa cuando la temperatura alcanzó los 750°C. La pérdida de peso fue mayor para los especímenes adicionados con NSG en comparación con el espécimen adicionado con HS y el espécimen de referencia, incrementándose dicha pérdida a medida que la temperatura de exposición aumentaba. La velocidad de ultrasonidos disminuyó gradualmente con el incremento en la temperatura, esta reducción fue mayor para los especímenes adicionados en comparación con el espécimen de referencia, lo cual se atribuye a la matriz cementante más densa que producen las adiciones de NSG y HS. En el análisis ATD, se encontró que la pérdida de peso de los especímenes iniciales después de 300°C, fue mayor para aquellos con adiciones en comparación con el espécimen de referencia. El perfil DTG de la muestra CPC100 y CPC80/ NSG20 muestra picos relacionados a la portlandita y carbonato de calcio respectivamente, con menor intensidad y desplazados de la curva de referencia, lo que sugiere que estos se formaron durante la etapa de enfriamiento y son menos cristalinos, como se corrobora en el difractograma. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 17 �Concretos sustentables expuestos a altas temperaturas / Jesús Fernando López-Perales et al. Las imágenes MEB permitieron observar como la microestructura del espécimen adicionado con NSG presenta una mayor degradación a medida que la temperatura se incrementa comparada con el espécimen de referencia. Esto pudo ser comprobado al medir el espesor de las grietas localizadas en la zona de la interface pasta-agregado. REFERENCIAS 1. Omer, A., “Effects of elevated temperatures on properties of concrete”, Fire Safety Journal, 42 (2007) 516-522. 2. Cree, D., Green, M., Noumowe, A., “Residual strength of concrete containing recycled materials after exposure to fire: A review”, Construction and Building Materials, 45 (2013) 208-223. 3. Ali, B., Hasan, Z., “Effect of silica fume addition and water to cement ratio on the properties of high strength concrete after exposure to high temperatures”, Cement and Concrete Composites, 30 (2008) 106-122. 4. 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Una forma de apoyarla es mediante el uso de sistemas de supervisión del desempeño, los cuales incluyen diagnóstico de fallas así como mecanismos de tolerancia de fallas. En este trabajo se propone un algoritmo robusto que converge en tiempo finito para la detección y aislamiento de fallas, permitiendo aumentar la confiabilidad de la detección a partir del tiempo de convergencia, el cual puede ser fijado arbitrariamente. El resultado se logra sin alterar la dinámica propia del residuo. El algoritmo es probado con un modelo de simulación. Palabras Clave Falla, generación de residuos, observadores, sistemas lineales, convergencia. Abstract Nowadays, security and reliability in the industry is a priority. A way to support it is by using performance monitoring systems, which include diagnosis and tolerance mechanisms failures. In this wor is proposed a robust algorithm that converges in finite time, for failure detection and isolation allowing to increase the reliability of detection from the time of convergence, which can be set arbitrarily. The result is achieved without altering the dynamics of the residue. The algorithm is tested with a simulation model. Keywords: Fault, residual generation, observers, linear systems, convergence. Introducción Como una manera de apoyar la mejora de los niveles de seguridad y confiabilidad de procesos industriales, se han desarrollado algoritmos de diagnóstico de fallas, los cuales básicamente pueden ser entendidos como la realización de tres actividades: detección, aislamiento e identificación de fallas. Cada una de estas acciones se ha convertido en un área de investigación importante debido, entre otras cosas, a los efectos que pueden ocasionar fallas en el flujo de producción e inclusive en la generación de paros no programados. Así mismo, la información acerca de ocurrencia de fallas incipientes puede ser 20 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al. utilizada para realizar mantenimiento predictivo, o bien, reducir los efectos de las fallas, ya sea en el número de paros no programados así como en la duración de estos. En los algoritmos de diagnóstico de fallas generalmente se requiere de la obtención de señales que dependen de las fallas, llamadas residuos. Los residuos juegan un papel protagónico en el diagnóstico. De las diferentes formas para generar residuos una manera comúnmente utilizada es mediante el uso de observadores de la salida, ver por ejemplos en: P. M. Frank1, S. X. Ding2, C. Chen & R. Patton3 y R. Iserman4. La generación de residuos utilizando observadores, a diferencia de otras técnicas, permite ajustar algunas características de desempeño de estos mediante la selección de ganancias del observador o mediante post-filtrado. Una situación asociada al uso de generadores de residuos basados en observadores, es que el hecho de que el efecto de las condiciones iniciales desaparece solo de manera asintótica. Esta situación generalmente se minimiza argumentando que solo hace falta esperar un tiempo suficiente, pero que en la práctica es difícil de estimar con precisión. En contraste, se busca reducir el tiempo de convergencia de los generadores de residuos mediante la selección de la dinámica, como muestran S. X. Ding2, C. Chen & R. Patton3 y R. Iserman4. El diseño de la dinámica que reduzca el tiempo de convergencia pudiera comprometer la respuesta esperada, por lo que sería deseable contar con un procedimiento que permita la convergencia del generador de residuos en tiempo arbitrario (y pre-establecido) sin comprometer la dinámica del generador de residuos. Este problema, tal y como se discute previamente, no ha sido planteado. En la literatura existe un procedimiento reportado con características de convergencia en tiempo finito5, el cual está fundamentado en un enfoque de orden reducido, el cual puede ser limitante al desempeño de los algoritmos de diagnóstico3. Aquí se propone un algoritmo robusto para la detección y aislamientos de fallas para sistemas con entradas desconocidas, el algoritmo propuesto cuenta con la propiedad de convergencia en tiempo finito. El algoritmo propuesto además de ser robusto es de orden completo y converge en tiempo finito. El resultado propuesto aquí está basado en el esquema introducido en A Continuous-Time Observer Which Converges in Finite Time6 tal y como lo hacen en A Finite Time Unknown Input Observer For Linear Systems5, pero utilizando un observador de orden completo con entradas desconocidas. El algoritmo propuesto permite la convergencia en tiempo finito arbitrario, la dinámica independiente del generador de residuos, así como un espectro amplio para el diagnóstico de fallas, como se muestra en los ejemplos planteados por S. X. Ding2, C. Chen3 y R. Iserman4. Preliminares En esta sección se revisan los antecedentes que son utilizados para el desarrollo del algoritmo de diagnóstico y aislamiento de fallas propuesto. La base se encuentra en el diseño de observadores con convergencia de tiempo finito, así como en los observadores (robustos) con entradas desconocidas. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 21 �Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al. Observadores con convergencia de tiempo finito La convergencia en tiempo finito de observadores de Luenberger lineales es tomada de R. Engel et al.6 Se considera un sistema lineal invariante en el tiempo dado por (1) p donde x ∈ ℜ n , u ∈ ℜ m y la salida y ∈ ℜ . Considera que el par (A C) es observable (detectable al menos). Después se define dos observadores identidad para el sistema (1) con f(t)=d(t)=0, es decir, (2) Se definen las siguientes matrices como: Asignando H y el retraso de tiempo D tal que ℑ es estable, y T el estimado x̂ de x está dado por e ℑDT ≠ 0 Como es destacado en R. Engel et al.6, teóricamente es posible hacer converger al observador en un instante muy corto de tiempo D. La ecuación del estimado x̂ de es obtenida del hecho de que el error de estimación satisface un sistema de ecuaciones diferenciales lineales, como es: De donde se deduce que la siguiente relación es válida: y que es de donde se obtiene el resultado reportado en R. Engel et al.6, la cual representa una forma ingeniosa de resolver el problema de convergencia finita del observador. 22 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al. Observador robusto a entradas desconocidas Los resultados del observador robusto de orden completo con entradas desconocidas son tomados de M. Darouach 7. Considerando al sistema (1) con f(t)=0. Un observador con entradas desconocidas robusto a d(t) es dado por: (3) con: (3a) Donde W es una matriz de ponderación arbitraria, la cual puede ser cero; M debe ser estable (con valores propios con parte real negativa, lo cual se puede garantizar si el par [PA, C] es detectable al menos o bien observable). Note que mediante la definición (o la redefinición) de las matrices E y F es posible la manipulación de la sensibilidad del estimado a las entradas desconocidas, las cuales pudieran ser fallas. Las condiciones de existencia se pueden resumir como sigue: Teorema 1. Para el sistema (1) con f(t)=0, existe un observador (3) si y solo si las siguientes condiciones se verifican (M. Darouach et al.7): 1. Rango(CE) = Rango (E) 2. * Algoritmo propuesto para la detección y diagnóstico de fallas en tiempo finito Un procedimiento de diagnóstico de fallas generalmente consta de los siguientes pasos (P. M. Frank 1): 1. Generación de residuos. Es una señal que idealmente depende solo de las fallas. En la práctica los residuos se pueden ver afectados por incertidumbre y están solo cercanos a cero. 2. Evaluación de residuos. Aquí se extrae la información sobre la ocurrencia de fallas. Principalmente se utiliza una función de evaluación y una comparación con un umbral. 3. Identificación de fallas. Se extrae de los residuos la información sobre magnitud y tiempo de ocurrencia de una falla. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 23 �Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al. Se deja fuera de consideración a la identificación de fallas, examinando sólo el problema de detección y aislamiento de estas. Note que un aspecto central para su diagnóstico y aislamiento es el diseño de generadores de residuos. Generación de residuos Dentro de las diferentes variantes de generación de residuos disponibles en la literatura (consultar los libros: Robust Model-Based Fault Diagnosis for Dynamic Systems 3, Fault-Diagnosis SystemsAn Introduction from Fault Detectionto Fault Tolerance4 y Diagnosis and Fault-Tolerant Control8), se pueden resumir en tres grandes grupos: espacio de paridad, observadores, así como métodos basados en identificación. Entre los dos primeros existe una cierta relación de equivalencia así como un diseño unificado 2. Entre los dos primeros y el tercero existe una relación de complementariedad9. Dada la enorme variedad de métodos de diseño con entradas desconocidas se estudia el enfoque basados en observadores, se dispone también de una gran variedad de métodos de diseño para generadores de residuos. Los cuales pueden ser burdamente catalogados como enfoques de orden completo y de orden reducido. Los diseños que están basados en observadores de orden reducido pueden encontrar problemas que son de otra forma (con observadores de orden completo) solubles. Esto queda de manifiesto cuando se utiliza el esquema de orden reducido presentado por Y. Guan and M. Saif 10 con el sistema demostrado por Luan, J.H., 11 el cual tiene un problema cuando el subsistema calculado robusto a las perturbaciones es inestable y la ley de control nominal no logra estabilizarlo. En este caso es bien sabido que no se puede hacer diagnóstico de fallas M. Kinnaert et al12. Esta situación se verá ejemplificada más adelante mediante un modelo presentado por Luan, J.H.11 y retomado en este trabajo. Considerar el sistema con fallas y perturbaciones dado por (1), se tiene el siguiente resultado: Teorema 2. El sistema (C. Chen & R. Patton3): (4) Representa un generador de residuos de orden completo y robusto a las perturbaciones d(t), si se satisfacen las ecuaciones (3a) y la siguiente condición se cumple: L1C + L2 = 0 Nota 1. El proceso para determinar la aparición de una falla requiere, en general, del diseño de un valor de umbral, con la finalidad de evitar falsas alarmas. El diseño de umbrales para la detección no es discutido en este trabajo, el lector interesado es remitido a literatura especializada, como ejemplifican S. X. Ding2 y M. Blancke et al.8 Nota 2. Las fallas investigadas en este trabajo se considera que se manifiestan francas en el residuo y el mínimo nivel de falla que puede ser detectado, está en función del nivel de incertidumbre y el valor de umbral que se seleccione. 24 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al. La idea consiste en hacer converger al generador de residuos robusto (3) en tiempo finito siguiendo las ideas presentadas por R. Engel et al.6 y descritas brevemente en los preliminares. Para esto se requieren dos conjuntos de valores propios (estables, es decir, con parte real negativa), a ser asignados. Los demás pasos se volverán a describir aquí, pero aplicados al observador de orden completo con entradas desconocidas. Propuesta 1. Dado un sistema (1) y se supone que las condiciones de los teoremas 1 y 2 se satisfacen. Asignando D>0 y una selección adecuada de las matrices H1 y H2. Entonces el sistema (2) construido para el sistema (3) es un generador de residuos robusto que converge en tiempo finito predeterminado por el valor D.‫٭‬ Prueba. Asumiendo que las condiciones de existencia para los teoremas 1 y 2 se satisfacen, se procede a construir un generador de residuos (3), robusto a las variables representadas por d(t)en (1). El diseño del generador de residuos con convergencia en tiempo finito se sigue de la observación de la obtención de dos ecuaciones dinámicas para el generador de residuos de orden completo y robusto a las perturbaciones d(t) mediante: El estimado de ζ (t) con convergencia en tiempo finito D está dado por: (5) El cual se logra con la definición de las matrices: Asignando H1 y H2 de tal forma que junto con el retraso de tiempo D>0, se tiene que y dado que es seleccionado estable. El generador de residuos resulta entonces de utilizar (5) en: Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 25 �Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al. La propiedad de robustez de los observadores frente a la perturbación se obtiene del teorema 1; mientras que la propiedad de ser generador de residuos de la condición adicional dada en el teorema 2 y la convergencia en tiempo finito al aplicar el algoritmo de R. Engel. 6 Nota 3. Una versión antigua de la propuesta 1 ha sido previamente presentada por E. Alcorta Garcia et al.13 La diferencia básicamente consiste en que ahora se puede garantizar que la matriz [T e ℑDT ] , no será singular para algún valor de D siempre que H1 y H2 sean seleccionadas de tal forma que las matrices A–H1C y A–H2C tengan valores propios suficientemente distintos para alguna D>0. Ejemplo de aplicación Con la finalidad de mostrar el procedimiento propuesto, se considera el modelo linealizado del sistema de control de posición de una aeronave, el cual ha sido previamente utilizado por Luan, J.H.11 y tomado como ejemplo en E. Alcorta Garcia et al13. Modelo y control Considerar el siguiente sistema lineal (6) Donde Es el vector de estado donde representan los ángulos de guiada, balanceo y cabeceo respectivamente las correspondientes velocidades angulares; la entrada de control consta de tres elementos asociados con fuerzas en cada dirección: uT =[Lx Ly Lz]; la incertidumbre d(t) consiste en incertidumbre del modelo: Y las matrices del sistema: 26 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al. F es igual a la primer columna de B y C es la matriz identidad de orden 6 (todos los estados están disponibles para medición. Este sistema es inestable en lazo abierto, con lo que para poder realizar la tarea de diagnóstico es necesario primero estabilizarlo mediante una retroalimentación de estado dada por: u(t) = Kxx(t) + Kref r(t) ; con: Las ganancias anteriores permiten una ubicación de polos en {-2,-1.25,-1.75,-1.5,-2.5,-1} para una referencia dada con fines de mostrar el algoritmo rT (t) = rT = [-0.5 0.5 1] para las posiciones angulares. El comportamiento nominal del sistema (con f(t)=0) puede verse en la figura 1. Fig. 1. Evolución de los ángulos del sistema en lazo cerrado. Diseño del generador de residuos Primeramente se verifican las condiciones de existencia. La primera condición se cumple sin problemas y la segunda es equivalente a que el par (PA, C) sea observable. Construyendo P utilizando W=0. Se verifica la observabilidad y por lo tanto la existencia del generador residual robusto. 0 0 0 0 0  − 3  0 − 3 .1 0 0 0 0    0 − 3.2 0 0 0  M 1 =  10 0 0 − 3.3 0 0    0 1 0 0 − 3 . 4 0    0 0 1 0 0 − 3.5 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 27 �Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al. 0 0 0 0 0  3  0 3.1 0 0 0 0    0 3.2 0 0 0 K r1 = 0.00025 0 0 0 3.3 0 0   0 0 0 3.4 0   0  0 0 0 0 0 3.5 0 0.0125  0 0.011   0 G= 0 0 0  0  0  0 0 0  3  0 3.1   0 H1 = 0.00025 0 0  0  0  0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0  0 0 0 0 0 0 0  0 0 0 3.3 0 0  0 3.4 0  0 0 3.5 Seleccionando D=0.1. Las demás matrices se obtienen directamente a partir de las fórmulas antes mencionadas. Resultados de simulación Los resultados pueden apreciarse en la figura 2, donde se presentan las respuestas de los generadores de residuos con convergencia asintótica y en tiempo finito. En la figura 3 se presenta la respuesta de ambos observadores generadores de residuos cuando se presenta una falla en t=0.5 s. Como se puede apreciar, en los residuos con convergencia asintótica, la manifestación de la falla en el residuo cuando el efecto de las condiciones iniciales no ha desaparecido, obscurece la posibilidad de reconocer que la falla ha ocurrido. Note que a pesar de seleccionar un radio de convergencia arbitrario, el tiempo que tarda el residuo en que desaparezca el efecto de las condiciones iniciales no se puede determinar de forma exacta, pues depende también del valor de la condición inicial. En la misma figura se puede apreciar que en el caso de la convergencia en tiempo finito, es claro a partir de qué momento el residuo es confiable. Esto da una ventaja en cuanto al aspecto práctico y de confiabilidad de los algoritmos utilizados para la detección y aislamiento de fallas. Lo anterior sugiere que el aspecto de convergencia en tiempo finito debe ser considerado como necesario en el diseño e implementación de algoritmos para este fin. 28 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al. Fig. 2. Evolución de los residuos tanto asintótico como el que converge en tiempo finito. Fig. 3. Evolución de los residuos en la presencia de fallas. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 29 �Detección y aislamiento robusto de fallas en tiempo finito / Efraín Alcorta García, et al. Conclusiones La detección y aislamiento de fallas se puede hacer de forma robusta y con tiempo de convergencia arbitrariamente corto. Esto sin la necesidad de recurrir a técnicas no lineales como en el caso de los modos deslizantes o bien, al uso de discontinuidades. El enfoque propuesto considera una estructura de orden completo que permite la solución de problemas que no se pueden resolver con esquemas de orden reducido. Referencias 1 Frank P. M. Fault Diagnosis in Dynamic Systems using Analytical and Knowledge-Based Redundancy - A Survey and some New Results Nueva York: Automatica, Vol. 26, No. 3, pp. 459 - 474, 1990. 2 Ding S. X. Model-based fault diagnosis techniques, Londres;NuevaYork: Springer, 2013. 3 Chen C., Patton R. , Robust Model-Based Fault Diagnosis for Dynamic Systems, Boston: Kluwer Academic Publisher, 1999. 4 Iserman R. Fault-Diagnosis Systems An Introduction from Fault Detectionto Fault Tolerance, Berlin ; New York: Springer 2006. 5 Raff T., Lachner F., Allgower F. A Finite Time Unknown Input Observer For Linear Systems, Italia, Conferencía: MED ‘06. 14th Mediterranean Conference on Control and Automation, 2006. 6 Engel R., Kreisselmeier G. A Continuous-Time Observer Which Converges in Finite Time, Nueva York: IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 47, No. 7, July 2002. 7 Darouach M., Zasadzinski M., Xu, S. J. Full order observers for linear systems with unknown inputs, Nueva York: IEEE Transactions on Automatic Control, 39 (3), pp.606-609, 1994. 8 Blancke M., Kinnaert M., Lunze J., Staroswiecky M. Diagnosis and FaultTolerant Control, Nueva York: Springer 2006. 9 Alcorta-Garcia, E., Frank P. M. On the relationship between observer-based and identification based approaches, San Francisco, CA. USA: IFAC World Congress, 1996. 10 Guan Y., Saif M. A Novel Approach to the Design of Unknown Input Observers, Nueva York: IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 36, No. 5, May 1991. 11 Luan, J. H., Zhao, T. D. Novel design of actuator fault reconstruction, Bradford, England: International Journal of Aircraft Engineering and Aerospace Technology 80, pp.44–50, 2008. 12 Kinnaert M., Hanus R., Arte P. Fault detection and isolation for unstable linear systems, Nueva York: IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 40, Iss. 4, p.740-742, 1995. 13 Alcorta Garcia E., Lopez Castillo F. E., Díaz Romero D. A. Generación residual con convergencia en tiempo finito basada en observadores, México: IEEE CINDET 2015. Cuernavaca Morelos, 2015.. 30 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Magnetics for power electronics integration: from powders to passive components Trong Trung LeA,B, Fréderic MazaleyratC, Thierry LebeyA,B, Zarel Valdez-NavaA,B CNRS; LAPLACE; F-31062 Toulouse, France Université de Toulouse; UPS, INP; LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie), Toulouse, France C SATIE, ENS Cachan, CNRS, UniverSud, Cachan, France valdez@laplace.univ-tlse.fr A B RESUMEN La nueva generación de sistemas eléctricos de potencia para sistemas móviles requerirán reducciones de volumen y peso considerables. Los nuevos dispositivos semiconductores dispondrán de frecuencias y voltajes de funcionamiento más altos, lo que permitirá la reducción del volumen de los componentes pasivos, dieléctricos y magnéticos. Una estrategia posible es mutualizar los componentes magnéticos en convertidores multicelulares entrelazados. Estas arquitecturas requerirán nuevos materiales magnéticos con formas complejas. En este trabajo proponemos una estrategia general para producir las geometrías complejas que se requerirán para validar los nuevos conceptos en arquitecturas de convertidores entrelazados. PALABRAS CLAVE Sistemas eléctricos de potencia, transformadores de corriente intercelulares ICT, transformadores multicelulares, ferritas de Ni-Zn, prensado isostático en frío. ABSTRACT The next generation of on-board power electronics will be highly demanding on volume and weight reduction. Higher frequency and higher voltage devices could allow for the reduction of the passive components, dielectric and magnetic. A possible strategy is to mutualize the magnetic components in interleaved multicellular architectures. This will require new ceramic magnetic materials and complex geometries. We propose in this work a general strategy to produce complex geometries required at the development stage of such new architectures. KEYWORDS Power electronics, Intercellular current transformers ICT, multicellular transformers, Ni-Zn ferrites, cold isostatic pressing. INTRODUCTION Power electronics (PE) is a branch of electrotechnics that concerns the static converters. PE allows for the management and conversion of the electrical Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 31 �Magnetics for power electronics integration: from powders to passive components / Trong Trung Le, et al. energy from the source to its final use. At the heart of the PE systems we find the semiconductor devices that allow for high energy efficiency in the conversion process. Along these active components, energy must be stored and conditioned by other elements known as passive components. Capacitive and inductive components are coupled to semiconductors to complete the total conversion chain. These PE systems cover from very small power, mW, to large power applications (several MW) (Meynard T. et al.1). Particularly on-board electronics, for transportation applications, require an increase on the total energy density of the systems. Hence, total volume reduction involves every part of the PE system, including the passive components. There is a great effort on the research of new solutions for the integration of passive components to reduce their footprint on the final system and ultimately to reduce their volume, an example of these investigations is given by Lu D, Wong.2 This system integration needs the contribution of designers, that propose new topologies: materials scientists, developing materials with improved intrinsic properties; and materials processing researchers, that develop methods to produce real objects that can be used for a proof of concept of the new topologies. It is possible to find several examples of capacitor integration for medium power applications, Lu D. et al.3 and Doan T. et al.4 are good references, however, for magnetic components, examples are limited and they take into account only the contribution of system designers by using commercially available magnetic materials. Volume reduction of magnetic passive components can be achieved by sharing, in a single magnetic component, several fluxes interleaved in frequency. This requires several semiconductors working in parallel to produce the phase shifted current that feeds the interleaved converter. Magnetic materials used for medium PE applications already require to work in the frequency range of several hundred kHz, specially if new semiconductors will be driving such systems, such as SiC or GaN, explained by Bowers JS5 and Shur MS6. In the case of interleaved converters, the effective frequency at the magnetic component is multiplied by the total number of magnetic cicuits that are shared by the component. Hence, is necessary to use magnetic materials that allow operating frequencies in the MHz range. Recent works on ceramic materials offer the possibility to use Ni-Fe manganites that could respond to this requirement. The works from Lucas A. et al.7 and Lucas. 8 shows the impact of Cu additions on the sintering and performance Ni-Fe manganites. The potential use of such materials on interleaved converters is largely dependant on the capability to make large passive components made of a ceramic material, along with the complex geometries required by such converters. A demonstration of the complex shapes required by interleaved magnetic components is shown in Figure 1, as explained by Costan V. 9 The objective of this work is to propose a method to obtain the large geometries needed by the interleaved converters for medium power applications. When it comes to making a large ceramic component, two procedures are very important: shaping and sintering. In the case of shaping, it can be done either before sintering, on a green compact, or after sintering on a fully dense material. There are some examples of multicellular converters that are shaped from commercial ceramic components, as explained by Videau N10 and 32 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Magnetics for power electronics integration: from powders to passive components / Trong Trung Le, et al. Forest F.11 This method has the disadvantage that materials are hard and brittle, and only diamond-based tools are adapted to this step. We propose to shape the green body of the pressed ceramics prior sintering and explore the impact of pressing technique on the magnetic properties, then we will give a model of realization of a large magnetic component. Fig. 1. Scheme of a six-legged Intercellular Current Transformer (ICT). EXPERIMENTAL The used ceramic powders are based on a Ni-Zn-Cu ferrite studied by Lucas A et al.8, with a permeability (µ’) above 300 and with an operating frequency of at least 1 MHz (resonance frequency). For any given application the final permeability values, losses and operating frequency can be tuned by the control of the dopping in the ferrite crystalline structure, studied by Valenzuela R.12 Samples were prepared with a powder with a composition of Ni0.3Zn0.55Cu0.15Fe1.97O3, obtained by a solid-state reaction of an stoichometric mixture of the elementary oxides (NiO, Fe2O3, ZnO and CuO) at 850°C for 2 hours. The powder was wet-milled by attrition to attain an average particle size of ∼1 µm, then dried and mixed with an organic binder (1.5% vol.) to promote its cohesion during the pressing. Prior research on this material has been optimized using uniaxial pressing, nevertheless, for large shapes, it would be more appropriate to use isostatic pressing to ensure the green density homogeneity. A comparison between both pressing methods is done to evaluate its impact on the final properties. Powders where pressed using uniaxial pressing at 150 MPa and cold isostatic pressing (CIP) between 150 and 250 MPa (EPSI NV). For the CIP, it is necessary to use a deformable mould, this was developed in-house and described in the following section. After the pressing, samples were machined by a numerical drill to obtain toroidal shapes (18 mm external diameter, 6 mm internal diameter, and 4 mm thickness), needed for the electrical characterization. The tores where then wound with a wire and characterized in ac with an RF impedance meter (Hewlett Packard 4291A). From the series impedance (Ls) and the series resistance (Rs), it is possible to extract the real (µ’) and imaginary (µ”) components of the magnetic permeability. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 33 �Magnetics for power electronics integration: from powders to passive components / Trong Trung Le, et al. (1) µ0 is the vacuum permeability, N the number of turns in the tore, and f the frequency. Microstructure was observed by scanning electron microscopy (Jeol JSM 6390 LV). After process optimization was done, multicellular magnetic component was shaped and sintered. CIP mould preparation The final shape of a multicellular magnetic components for medium PE depends on the material properties at the operating frequency, voltage and currents. From a research perspective, we aimed a process that would be as flexible as possible in order to obtain any given shape that a system designer could imagine, this of course coupled to CIP to produce large volume objects. This required the use of a soft-bag system to press the powders. To realize the soft-bag mould, the steps followed were: 1. 2. 3. 4. Positive model preparation Preparation of master mould (negative) Polyurethane resin preparation Vaccum casting and de-moulding The positive model was printed with a 3D printer (3D EDEN 250) in an acrylic-based resin; Figure 2 a). Then this model was casted within a silicon resin, that would act as a negative mould; Figure 2 b) through d). After removing the model, polyurethane-based resin was poured in the mould to obtain the final soft-bag at a desired shape. Fig. 2. Steps required to prepare a soft-wall mould for CIP. 34 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Magnetics for power electronics integration: from powders to passive components / Trong Trung Le, et al. The soft-bag thickness and hardness is very important, since a thick wall will transmit a large mechanical constraint to the CIP green body, that would lead to cracks and mechanical failure. An example of such problem is illustrated in Figure 3. Fig. 3. Green-body moulded with a thick wall soft-bag. The cracks can be observed in the surface. These cracks are formed after the pressing, while reducing the isostatic pressure. RESULTS AND DISCUSSION Sintering conditions determination Sintering cycle was optimized taking into account the mass losses during binder burnout and the maximum densification rate. Two analysis were performed to the pressed compacts, thermogravimetric analysis (TGA) and thermomechanical analysis (TMA), shown in Figures 4 and 5 respectively. The final sintering cycle of the powders is hence performed by an initial debinding step at 400°C attained at 1°C/min ramp, then sintering is performed at 1080°C (3°C/min ramp) with a dwell time of 2 h. Fig. 4. TGA of the binder burn-out of the formulated Ni-Zn ferrite powders. Binder is completely removed by 400°C. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 35 �Magnetics for power electronics integration: from powders to passive components / Trong Trung Le, et al. Fig. 5. TMA of a compact of Ni-Zn ferrite powders. Maximum densification rate is obtained in the range of 1050°C to 1000°C. Impact of the pressing method on the magnetic properties Since there is no information on the literature concerning the impact of the CIP on the properties of Ni-Zn ferrites, we first made a comparison between the uni-axially pressed and isostatically pressed compacts, sintered under the conditions determined in the previous section. The characterizations of the Figure 6 show that a slight increase on the magnetic permeability is obtained by CIP-issued tores. The increase in µ’ could be attributed to a higher density ceramics obtained by CIP. The increase is not significant from an application point of view, considering that measuring errors (from the geometry) could account up to 10% of the reported values. Fig. 6. Magnetic permeability (µ’) of sintered tores issued from uni-axially and CIP. The resonant frequencies correspond to the peaks observed at 4 to 6 MHz. 36 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Magnetics for power electronics integration: from powders to passive components / Trong Trung Le, et al. The final microstructure of the CIP sintered Ni-Zn ferrites is shown in Figure 7. A mono-dispersed grain size of around 1 µm allows for a single resonance frequency (4-6 MHz) in the magnetic properties. Fig. 7. Microstructure of a CIP Ni-Zn ferrite sintered at 1080°C with a dwell time of 2h. Machining of a multicellular magnetic core Once the main processing parameters of powder preparation and sintering conditions were determined, a large greed-body was pressed with CIP to mill a multicellular magnetic core. The main steps realized in this part are: 1. Computer-aided design of a particular shape (multicellular magnetic core) 2. Transfer to the milling machine (2D Charlie 4U) 3. Green-body fixing or gluing to an acrylic plate for mechanical stability. 4. Machining The machining process is presented in Figure 8 . Several test were performed to determine the milling parameters. The first set of parameters were found empirically from the experience on the machining of aluminium. The main problem was the aspiration of the powders, since we opted for a dry-machining process. The powders were collected with an aspirator with an HEPA-E12 filter. Once the milling parameters were determined a green-body was machined and sintered. A first sample of realization is shown in Figure 9. A 5-legged magnetic core was realized, taking into consideration the recent works in an interleaved multicellular converter for GaN switching devices, researched by Videau N. 10 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 37 �Magnetics for power electronics integration: from powders to passive components / Trong Trung Le, et al. Fig. 8. Numerical tooling used in the machining of CIP green compacts of Ni-Zn ferrites. Fig. 9. 5-legged multi-cellular magnetic core. a) as-machined green-body, b) after sintering. CONCLUSION Cold isostatically-pressed ferrite powders were formulated to obtain large magnetic cores required by medium power PE applications. Both the material properties (large permeability and high resonant frequency) and the process (CIP plus machining) allows for obtaining the complex shapes needed for a next generation of interleaved multicellular converters. Measurements under high magnetic fields are required to further explore the capabilities of the studied Ni-Zn ferrite formulation. Nevertheless, the present work proposes a general approach to obtain the complex shapes needed to develop new architectures in multicellular magnetic cores. 38 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Magnetics for power electronics integration: from powders to passive components / Trong Trung Le, et al. REFERENCES 1. Meynard T, Forest F, Labouré E, Costan V, Cuniere A, Sarraute E. 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El método propuesto utiliza el análisis modal para obtener el eigenvalor dominante, ya que este contiene la mayor actividad de las variables de estado, y a través de su magnitud, se puede caracterizar la forma de onda transitoria. Para validar el funcionamiento del método, fue simulado un sistema eléctrico de potencia trifásico en el software PSCAD considerando diferentes tipos de eventos. El algoritmo fue implementado en el software MATLAB. PALABRAS CLAVE Corriente inrush, transformador, eigenvalor, PSCAD, MATLAB. ABSTRACT In this paper is described a method to identify inrush currents in power transformers for avoiding differential protection operation during transient conditions. This proposed method uses the modal analysis to obtain the largest eigenvalue because this contains the most variable state activity characterizing the transient waveform. To validate the algorithm performance, was simulated a three phase system in the software PSCAD considering different kinds of events. The algorithm was implemented in MATLAB software. KEYWORDS Inrush current, transformer, eigenvalue, PSCAD, MATLAB. INTRODUCCIÓN Actualmente los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) crecen rápidamente expandiéndose e interconectándose con otros sistemas, esto conlleva al aumento de la complejidad en la operación y control de los mismos, de allí la gran importancia de contar con sistemas eléctricos que se encuentren protegidos de manera confiable ante cualquier disturbio que se pueda presentar. Un SEP está conformado por diferentes elementos como pueden ser generadores, líneas de transmisión, transformadores, etc. Los cuales cumplen una función determinada e indispensable para poder llevar la energía eléctrica al usuario 40 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. final. Sin embargo, se pueden presentar disturbios en algún elemento, el cual si no es removido por el sistema de protección tan rápido como sea posible, puede ocasionar grandes daños no solo al elemento fallado, sino también al resto de elementos que se encuentren conectados al sistema. Uno de los elementos indispensables en el sistema eléctrico es el transformador de potencia, esto es debido a que son máquinas eléctricas que pueden cambiar los niveles de voltaje de un punto a otro con alta eficiencia. Por ello, es de vital importancia contar con dispositivos que protejan al transformador de los disturbios que se puedan presentar en la red, ya que el costo por reemplazar o restablecer el equipo es muy elevado. La protección diferencial es considerada como el esquema de protección más importante y ampliamente utilizada para identificar fallas internas en el transformador de potencia. Su principio de operación está basado en el cálculo de la suma de todas las corrientes que fluyen hacia dentro y fuera del transformador. 1 Idealmente, en estado estable, la diferencia entre las corrientes que entran y salen de la zona de protección debe ser cero. Sin embargo, el principal problema al que se enfrenta este esquema de protección es el poder distinguir entre corrientes inrush y corrientes de falla, ya que las corrientes inrush se presentan al energizar el transformador y además tienen ciertas características que la asemejan a una corriente de falla: ser de una gran magnitud y no verse reflejado en el secundario del transformador. Esto da como resultado un desbalance en las corrientes diferenciales de error el cual puede ser interpretado como una falla interna causando una incorrecta operación del esquema de protección diferencial. 2 Para solucionar este problema, se han propuesto diferentes métodos que aseguren la confiabilidad del esquema. La mayoría de los métodos están basados principalmente en el alto contenido armónico de las corrientes inrush. Es conocido que las corrientes inrush tienen un gran contenido armónico (segundo, tercer y quinto armónico) y que esta característica ha sido utilizada para bloquear a la protección diferencial cuando se presenta la corriente inrush. 1,3 Sin embargo, debido al mejoramiento constante y el uso de nuevos materiales en la fabricación de los núcleos de los transformadores, este contenido armónico ha disminuido, pudiendo provocar así, una incorrecta operación de la protección diferencial. 3 Otros métodos que han sido propuestos para distinguir entre las corrientes inrush y las corrientes de falla utilizan: la forma de onda de la señal, red de dos puertos ,5 principio de potencia diferencial, 6 reconocimiento de patrones de la corriente diferencial a través del uso del Análisis de Componente Principal (ACP), 7 variación del ángulo del vector gradiente, 8 transformada wavelet, 9 morfología matemática, 10, 11 redes neuronales, 12 y lógica difusa. 13 Sin embargo, en algunos casos estos métodos han operado de manera incorrecta debido a varios factores, tales como: la variación de los parámetros del transformador, la modificación de la corriente diferencial debido a la saturación de los transformadores de corriente (TC), y cambios en la configuración de la red. En este artículo, se presenta un algoritmo basado en la magnitud de los eigenvalores para identificar corrientes inrush en un transformador de potencia en condiciones transitorias. Los eigenvalores son calculados de una matriz de Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 41 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. covarianza, la cual está construida con las muestras de las corrientes diferenciales de error por fase obtenidas de los secundarios de los transformadores de corriente. Adicionalmente, se utilizó un filtro Delta para remover condiciones de carga. A través de la observación y evaluación del comportamiento de la magnitud del eigenvalor dominante, el algoritmo puede identificar si el evento corresponde a una corriente inrush o una falla interna. Para validar el funcionamiento del algoritmo, éste fue exhaustivamente evaluado en simulaciones hechas en el software PSCAD bajo diferentes condiciones: Energización del transformador, fallas internas y externas, saturación en los transformadores de corriente, cambios en la configuración de la red y sobreexcitación. El algoritmo fue implementado utilizando el software MATLAB y los resultados muestran una correcta identificación de las corrientes inrush a través de la aplicación del análisis modal en condiciones transitorias. Esto también muestra, que es factible el uso de este algoritmo como una base para el diseño de una nueva protección diferencial para el trasformador. PROTECCIÓN DIFERENCIAL DEL TRANSFORMADOR La protección de porcentaje diferencial se implementó con el objetivo de disminuir el valor de la corriente de operación en estado estable y de proveer una menor sensibilidad cuando existe saturación en los TC. 14 Este esquema da solución a los efectos producidos por los cambiadores de taps, los errores de transformación y desajustes en los TC, los cuales pueden causar la circulación de una corriente diferencial en el elemento de operación. 15 En la figura 1 se muestra la característica típica de un relevador de porcentaje diferencial. El relevador compara una corriente de operación con una corriente de retención. Fig.1 Pendiente característica del Relevador Diferencial. La corriente de operación, IOP, y la corriente de retención, IR, son obtenidas mediante: 1 (1) (2) Donde k es un factor de compensación que usualmente es ajustado entre 0.3 y 0.8. 1 El relevador generará una señal de disparo, si la corriente de operación, 42 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. IOP, es igual o mayor a un porcentaje de la corriente de retención, IR, de acuerdo a: (3) La región de operación está localizado por encima de la pendiente característica la cual está definida como una línea recta que tiene una pendiente igual a SLP y una línea recta horizontal la cual está definida como la corriente de operación mínima, IP .16 Normalmente la característica de retención del relevador de porcentaje diferencial tiene un buen desempeño, sin embargo, el principal problema al que se enfrenta es el discriminar entre las corrientes de falla y corrientes diferencial de error falsas causadas por las corrientes inrush. ANÁLISIS MODAL El análisis modal se utiliza para la obtención de los eigenvalores a partir de la matriz de mediciones de corriente del transformador. Los eigenvalores son un factor determinante en el algoritmo para la identificación de las corrientes inrush. Algunas de las aplicaciones del análisis modal son determinar las frecuencias de resonancia o modos de oscilación, amortiguamiento y el patrón asociado con la perturbación del sistema o actividad relativa de las variables de estado cuando el sistema es perturbado. 17 Considerando un sistema linear invariante en el tiempo descrito como: (4) donde x es el vector de estado, A es la matriz de estado y ẋ es el vector derivada de las variables de estado. La solución a (4) con una condición inicial x(0)=x0 será la repuesta de libre movimiento, donde las variables de estado pueden o no estar correlacionadas.18 Con el fin de expresar las eigen propiedades de A de manera compacta, es conveniente la introducción de las siguientes matrices: (5) (6) (7) donde Φ y Ψ son los eigenvectores derechos e izquierdos, respectivamente, y Λ es una matriz diagonal con los eigenvalores de A en la diagonal. Si A es diagonalizable y Φ es una matriz no singular tal que: (8) (9) donde Λ es una matriz diagonal, por lo tanto, si el sistema dado en (X) es multiplicado a la izquierda por Φ-1: (10) Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 43 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. Como Φ-1 Φ=I, (X) puede ser escrita: (11) Es definido un nuevo vector de estado y relacionado al vector de estado original: (12) Reemplazando (9) y (12) en (11) (13) A partir de análisis antes mencionado, la solución de (4) para un estado inicial x(0)=x0 esta dado por: donde ui (0) es el valor inicial de ui y λi es la matriz de eigenvalores asociada a la matriz de estados A. Regresando la respuesta en términos del vector de estado original, la solución particular x(0)=x0 de (4), cuando las variables no están relacionadas, es: (14) donde λi representa los eigenvalores asociados al eigenvector derecho, Φi y ci representan el producto escalar Ψix(0). La ecuación (14) satisface (4) representando la respuesta de libre movimiento del sistema en términos de eigenvalores y eigenvectores izquierdos y derechos. 18 A partir de (5) es posible establecer el significado físico de los eigenvalores asociados con su correspondiente eigenvector. La matriz de estados A tiene un impacto en los eigenvectores izquierdos y derechos, incrementando o decrementando su magnitud pero con su correspondiente eigenvector sin cambiar su dirección. De esta manera, el eigenvalor mide la tasa de cambio de la magnitud de los eigenvectores. Por lo tanto, los eigenvalores determinan la velocidad del decremento o incremento de la respuesta del sistema. Por esta razón, en 19 fue determinado que el eigenvalor de mayor magnitud proporciona la mayor cantidad de información acerca de la actividad de las variables de estado, caracterizando así, la forma de onda transitoria. Caracterización de la forma de onda transitoria A partir de la solución particular (14), la cual tiene dependencia de los eigenvalores y eigenvectores, el análisis modal puede ser utilizado para la identificación de las forma de onda de las señales. El análisis modal puede lograr esta identificación a través de la matriz de eigenvalores de la matriz de estados A. La magnitud del eigenvalor contiene la información acerca de la actividad de las variables de estados de A, resaltando los patrones caracteristicos de una señal. Una aplicacion de este método se muestra en la figura 2 donde se muestra la comparación entre una señal de falla con o sin componente aperiódica y el respectivo comportamiento del eigenvalor para cada señal. La componente aperiódica da como resultado una magnitud del eigenvalor menor, debido a que el valor máximo de desplazamiento de DC del pico de corriente es tomado del proceso de normalización. 44 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. Fig. 2. Comportamiento del eigenvalor en a) una falla sinusoidal y b) una falla sinusoidal con componente aperiódica. ALGORITMO PROPUESTO Este algoritmo está basado en la magnitud del eigenvalor dominante proveniente de una matriz de covarianza construida a partir de las corrientes diferenciales de error incremental. Tiene la ventaja de no depender del contenido armónico de la señal, de los parámetros del transformador y la configuración de la red. La lógica del algoritmo propuesto para realizar la identificación de las corrientes inrush en un transformador de potencia en condiciones transitorias se muestra en la figura 3. Para la formación de la matriz con la señales de entrada se utiliza una ventana deslizante, la cual con cada muestra adquirida, forma una nueva matriz de entrada para identificar la condición transitoria en el transformador. Con esta forma de adquisición de la señales de entrada, el algoritmo no depende de ningún criterio de arranque para su funcionamiento. Las corrientes diferenciales de error son obtenidas a partir de los secundarios de los TC´s y están expresados por unidad (5 Ampers). Se aplica un filtro delta a estas señales de entrada con el objetivo de eliminar efectos de periodicidad que puedan existir en las señales y para resaltar cualquier cambio transitorio que se pueda presentar en la corriente diferencial de error. 7 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 45 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. Fig. 3. Diagrama de flujo del algoritmo. Posteriormente, utilizando las corrientes diferenciales incrementales de error se forma una matriz de 64x3. Esta matriz es la matriz de entrada al algoritmo (matriz de estado). Con la finalidad de aplicar el algoritmo en cualquier transformador, las corrientes diferenciales de error son normalizadas en un intervalo [-1,+1]. Todos los elementos de la matriz de entrada son normalizados por el máximo valor absoluto en cada ventana deslizante de muestreo. De la matriz de entrada, se obtiene una matriz de covarianza de 3x3. Esta matriz representa la variabilidad de las corrientes en el transformador. Finalmente, se aplica el análisis modal a matriz de covarianza para obtener la matriz de eigenvalores. Se toma el eigenvalor dominante y a través de su magnitud, se lleva a cabo la identificación de las corrientes inrush en el transformador de potencia. Para la identificación de las corrientes inrush en el transformador de potencia en condiciones transitorias fue necesario establecer un umbral de identificación. Este umbral fue establecido de una manera heurística en base de los resultados obtenidos de exhaustivas simulaciones. Por consiguiente, el valor seleccionado como umbral de identificación fue el de 0.5. Este criterio de operación se presenta en la tabla I y establece que para eventos como corrientes inrush, fallas externas y sobreexcitaciones, la magnitud del eigenvalor dominante no superara el valor de 0.5. Sin embargo, en condiciones de una falla interna, la magnitud del eigenvalor dominante será mayor que este valor. 46 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. Tabla I. Criterio de Operación del Algoritmo Evento Corriente Inrush Falla externa Sobreexcitación Falla interna Magnitud eigenvalor dominante [0,+ 0.5] [+0.5, ∞) SISTEMA DE PRUEBA El sistema de potencia trifásico utilizado como sistema de prueba está formado por un sistema de dos fuentes con generadores 115 kV, 60 Hz, 325 MVA y 13.8 kV, 60 Hz, 10 MVA, con un desplazamiento angular de 20° entre ellos, y un transformador 100 MVA, 115/13.8 kV, delta-estrella aterrizada (ver figura 4). La saturación de los TC´s puede ocasionar la incorrecta operación de la protección diferencial debido al incremento de la corriente diferencial de error.20 Si los transformadores de corriente son seleccionados de acuerdo a la referencia, 14 donde está propuesta la siguiente ecuación, se puede garantizar que los TC’s estarán libres de saturación: (15) donde X, y R son los parámetros de Thevenin en el punto de falla, If es la máxima corriente de falla en por unidad de la relacion del TC, y Zb es el burden del TC en por unidad de burden nominal. Las relaciones de los TC calculados utilizando (15) debería ser 600:5 y 5000:5. Sin embargo, con la finalidad de tomar en cuenta la saturación a la que están expuestos los transformadores de corriente, fueron seleccionadas relaciones de transformación inferiores para permitir la distorsión de las corrientes diferenciales de error. Los TC’s utilizados fueron 500:5 y 4000:5. Por lo tanto, los TC’s estarán bajo saturación en condiciones de fallas críticas. Fig. 4. Sistema de prueba. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 47 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. RESULTADOS El desempeño del algoritmo fue exhaustivamente evaluado para diferentes tipos de escenarios en el software de transitorios electromagnéticos PSCAD. Fueron llevados a cabo un total de 880 simulaciones considerando distintos casos (tabla II.) El Tiempo de Inserción de la Falla (TIF) fue incrementado en pasos de 1 ms en un ciclo de una señal de voltaje de 60 Hz. Se consideró una resistencia de falla (Rf) de 0.01 ohms. En todos los escenarios después de la obtención en Tabla II. Escenarios de simulación considerados en la evaluación del funcionamiento del algoritmo Disturbio Energización en vacío y con carga Falla* ** Energización con carga y falla* ** Número de casos Sin falla 16 Sin falla 16 A-G 32 B-G 32 C-G 32 AB-G 32 BC-G 32 CA-G 32 ABC 32 AB 32 BC 32 CA 32 Sin falla 32 A-G 32 B-G 32 C-G 32 AB-G 32 BC-G 32 CA-G 32 ABC 32 AB 32 BC 32 CA 32 Modificacioón de la topología de la red (carga, capacidad del transformador, constante X/R) 48 Modificación de la curva de saturación 16 Cargas no lineales 16 Sobreexitación 16 Vatiación de frecuencia del sistema 16 Flujo residual 16 Apertura de una fase del lado Delta del transformador 48 Total * Falla simulada dentro de la zona de protección diferencial ** Falla simulada fuera de la zona de protección diferencial 880 48 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Identificación de la corriente Inrush en un transformador utilizando Análisis Modal/ Héctor Esponda Hernández, et al. PSCAD de las corrientes secundarias usando una frecuencia de muestreo de 3.84 kHz, se utilizó MATLAB para la implementación del algoritmo. Para cada escenario se proporciona la siguiente información: (a) corriente del lado de alto voltaje medida en el secundario del TC, (b) corriente del lado de bajo voltaje medida en el secundario del TC, (c) corrientes diferenciales incrementales de error (salida del filtro delta), y (d) el comportamiento del eigenvalor dominante (línea horizontal en 0.5 que representa el umbral de identificación). Además, en todos los casos también fue implementada por cada fase la protección diferencial tradicional (87T) con doble pendiente como método de comparación. Los valores de las pendientes utilizadas fueron 0.3 y 0.6. Todos los resultados muestran que fue realizada una correcta identificación de las corrientes inrush y las corrientes de falla. Con un círculo negro en la gráfica se indica la saturación de los transformadores de corriente. A continuación se presentan tres de los 880 escenarios simulados, los cuales son los más representativos del desempeño del algoritmo simulado Energización del transformador En este escenario se evaluó la energización de un transformador con una carga conectada en el secundario del transformador. La curva de saturación utilizada en el transformador de potencia es la que se muestra en la figura 5. Fig. 5. Curva de saturación utilizada en el transformador de potencia. La cual se encuentra en el modelo de transformador de PSCAD. 21 Esta curva de saturación fue utilizada en todos los escenarios que fueron evaluados, con excepción, del caso cuando se modifica la curva de saturación, lo cual es necesario para modificar la magnitud de la corriente inrush. En la figura 6 se muestra el desempeño de la protección diferencial tradicional. Con un círculo en color negro se indica que en la fase A ocurre una incorrecta operación cuando el transformador es energizado. Por otro lado, en la figura 7d) se muestra el desempeño del algoritmo propuesto, que identifica correctamente Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 49 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. a la corriente inrush debido a que la magnitud del eigenvalor dominante no supera el umbral para fallas internas. Fig. 6. Respuesta de la protección 87T en una energización. Fig. 7. Respuesta del algoritmo propuesto en una energización. Energización con falla bifásica dentro de la zona de protección diferencial Una de las principales características a evaluar en el algoritmo es que este debe ser capaz de identificar corrientes inrush ante otras condiciones que se pueden presentar como son las fallas dentro de la zona de protección diferencial. En el siguiente escenario se presentan dos eventos en el transformador de potencia: una energización y una falla bifásica A-B dentro de la zona de protección diferencial en el lado primario del transformador de potencia en 0.2 y 0.5 segundos respectivamente, esto con el objetivo de evaluar el desempeño del algoritmo durante un cambio de escenario, y emitir una señal de operación a partir de una condición de bloqueo. En la figura 8 se muestra que la protección diferencial tradicional identifica de manera correcta cuando se presenta la falla dentro de la zona de protección diferencial ya que la corriente de operación supera la pendiente en las fases A y B. Por otra parte, en la figura 9d) se muestra 50 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. Fig. 8. Respuesta de la protección 87T durante una energización y una falla bifásica interna A-B. Fig. 9. Respuesta del algoritmo propuesto duarante una energización y una falla bifásica interna A-B. la respuesta del algoritmo, el cual determina que el primer evento es una corriente inrush debido a que la magnitud del eigenvalor no superó el umbral establecido. Sin embargo, cuando se presenta la falla dentro de la zona de protección diferencial, la magnitud del eigenvalor llega hasta un valor de 0.91 y el algoritmo determina que el evento es una condición de falla. Energización con falla trifásica fuera de la zona de protección diferencial Las fallas externas a la zona de protección diferencial pueden causar la saturación de los transformadores de corriente utilizados en el esquema diferencial. Esta saturación en los TCs ocasiona distorsión en las formas de onda de las señales reproducidas ocasionado un incremento en las corrientes diferenciales de error, que pueden ocasionar la incorrecta operación de la protección diferencial. A partir de esta condición, fueron evaluados el esquema de protección diferencial tradicional y el algoritmo propuesto cuando ocurre una Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 51 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. falla trifásica fuera de la zona de protección diferencial en el lado de baja tensión después de la energización del transformador en 0.20833 y 0.30833 segundos, respectivamente. En la figura 10 se muestra la respuesta del esquema tradicional cuando el transformador es energizado; un círculo negro indica que la corriente diferencial de la fase B cruza la pendiente característica y ocasiona la incorrecta operación de la protección. Por otro lado, en la figura 11 se muestra que debido a que el algoritmo no está basado en la magnitud de la corriente diferencial de error, determina que ambos eventos no son condiciones de falla, aun cuando los TCs se encuentren bajo saturación, lo cual indica que la protección diferencial no debe operar. Fig. 10. Respuesta de la protección 87T durante una energización y una falla trifásica externa. Fig. 11. Respuesta del algoritmo propuesto durante una energización y una falla trifásica externa. Conclusiones El objetivo de probar el desempeño del algoritmo es demostrar que este puede identificar correctamente corrientes inrush en condiciones transitorias en diferentes escenarios que modifican la magnitud, duración y forma de onda de 52 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Identificación de la corriente inrush en un transformador utilizando Análisis Modal / Héctor Esponda Hernández, et al. la corriente del transformador. Los escenarios presentados comprenden desde energizaciones en diferentes instantes de tiempo hasta la sobreexcitación del transformador. En todos los escenarios presentados el algoritmo identificó correctamente los eventos correspondientes a corrientes inrush, permitiendo el bloqueo de la operación de la protección diferencial. Por otro lado cuando ocurre una falla interna o dentro de la zona de protección diferencial del transformador, y el umbral de 0.5 del algoritmo fue superado, se permitió la operación de la protección diferencial. En contraste con otros métodos ya antes mencionados, algoritmo propuesto no tiene dependencia de la magnitud de la corriente inrush, de los parámetros del transformador ni del contenido armónico de la señal. En todos los escenarios, las corrientes inrush fueron identificadas correctamente por el algoritmo con lo cual se comprueba que este algoritmo puede ser utilizado como base para inhibir a la protección diferencial en condiciones transitorias. 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ABSTRACT In the last decade, the development of biomaterials has entered the era of nanotechnology. The interface between biomaterials and nanotechnology has created enormous opportunities for improving the prevention, diagnosis and treatment of diseases. Nanobiomaterials, it is a new term that describes and encompasses all those biomaterials developed with at least one dimension in the nanoscale, not only provides extraordinary structures and materials with unique properties, but also provide the knowledge and unprecedented principles in the understanding of the biology, medicine and materials science. KEYWORDS Biomaterials, nanotechnology, nanobiomaterials. INTRODUCCIÓN Biomateriales, es un término utilizado para los materiales, sustancias o combinación de éstos, de origen natural o sintético, que pueden ser utilizados como un todo o como parte de un sistema que trata, aumenta, o sustituye cualquier tejido, órgano o función del cuerpo,1 y que no deben de provocar reacciones adversas en los tejidos con los que se encuentren en contacto. En 1987 la Sociedad Europea de Biomateriales definió el término de biocompatibilidad como la habilidad de un material de actuar con una adecuada respuesta al huésped, en una aplicación específica.2 La nanotecnología ha permitido estudiar, diseñar, crear, sintetizar, manipular y aplicar materiales biocompatibles, que funcionan a través del control de la materia a la nanoescala (1-100 nm).3 El término Nanobiomateriales engloba todo un campo multidisciplinario que abarca una amplia y diversa gama de tecnologías procedentes de la ingeniería, la física, la química y la Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 55 �Nanobiomateriales / Frank Eduardo Meléndez Anzures, Leonardo Chávez Guerrero biología. Es la combinación de estos campos que ha llevado al nacimiento de una nueva generación de materiales y métodos de fabricación de ellos.4 Los Nanobiomateriales pueden presentar distintas propiedades físicas, eléctricas, mecánicas y químicas que el mismo material a una escala mayor. Cuando una partícula disminuye considerablemente su tamaño, la proporción del número de átomos que se encuentran en la superficie, frente al número total de átomos en la partícula, aumenta significativamente. Es por ello que las partículas en la nanoescala presentan nuevas y mejores propiedades que las mismas partículas a una escala mayor.5 Los nanobiomateriales son materiales cuyas dimensiones son cientos de veces más pequeñas que una célula humana (figura 1) y están constituidos por moléculas sintéticas complejas, pueden ser de diferentes tipos, entre ellos nanocristales, nanofibras, nanocables, nanopartículas y nanotubos, cuyas propiedades mecánicas, electrónicas, ópticas, magnéticas y catalíticas, son de gran utilidad en una amplia gama de aplicaciones.6 La investigación sobre estos biomateriales se encuentra actualmente en desarrollo; se utilizarían principalmente en el campo de la medicina para la detección, diagnóstico y tratamiento del cáncer.7 El objetivo más importante de la medicina ha sido durante mucho tiempo el diagnóstico temprano y preciso de las condiciones clínicas, proporcionando un tratamiento eficaz y sin efectos secundarios. Con la aparición de la nanotecnología, la consecución de este objetivo parece más cerca que nunca. El uso de la nanotecnología para incrementar y mejorar la calidad de vida ha dado como resultado el desarrollo de la nanomedicina. La nanomedicina es la rama de la medicina que aplica las técnicas y herramientas de la nanotecnología para la prevención y el tratamiento de las enfermedades. La investigación en el área de la nanomedicina pretende mejorar el conocimiento y comprensión del cuerpo humano a nivel molecular con el fin de poder analizar, supervisar, controlar, reparar, reconstruir y mejorar cualquier sistema biológico humano.8 La necesidad del desarrollo de la nanomedicina como una alternativa para el tratamiento de enfermedades ha impulsado la creación de nuevos materiales y dispositivos que funcionen en la nanoescala, ofreciendo nuevas y potentes herramientas para la formación de imágenes, diagnóstico y terapia.9 Fig. 1. Nanoestructuras artificiales y biológicas.10 Las nanopartículas o nanoestructuras se suelen describir como entidades en el intervalo de entre 1 y 100 nm, por lo que muchos materiales biológicos se pueden clasificar como nanopartículas. Por ejemplo, las células eucariotas son del orden microscópico, ya que se encuentran en el intervalo entre 10 y 100 µm; mientras que los virus, con dimensiones entre 10 y 200 nm, están en el intervalo superior de las nanopartículas. Las proteínas, habitualmente presentan tamaños entre 4 y 50 nm, caen en el intervalo nanométrico inferior.11 56 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Nanobiomateriales / Frank Eduardo Meléndez Anzures, Leonardo Chávez Guerrero Entre los nanomateriales más importantes con aplicación en el área de la medicina se encuentran las nanopartículas, las cuales muestran propiedades físicas y químicas únicas que dependen del tamaño, por ejemplo, propiedades ópticas, magnéticas, catalíticas y electroquímicas. La composición química y la forma de una nanopartícula también influyen en sus propiedades específicas. Las nanopartículas se preparan con polímeros orgánicos (nanopartículas orgánicas) y/o elementos inorgánicos (nanopartículas inorgánicas). Los liposomas, dendrímeros, los nanomateriales de carbono y micelas poliméricas son ejemplos de nanopartículas orgánicas.9 Las aplicaciones biológicas de las nanopartículas abren nuevas posibilidades en el diagnóstico y tratamiento de numerosos procesos patológicos. Una de ellas hace referencia al diagnóstico del cáncer, para el que se utilizan nanopartículas fluorescentes con el fin de detectar simultáneamente el perfil de los biomarcadores y genes múltiples. En el cáncer de mama, pueden detectarse hasta tres biomarcadores distintos, que se pueden cuantificar exactamente en secciones tumorales mediante el uso de nanopartículas conjugadas a anticuerpos. El uso futuro de las nanopartículas conjugadas permitirá, al menos, la detección de 10 proteínas relacionadas con el cáncer, proporcionando un nuevo método de análisis del proteoma de un tumor individual. Así mismo, las nanopartículas magnéticas ofrecen interesantes posibilidades como agentes de contraste en la detección del cáncer y en la monitorización de la respuesta al tratamiento.13 Otras aplicaciones de las nanopartículas en el campo de la medicina es la liberación controlada, la cual se lleva a cabo a través de los denominados nanotubos. Estos Fig. 2. Nanomateriales en medicina.12 Entre los nanomateriales más importantes utilizados en el área de la medicina destacan, las nanopartículas de oro (AuNPs), los puntos cuánticos (QDs), las nanopartículas de óxidos de hierro superparamagnéticos (SPIOs), las nanopartículas de sílice, los liposomas, los dendrímeros, los nanotubos de carbono (CNTs), los nanogeles y los polímeros biocompatibles nanoestructurados. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 57 �Nanobiomateriales / Frank Eduardo Meléndez Anzures, Leonardo Chávez Guerrero sistemas se originan al unirse el fármaco a grupos funcionales de la superficie externa de los polímeros, dando lugar a una estructura cilíndrica con un volumen interior relativamente grande. Estos vectores se están estudiando como agentes antivirales, antibacterianos y anticancerígenos, así como en el tratamiento de la esclerosis lateral amiotrófica y la enfermedad de Parkinson.13 Otros nanosistemas que se encuentran en fase de investigación son las nanoláminas, que contienen el fármaco embebido en el material polimérico; al ser inyectadas al paciente, se acumulan selectivamente cerca de la zona tumoral y cuando se calientan por acción de un láser infrarrojo, se produce la fusión del polímero y la liberación de la molécula activa en el área afectada.13 A continuación mostraremos algunos de los nanomateriales más relevantes, junto con sus posibles aplicaciones (figura 2). NANOPARTÍCULAS DE ORO Las nanopartículas de oro son un tipo de nanopartícula metálica (<50 nm) que pueden ser sintetizadas con diferentes geometrías, tales como nanoesferas, nanocápsulas, nanovarillas etc. Estas nanopartículas presentan propiedades basadas en la resonancia de plasmones superficiales, es decir, bajo la irradiación de luz, los electrones de conducción son impulsados por el campo eléctrico asociado a una oscilación colectiva a una frecuencia resonante, absorbiendo así la luz y la emisión de fotones con la misma frecuencia en todas las direcciones.9 Las nanopartículas de oro se utilizan como un punto de conexión para construir biosensores para la detección de enfermedades (figura 3). En presencia de luz láser las AuNPs se activan y desprenden calor, siendo muy útiles en el tratamiento selectivo de células tumorales.16 Por ello, en los últimos años se han realizado notables esfuerzos en la investigación y en la aplicación de las AuNPs para la detección precoz, el diagnóstico y el tratamiento del cáncer. Una técnica común para una prueba de diagnóstico consiste en un anticuerpo unido a una molécula fluorescente. Cuando el anticuerpo se une a una proteína asociada con una enfermedad específica, la molécula fluorescente se ilumina con luz ultravioleta. En lugar de una molécula fluorescente, una nanopartícula de oro puede estar unida al anticuerpo y a otras moléculas como el ADN. Debido a que muchas copias de anticuerpos y ADN se pueden unir a una sola nanopartícula, este enfoque es Fig. 3. Nanopartículas de oro.15 Las nanopartículas de oro destacan especialmente por sus propiedades fototerapéuticas. 58 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Nanobiomateriales / Frank Eduardo Meléndez Anzures, Leonardo Chávez Guerrero mucho más sensible y preciso que las pruebas fluorescentes de las moléculas que se utilizan actualmente.14 Además de su extraordinario potencial como agentes fototerapéuticos, las AuNPs pueden utilizarse en la elaboración de partículas nanoestructuradas para el transporte y la vectorización selectiva de fármacos y macromoléculas terapéuticas, así como en terapia génica.17 También destaca el empleo de las AuNPs en la elaboración de sistemas transportadores inteligentes que permiten controlar, en el espacio y en el tiempo, la liberación del compuesto terapéutico asociado, ya sea por activación de un estímulo biológico interno o externo.18 PUNTOS CUÁNTICOS Los puntos cuánticos son nanocristales o agregados de átomos, cuya envolvente oscila entre los 2 nm y 10 nm. Debido a ello, los electrones están confinados a moverse en un espacio muy reducido, al igual que sucede en los átomos individuales. Es por ello que se les denomina átomos artificiales5 (figura 4). Una característica importante de los átomos que forman la tabla periódica es la naturaleza discreta de la energía emitida y absorbida. En otras palabras, los átomos sólo pueden capturar o emitir luz de una determinada longitud de onda. Estas mismas propiedades ópticas también se manifiestan en los puntos cuánticos. Pero la ventaja adicional es que podemos modificarlos a nuestra conveniencia. Dependiendo del tamaño de los puntos cuánticos, podemos seleccionar la longitud de onda de emisión y absorción. Son muy útiles en medicina como herramienta de diagnóstico.5 Utilizando una mezcla de puntos cuánticos de diferentes longitudes de onda, éstos pueden funcionar como marcadores luminiscentes y detectar simultáneamente diferentes tipos de cáncer.5 Hay ciertas proteínas o moléculas que se encuentran en mayor proporción en la membrana de las células cancerosas y son características de cada tipo de cáncer. Cuando los puntos cuánticos en función con el biorreceptor específico se acercan a una muestra que contiene dicha proteína, se produce una reacción de reconocimiento biomolecular, de forma Fig. 4. Puntos cuánticos.19 Los puntos cuánticos son nanopartículas de materiales semiconductores más fotoestables, monocromáticos y brillantes que cualquier fluorocromo pueden contener desde 100 a 100.000 átomos, con un diámetro de partícula entre 2 a 10 nm. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 59 �Nanobiomateriales / Frank Eduardo Meléndez Anzures, Leonardo Chávez Guerrero que se acumularán allí, permitiendo la detección mediante iluminación con luz ultravioleta y posterior observación de la emisión de fluorescencia característica del punto cuántico empleado.20 Para la fabricación de puntos cuánticos cristalinos usualmente se utilizan compuestos de sulfuro de cadmio (CdS), seleniuro de cadmio (CdSe) o teluro de cadmio (CdTe). El tipo de compuesto se elige en función del tipo de longitud de onda de emisión-absorción deseada, aunque estas propiedades dependen del tamaño también, como ya se ha mencionado. El CdS favorece longitudes de onda que van desde el azul hasta el ultravioleta, el CdSe en el espectro visible y el CdTe el intervalo rojo-infrarrojo lejano. Durante la fabricación debe asegurarse la ausencia de imperfecciones y defectos sobre la superficie, que interfieran con el correcto funcionamiento del dispositivo. Asimismo, para evitar reducir la eficiencia óptica, debe evitarse la acumulación de moléculas del aire, de impurezas y la posible disolución espontánea del núcleo. Esto exige el recubrimiento mediante una capa de material transparente, que no interfiera ópticamente, por lo que básicamente es un protector del punto cuántico.5 ÓXIDOS DE HIERRO SUPERPARAMAGNÉTICOS (SPIOs) Las nanopartículas superparamagnéticas se caracterizan por su paramagnetismo y su gran susceptibilidad magnética, con una magnetización que carece de histéresis, lo que las hace ideales para aplicaciones biomédicas. Presentan un tamaño hidrodinámico de partícula de más de 50 nm21 y están constituidas por un núcleo de óxido de hierro (magnetita, maghemita u otras ferritas insolubles) con un gran momento magnético en presencia de un campo magnético externo, y por un recubrimiento de origen polimérico u orgánico.22 Las nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas tienen una enorme utilidad en nanomedicina, principalmente como agentes de contraste en resonancia magnética de imagen o como sistemas transportadores de fármacos (figura 5). Entre los agentes de contraste en resonancia magnética de imagen se encuentran los SPIOs como Endorem® y Resovist® estos agentes de contraste son usados para mejorar el contenido de la información de las imágenes de diagnósis.24 Estos agentes SPIOs muestran una biodistribución de tejido específica hacia los tejidos que contienen células del sistema fagocítico mononuclear, estos agentes de contraste actúan sobre células cancerígenas que a diferencia de las células normales no tiene la Fig. 5. Nanopartículas de óxido de hierro superparamagnéticas.25 El uso de nanopartículas magnéticas, como agentes de contraste para marcaje in vivo, permite aumentar la sensibilidad y dan mayor contraste en las técnicas de imagen. 60 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Nanobiomateriales / Frank Eduardo Meléndez Anzures, Leonardo Chávez Guerrero capacidad de fagocitar las nanopartículas, por lo tanto, la intensidad de la señal de resonancia magnética aumenta logrando incrementar la certeza diagnóstica.23 NANOPARTÍCULAS DE SÍLICE Las nanopartículas de sílice SiO2, están siendo utilizadas en el campo biológico, como medios para producir biosensores, bioimágenes, dispositivos para el diagnóstico de enfermedades e incluso para encapsulación y liberación de fármacos (figura 6). Estas aplicaciones se presentan gracias a que las nanopartículas de SiO2 son biológicamente inertes, estables y biocompatibles, y a que la química de las superficies de los silanos es tan amplia que, teóricamente se podría unir a ellas cualquier grupo funcional orgánico mediante el uso de precursores organosilanos.26 Fig. 6. Nanopartículas de sílice.27 Las nanopartículas de sílice son biológicamente inertes, estables y biocompatibles. LIPOSOMAS Los liposomas son vesículas esféricas (50-100 nm) que tienen una estructura de membrana compuesta de una bicapa de fosfolípidos similar a la de las membranas biológicas y una fase acuosa interna.28 Las moléculas anfifílicas de los fosfolípidos forman una bicapa cerrada de manera que intentan proteger sus grupos hidrófobos del medio acuoso, mientras se mantiene en contacto con la fase acuosa a través del grupo de la cabeza hidrofílica29 (figura 7). Los liposomas se clasifican según el tamaño y número de capas en multi-, oligo- o uni-laminar. Debido a sus características fisicoquímicas, los liposomas muestran excelentes propiedades de circulación, penetración y difusión intracelular.28 Los liposomas han demostrado ser útiles para la entrega de agentes farmacéuticos, protegen a las moléculas de fármacos que pueden degradarse bajo la influencia de agentes externos, estos sistemas utilizan el contacto facilitando la administración de fármacos, que consiste en la unión o la interacción con la membrana de la célula blanco. Esto permite un mayor intercambio lípido-lípido con la monocapa lipídica de la nanopartícula, lo que acelera el flujo de fármacos lipofílicos.30 La superficie del liposoma puede ser modificado con ligandos y/o polímeros para aumentar la especificidad de administración de fármacos.28 Entre los ejemplos de las aplicaciones de los liposomas en nanomedicina se encuentra la Doxorubicina liposomal (Doxil®) para el tratamiento del sarcoma de Kaposi en SIDA, el cáncer de mama, ovárico y otros tumores.31 Y la Anfotericina B liposomal (Ambisome®) para el tratamiento de infecciones por levaduras y mohos clínicamente relevantes, Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 61 �Nanobiomateriales / Frank Eduardo Meléndez Anzures, Leonardo Chávez Guerrero Fig. 7. Los liposomas.33 Son vesículas esféricas que comprenden una o más estructuras de bicapa de lípidos que encierran un núcleo acuoso. Los liposomas son portadores que protegen fármacos encapsulados de la degradación. incluyendo Candida spp., Aspergillus spp. y mohos filamentosos tales como Zygomycetes.32 DENDRÍMEROS Los dendrímeros son polímeros sintéticos altamente ramificados (<15 nm) constituidos por un núcleo central, una región interna y numerosos grupos terminales que determinan las características del dendrímero.34 Los dendrímeros, se han utilizado como transportadores en sistemas de suministro de fármacos que actúan contra células cancerígenas (figura 8). En algunas variedades de células cancerígenas se encuentran sobre expresados los receptores de folato. Los dendrímeros modificados con folato utilizan dicha circunstancia para orientarse hacia esas células a través del reconocimiento ligando-receptor. Los dendrímeros Fig. 8. Los dendrímeros.33 Los dendrímeros son los nanomateriales más versátiles de todos los nanotransportadores. Constituidos por polímeros altamente ramificados con una estructura tridimensional controlados alrededor de un núcleo central. Los dendrímeros son fácilmente funcionalizados y tiene capacidad para más de 100 grupos terminales. 62 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Nanobiomateriales / Frank Eduardo Meléndez Anzures, Leonardo Chávez Guerrero modificados se conjugan covalentemente con el fármaco metotrexato para matar específicamente las células que expresen este receptor. Esto ocurre después que el complejo dendrímero-metotrexato, atrapado por las células por endocitosis mediada por el receptor, libera el fármaco intracelularmente. El complejo con el dendrímero permite dar dirección, capacidad para formar imágenes y una liberación intracelular del fármaco. Este complejo muestra una toxicidad 100 veces menor que el metotrexato libre.35 NANOTUBOS DE CARBONO Los nanotubos de carbono pertenecen a la familia de los fullerenos y están formados de láminas de grafito coaxiales que se han enrollado en forma de cilindro para dar nanotubos de una sola pared o de paredes múltiples. Los de una pared muestran un diámetro de 0.4-2 nm y una longitud que va de algunos cientos de nanómetros hasta varios micrómetros. Los de paredes múltiples coaxiales presentan diámetros de 2-100 nm (figura 9). Debido a su naturaleza flexible y a la posibilidad de funcionalizarlos químicamente, los nanotubos de carbono son materiales con potencial para usarlos como excipientes farmacéuticos.36 Los nanotubos de carbono se han utilizado para orientar o dirigir sustancias activas hacia órganos específicos. Un ejemplo de ello es su aplicación para dirigir péptidos con actividad biológica hacia el sistema inmune. Un epítope se une covalentemente a un grupo amino en un nanotubo de carbono, utilizando un elemento de unión bifuncional. Los nanotubos modificados con el péptido mimetizan la estructura secundaria que sirve para el reconocimiento de anticuerpos monoclonales o policlonales. La inmunización de ratones muestra que los conjugados de los nanotubos con el péptido tienen una mayor respuesta de anticuerpo in vivo que el péptido libre.37 Fig. 9. Nanotubos de carbono.38 Los nanotubos de carbono se han utilizado para orientar o dirigir sustancias activas hacia órganos específicos. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 63 �Nanobiomateriales / Frank Eduardo Meléndez Anzures, Leonardo Chávez Guerrero Fig. 10. Nanogeles.43 Los nanogeles son hidrogeles de tamaño submicrónico formados por polímeros reticulados, el diseño de nanogeles poliméricos con nuevas propiedades representa un campo de constante interés para la industria farmacéutica y biomédica. NANOGELES Los nanogeles son hidrogeles de tamaño submicrónico formados por polímeros reticulados. Presentan propiedades únicas como alto contenido de agua, estructura tridimensional, biocompatibilidad y la más importante su grado de hinchamiento que permite la liberación de fármacos mediante las condiciones ambientales externas al nanogel como por ejemplo; la temperatura y el pH39 (figura 10). El diseño de nanogeles poliméricos con nuevas propiedades representa un campo de constante interés para la industria farmacéutica y biomédica, debido a su estructura tridimensional, propiedades mecánicas, alto contenido de agua y biocompatibilidad, representan una excelente opción en: ingeniería de tejidos, agentes de diagnóstico, inmovilización celular, separación de biomoléculas o células, implantes biomédicos y la liberación de fármacos.40 Su aplicación como sistemas de administración de pequeñas moléculas biológicamente activas puede llevarse a cabo mediante la formación de complejos intermoleculares. Por ejemplo, el ácido retinoico (anticancerígeno) se encapsula en nanogeles de PEG-cl-PEI.41 Estas moléculas son capaces de interactuar con los nanogeles acumulándose en las células tumorales, la acumulación de los nanogeles en el tejido tumoral se ve favorecido por la pobre circulación linfática en este ambiente y la capacidad endocítica de las células tumorales hacia los nanogeles. La acumulación de los nanogeles en el tumor ha demostrado incrementar significativamente la efectividad terapéutica de los fármacos asociados, reduciendo a su vez la aparición de daños colaterales.42 BIOPOLÍMEROS La palabra polímero significa, literalmente, “muchas partes”. En este sentido, puede considerarse como un material polimérico sólido aquel que contiene múltiples partes o unidades enlazadas químicamente y que están unidas entre sí para formar un sólido. Los polímeros ofrecen la mayor versatilidad como biomateriales44 (figura 11). Los biopolímeros son polímeros que se usan dentro del cuerpo humano para diversas aplicaciones quirúrgicas. Han sido utilizados 64 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Nanobiomateriales / Frank Eduardo Meléndez Anzures, Leonardo Chávez Guerrero Fig. 11. Biopolímeros.45 Los biopolímeros han sido utilizados en el tratamiento de diversas patologías incluso de carácter cardiovascular, oftálmico y ortopédico, en componentes de implantes permanentes. en el tratamiento de diversas patologías incluso de carácter cardiovascular, oftálmico y ortopédico, en componentes de implantes permanentes.44 También han sido aplicados como remedios provisionales en áreas tales como angioplastia coronaria, hemodiálisis y tratamiento de heridas.44 La aplicación de los polímeros en odontología, como implantes, cementos dentales y bases de dentadura, tiene también gran interés e importancia. Aunque los polímeros son inferiores a los metales y a las cerámicas en términos de propiedades de resistencia, poseen características que los hacen muy atractivos en aplicaciones biomédicas, entre ellas su baja densidad, su facilidad al moldeo y la posibilidad de modificarlos para lograr una biocompatibilidad máxima. La mayoría de los biomateriales poliméricos son termoplásticos y sus propiedades mecánicas, aunque inferiores a las de los metales y materiales cerámicos, son aceptables en múltiples aplicaciones. Uno de los avances más recientes en este campo es el de los polímeros biodegradables. Los polímeros biodegradables se diseñan para desempeñar una función y finalmente ser absorbidos o integrados en el sistema biológico. Por tanto, la eliminación quirúrgica de estos componentes no es necesaria.44 AGRADECIMIENTOS Al Dr. Leonardo Chávez Guerrero por la dirección y revisión del artículo, durante la clase de Fundamentos de la Nanotecnología, en el semestre EneroJunio de 2015. REFERENCIAS 1. Joon Park, R. S. Lakes. Biomaterials: An Introduction. Iowa, USA: Springer Science & Business Media ISBN 978-0-387-37879-4. 2007. 2. Mjör IA. Problems and benefits associated with restorative materials: side effects and long-term cost. Adv Dent Res 1992; 6: 7-16. 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Consultada en junio 07, 2015, de Banaszak Holl Group Sitio web: http://bhgroup.lsa.umich.edu/groupmembers/kyung-hoon.htm 68 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Vol. XIX No. 70 �Eventos y reconocimientos C o n g r e s o I n t e r n a ci o n a l s o b r e Educación, Ciencia y Tecnología El 20 de octubre la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) cumplió 68 años en funciones, al mismo tiempo, se celebró a vigésima segunda edición del Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología. Con respecto a la celebración del aniversario de la facultad, el director de la FIME, Dr. Jaime Castillo Elizondo, expresó. “Hoy refrendamos la historia sencilla y noble de aquellos siete jóvenes inquietos y soñadores llamados los ‘siete sabios’, quienes, con ese entusiasmo que caracteriza a esta familia de FIME, hicieron posible el surgimiento de esta gran institución, que día con día se ha consolidado mediante el esfuerzo y dedicación de todos quienes a lo largo del tiempo han contribuido al engrandecimiento de nuestra facultad”. En la inauguración del Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología, agregó también:. “En la actualidad, las tecnologías que en mayor medida están influyendo en la sociedad son las relacionadas con la informática y las comunicaciones, la importancia de esta tecnología ya no se queda en un segundo plano, hoy son una de las causas fundamentales del cambio estructural de la sociedad, razón por la que los exhortamos a participar en estas jornadas” RINDE protesta nuevo rector Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, Director de la Facultad de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 El pasado 27 de octubre, se llevó a cabo la ceremonia de Toma de Protesta del M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera como nuevo rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Este acto fue encabezado por el Dr. José Santos García Alvarado, Presidente de la Junta de Gobierno; el Dr. Salvador Jara Guerrero, Subsecretario de Educación Superior de la SEP; el Dr. Jaime Vázquez Ponda, Secretario General de la ANUIES, como testigo de honor el Gobernador del Estado de Nuevo León, Ing. Jaime Rodríguez Calderón. El nuevo rector se refirió en su discurso en el que acepta el cargo ante la comunidad universitaria, a los proyectos de la Universidad en materia de cobertura, competencia docente y vinculación. 69 �Eventos y reconocimientos Mediante análisis, los investigadores de la UANL determinaron el grado de mineralización de los contaminantes orgánicos empleados en las pruebas fotocatalíticas con el WO3, encontrándose una alta actividad para la mineralización de estos compuestos en el medio acuoso. El M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera rindiendo protesta como nuevo rector de la UANL. Investigadores desarrollan un nuevo método para descontaminar el agua El agua para consumo humano requiere una serie de complejos procesos de fotocatálisis para eliminar los contaminantes al 100%, además hay colorantes orgánicos que necesitan métodos avanzados para degradarse por completo. Sobre esto trata la investigación que encabeza, en el grupo del Departamento de Ecomateriales y Energía, el Dr. Daniel Sánchez Martínez y con la cual ganó el premio de Investigación UANL 2015 en Ciencias Exactas. El trabajo tiene como nombre Desarrollo de nanopartículas de WO3 para la purificación de agua contaminada con especies orgánicas vía fotocatálisis y cuenta con la colaboración de la Dra. Leticia Torres Guerra, el Dr. Christian Gómez y la Dra. María Elvira Zarazúa. La finalidad de la investigación es descontaminar el agua por métodos de oxidación avanzada. El equipo desarrolló nanopartículas para limpiar el agua de contaminantes emergentes, los cuales son dañinos y poco regulados, pero que están inmersos en muy bajas concentraciones y requieren procesos avanzados para alcanzar grados de pureza mucho más altos, para que al final sea apta para consumo humano. 70 De izquierda a derecha: Dr. Christian Gómez, Dr. María Elvira Zarazúa, Dr. Daniel Sánchez Martínez y Dr. Leticia Torres Guerra. estudiantes de UANL en la Feria Nacional de Ciencias e Ingeniería 2015 Estudiantes de la UANL participaron en la Feria Nacional de Ciencias e Ingeniería 2015, llevada a cabo los días 9 y 10 de noviembre, obteniendo el reconocimiento a los mejores proyectos de investigación. La feria se creó por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) para promocionar las ciencias. En esta primera edición se dieron cita estudiantes de secundarias y preparatorias de los estados de Aguascalientes, Baja California Sur, Chiapas, Coahuila, Colima, Estado de México, Guanajuato, Guerrero, Hidalgo, Jalisco, Nuevo León, Oaxaca, Puebla, San Luis Potosí, Sinaloa, Sonora, Querétaro, Veracruz, Yucatán y Zacatecas. Algunos de los estudiantes ganadores de la Feria Nacional de Ciencias e Ingeniería 2015. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año. XIX, No. 70 �Eventos y reconocimientos Las categorías de participación eran: Ciencias Sociales y Humanidades, Ciencias Exactas, Medicina y Salud, Tecnologías de la Información, Ciencias Naturales y Medio Ambiente e Ingenierías y Tecnologías. Los jóvenes Ángel Jesús Contreras Reyes, Mayra Josefina Salazar Garcés y David Oswaldo Salazar Molina concursaron en la feria y fueron reconocidos a los mejores proyectos de investigación en ingeniería de materiales y bioingeniería, obteniendo el primer lugar en la categoría Ingenierías y Tecnología con el proyecto “Síntesis de nanocompositos de oro en matriz de almidón”, en el cual se estudia un ruta de preparación de estos materiales con posibles aplicaciones en electrónica y medicina, los materiales fueron caracterizados mediante microscopía electrónica de trasmisión y espectroscopía de ultravioleta visible. 35 años de la Capilla Alfonsina El pasado 13 de noviembre la Capilla Alfonsina celebró sus 35 años de existencia, y para realizarlo se inauguró la exposición “Rastros: Glosa, dibujos y testigos de Alfonso Reyes”, en donde se reúne una serie de documentos pertenecientes al ilustre regiomontano, entre estos documentos encontramos postales, cartas, folletos y cortes de periódico encontrados en las páginas de sus libros. Corte de listón para dar inicio a los festejos. Desde la derecha, M.E.E. Minerva Margarita Villarreal Rodríguez, Dr. Luis Eugenio Todd Pérez, M.A. Carmen Rosario de la Fuente García, M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Lic. Alonso Rangel Guerra, Dr. José Porfirio Tamez Solís. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 “Para Reyes, la lectura significaba una forma de transformación y nuestra deuda va más allá del privilegio de ser herederos de su legado bibliográfico, también está su voto por la creación de esta Universidad” expresó el rector de la UANL Rogelio G. Garza; recordando el deseó de Alfonso Reyes de la creación de la Universidad del Norte. Dentro de la Capilla Alfonsina se encuentra un acervo de más de 180 mil libros y de 234 mil periódicos y revistas. EL acervo de la biblioteca siempre está en crecimiento, un ejemplo es la adición de los fondos “Luis E. Tood” y “Minerva y José Javier Villarreal”. Simposio de Investigación Ternium El 19 de noviembre se realizó el segundo Simposio de Investigación Ternium: Productos-proceso, donde se tiene como objetivo el estudio del conocimiento siderúrgico. Los trabajos realizados fueron obra de estudiantes de maestría y doctorado de la Facultad de Mecánica y Eléctrica (FIME) de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL) y del Centro de Investigación y Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN). En el simposio se expusieron tanto nuevas formas de realizar diferentes procesos, como mejoras de los existentes. Antes de inaugurar el evento Rubén Herrera, director de Calidad de Ternium indicó: “Iba a ser solo un simposio anual, dada su dinámica estamos realizando el segundo en el año. Hoy tenemos 30 estudiantes con 30 proyectos concretos de impacto en la industria que se traducen en 150 desarrollos de nuevos productos y 270 certificaciones automotrices de nuevos productos y nuevas rutas de proceso”. Asistentes al Segundo Simposio de Investigación de Ternium con todos los participantes 71 �Eventos y reconocimientos DIFUSIÓN DE investigaciones universitarias Las tesis son proyectos que resultan de un gran esfuerzo de investigación y que, además de quedar en la memoria de los universitarios que buscan avanzar en su vida profesional y académica, merecen ser reconocidos por el mayor número de personas interesadas en los diferentes tópicos investigados. Muchas veces esta idea de poner al alcance de todos los trabajos académicos no puede concretarse debido a la falta de conocimientos sobre distintos medios de comunicación que pudieran publicarlos. Ante esta problemática y para facilitarle a la comunidad universitaria esta labor de difusión, el Centro de Desarrollo Empresarial y Posgrado (CEDEEM) de la Facultad de Contaduría Pública y Administración está comprometido a que los proyectos que se están trabajando en la UANL puedan ser compartidos con el mundo. Anteriormente, el alumno terminaba su proyecto y éste solo resultaba como un trabajo académico, pero ahora con este centro, además de terminar su investigación los alumnos también puedan publicarla. Esta incubadora se dedica principalmente a tres funciones esenciales: promover la investigación de Dr. José Nicolás Barragán Codina, subdirector del Centro de Desarrollo Empresarial y Posgrado (CEDEEM). 72 posgrado, tener herramientas para su realización y crear vínculos entre las investigaciones y la comunidad empresarial. La UANL en la Feria Internacional del Libro de Guadalajara La UANL estuvo presente en la Feria Internacional del Libro de Guadalajara, del 28 de noviembre al 6 de diciembre más de 160 títulos se exhibieron con temas sobre crónica, historia, fauna y cultura popular de Nuevo León. Ubicada en el Área de Editoriales Universitaria, la Máxima Casa de Estudios de Nuevo León también participa con la presentación de siete libros en las jornadas académicas de la importante reunión editorial que cumple 29 años, y además tiene en esta ocasión al Reino Unido como invitado especial. Además de la literatura, también están representadas otras artes como la música, pintura, fotografía, arquitectura y cine, con mención especial a las revistas “Armas y Letras”. Entre los libros académicos y especializados elaborados por profesores de la UANL hay tomos sobre Derecho, Comunicación, Urbanismo, Educación, Medicina, Psicología y Deporte. Exhibición de publicaciones de la UANL.. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año. XIX, No. 70 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL * Enero - Diciembre 2015 Leonardo Gabriel Hernández Landa, Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, Tesis: Planeación de una cadena de logística inversa y optimización en tiempo real de una línea de transporte urbano, 29 de enero. Jurado: Dra. Yasmín. A. Ríos Solís (asesora), Dr. Romeo Sánchez Nigenda, Dr. Igor Semionovich Litvinchev, Dra. Angélica del Río Lozano Cuevas, Dr. José F. Camacho Vallejo. María de los Ángeles Báez Olvera, Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, Tesis: Apoyo a la decisión para el diseño y la planeación integrados de una cadena de suministros, 5 de febrero. Jurado: Dr. Fernando López Irarragorri (asesor), Dra. Ada Margarita Álvarez Socarras, Dr. Miguel Mata Pérez, Dra. Juan Carlos Leyva López, Dra. Laura Cruz Reyes. Francisco Cepeda Rodríguez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Optimización de parámetros y modelación matemática del proceso de soldadura por láser de disco de diodos YB:YAG, aplicado en aceros avanzados AHSS, 16 de febrero. Jurado: Dr. Marco Antonio L. Hernández Rodríguez (asesor), Dr. Arturo Juárez Hernández, Dr. Edgar Omar García Sánchez, Dr. Juan Carlos Ortíz Cuellar, Dr. Felipe de Jesús García Vázquez. Álvaro Hernán Bedoya Calle, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Fabricación y caracterización de películas delgadas de óxidos transparentes con aplicaciones ópticas, 27 de marzo. Jurado: Dr. Ubaldo Ortíz Méndez (asesor), Dr. Alejandro Torres Castro, Dr. Manuel García Méndez, Dr. Enrique Manuel López Cuellar, Dra. Diana Berenice Hernández Uresti. Pedro Jacinto Páramo Kañetas, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Estudio de la evolución microestructural y transformación de fase de una aleación Inconel 718 sometida a un proceso de formación de la fase delta δ (delta-procesado) y deformado en caliente a diferentes * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 condiciones, 27 de marzo. Jurado: Dra. Martha Patricia Guerrero Mata (asesora), Dra. Maribel de la Garza Garza, Dra. Adriana Salas Zamarripa, Dr. Víctor Páramo López, Dr. José María Cabrera Marrero. Daniel Guillén Aparicio, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: Detección y localización de descargas parciales de devanados de transformadores de potencia usando modelos de alta frecuencia, 9 de junio. Jurado: Dra. Gina María Idarraga Ospina (asesora), Dr. Efraín Alcorta García, Dr. Enrique Esteban Mombello, Dr. Arturo Conde Enríquez, Dr. Alejandro Rodríguez Solís. Jorge Alberto Castillo Garza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Estudio termo-mecánico de una superaleación base níquel de cuarta generación del diagrama tiempo precipitación, 3 de julio. Jurado: Dra. Martha Patricia Guerrero Mata (asesora), Dra. Maribel de la Garza Garza, Dra. Adriana Salas Zamarripa, Dr. Octavio Covarrubías Alvarado, Dr. Víctor Páramo López. Gabriela Margarita Martínez Cazares, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Temple intensivo de un acero AISI/SAE 5160, 17 de julio. Jurado: Dra. Martha Patricia Guerrero Mata (asesora), Dr. Luis Adolfo Leduc Lezama, Dr. Rafael David Mercado Solís, Dr. Omar García Rincón, Dr. Sergio Haro Rodríguez. Edith Luevano Hipolito, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Purificación de aire mediante oxidación fotocatalítica de gases contaminantes NOx: estudio de los fotocatalizadores TiO2 y ZnO, 24 de julio. Jurado: Dr. Azael Martínez de la Cruz (asesor), Dr. Antonio Francisco García Loera, Dr. Enrique Manuel López Cuellar, Dra. Leticia Myriam Torres Guerrero, Dr. Danieñ Sánchez Martínez. Marla Berenice Hernández Hernández, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Comportamiento de alambres de una aleación de aluminio 5154A durante la deformación en frío, 3 de agosto. Jurado: Dr. Rafael Cólas Ortíz (asesor), Dr. Nelson Garza Montes de Oca, Dra. Marta Patricia Guerrero Mata, Dra. Juana A. Ramos Salas, Dr. Gustavo Ramírez Morales. 73 �Alberto Varela Valdez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Mechanical behavior of rock joints influence of joint roughness on it’s closure and shear behavior, 17 de septiembre. Jurado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera (asesor), Dr. Antonio Francisco García Loera, Dr. Stéphane Morel, Dr. Antoine Marache, Dr. Gilles Pijaudier-Cabot. Raúl Ernesto Ornelas Acosta, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Thin films of cut In and Sb chalgogenides as photovoltaic, 1 de octubre. Jurado: Dra. Bindu Krishnan (asesora), Dr. David Avellaneda Avellaneda, Dr. Manuel García Méndez, Dr. Eduardo Martínez Guerra, Dr. Sadasivan Shaji. Osvaldo Emmanuel Lomas González, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Desarrollo y caracterización de un material compuesto basado en una aleación con memoria de forma y un polímero híbrido, 12 de octubre. Jurado: Dr. Enrique Manuel López Cuellar (asesor), Dra. Beatriz Cristina López Walle, Dr. Martín Edgar Reyes Melo, Dr. Horacio Flores Zúñiga, Dr. Manuel García Méndez. Carlos Enrique Castillo Linton, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Modificación de las propiedades de matrices cementantes mediante la adición de nanopartículas de silice, 6 de noviembre. Jurado: Dra. Lauren Y. Gómez Zamorano (asesora), Dra. Ana María Guzmán Hernández, Dr. Tushar Kantidas Roy, Dr. Jorge Leobardo Acevedo Dávila, Dr. Edén Amaral Rodríguez Castellanos. René de Jesús Cerda Rojas, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Predicción de la distorsión en anillos 74 rolados sin costura durante tratamiento térmico de temple, 20 de noviembre. Jurado: Dra. Martha Patricia Guerrero Mata (asesora), Dr. Luis Adolfo Leduc Lezama, Dr. Florentino Fernández Guzmán, Dr. Rafael D. Mercado Solís, Dra. María de Jesús Pérez López. Luis Fernando Sánchez Gómez, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: Estimulación fasorial mediante métodos de control óptimo, 3 de diciembre. Jurado: Dr. José Antonio de la O Serna (asesor), Dr. Efraín Alcorta García, Dr. José Ramón Rodríguez Cruz, Dr. Gerardo Maximiliano Méndez, Dr. Graciano Dieck Assad. María Isabel Mendivil Palma, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Synthesis and charecterization of metal nonoparticles by pulsed laser ablation in liquid media, 10 de diciembre. Jurado: Dr. Sadasivan Shaji (asesor), Dr. David Avellaneda Avellaneda, Dra. Bindu Krishnan, Dr. Manuel García Méndez, Dr. Víctor Coello Cárdenas. Carlos Alberto Castillo Salazar, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: Distance and overcurrent relay coordination considering standarized inverse time curves, 15 de diciembre. Jurado: Dr. Arturo Conde Enriquez (asesor), Dra. Satu Elisa Schaeffer, Dra. Gina María Idarraga Ospina, Dr. Oscar Arreola Soria, Dr. Manuel Antonio Andrade Soto. Ismael Díaz Peña, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: Transporte de nano-SiO2 a través de materiales cementantes, 17 de diciembre. Jurado: Dra. Ana María Guzmán Hernández (asesora), Dra. Dora Irma Martínez Delgado, Dr. Javier Rodrigo González López, Dr. Antonio Alberto Zaldívar Cadena, Dra. Lauren Yolanda Gómez Zamorano. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año. XIX, No. 70 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Octubre - Diciembre 2015 Rodolfo Betanzos Cerqueda, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: Sintonizado a la frecuencia portadora con el método de Prony, 1 de octubre. José Antonio Foglia Vergara, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Reducción de los paros no programados por falta de equipo ben molinos azteca, 8 de octubre. Pedro Edmundo Martín Varguez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Síntesis de precursores a base flúor para recubrimientos hidrofóbicos, 12 de octubre. Jorge Luis Gutiérrez Platas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Oxidación a alta temperatura en acero que contiene titanio y boro para aplicaciones de estampado en caliente, 15 de octubre. Carlos Alberto Zarate Becerra, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: Sistema de administración para control de datos, 16 de octubre. Mabel Sarahí Macías González, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Tesis: Implementación del transporte intermodal para una empresa fabricante de partes automotrices para vehículos de carga pesada, 19 de octubre. María Rosaena Garza Chapa, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica. Tesis: Self deployable origami stent grafts a biomedical of ni rich Ti Ni shape memory alloy foil, 19 de octubre. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 Alfonso Javier González Esquivel, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: Sustitución de subestación tipo H de Iso KVA por subestación tipo pedestal de 300 KVA, 22 de Octubre. José Javier Cavazos Huerta, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Síntesis y caracterización de películas delgadas del sistema CuxSnyS2, 23 de octubre. Víctor Martínez Herrera, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Dinámica de Vuelo. Tesis: Navegación de un vehículo aéreo híbrido, 27 de octubre. Antonio Avilés Sánchez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Procesos de calidad implementado en autolíneas regiomontanas, 29 de octubre. Erasmo Guel González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia. Tesis: Análisis de la operación comercial de las plantas cogeneradoras contempladas en los contratos legados de la ley de la industria eléctrica, 31 de octubre. Héctor Leobardo Torres García, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Simulación del proceso de temple por inducción para un acero estructural utilizado en componentes automotrices de alto riesgo, 6 de noviembre. Daniel Emmanuel Quintero Salazar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: Aplicación de metodología A3 para eliminar falla en mecanismo de bloqueo de puerta en esterilizador médico, 6 de noviembre. 75 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Karla Patricia Ibarra Ramírez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Nutrición para tu salud, 9 de noviembre. Sergio Serment Moreno, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Evolución del comportamiento reológico de emulsiones asfálticas, 11 de noviembre. Antonio Hefer Garza Maldonado, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: Análisis de factores que influyen en la generación de piezas defectuosas en una planta de inyección, 11 de noviembre. Irene Alejandra Garza Jaldón, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global. Tesis: Alineación de la cadena de suministro hacia compras estratégicas, 12 de noviembre. Victoria Alejandra Lujan González, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Tesis: Logística humanitaria: Distribución de recursos en situaciones de desastres hidrológicos en México, 13 de noviembre. Braulio Omar García Espinosa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: Capacitación “in house” Alestra, 18 de noviembre. Edwin Treviño García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: Desarrollo sustentable del polideportivo FIME, 24 de noviembre. José Luis Rafael Chirino Arreguín, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Motores de inducción trifásicos, 25 de noviembre. Ma. Santiaga López González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: Importancia de la comunicación como parte de la cultura organizacional de la biblioteca “Sor Juana Inés de la Cruz”, 25 de noviembre. Adolfo Benítez Molina, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmicas y Renovables. Tesis: Estudio de los efectos de las propiedades de transporte y termofísicas del biodiesel derivado del aceite usado de cocina sobre 76 la estructura dinámica de un chorro diesel, 25 de noviembre. Víctor Hugo Gallegos Mosqueda, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: Implementación de Plex, 26 de noviembre. Rolando Rodríguez Rodríguez, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: Programa de estudio analítico en el nivel medio superior unidad de aprendizaje tecnología de la información y comunicación, 26 de noviembre. Alfredo Alanís López, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: Diseño de un portal con funciones específicas de cada puesto para evitar la sobrecarga en departamentos de la empresa Tempel de México, 26 de noviembre. Rocío Borrego Navejas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Efecto de la microestructura y la concentración del ácido en la corrosión de aleaciones binarias de Pb-Sn, 27 de noviembre. Antonio Ortiz Rivera, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: Transitorios en sistemas eléctricos de potencia, 27 de noviembre. Diana Margarita Rodríguez Maldonado, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: Implementación de un programa de conciencia ambiental para el personal de la dirección de nivel medio superior de la UANL, 2 de diciembre. Orlando Eliud Gutiérrez Guel, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: Las 5s+1 en una empresa de video y seguridad interactiva, 2 de diciembre. Jesús Oscar Maldonado Murillo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Tesis: Uso y aprovechamiento de un agente de carga para el financiamiento y operatividad de negocios internacionales, 3 de diciembre. Rubén Saldaña de Lara, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior. Proyecto: Exportación, 3 de diciembre. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año. XIX, No. 70 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Karina Judith Valdez Montalvo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: Digitalización del proceso de calidad en concretos (DIPCAIC), 3 de diciembre. Patricia Arzate Otero, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Desarrollo de un estándar de comunicación electrónico para la supervisión y control de desempeño dentro del sistema de producción Sisamex, 4 de diciembre. Christian Elí Leal Cantú, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Análisis estructural de un filtro de aceite sellado mediante el método de elemento finito, 4 de diciembre. Arturo Villarreal Sandoval, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: Caracterización de fenómenos transitorios en sep utilizando transformación matemáticas no lineales, 7 de diciembre. Juan José López Mercado, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: Exfoliación de nitruro de boro para elaboración de nanocompositos poliméricos, 7 de diciembre. Miguel Carrola Castillo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Tesis: Minimización de faltantes mediante una mejora en el pronóstico de la demanda de un producto terminado, 8 de diciembre. Sonia Esquivel Ochotorena, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica. Proyecto: Programa de logística difusa para la detección de rasgos de autismo en niños de edad preescolar, 8 de diciembre. Jesús Alejandro Quiroz Aguilar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: El impacto de la capacitación en los profesores de tiempo completo en convocatorias académicas, 9 de diciembre. Manuel Ortiz Salazar, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Proyecto: Generación de Trayectorias y Evaluación de Desempeño de robots manipuladores, 10 de diciembre. Mario Aguilera Ruiz, Maestría en Ciencias de la Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 Ingeniería Eléctrica. Tesis: Efecto de los parámetros de repulsión, atracción y orientación en un enjambre de robots, 10 de diciembre. José Luis Moya Sánchez, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica. Proyecto: Soldaduras, tipos y tratamientos térmicos, 10 de diciembre. Ithiel Ibzhan Calvillo Gómez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: Nuevo proceso penal oral, 11 de diciembre. Paulina Gutiérrez González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: Estrategias de aprendizaje en la materia de sociales, 11 de diciembre. Oscar Mario Chapa Contreras, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmicas y Renovables. Proyecto: Análisis de variaciones geométricas en el desempeño termohidráulico de evaporadores domésticos con crecimiento de escarcha, 11 de diciembre. Armando Manuel Mendoza Cantú, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Metodología para la definición de parámetros concentrados y su uso en el diseño de chasises tipo escalera, 11 de diciembre. Víctor Iván Madrid Morelos, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmicas y Renovables. Tesis: Modelado Numérico del Crecimiento y Densificación de escarcha sobre superficies con flujo cruzado, 11 de diciembre. Nohemí Ponce Ceva, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global. Tesis: Personalización de la Industria automotriz y su impacto en la infraestructura del transporte, 14 de diciembre. César Javier Ramírez Álvarado, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: Diseño y desarrollo de un dispositivo de enfriamiento acelerado para fluidos dentro de cavidades cilíndricas, 14 de diciembre. Jorge Luis Gelasio Natáren, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: Generación del proceso de mecanizado en Incones 718, 14 de diciembre. 77 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Guillermo García Martínez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Tesis: Mejora en política de reabastecimiento de materiales provenientes de Asia, 14 de diciembre. Luis Arturo Valdez Hinojosa, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmicas y Renovables. Tesis: Desarrollo de un algoritmo de control de humedad para una cámara climática, 14 de diciembre. Juan Antonio Sánchez Flores, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Dinámica de Vuelo. Tesis: Diseño de un banco de pruebas para el estudio de generadores eólicos, 15 de diciembre. Humberto Arenas García, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: Conductividad térmica en aleaciones de aluminio usados en manufactura de componentes de motores de combustión interna, 15 de diciembre. Mayra Alejandra Cañamar Ramírez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con 78 orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: Cafetería Universitaria, 15 de diciembre. Pedro Daniel Cárdenas Cárdenas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: Comportamiento termodinámico de una funda para eje motriz durante el proceso de soldadura por fricción rotativa directa, 15 de diciembre. Sergio Gallegos Cantú, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: Caracterización y evaluación de propiedades tribológicas de recubrimientos nano estructurados de TiN/CrN en aleaciones base Co-Cr, 16 de diciembre. Jamnie Yazmín Achem Calahorra, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Materiales. Tesis: Fabricación y estudio electroquímico de corrosión de recubrimientos de YSZ depositados por magnetrón sputtering, 17 de diciembre. José Guillermo Molina Luna, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: Análisis de crecimiento de inversión de la infraestructura de cómputo para las facultades de la UANL., 18 de diciembre. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año. XIX, No. 70 �Acuse de recibo Advances in Mechanical Engineering Wind Engineering La revista Advances in Mechanical Engineering es una publicación online de acceso libre, miembro del Comité de Ética en Publicación (COPE), publica artículos originales de investigación. Se dedica a escribir reseñas en todas las áreas de ingeniería mecánica. En su publicación de febrero se presentó un artículo sobre el consumo de energía y la emisión de gases en larga escala de un edificio comercial en Shanghái, China, para tener un mejor entendimiento sobre la relación interna entre el consumo de energía y el consumo de gases, y proveer información de referencia para el desarrollo de reducción de emisión de gases en futuros edificios. La publicación se puede encontrar en el link http://ade.sagepub.com/ La revista Wind Engineering es una revista especializada sobre la investigación de la ingeniería del aire de entrega bimestral. En ella no sólo se estudia sus eficiencia, también se habla de los problemas que pueden surgir en el caso de una mala planeación. Como muestra de ello está el artículo Effects of noise from wind turbines inside home, donde se estudia los problemas en el sur de Italia sobre una mala planeación de ubicación de las turbinas de aire las cuales afectan a las casas cercanas; el artículo muestra el nivel de ruido de los motores en diferentes zonas donde existe el problema. La revista puede ser consultada en la página http://wie.sagepub.com/ RHO Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 DOCM 79 �Colaboradores Alcorta García, Efráin Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones (1989) y la Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (1992) por la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), y el grado de Dr.-Ing. en Ingeniería Eléctrica de la Universidad Gerhard Mercator de Duisburg, Alemania, en 1999. Ocupa una posición de enseñanza e investigación en la UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores, nivel 1. Sus interés de investigación incluyen el diagnóstico y control Alonso Alonso, María Cruz Doctorado en Ciencias Químicas, Profesor Investigador de tiempo completo en el Centro de Investigación en Seguridad y Durabilidad de Estructuras y Materiales, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CISDEM, CSIC). Especialista en materiales de construcción en las áreas de investigación. Participa en proyectos nacionales e internacionales, proyectos europeos SMS y proyectos industriales. Andrade Soto, Manuel Antonio Recibió el grado de Ingeniero Eléctrico del Instituto Tecnológico de Saltillo, México, en 2000, y los grados de maestría y doctorado en ciencias, ambos en Ingeniería Eléctrica, del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), Guadalajara, México, en 2002 y 2007, respectivamente. En 2007, se incorporó a la Universidad Autónoma de Nuevo Léon, Monterrey, México, donde actualmente es profesor asociado al programa de posgrado en Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. 80 Chávez Guerrero, Leonardo Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2001) y Maestría en Materiales (2004) por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Doctorado en Nanociencias y Nanotecnología por el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (2008). Posdoctorado en ParisTech de París, Francia (2011). Posdoctorado en la Escuela de Química de la Universidad de St Andrews, Escocia (2012). Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1 y Profesor con Perfil deseable (PROMEP). Delgadillo Guerra, Herlinda María Ingeniero Mecánico Electricista, Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Producción y Calidad por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIME-UANL. Profesor con Perfil deseable (PROMEP) Investiga los fenómenos relacionados con los procesos de corrosión en estado sólido en cerámicos, la síntesis y caracterización de cerámicos, así como la utilización de subproductos industriales en el desarrollo de materiales cerámicos sustentables. Esponda Hernández, Héctor Estudiante del Programa de Posgrado en Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL: Guzmán Hernández, Ana María Química por la Facultad de Química de la UNAM, Maestría en Ciencia de Materiales de la Escuela Superior de Física y Matemáticas del IPN y Doctorado en Ingeniería de Materiales de Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año. XIX, No. 70 �Colaboradores la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Docente desde el año 2001 y Profesor investigador a partir del 2003 en la FIME-UANL. Experiencia en investigación en el Posgrado de la Facultad de Química de la UNAM de 1988-1991, Refractarios Mexicanos S.A. de C.V. de 1991-1995 y Quimiproductos, S.A. de C.V. de 1995-1997. Sus líneas de interés son: materiales cerámicos, refractarios, cementos y vidrios. Lebey, Thierry Doctor en Ingeniería Eléctrica de la Universidad Paul Sabatier, Francia. Investigador Titular del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, Francia) desde 1990. Creador del grupo de interés científico (GIS) “3DPHI” sobre la integración en electrónica de potencia, con 12 laboratorios miembros en Francia. Desde enero de 2016, director del Laboratorio LAPLACE (>300 personas). López Castillo, Francisco Eduardo Ingeniero en Electrónica y Automatización en 2013 y Maestro en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica en 2015 por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Sus intereses comprenden el diagnóstico de fallas en sistemas dinámicos así como el diseño de observadores para diagnóstico. López Perales, Jesús Fernando Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor docente de la Escuela Industrial y Preparatoria Técnica Pablo Livas de la UANL. Ganador del reconocimiento Nuevo León a la mitigación de gases efecto invernadero en 2014. Mejía Rosales, Sergio Javier Doctor en Ciencias (Física) por la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (2010). Asociado posdoctoral en la Universidad de Houston (20002002). Profesor Visitante en la Universidad de Texas en San Antonio (2009-2010). Desde 2003 es profesor de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL. ES miembro del SNI, y de la Academia Mexicana de Ciencias. Presidente de la Sociedad Mexicana de Materiales (2011-2013). Puente Ornelas, Rodrigo Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1 y Profesor con Perfil deseable (PROMEP). Investiga los fenómenos de corrosión en materiales refractarios y aceros de refuerzo, desarrollo de nuevos materiales refractarios, cementicios y termoeléctricos, así como la utilización de materiales suplementarios y desechos industriales para el mejoramiento de las propiedades fisicoquímicas y de durabilidad de pastas, morteros y concretos. Mazaleyrat, Fréderic Doctor en Ingeniería Eléctrica de la Universidad Pierre y Marie Curie, Francia. Profesor de Física Aplicada en la Ecole Nationale Supérieure de Paris desde 2009. Saucedo Flores, Salvador Ingeniero Mecánico Electricista de la Universidad Autónoma de Nuevo León, titulado en 1970. Cursó la Maestría en Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control Automático en el Centro de Investigación y Estudios Avanzados de IPN, obteniendo el grado en 1980. Es Profesor Investigador de la ESIME del IPN Unidad Zacatenco desde 1972. Desarrolló 8 programas para simular Control de Procesos. También participó en el diseño de equipo digital para el Control de Tráfico de la ciudad de México. A partir de 1999 es alumno de doctorado de la Sección de Estudios de Postgrado e Investigación de la ESIME. Meléndez Anzurez, Frank Eduardo Químico Bacteriólogo Parasitólogo por la Facultad de Ciencias Biológicas de la UANL (2013). Actualmente es estudiante de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Nanotecnología en la FIME-UANL. Trung Le, Trong Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica del INP de Grenoble, 2011. Catedrático de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hanoi en delegación para realizar un doctorado en Ingeniería Eléctrica (U. Paul Sabatier), desde 2012. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 81 �Colaboradores Trujillo Álvarez, Alejandro Ingeniero Administrador de Sistemas, Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Relaciones Industriales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIMEUANL. Investiga los fenómenos relacionados con la utilización de subproductos industriales en el desarrollo de materiales cerámicos sustentables. Valdez Nava, Zarel Ingeniero Mecánico Metalúrgico y Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la UANL. Doctorado en Ingeniería en Materiales (2005), otorgado en cotutela, UANL- 82 Université Paul Sabatier. Investigador Titular del Centre National de la Recherche Scientifique (Francia) desde 2008. Vázquez Martínez, Ernesto Recibió el grado de Doctor en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por la UANL, México, en 1994. Desde 1996, ha trabajado como profesor investigador en ingeniería eléctrica en la UANL. En 2000 y 2011, hizo estancias de investigación en la Universidad de Manitoba y la Universidad de Alberta, respectivamente, Sus principales intereses de investigación son la protección de sistemas de eléctricos de potencia y técnicas de inteligencia artificial aplicadas a los sistemas de potencia. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año. XIX, No. 70 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx 83 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Revisores Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, 84 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año. XIX, No. 70 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año XIX, No. 70 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. 85 �86 Ingenierías, Enero-Marzo 2016, Año. XIX, No. 70 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2016 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 19 Número Número de la revista 70 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2016, Año 19, No 70, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2016 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020833 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Corriente inrush Eigenvalor MATLAB Microestructura PSCAD Transformador https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20792/Ingenierias_2015_Ano_18_No_69_Octubre-Diciembre.pdf f59ff9bbd917db23b58a294d1895ea17 PDF Text Text ��69 Contenido Octubre-Diciembre de 2015, Año XVIII, No. 69 2 3 6 18 22 30 36 51 54 58 59 62 63 Directorio Editorial: Apuntes acerca de investigación Mauricio Cabrera Ríos Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot Francisco Eugenio López Guerrero, Horacio Martínez Calderón, Rafael Baruc Almaguer López, Adrián Emmanuel García Solís Uso de redes neuronales para reducir la dispersión de cálculos empíricos Elisa Zambrano Gómez, Luis Torres Treviño, Gina María Idárraga Ospina, Carlos Gaytán Cavazos, Juan José Saldívar Hinojosa Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible Alejandro Torres Castro, Marco A. Garza Navarro, Ubaldo Ortiz Méndez, Virgilio González González Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol Felipe Nerhi Tenorio González, Ana María Bolarín Miró, Félix Sánchez De Jesús, Roberto Luis Palomino Resendiz, Claudia Alicia Cortés Escobedo, Pedro Vera Serna La búsqueda del plasma de quarks y gluones J. Rubén Morones Ibarra Eventos y reconocimientos Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Acuse de recibo Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 1 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVIII, N° 69, octubrediciembre 2015. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Impresos Baez, Jesús M. Garza 3219 Oriente, Col Francisco I. Madero, Monterrey Nuevo León, México, C.P. 64560. Fecha de terminación de impresión: 15 de octubre de 2015. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2015 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván M.C. Jesús G. Puente Córdova Daniela Gutiérrez Dimas Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster María de los Ángeles Baez Acuña Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL. COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / M.C. Gabriel Martínez Alonso, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL. 2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 �Editorial: Apuntes acerca de investigación Mauricio Cabrera-Ríos Catedrático Asociado y Director del Applied Optimization Group Departamento de Ingeniería Industrial Universidad de Puerto Rico, Recinto de Mayagüez mauricio.cabrera1@upr.edu Para todos los que deciden incorporar la investigación en su carrera dentro de una institución académica es inevitable tener que responder en algún momento a algunas preguntas: ¿Qué es la investigación? ¿De qué sirve? ¿Cómo se hace? ¿Es necesario hacerla? ¿A quién beneficia?. Por supuesto, con la experiencia se llega a una conceptualización personal sobre todas ellas, por lo que les comparto, especialmente a quienes empiezan en esta carrera, algunos aspectos básicos que surgen durante la búsqueda de respuestas. ¿Qué es la investigación? Una manera de tomar esta pregunta es adoptar como guía las definiciones provistas por instancias gubernamentales que se dedican a evaluar proyectos de investigación y asignarles fondos, como el CONACYT en México. En Estados Unidos, por ejemplo, una de las agencias federales es la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF – National Science Foundation). NSF define y categoriza lo siguiente: Investigación es el estudio sistemático dirigido a expandir el conocimiento científico o el entendimiento del área bajo estudio. La investigación se clasifica ya sea como básica o como aplicada de acuerdo con los objetivos de la agencia que la apoye económicamente. Investigación Básica es el estudio sistemático dirigido a profundizar el conocimiento o el entendimiento de aspectos fundamentales de fenómenos y de hechos observables sin una aplicación específica en términos de procesos o productos en mente. Investigación Aplicada es el estudio sistemático dirigido a expandir el conocimiento o entendimiento necesarios para determinar los medios por los cuales se puede satisfacer una necesidad. Desarrollo se define como la aplicación sistemática de conocimiento o entendimiento dirigida hacia la producción de materiales útiles, aparatos, sistemas o métodos, incluyendo el diseño, desarrollo y mejoramiento de prototipos y procesos nuevos para satisfacer requerimientos específicos. La investigación como una actividad escolástica de los profesores La investigación debe ser reconocida como una actividad escolástica que es parte de la carrera académica de los profesores en universidades y, definitivamente, como un componente crítico en instituciones públicas. Es trabajo Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 3 �Apuntes acerca de la investigación / Mauricio Cabrera Ríos. de los investigadores reafirmar esta posición. El esquema de categorización presentado por Boyer (Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching, 2011) es particularmente interesante como uno de sinergia entre las múltiples actividades escolásticas: 1. 2. 3. 4. Descubrimiento. Relacionado con Investigación Básica. Integración. Relacionado con Trabajo Interdisciplinario. Aplicación. Relacionado con Investigación Aplicada y Desarrollo. Docencia y Aprendizaje. Dado que el tiempo es un recurso limitado para los profesores, las actividades escolásticas deben de ser consideradas dentro del balance con otras actividades de los departamentos académicos, tradicionalmente de servicio y administración, que también requieren de tiempo. Es muy importante que los planes estratégicos de cada departamento académico favorezcan la integración de los cuatro aspectos descritos anteriormente para alentar un ambiente académico enriquecedor que sirva además como medio para elevar la calidad de vida académica de los estudiantes, la pertinencia social y el logro académico. La investigación como un sistema Es posible esquematizar la investigación como un sistema con insumos, un proceso y productos, inmersa en un medio ambiente y con variables controlables, no controlables y medidas de desempeño. Para esta discusión, nos limitaremos a las partes principales de insumos, proceso y productos. Los insumos en investigacion incluyen –entre muchos otros-: tiempo, dinero, estudiantes, espacio físico, materiales, equipo, y –de manera esencial-, una sólida idea intelectual que guíe el trabajo. El proceso es uno de tipo interactivo que se lleva a cabo siguiendo muchas variaciones alrededor de un eje central: el método científico. Los productos de la investigación dependen –por supuesto- de la calidad de los insumos y del proceso e involucran conocimiento nuevo demostrable, verificable y repetible. Para demostrar novedad, verificabilidad y repetibilidad aunadas a la solidez técnica de una idea, es crítico que uno de los productos de la investigación sean publicaciones arbitradas en revistas de investigación. Otros productos técnicos dependerán de la naturaleza del trabajo definidas como se propuso al principio de este artículo. Éstos pueden incluir prototipos, código de programación, paquetería computacional, métodos matemáticos, teoremas, principios, protocolos técnicos, y patentes entre los muchos posibles. En un medio académico, la generación de conocimiento nuevo es tan importante como el entrenamiento y graduación de estudiantes. Es justamente a través de estos productos que la pertinencia para el desarrollo de la sociedad se establece. Un investigador, entonces, debe asegurarse de tener insumos de una calidad adecuada y en una cantidad suficiente para que la investigación suceda. Usualmente, ésto se logra a través de los fondos de investigación tanto públicos como privados. 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 �Apuntes acerca de la investigación / Mauricio Cabrera Ríos. El proceso de investigación se mantiene afinado a través de la discusión continua y la revisión de las ideas en desarrollo. Ésto se logra idealmente por medio de la participación activa en foros técnicos –conferencias, seminarios, congresos técnicos-, así como la publicación de resultados preliminares en memorias de conferencia preferentemente arbitradas. De forma importante, la definición de medidas de desempeño de la investigación debería permitir que éstas sean sensoras del estado de avance de una unidad académica y de una institución. Esta definición no es una tarea fácil, pues obedece a una naturaleza más bien estratégica (largo plazo) en medio de una serie de preocupaciones operacionales (corto plazo). La investigación como una fuerza de desarrollo La investigación a nivel nacional es fundamental para tener conocimiento propio que sea capitalizable en nuevas tecnologías –en su sentido más amplio de la palabra-. Es precisamente en el ciclo de entender, generar conocimiento nuevo, divulgarlo, aplicarlo para generar mejores productos y servicios, e impactar positivamente la sociedad para que siga invirtiendo en investigación, que se encuentra la columna vertebral del desarrollo. Por supuesto que hay más actores que afectan el desarrollo de un país -por ejemplo los legisladores y los dueños de las compañías-, pero las partes que aquí describo definitivamente son alcanzables para los investigadores. En momentos de escasez de recursos, es común poner en duda el valor de la investigación. Las historias clásicas de desarrollo de Estados Unidos, Inglaterra, Alemania, y las más nuevas de Corea, Brasil, India y China pasan todas por saber hacer investigación y en saber traducirla en beneficios estratégicos. En tiempos buenos, estas naciones han usado la investigación para establecer supremacía y en tiempos malos, para factibilizar la supervivencia. En todo caso, sin embargo, la investigación es imprescindible. Todo plan de desarrollo y de incremento de bienestar de un país debe incorporar la investigación como un pilar y no como un lujo ni como un accesorio. La tarea de llevarla a cabo, deberá recaer primariamente en los investigadores académicos. Hay que incorporarla en la carrera académica, considerarla como un sistema y asegurarse de que llegue a tener el impacto social debido para que cumpla con su ciclo de virtud. REFERENCIAS 1. NSF, Globalization of Science and Engineering Research, Arlington, VA (NSB 10-03) | January 2010 (http://www.nsf.gov/statistics/nsb1003/definitions. htm) 2. Pat Hutchings, Mary Taylor Huber, and Anthony Ciccone. The Scholarship of Teaching and Learning Reconsidered: Institutional Integration and Impact, Jossey-Bass, 2011. (http://www.carnegiefoundation.org/publications/thescholarship-teaching-and-learning-reconsidered-institutional-integration-andimpact) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 5 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot Francisco Eugenio López Guerrero, Horacio Martínez Calderón, Rafael Baruc Almaguer López, Adrián Emmanuel García Solís Cuerpo Académico de Sistemas Integrados de Manufactura Prof.Dr.Elopez@gmail.com RESUMEN Un fisiograma es el registro fotográfico de la trayectoria de una fuente luminosa en movimiento. Se hace tomando una fotografía y dejando abierto el obturador de la cámara mientras se realizan trazos con la luz en el aire. Este trabajo presenta el diseño y la construcción de una interfaz para la creación de fisiogramas con un robot dotado de una fuente de luz RGB. Mientras el robot mueve la luz, la trayectoria de ésta es capturada por una cámara fotográfica. La luz cambia de color durante el movimiento conforme al ángulo de inclinación de la pinza del robot con el uso de una unidad de medición inercial (IMU). El movimiento del robot es programado en base a figuras hechas en aplicaciones de dibujo por computadora. La interfaz incluye el control del robot para el disparador de la cámara y las transformaciones geométricas necesarias para que la figura pueda ser adaptada al volumen de trabajo del robot. Como resultado se muestran los dibujos de línea (clip-art) y los fisiogramas de figuras en el espacio R3 del robot. PALABRAS CLAVE Fisiograma, robot, unidad de medición inercial, disparador de cámara remoto. ABSTRACT A physiogram or light painting is a photographic technique in which exposures are made by moving a light source (or the camera). This work presents the design and construction of an interface for physiograms made with a robot equipped with a RGB LED. The LED is controlled with a ninertial measurement unit (IMU), and the light color changes with the robot´s wrist angle. The trajectories of the robot are drawn in a commercial CAD program. The interface includes a shutter camera control for the robot, and all geometric transformations needed to fit the CAD files in the R3 robots workspace. As result some physiograms and clip-arts are presented. KEYWORDS Light painting, robot, inertial measurement unit, remote camera shutter. 6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Fig. 1. Fisiograma resultado del robot haciendo la trayectoria de un clip-art hecho en la aplicación de dibujo CorelDraw. IINTRODUCCIÓN La sociedad actual está altamente estimulada a través de los sentidos del sonido y la imagen por sobre el resto. Los avances de la ciencia y la tecnología se han encargado de ello, además de parecer capaces de realizar hasta la más insólita de las tareas 1 o satisfacer la más mínima de las necesidades . 2-4 Los elementos tecnológicos han sido también utilizados como una herramienta en la forma de expresión. 5-7 Según Wikipedia, se llama aerosol, pintada o grafiti a varias formas de inscripción o pintura, generalmente realizadas sobre mobiliario urbano. En el lenguaje común, el grafiti es el resultado de pintar textos abstractos en las paredes de manera libre, creativa e ilimitada con fines de expresión y divulgación, como parte de un movimiento urbano. Un fisiograma, popularmente conocido como “light painting” (o pintura de luz), es el registro fotográfico de la trayectoria de una fuente luminosa en movimiento en un ambiente con poca luz. Es para efectos prácticos un grafiti virtual. La técnica de lightpainting existe desde el siglo pasado, y actualmente se ha enriquecido conforme a la modernidad tecnológica en cámaras, lentes y dispositivos para generar luz. No es nueva la idea de utilizar un mecanismo, robot 8-10 o vehículo autónomo o controlado remotamente 11 para hacer fisiogramas. En lo que a robótica se refiere, el trabajo de Clemens Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Weisshaar and Reed Kram 8 en Trafalgar Square merece especial mención. Estas premisas y el espíritu reflexivo e innovador de los autores dieron origen a trabajar con estudiantes de ingeniería relacionados con el diseño y experiencia estéticos, persiguiendo ampliar las fronteras del acto creativo, en el proceso de diseño y construcción utilizando los recursos tecnológicos más modernos a su alcance. Este trabajo no entra al debate sobre las cualidades artísticas de los objetos, métodos y procesos, pero como contribución ofrece un panorama de aplicación de herramientas de creación de última tecnología. El objetivo principal es construir un sistema automatizado para la realización de fotografías de lightpainting (fisiogramas) utilizando un brazo robot con una fuente de luz con color controlado. Para lograrlo es necesario alcanzar las siguientes metas: • Diseñar un sistema de luz que cambie de color conforme al ángulo de inclinación de la gravedad terrestre. • Diseño y elaboración de un programa de transformaciones geométricas para que el robot trace figuras de computadora en su espacio de trabajo. • Construir un sistema para que el robot dispare una cámara fotográfica DLSR y realice los fisiogramas de manera automatizada. El presente proyecto apoya los trabajos desarrollados por los autores sobre optimización geométrica, en el desarrollo de un sistema que permita la manipulación de objetos de geometría compleja. METODOLOGÍA Para la realización de los fisiogramas es necesario considerar algunas variables que influyen en la estética de éste 12. En la mayoría de las aplicaciones se consigue un buen fisiograma cuando las condiciones son de poca o nula luz. Las consideraciones la estética son subjetivas y dependen del gusto o criterio del autor del fisiograma. Algunas consideraciones de estética son: • Las condiciones de iluminación ambientales juegan un papel determinante para conseguir la figura del trazo con contraste y, si se desea, 7 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. que en la fotografía aparezcan los objetos a su alrededor. • La velocidad de movimiento de la fuente de luz influye en la definición del trazo. • La intensidad de la fuente de luz debe ser acorde a la iluminación ambiental. • El tamaño de la fuente de luz con respecto al tamaño de la figura a trazar. • La estética global del efecto final es subjetivo al criterio del observador. Por medio de ensayos y error se ajustaron los valores de velocidad de movimiento de la fuente de luz y el tiempo de exposición de la cámara, haciendo éstas acorde a las condiciones fijadas por el ambiente en donde está instalado el robot. El tamaño de la figura de trazo está determinado por el espacio de trabajo del robot. El tamaño y la intensidad de la fuente de luz están determinados por los valores de construcción del diodo emisor de luz. La metodología utilizada fue en las etapas listadas a continuación: 3. Disparador de cámara DLSR. Diseño y construcción de un disparador para una cámara DLSR por medio de bluetooth, permitiendo al robot activar la cámara al inicio del movimiento en el momento apropiado. Ver referencia 13. 4. Tratamiento de datos. Programación de una interfaz de usuario para convertir un archivo de tipo clip-art en un programa del robot. Fig. 2. Situación de la solución planteada para la elaboración de fisiogramas. 1. Modelo cinemático del robot. Obtener los valores tecnológicos de la arquitectura del robot para adaptar la información de trazo deseado a condiciones que den un resultado estético. 2. Fuente de luz de color controlado. Diseño y construcción de la fuente de luz utilizando un diodo emisor de luz RGB, controlado por una unidad de medición inercial. Esto permite al robot cambiar el color del haz de luz simplemente inclinando la pinza con respecto al vector de gravedad terrestre. 8 Fig. 3. Dimensiones del robot utilizado: (a) dimensiones de construcción según el manual del robot y (b) reconstrucción por computadora utilizando software de CAD. Se destacan las articulaciones. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. MODELO CINEMÁTICO DEL ROBOT Sea {L} (ecuación 2) el vector de valores de construcción según la información de la figura 3a y {θ} (ecuación 3) el vector de valores de posición según la información de la figura 3b. La ecuación (1a) calcula la traslación para cualquier sistema local de coordenadas, mientras que las ecuaciones (1b, 1c, 1d) calculan las rotaciones X, Y, Z de los ejes locales con respecto al sistema universal. (ec. 1a) (ec. 1b) (ec. 1c) La multiplicación de las transformaciones geométricas mostradas en la ecuación 4 representa el modelo del mecanismo. TGT = TG0*TG1*TG2*TG3*TG4 (ec. 5) TGT es también una matriz homogénea 3D, por lo que las coordenadas del punto central de la pinza TCP es la columna resultado de la matriz. TCP = TGT<3> (ec. 6) Los alcances del TCP según los grados de libertad (GDL) generan el volumen de trabajo que se muestra en la figura 4a. Los planos de trabajo para las trayectorias 2D de fisiogramas deben estar contenidos en este volumen. Existe un número n de planos que cumplen con esta condición de alcance del TCP. En la figura 4b se muestran tres calculados a partir de los límites medidos que se muestran en la tabla I. (ec. 1d) Los valores de distancia entre cada articulación de la cadena son: LT = (388 39.92 70 280 230 111 131) (ec. 2) Que incluye la compensación de la pinza (cota no dada en la figura 3a). El valor 39.92mm es el valor dimensional de profundidad normal al plano de la figura 3a y puede apreciarse como la distancia entre el eje de la articulación 0 y el de la articulación 3 en la figura 3b. Los valores angulares están dados por la constante de resolución del codificador angular y el valor numérico del contador de pulsos: (ec. 3) La matriz {TG} representa las transformaciones geom ét ri cas d e l os eje s l oca les de cada articulación. TG0 = T(0,L0,0)*Ry(θ0) TG1 = T(L1,0,0)*T(0,0,L2)*Rx(θ1) TG2 = T(0,0,L3)*Rx(θ2) TG3 = T(0,0,L4)*Rx(θ3) (ec. 4) TG4 = T(0,0,L5)*Rz(θ4)*T(0,0,L6) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Fig. 4. Espacio de trabajo del robot: (a) Volumen máximo teórico considerando todos los GDL de la figura 3a y (b) Planos de trabajo experimentales trazados dentro del volumen máximo teórico (ver tabla I). 9 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Los límites presentados en la tabla I fueron encontrados experimentalmente, posicionando el brazo en un punto en posición relajada y llevando el TCP a diferentes valores calculados de puntos en el plano. Tabla I.- Coordenadas medidas del volumen de trabajo del robot para generar los planos principales. Plano Punto X (mm) VTF1 285.408 Lateral derecho VTD0 486.176 -306.897 Lateral Izquierdo VTD2 VTI0 556.995 -212.143 -123.113 VTI2 41.403 339.094 -598.673 Frontal VTF0 VTF2 VTD1 VTI1 Y (mm) Z (mm) 98.156 -588.618 255.942 272.623 -454.543 525.531 560.636 -436.232 -83.583 -536.839 -543.257 303.713 280.294 311.159 597.026 344.305 339.094 620.91 Más adelante, en la sección dedicada al algoritmo de generación de código de movimiento para el robot, se muestra el cálculo de los planos en base a los valores de la tabla I. FUENTE DE LUZ DE COLOR CONTROLADO El sensor de velocidad angular es llamado giroscopio y el sensor de aceleración lineal es llamado acelerómetro. La utilización de acelerómetros y giroscopios para la determinación de posiciones angulares y estabilidad de sistemas de navegación inercial es cada vez más frecuente. Estos dispositivos de bajo costo pueden ser fácilmente incorporados en una unidad de medición inercial. La principal dificultad es que las medidas de orientación obtenidas por el giroscopio acumulan error con el paso del tiempo, por lo que hay que implementar un algoritmo de corrección de error para reducirlo. El acelerómetro es usado para medir la inclinación con respecto a la gravedad. El eje horizontal corresponde a una medición de aceleración cuyo valor es igual a cero. La posición vertical corresponde al valor de 1g. La ventaja del acelerómetro es que siempre tiene a la gravedad como referencia para obtener la inclinación. Su desventaja es la sensibilidad a otras aceleraciones debido a la sacudida o movimiento. Es posible suprimir aceleraciones parásitas por medio de un filtrado 10 Fig. 5. Representación gráfica de los valores vectoriales a sensar con un giroscopio y su relación con los niveles RGB del LED usado en este trabajo. realizado con programación. 14 Se puede medir la inclinación con un acelerómetro en el eje horizontal utilizando la función trigonométrica tangente. Por lo tanto, medimos la aceleración en el eje perpendicular y en el plano paralelo a la superficie de la Tierra. La figura 6 muestra el comportamiento del acelerómetro y del giroscopio por separado. Combinación de los sensores El giroscopio es muy exacto en un periodo de tiempo corto pero para periodos largos de tiempo, Fig. 6. Señal medida del (a) acelerómetro y (b) giroscopio. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. es inutilizable debido al error acumulado. El error del acelerómetro es estable durante el tiempo pero es más grande que el error del giroscopio. Ambos sensores se encuentran en el mismo eje y miden la misma magnitud. El valor de salida del giroscopio es restado del valor de rotación absoluto del sensor. Producto de esto es equivalente a integrar el error del giroscopio con ruido del valor de rotación absoluto del sensor. El filtro implementado elimina el ruido y la salida de este filtro es la estimación de la integral del error. La salida del giroscopio es restada por esta estimación. El resultado es una señal sin error de integración y sin ruido. el vector resultante de aceleración que actúa sobre el sensor debido a que modifican el ángulo calculado con respecto a este mismo vector. 15 Rango de colores del sistema Últimamente la tecnología LED ha alcanzado un gran auge debido a la gran cantidad de ventajas que posee en comparación a la iluminación proporcionada por otros dispositivos tradicionales como los focos y lámparas. Algunas de estas ventajas son: los LED poseen un mayor tiempo de vida, un significativo ahorro de energía, mayor flexibilidad en aplicaciones de uso rudo y también su bajo costo. Condiciones de filtrado La condición para que la información del acelerómetro sea útil, es que el acelerómetro sólo sea sometido a la aceleración de la gravedad y no a las aceleraciones de movimiento del robot que alteraría Fig. 8. Integración de la señal de salidad de la unidad de medición inercial con Excel. Fig. 7. Condiciones de filtrado del sistema de la unidad de medición inercial: (a) diagrama a bloques del flujo de información y (b) señal resultante en experimentos preliminares. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Los sistemas de iluminación con LEDs RGB se están haciendo bastante populares e impulsados de la mano de la visualización digital, debido a la amplia gama de colores que se puede generar. Las componentes vectoriales de un sistema RGB son proporcionales a la representación cromática de cada color que el LED es capaz de proporcionar. El sistema aquí descrito se puede emplear en distintas aplicaciones en las que se desee buscar una 11 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. amplia gama de colores para la iluminación, con un control por medio de la variación de la posición angular del dispositivo. 16 La figura 9a muestra la intensidad de los colores primarios (rojo, verde y azul) necesaria para generar la gama de colores que puede tomar el LED. 17 La figura 9b muestra la coloración resultante en la trayectoria debido al control utilizando la unidad de medición inercial. a) b) Fig. 10. Disparador para la cámara fotográfica DLSR: (a) Tarjeta desarrollada para el Arduino Mini, y (b) tarjeta completa con el módulo Bluetooth. Nótese que en el diseño se minimizó el tamaño. Fig. 9. Relación de las componentes de luz contra el ángulo de inclinación del control basado en la unidad de medición inercial: (a) valores numéricos RGB del LED vs ángulo de inclinación del dispositivo con respecto a la gravedad y (b) fisiograma utilizando el dispositivo terminado. DISPARADOR DE LA CÁMARA DLSR Esta etapa del trabajo consiste en la elaboración de un disparador remoto el cual controla el momento de apertura del obturador de la cámara haciendo uso de la tecnología Bluetooth, 18 eliminando el uso de las conexiones mediante cables lo cual en consecuencia brinda libertad de posicionamiento a la cámara. El diseño del disparador remoto, está basado en un Arduino Pro mini 328 5v/16 MHz. El programa 12 ejecuta diferentes comandos recibidos vía Bluetooth, como en las referencias. 19-21 El propósito es hacer un proceso semiautomático [ver referencia 22] para tomar fotografías, donde el usuario ingresa un intervalo de tiempo, ya sea en segundos o minutos, que conforman un lapso de tiempo de espera entre fotos. Un bit del puerto de salida controla la función de enfoque (Focus); otro bit del puerto controla el disparo (Shutter). Estos bits del puerto se definieron como comandos y se les asignó con las letras “s” y “f”. La sintaxis completa de comando es : ‘<’ + “comando” + ‘>’ En donde los símbolos ‘<’ y ‘>’ son el inicio y final de la cadena de caracteres del comando. El listado de los comandos con su sintaxis, descripción y significado se muestran en la tabla II. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Tabla II. Comandos del disparador para el control de la cámara. NOMBRE VAR CMD DESCRIPCION Apagado Off “a” Shutter Sh “o” Segundos Seg “s” Minutos MM Número de fotos NumFotos “m” Al ejecutar el comando s e gu a rd a e l v a l o r numérico en la variable minutos. Auto Focus Af Disparador Disparador “f” Apaga las acciones de shutter y auto focus. Abre el obturador. Activa el focus y lo apaga después de un segundo, después abre el obturador en repetidas ocasiones. Al ejecutar el comando s e gu a rd a e l v a l o r numérico en la variable segundos. “@” Al ejecutar el comando s e gu a rd a e l v a l o r numérico en la variable fotos. “d” Continuar Run “u” Salir Stop “z” Pausa Pausa “p” Enfocar As “q” Solamente enfocar AS “x” Abre el obt urado r repetidas veces. Continúa la ejecución del programa después de una pausa. Termina la ejecución del programa, inicializa las variables de tiempo y numero de fotos en 0. Suspende la ejecución del programa. Activa el Focus y después de un segundo abre el obturador. Activa el Focus y después de un segundo abre el obturador. Al pasar medio segundo cierra el obturador. TRATAMIENTO DE DATOS: DEL DIBUJO POR COMPUTADORA A LA GENERACIÓN DEL PROGRAMA DEL ROBOT El tratamiento de datos consiste en calcular las coordenadas del TCP a partir de las coordenadas de dibujo y el cambio de formato en la información proveniente del dibujo a comandos de movimiento y control de periféricos para el robot. La figura 12 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Fig. 11. Diagrama a bloques del flujo de información y tratamiento de datos en las diferentes etapas del proceso de elaboración de un fisiograma. muestra en etapas numeradas los procesos para lograrlo. 1. Dibujo hecho por computadora con un programa comercial. Para este trabajo se utilizó CorelDraw. 2. El dibujo es exportado a un archivo PLT en formato de lenguaje de descripción de gráficos de Hewlett & Packard. 23 3. El archivo de configuración CFG del robot. Las variables contenidas en el archivo son: el vector de puntos {P} para el cálculo de los planos de trabajo, la velocidad de movimiento y un retardo de arranque. 4. Con la información de (3) el algoritmo de conversión (ver pseudocódigo) arroja como resultado un archivo ACL con código para el robot. 5. El código de movimiento es suministrado al robot. 6. Con el archivo ACL ejecutándose en el sistema operativo del robot, el robot activa el disparador de la cámara y mueve la fuente de luz. 7. La cámara posicionada de manera conveniente y estable recibe el comando (ver tabla II) y registra el fisiograma. 8. Fisiograma resultado. En la figura 13 se muestra el vector de puntos {P} para la elaboración del plano de una trayectoria de Bezier. La figura 13b es una fotocomposición que muestra de forma clara este proceso de cálculo. 13 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Fig. 13. Planos de trabajo experimentales para los fisiogramas: (a) cálculo del plano para una trayectoria en base a {P} y (b) fotocomposición del experimento con los valores de 13a. El algoritmo de conversión (ver figura 14) para calcular las coordenadas del TCP a partir de las coordenadas de dibujo utiliza el cambio de base con una matriz M de rotaciones y escalamiento que contiene los vectores del sistema de coordenadas locales: (ec. 7) EjeX=V1 EjeZ=N Fig. 14. Diagrama de flujo para el algoritmo de conversión de coordenadas de dibujo al plano de trabajo del robot. Los detalles de conversión de formato pueden mostrarse mejor por medio de un pseudocódigo: (ec. 8) EjeY=EjeX × EjeZ M=[EjeX,EjeY, EjeZ] (ec. 9) PT=M·Pi+O Donde PT: punto proyectado en el plano en R3 M: matriz de transformación Pi: punto de la geometría de computadora O: origen cartesiano local al plano igual a P0 14 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. En la figura 15 se muestra gráficamente la operación del algoritmo. Fig. 15. Representación de las transformaciones geométricas y generación de código ACL para el robot. RESULTADOS A continuación se presentan algunos fisiogramas resultado de este trabajo: Fig. 16. Ejemplo resultado de fisogramas preliminares.(a) con control de color monocromático y (c) control policromático. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Utilizando la misma metodología se ha iniciado la versión tridimensional. La figura 17 muestra una superficie de tensor hecha con curvas de Bezier. La figura 18a muestra una figura 3D realizada con un programa de CAD. La figura 18b muestra el fisiograma hecho con la nube de puntos del archivo 3D discretizado con triángulos. Fig. 17. Fisiograma de una superficie de tensor hecha con curvas de Bezier. Fig. 18. Prueba preliminar de aplicación 3D. (a) Geometría 3D discretizada con triangulaciones y (b) Fisiograma en forma de nube de puntos de los vértices de los triángulos. 15 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se diseñó e implementó una metodología para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot. Se obtuvieron las coordenadas de los planos de fisiogramas 2D contenidos en el volumen de trabajo del robot. Se desarrolló un algoritmo de transformaciones geométricas para la proyección de geometrías de computadora en el espacio del robot. Se encontraron los valores de ajuste para una cámara fotográfica DLSR. También se desarrolló con éxito un control electrónico inalámbrico para que el robot active la cámara. Finalmente se desarrolló una fuente de luz de color variable basada en una unidad de medición inercial para que -utilizando el ángulo de inclinación de la pinza del robot con respecto a la gravedad terrestre- la fuente de luz cambie de color. Finalmente se obtuvieron fisiogramas con relativa buena estética. Los valores de los resultados arrojados en este trabajo permiten hacer las siguientes consideraciones para mejoras a futuro: • Utilizar diferentes filtros de densidad neutra para oscurecer el ambiente y/o aumentar el tamaño del código y la velocidad de movimiento. • Hacer pruebas estéticas con diferentes tipos de lentes objetivo, como grandes angulares. • Mejora en la automatización del proceso de transferencia de código para poder hacer dibujos más complejos. 24 • Las pruebas preliminares con geometrías 3D de CAD permiten suponer un mejor éxito si se estructuran los procesos tanto como los de 2D. • Hacer una clasificación para diferentes tipos y clases de fisiogramas. • Hacer un cuadro de contrastación para diferentes aplicaciones. Se espera, sin embargo, que los alcances del trabajo aquí presentado puedan ser utilizados con supervisión de artistas gráficos para la creación de fisiogramas de geometría y colorido complejo, así como la posibilidad de montaje en exposiciones locales. RECONOCIMIENTOS Y EQUIPO UTILIZADO El presente trabajo fue realizado por miembros del cuerpo académico Sistemas Integrados de 16 Manufactura UANL CA-166. Se utilizó el equipo de las instalaciones del Departamento de Mecatrónica de la FIME-UANL: • Robot Eshed Robotec IX-Pro. • Rhinoceros v4 dotado del módulo RhinoVB. NET SDK. • MathCAD R14 para cálculos. • SolidWorks v2007. • MicroSoft Visual Studio. .NET Framework 2.0. VB.NET Express 2010. • Cámara DLSR Canon 7D. • Licencia de software para el tratamiento de puntos Geomagic Studio/Qualify v8. Los autores agradecen a la ingeniera y artista Adriana Flores (también conocida como Adriana Dib en el mundo de la plástica) por ser una de nuestras fuentes de inspiración para la realización de este trabajo. REFERENCIAS 1. Yanru, Z., Guohui, T., Xin, G., Fengyu, Z. The design and application of human attitude detector based on inertial measurement unit. Chinese Control and Decision Conference (CCDC), 9781-4244-8738-7/11 IEEE 2011. p2772-2777. 2. 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Robot drawing Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Diseño de una interfaz para la producción de fisiogramas en el espacio R3 de un robot / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. techniques for contoured surface using an automated sketching platform. Proceedings of the 3rd Annual IEEE Conference on Automation Science and Engineering Scottsdale, AZ, USA, Sept 22-25, 2007. p735-740. 7. Yao, F., Shao, G. Painting brush control techniques in chinese painting robot. IEEE International Workshop on Robots and Human Interactive Communication 2005 0-7803-9275-2 p462-467. 8. Luxo, a robotic light sculpture: http://everyware. kr/home/portfolio/luxo/ 9. Robot creates beautiful light paintings: http:// spectrum.ieee.org/automaton/robotics/diy/ beautiful-light-paintings-from-thymio-ii 10. Xu, Z., He, W., Yuan, K. A real-time position and posture measurement device for painting robot. ISBN 978-1-4244-8036-4. Electric Information and Control Engineering (ICEICE), 2011 International Conference. p1942-1946. 11. Light painting photos shot using an RC helicopter: http://petapixel.com/2012/05/10/light-paintingphotos-shot-using-an-rc-helicopter/ 12. Belluomo,P., Camerano,C., Fortuna, L., Frasca, M. From kinetic art to immaterial art through chaotic synchronization. International Journal of Bifurcation and Chaos, Vol. 20, No. 10 (2010) p.3379–3390. World Scientific Publishing Company. 13. Sagiroglu, S., Yilmaz, N., Wani, M. Web Robot Learning Powered By Bluetooth Communication System. Proceedings of the 5th International Conference on Machine Learning and Applications (ICMLA’06). IEEE ISBN 0-7695-2735-3. p149156. 14. Skula, D., Vesely, M. Three axis rotation measurements with Kalman filter data-fusion. Annals of DAAAM & Proceedings; Jan 2009, ISBN 978-3-901509-70-4. Vienna, Austria. p1079-1080. 15. Shi, G., Zou, Y., Jin, Y., Cui, X., Li, W. Towards Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 HMM based human motion recognition using MEMS inertial sensors. Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Bangkok, Thailand. p1762-1766. 16.Stone, M. Representing colors as three numbers. Published by the IEEE Computer Society, July/ August 2005. IEEE 0272-1716/05. p78-85. 17.Ackermann, B., Schulz, V., Martiny, C., Hilgers, A., Zhu, X. Control of LEDs. Industry Applications Conference, 2006. IEEE Vol 5, ISSN 0197-2618. p2608-2615. 18.Liu, Y., Li, S., Cao, L. Application of bluetooth communication in digital photo frame. ISECS International Colloquium on Computing, Communication, Control, and Management. 2009 p370-373. 19.Piyare, R., Tazil, M. Bluetooth based home automation system using cell phone. 2011 IEEE 15th International Symposium on Consumer Electronics. p192-195. 20.Potts, J., Sukittanon, S. Exploiting bluetooth on android mobile devices for home security application. Southeastcon, 2012 Proceedings of IEEE. ISSN 1091-0050. 21.Qadeer, M., Agrawal, R., Singhal, A., Umar, S. Bluetooth enabled mobile phone remote control for PC. International Conference on Advanced Computer Control 978-0-7695-3516-6/08 International Conference on Advanced Computer Control 2008 IEEE 22.Kao, W., Hong, C., Lin, S. Automatic sensor and mechanical shutter calibration for digital still cameras. IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 51, No. 4, November 2005. p1060-1066. 23.Lenguaje Hewlett & Packard de descripción de gráficos: http://es.wikipedia.org/wiki/HPGL 24.Bi, Z., Lang, S. Automated robotic programming for products with changes. International Journal of Production Research, Vol. 45, No. 9, 1 May 2007, p.2105–2118. 17 �Uso de redes neuronales para reducir la dispersión de cálculos empíricos Elisa Zambrano GómezA, Luis Torres B Gina María Idárraga Ospina , Carlos Gaytán Juan José Saldívar HinojosaA A B TreviñoB, CavazosA, Prolec GE, Apodaca, NL FIME UANL ezambranog@gmail.com RESUMEN Los modelos empíricos se generan normalmente con una muestra finita de valores, pero cuando los datos de entrada se encuentran en un rango diferente a aquella muestra, el modelo puede tener cierta dispersión. En algunos casos esa dispersión es marginal, sin embargo en cálculos de pérdidas de fierro en un transformador, esta diferencia puede representar sumas importantes de dinero. Por lo tanto en este trabajo se utiliza exitosamente un modelo de redes neuronales para reducir dicha dispersión, considerando como datos de entrada el histórico de los resultados del cálculo para poder estimar de manera más precisa el valor real. PALABRAS CLAVE Redes Neuronales, Modelos Empíricos, Dispersión en Cálculos, Perdidas sin Carga ABSTRACT Empiric Models are generated based on a finite number of sample values. Nonetheless, when you are introducing data to the model that differs from the data range the model was generated from, the results may vary. In most cases this variation is marginal and it can still be consider useful, but in some cases such as predicting losses in a transformer, a small variation can sum up a large additional cost. Based on this, during this study a neural network is used to estimate in a more accurate fashion, core losses, using a year’s worth database from transformer testing. KEYWORDS Neural Network, Empirical Model, Dispersion on Numerical Models, No load losses INTRODUCCIÓN Las pérdidas más importantes de un transformador son las pérdidas con carga y pérdidas sin carga. Las pérdidas con carga son aquellas derivadas de la bobina, mientas que las pérdidas sin carga son generadas por el núcleo del transformador. Ambas son determinantes en el diseño de cualquier tipo de trasformador y 18 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Uso de redes neuronales para reducir la dispersión de cálculos empíricos / Elisa Zambrano Gómez, et al. por lo tanto en el costo del mismo. Aunque las pérdidas sin carga se presentan en menor magnitud, su relevancia es alta debido a que no importa el consumo del usuario, siempre se incurre el mismo valor de ellas. Con las recientes regulaciones como la DOE2016 en Estados Unidos y la NOM-SEDE-002-2014 en México, donde las eficiencias mínimas para el diseño de un transformador cada vez son más agresivas, la exactitud del cálculo para predecir dichas pérdidas se vuelve más relevante. El modelo actual de pérdidas sin carga en Prolec GE se desarrolló empíricamente, tomando en cuenta la curva de saturación de una población de aparatos determinada, según su línea de producto. Sin embargo, se ha encontrado una dispersión en el cálculo, donde en algunas ocasiones se presenta una subestimación de pérdidas de fierro y en otras una sobreestimación. La figura 1 muestra una dispersión en el R/D (valor real obtenido en pruebas/ valor calculado) de las medias poblacionales en 5 aparatos seleccionados de forma aleatoria de la categoría monofásicos tipo poste. METODOLOGÍA Para abordar esta problemática, se recurrió a un modelo de redes neuronales, el cual pudiera relacionar las variables A, B, C y D de entrada de cada diseño con su salida de R/D. Las variables A, B, C y D fueron características del núcleo que según autores como Chapman1 y Kulkarni2 podían influir en el comportamiento de sus pérdidas. Se utilizó una base de datos de más de 1200 diseños de transformadores tipo poste monofásico, cada uno con más de 100 aparatos fabricados. De cada uno de estas poblaciones se obtuvo el valor R/D promedio. Con esta información se generó un modelo de predicción de pérdidas utilizando una red neuronal del tipo Perceptron Multicapas. El modelo se corrió en un software Scilab 5.5. Las redes neuronales de este tipo, permiten resolver problemas que no son linealmente separables. Estas poseen la característica de tener capas que no son visibles ni al input ni al output, como se muestra en la figura 2. Tienen la capacidad de separar inputs en múltiples funciones lineales y detectar patrones más complejos que la red de una función lineal. Fig. 2. Funcionamiento de una red neuronal del tipo multicapas. Fig. 1. R/D de pérdidas sin carga para diferentes poblaciones de diseños. Se decidió seleccionar este tipo de aparatos ya que representan el mayor volumen de ventas para la empresa y por lo tanto el mayor impacto. El objetivo de este proyecto es el de reducir la dispersión en el cálculo de las pérdidas sin carga en la línea de transformadores monofásicos tipo poste; logrando una mayor precisión en el mismo, y con ello obteniendo una reducción en costos de materiales. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 EXPERIMENTACIÓN En el software Scilab 5.5 se estuvieron corriendo múltiples pruebas con el modelo de la red neuronal. El objetivo era el de encontrar por medio de los parámetros principales: número de épocas, coeficiente alfa y la variable de aprendizaje eta, un modelo que presentara un error menor a 0.01. Con un valor de 2 mil épocas, un alfa de 0.12 y una eta de 0.25 se logró generar un modelo con un valor de error de 0.0046, por lo cual el modelo se reconoció como exitoso. 19 �Uso de redes neuronales para reducir la dispersión de cálculos empíricos / Elisa Zambrano Gómez, et al. momento se recurrió a la literatura3,4,5 para analizar si las variables de entrada que se habían considerado eran las correctas o eran suficientes para poder mejorar la predicción de las pérdidas sin carga. Se estuvieron corriendo modelos de la red neuronal con diferentes variables de entrada y repitiendo al análisis retroactivo para ver su relevancia con respecto al modelo. Finalmente se seleccionaron las variables E, F, H e I como las que mejores resultados arrojaban al modelo. Los resultados del comportamiento de la red neuronal bajo este segundo juego de variables se encuentran en la tabla II. Tabla. II Resultados de R/D arrojados por la red neuronal con el segundo juego de variables. Fig. 3. a) Desempeño del modelo de la red neuronal b) error obtenido en el modelo. Diseño Valor Real A 0.9704 B C En la figura 3a y 3b se puede observar el comportamiento de la red. D RESULTADOS Una vez establecido el modelo, este se utilizó el de forma retroactiva para comprobar su validez. Se introdujeron como datos de entrada al modelo la información de un diseño cuyo valor de R/D era conocido para comprobar efectividad. Los resultados se muestran en la tabla I. Dados estos resultados, fue evidente que el modelo no estaba funcionando de la manera esperada. En este G Tabla. I Resultados de R/D arrojados por la red neuronal. Diseño Valor Real A 1.03912 B C D E F G 20 Resultado Red Neuronal % de Diferencia 1.00718 1.0779 7.0% 0.951234 1.0573 11.2% 1.07162 10.5% 1.01615 0.9655 1.0725 0.971376 1.06177 1.03982 0.95877 0.96995 -7.1% 5.5% 9.3% -7.8% E F 1.00718 1.03534 0.97137 1.00772 0.99663 1.04182 Resultado Red Neuronal 0.98726 1.03977 1.03977 0.98727 0.9872 0.9872 1.03976 % de Diferencia 1.7% 3.2% 0.4% 1.6% -2.0% -0.9% -0.2% Basados en esta muestra de diseños aleatorios con los cuales se realizó la validación del modelo, se pudo comprobar que el modelo propuesto era superior al modelo actual de la empresa para la predicción de las pérdidas sin carga. CONCLUSIONES Se desarrolló un modelo multivariable para la predicción de las pérdidas sin carga en transformadores monofásicos tipo poste utilizando una red neuronal multicapas en el software Scilab 5.5. El modelo se consideró exitoso al presentar una desviación promedio del 0.6% con respecto a los valores previamente conocidos durante un ejercicio retroactivo. Para reducir aún más la dispersión se pudiera buscar un sistema de cómputo más avanzado con la capacidad de refinar aún más el modelo. Sin embargo la aplicación de este nuevo modelo de perdidas sin Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Uso de redes neuronales para reducir la dispersión de cálculos empíricos / Elisa Zambrano Gómez, et al. carga en el diseño de los transformadores de tipo poste monofásico ya presenta una ventaja sustancial contra el modelo que actualmente se utiliza en la compañía. AGRADECIMIENTOS A Prolec GE por el financiamiento de la beca para la Maestría Eléctrica y la disponibilidad de tiempo que nos brindó. Al equipo de Desarrollo Tecnológico de Prolec GE por su constante apoyo. Al Dr. Luis Torres por apoyo en la realización de este proyecto. REFERENCIAS 1. Chapman, S. Electric machinery fundamentals (4th ed.). New York, NY: McGraw-Hill Higher Education, 2005. 2. Kulkarni, S., & Khaparde, S. Transformer engineering: Design and practice. New York: Marcel Dekker, 2004. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 3. Hsu, C., & Lee, C. Effects of magnetostriction and magnetic reluctances on magnetic properties of distribution transformers. Journal of Applied Physics, 2014, vol. 115 página 17. 4. Liangxian, Z.. Algorithm for calculating no-load losses of single-phase transformer core with steplap joints. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2014, vol.48 página 4. 5. Hernandez, I.. Core loss and excitation current model for wound core distribution transformers. International Transactions on Electrical Energy Systems, 2014, vol.24 página 1. 6. Souza, K.. Prediction of core losses on a threephase transformer using neural networks. IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2011. 7. Wang, X. Calculation and validation of iron loss in laminated core of power and distribution transformers. The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic, 2014, vol. 33 página 1. 21 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible Alejandro Torres Castro, Marco A. Garza Navarro, Ubaldo Ortiz Méndez, Virgilio González González UANL-FIME alejandrotorres73@yahoo.com, virgilio.gonzalezgnz@uanl.edu.mx RESUMEN Después de analizar brevemente las características de población, localización, crecimiento, producción de cera y su composición de la planta Euphorbia antisyphilitica Zucc (candelilla), se reporta un procedimiento para producir por cracking – destilación fraccionada, un biocombustible líquido formado sustancialmente por alcanos y 1-alquenos de hasta 18 átomos de carbono en un 97%, con excelente pureza y un poder calorífico equiparable al biodiesel y biodiesel comercial, proponiéndose así como una opción en la producción de energía renovable, para lo que conviene establecer programa(s) para el aprovechamiento de la candelilla que involucren su reforestación o establecimiento de plantíos. PALABRAS CLAVE Semidesierto, energía renovable, candelilla, cera, cracking. ABSTRACT After a briefly analysis of the localization, population, growing and wax production, (including its composition), of the Euphorbia antisyphilitica Zucc plant (candelilla), is reported a process for production by cracking-fractional distillation of a liquid biofuel. The fuel contain mainly alkanes and 1-alkenes of 18 or less carbon atoms (97 %), have excellent purity and with a calorific power comparable with a commercial diesel and biodiesel. The plant is proposed as an option in the production of renewable energy, for what should be established program(s) for the use of candelilla involving reforestation or establishment of plantations. KEYWORDS Semi-arid land, renewable energy, candelilla, wax, cracking. INTRODUCCIÓN Los paradigmas que establece la sustentabilidad entre otros están: el aumentar la eficiencia en el uso de la energía y el establecimiento de nuevas formas de producirlas, preferiblemente obtenidas de fuentes renovables (o inagotables en relación a la escala de tiempo de la humanidad), y además limpias, en el sentido de que produzcan una muy baja o nula contaminación. Entre las fuentes renovables de energía están los bio-combustibles,1 los cuales algunos son obtenidos mediante la fermentación de azúcares, almidones, aceites y 22 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. grasas de procedencia vegetal o animal, la desventaja que generalmente presenta es que se parte de materias primas generalmente orientadas a la alimentación, estableciéndose distorsiones de mercado en cuanto a precios, afectando así las reservas alimentarias. Otros bio-combustibles son obtenidos de desechos lignocelulósicos, que además de depender precisamente de desechos, requiere del desdoblamiento de celulosa y ligninas, generalmente mediante enzimas, para su posterior fermentación, estos procedimientos también se pueden aplicar a algas y otras formas de fuentes de biomasa de crecimiento rápido. En la actualidad también se trabaja en plantas modificadas mediante bioingeniería. Existen plantas como la candelilla (figura 1) y la palma Copernicia prunifera (o palma carnauba), que como protección a la sequía, producen ceras compuestas fundamentalmente de hidrocarburos, Fig. 1. Planta de candelilla (Euphorbia antisyphilitica Zucc) en su medio ambiente semiárido. esteres, ácidos grasos y alcoholes, compuestos que proponemos en este trabajo, son susceptibles de ser transformados mediante craking (rompimiento homolítico de enlaces) en combustibles líquidos. La palma carnauba es endémica de la zona semiárida de Brasil,2 mientras que la candelilla se produce en forma silvestre3 en un área de 30 millones de hectáreas del noreste de México, área que forma parte de los aproximadamente 80 millones de hectáreas de las zonas áridas y semiáridas del país, los principales estados productores de candelilla son: Coahuila, Nuevo León, Zacatecas, Durango, Chihuahua y San Luis Potosí (figura 2), de la explotación de esta planta dependen económicamente ya se parcial o totalmente 12,000 familias de esta región. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Fig. 2. Distribución de la población de la planta de candelilla.4 La candelilla y su cera La candelilla es un arbusto de tallos grisáceos erectos y sin hojas, (figura 1), su nombre científico se le dio en 1829 como;5 Euphorbia antisyphilitica Zucc, que es de la clase Magnolopsida, de la orden Euphorbiales y familia Euphorbiaceae, en el año 1910 se le renombró también como Euphorbia cerífera.6 La planta exuda una cera que recubre los tallos previniendo la evaporación de agua en tiempos de sequía, la cantidad de cera por peso seco de planta es de aproximadamente 2.5 % w/w de hierba fresca7,8 y está compuesta principalmente9 por hidrocarburos, esteres, y alcoholes según se muestra en la tabla I. La producción de cera aún se lleva a cabo mediante un procedimiento de principios del siglo pasado,8,9,10 desde la recolección utilizando tracción animal, hasta la separación de la cera en hornos cavados en la tierra o paila (figura 3), donde se trata con agua hirviendo acidulada con ácido sulfúrico, la cera con diversas impurezas es recogida de la superficie, obteniendo así lo que se llama cerote, el cual es posteriormente refinado por filtrado en una prensa. En el año 1995 se produjeron en México 1,259 toneladas con un precio promedio de 919.13 $/Ton,11 lo que implica un mercado de un poco más de un millón de pesos. El uso de la cera de candelilla como insumo en cosmetología y alimentos, ha hecho que la cera ya sea considerada como un producto químico comercial,12 como aditivo alimentario con 23 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. Tabla I. Composición química de la cera de candelilla.9 Componente Contenido %(w/w) Nonacosano 2.5 Hidrocarburos(C29, C31 y C33) 50-57 Hentriacontano 46-46.5 Esteres (C28, C30, C32, y C34) 28-29 Tritriacontano Esteres y Lactonas simples Hydroxil Esteres Alcoholes, Esteroles y Resinas Alcohol Miricilico Sitosterol y otros Esteroles 2.5 20-21 6-8 12-14 ND 7-8 Acetato de Beta-Amirina 5-6 De cadena lineal 6-7 Humedad 0.5-1 Ácidos libres Cíclicos Residuos inorgánicos 7-9 Nd 0.7 el código INS 902 de la FAO /OMS y con número CAS 8006-44-8 con un precio actual como producto farmacéutico de 5,805.00 pesos el cuarto de kilo.13 La candelila o Euphorbia antisyphilitica Zucc, es una especie en peligro de extinción al grado de estar protegida por las Convenciones sobre el Tratado Internacional en Especies de Fauna y Flora en Peligro de Extinción (CITES),9 por lo que su explotación requiere necesariamente de reforestación o cultivo. Hay diversos estudios sobre la propagación de la candelilla,15,3 entre los que destaca el de Foroughbakhch3 et al. Encontrando un crecimiento en altura de 31.8 cm en los primeros 3 meses, es importante mencionar que el Estado de Chihuahua inició en el año 2014 un programa de reforestación con 110,000 plántulas de candelilla.16 Cracking17-19 El cracking en química es la descomposición térmica de moléculas grandes a otras más pequeñas que pudieran ser de mayor utilidad, tal es el caso del petróleo, donde mediante este proceso catalizado utilizando generalmente zeolitas, se obtienen combustibles compuestos por moléculas de menor tamaño que las originales, produciendo así naftas, gasolinas diésel y otros combustibles. La reacción, cuando no es catalizada, procede mediante radicales libres, (esquema 1), dando productos constituidos por compuestos saturados y con dobles enlaces, cuya composición depende de las condiciones de reacción, en un proceso en donde la entropía tiene un papel muy significativo. En este esquema 1, se muestran algunas de las reacciones que pueden ocurrir en un cracking de un alcano de alto peso molecular, la primera reacción es el rompimiento homolítico de un enlace C-C, los sustituyentes R y R1 tendrán tamaños, muy probablemente diferentes, que dependerán de la posición del enlace que se haya roto, la reacción podrá terminar por combinación de los radicales formados (Reacciones 2 y 3) formando nuevos hidrocarburos saturados, o bien por desproporcionación (Reacciones 4 y 5), formando un hidrocarburo saturado y otro insaturado. Fig. 3. Horno para la obtención de cera de candelilla, izquierda fotografía de hombre trabajando, derecha esquema de la paila.14 24 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. Esquema 1. Representación de algunas reacciones que ocurren mediante el cracking de un hidrocarburo lineal. En el esquema no se ejemplifican reacciones de transferencia de hidrógeno que pueden ocurrir en las inmediaciones de las moléculas, lo que daría a lugar a radicales libres secundarios y por ende ramificaciones. Ya que esta reacción está muy influenciada por la entropía, de una molécula reactivo se producirán varias, necesariamente de menor tamaño. El cracking se puede clasificar como a) térmico, b) catalítico y c) hidrotérmico y puede ser una combinación de estos, en el primer caso solo se calienta el material sin aditivo alguno, en el catalítico se utilizan catalizadores (Ejem. zeolitas) para orientar la catálisis y en el tercero se usa vapor de agua como agente de transferencia de cadena. En el año 1987 se presentó una patente, 20 en la que se recurre a un cracking hidrotérmico – catalítico para producir biocombustibles de biomasa (incluyendo todos los componentes como celulosa y lignina) proveniente de un sinnúmero de fuentes vegetales entre las que se encuentra la candelilla y en el año 2009 se reportó el cracking catalítico con aluminosilicatos, para producir combustibles líquidos a partir de extractos de la planta seca con heptano21. En este artículo presentamos la producción de un combustible líquido equiparable al biodiesel, a partir del cerote, producto comercial obtenido en forma tradicional y mediante cracking térmico exclusivamente. Experimental La cera de candelilla en forma de cerote fue proporcionada por Multiceras S. A. de C. V. y utilizada sin ninguna purificación, para la destilación fraccionada (cracking) se montó un equipo de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 vidrio como el mostrado en la figura 4, habiéndose calentado el matraz bola donde van los reactivos con una manta de calentamiento y el aire que sale del equipo debido a cambios de volumen, se burbujeaba en agua para evitar que alguna eventual disminución de la presión se tradujera en la entrada de aire al sistema, evitando así una posible combustión del destilado. Fig. 4. Diagrama esquemático del equipo de vidrio utilizado para realizar el cracking – destilación fraccionada del cerote de candelilla. El procedimiento fue el siguiente: con la columna de fraccionación sin enfriar se colocaban 50 g de cerote en el matraz bola de la izquierda en la figura 4, el condensador se mantenía frio al recircular agua por su chaqueta de enfriamiento, la temperatura se incrementaba rápidamente hasta que iniciaba la condensación del destilado, aproximadamente a 65 °C en la parte superior, el cerote pasaba a estado líquido, el cual nunca alcanzaba los 250 °C, durante la destilación la temperatura de los vapores a la entrada del condensador fue de aproximadamente 120 °C, el líquido recogido en el matraz de producto se utilizó para su caracterización. P a ra s u c ar ac t er i za ci ón s e ut i l i z ó u n espectrofotómetro de infrarrojo FTIR Nicolet 6700 con aditamento para reflexión total atenuada (ATR), un cromatógrafo de gases Termo-Finnigan Trace 2000 con detector de masas usando una columna capilar AT-5 de 30 m de longitud y diámetro interno de 0.25 mm y 0.25 μm de espesor de película. La fase estacionaria fue de poli-siloxano, el gas acarreador 25 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. fue helio de 99% de pureza. La temperatura inició en 40 °C y terminó a 300 °C, con una temperatura en el inyector y en la línea de transferencia de 280 °C, para realizar la corrida se inyectaba 10 μL de muestra. Para determinar el poder calorífico se utilizó una bomba calorimétrica Parr 6400 mediante el procedimiento especificado en la norma ASTMD240 con aproximadamente 1 g de muestra. El cálculo de poder calorífico superior se hizo a partir de la curva de liberación (temperatura contra tiempo), aplicando la ecuación 1. (1) (2) Donde Ms es la masa del sistema (bomba, accesorios y agua utilizada), Cνs es el calor específico del sistema ΔT el cambio de temperatura y Hs el poder calorífico superior, Mc la masa de la muestra y e es la corrección debido al calor generado por el filamento de ignición, lo cual se calcula mediante la ecuación 2, donde m es la masa del filamento y h su poder calorífico. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El producto de la destilación fue un líquido transparente, de color amarillo claro y de aparente baja viscosidad (figura 5a), al acercarle una flama enciende inmediatamente produciendo una llama azul muy claro, que se batalla para observarla y de humos prácticamente incoloros y definitivamente inodoros (figura 5b), estas observaciones indican que el producto es de relativamente bajo peso molecular, con pocos dobles enlaces y sin contaminantes como azufre, nitrógeno y otros elementos. El espectro de infrarrojo se muestra en la figura 6, y en la tabla II la asignación de las señales. En este espectro se observan solo señales de metilos, metilenos, cadenas de 7 o más metilenos consecutivos y dobles enlaces terminales de cadena. Es interesante notar la inexistencia de grupos hidroxilo cuya señal se mostraría en el rango de 3100 a 3800 cm-1, de anillos aromáticos en la región de 1665 a 2000 cm-1 y de grupos carbonilos alrededor de 1750 cm-1. Indicando así un líquido exclusivamente hidrocarbonado con dobles enlaces terminales y cadenas de más de 7 metilenos, esto hace una gran diferencia en composición con el biocombustible reportado en el año 2009,21 donde el biocrudo contiene grupos cetonas, ácidos carboxílicos y esteres. El espectro también soporta la aseveración de que la terminación del cracking fue por desproporcionación, (reacciones 4 y 5 en el esquema 1). La figura 7 es el cromatograma del líquido obtenido, cuya composición es esclarecida por Tabla II. Asignación de las señales de infrarrojo del producto de destilación. λmax (cm-1) Asignación λmax (cm-1) Asignación 2918 CH2, νas 1377 CH3, δs 2956 2871 2848 CH3, νas CH3, νs CH2, νs 1464 CH2, δs 991 RCH=CH2, δs 719 CH2, ρ (CH2 contiguos ≥ 7) 908 RCH=CH2, δs Fig. 5. a) Líquido obtenido por cracking – destilación fraccionada del cerote. b) apariencia de la flama en la combustión del líquido obtenido. 26 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. Fig. 6. Espectro FTIR del producto de destilación fraccionada de cerote. espectrometría de masas asignando las señales de acuerdo a la tabla III. Como se aprecia en el cromatograma (figura 7), de la altura de los picos es posible determinar la abundancia relativa de los componentes, así haciendo un gráfico de número del contenido de cada componente como fracción molar contra el número de átomos de carbono y, separando los alcanos de los alquenos (que ahora sabemos son 1-alquenos) en curvas diferentes, encontramos que el producto analizado tiene principalmente hidrocarburos que a temperatura ambiente son líquidos (97 %) y un 3 % de productos sólidos de los cuales una ínfima parte (Aprox. 0.1 %) son los hidrocarburos constituyentes del cerote, los cuales seguramente fueron arrastrados por vapor (Ley de presiones parciales de Dalton). En la figura 8 se aprecia que prácticamente hay Fig. 7. Cromatograma de gases del líquido producto de la destilación fraccionada de cerote. Fig. 8. Contenido de componentes en el producto de destilación fracionaria del cerote de candelilla, separado por alquenos (naranja), alcanos (azul) y el acumulado total (gris), se indica también las regiones de componentes líquidos, sólidos y provenientes originalmente del cerote. Tabla III. Asignación de componentes a las señales de cromatografía de gases según su tiempo de retención (t r), mediante espectrometría de masas. tr (Min) Componente tr (min) 7.09 Noneno 15.44 Pentadeceno 8.80 Deceno 16.63 Hexadeceno 5.06 7.25 8.93 Octeno Nonano Decano 10.28 Undeceno 11.66 Dodeceno 10.43 11.79 Undecano Dodecano 12.98 Trideceno 14.25 Tetradeceno 13.10 Tridecano 14.38 15.59 16.76 Componente Tetradecano Pentadecano Hexadecano 17.74 Heptadeceno 18.82 Octadeceno 17.86 18.93 Heptadecano Octadecano 19.85 Nonadeceno 20.83 Eicoseno 19.95 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Nonadecano tr (Min) 20.91 22.73 23.61 24.42 Componente Eicosano Docosano Tricosano Tetracosano 25.24 Pentacosano 26.74 Heptacosano 27.43 Nonacosano 25.99 27.28 28.16 29.79 Hexacosano Octacosano Triacontano Hentriacontano 27 �Candelilla del semidesierto mexicano como fuente de biocombustible / Alejandro Torres Castro, et al. la misma cantidad de alcanos y alquenos, indicando que la desproporcionación fue la terminación preponderante de la reacción de cracking. En la figura 9 se reporta la curva de liberación (temperatura vs. tiempo) obtenido con la bomba calorimétrica, al utilizar las ecuaciones 1 y 2, se encuentra que el poder calorífico superior del líquido obtenido es de Hs=45 MJ/Kg, el cual es superior al del combustóleo22 (Hs = 40 MJ/Kg) y semejante al del diésel23 (Hs = 44.7 MJ/Kg) y el biodiésel manejado por PEMEX22 (Hs = 46 MJ/Kg), lo que soporta la idea de que se tiene un combustible que, cuando menos por su poder calorífico, la ausencia de compuestos aromáticos y de otras impurezas que incrementen la contaminación ambiental con azufre, hollín y otros contaminantes, es un excelente producto como un combustible semejante al diésel. El proceso de cracking – destilación fraccionada es actualmente sujeto de patente en trámite.25 Fig. 9. Curva de liberación del producto de cracking – destilación fraccionada del cerote. CONCLUSIONES La cracking – destilación fraccionada simple como el aquí reportado, ocurre mediante la reacción de rompimiento molecular típico de este fenómeno, con terminación de la reacción sustancialmente por desproporcionación, resultando en un líquido combustible formado en un 97% por alcanos y alquenos líquidos a temperatura ambiente y con poder calorífico semejante al diésel y biodiesel, así que lo podemos considerar un biodiésel para la producción de energías de las llamadas renovables. La materia prima es una planta (Euphorbia antisyphilitica Zucc) con la característica de ser una especie silvestre de las zonas 28 semiáridas del oeste de Texas, sur de Nuevo México en EUA y de los estados de Durango, Chihuahua, Coahuila y Nuevo León en México, además de ella depende la economía de 12,000 familias y por último ha sido declarada una planta en peligro de extinción, por lo que cualquier esfuerzo para incorporarla como fuente de energía renovable que incluya: su siembra ya sea como reforestación o plantío, podría tener un impacto a mediano o largo plazo en la sustentabilidad, sacando la especie del peligro de extinción, dando fuentes de trabajo en regiones de alta pobreza como lo es el semi-desierto, y teniendo una fuente de energía de las llamadas renovables. 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A, Factores de Emisión para los Diferentes Tipos de Combustibles Fósiles que se Consumen en México, Instituto Mexicano del petróleo, Informe técnico del proyecto F.61157.02.005, Agosto del 2014. 23 Guía técnica de combustibles, empresa Powermaster, URL: http://www.powermaster. com.mx/guia-tecnica/combustibles/, consultado el 04/11/2015. 24 Torres-Castro A; González-González V. A; Garza-Navarro M. A, Proceso de Obtención de Biocombustible A Partir de Cera de Candelilla (Biomasa), 19/12/2014, expediente MX/ a/016059. AGRADECIMIENTO Se agradece al Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), en particular a la Dra. Silvia Guadalupe Solís Rosales junto con el personal del Laboratorio Central de Instrumentación Analítica, por el análisis de cromatografía – masas hecho a nuestro producto. 29 �Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol Felipe Nerhi Tenorio GonzalezA, Ana María Bolarín MiróA, Félix Sánchez De JesúsA*, Roberto Luis Palomino ResendizA, Claudia Alicia Cortés-EscobedoB, Pedro Vera-SernaC Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales, UAEH, Centro de Investigación e Innovación Tecnológica del IPN (Cda. CECATI) C Laboratorio de Ingeniería Avanzada de la Universidad Politécnica de Tecámac fsanchez@uaeh.edu.mx A B RESUMEN El método del poliol para sintetizar hexaferrita (SrFe12O19) requiere de un tratamiento térmico en el que se forma una fase metaestable de magnetita (Fe3O4) a partir de la reacción de acetatos de hierro y estroncio con dietilenglicol (DEG) a temperatura de ebullición. En este trabajo se presenta un análisis de la presencia de ión estroncio (Sr2+) en esta fase metaestable. Los resultados de difracción de rayos X de los polvos sintetizados mostraron una única fase Fe 3O4, y el refinamiento mediante el método de Rietveld reveló un incremento en el parámetro de red y en la ocupación de las posiciones de los iones Fe 2+, lo cual se asocia con la presencia de Sr2+ en la estructura cristalina de la magnetita, ocupando un sitio octaédrico. Los ciclos de histéresis magnética confirman la presencia de los iones de Sr2+ en la magnetita, debido a los bajos valores de magnetización específica que presenta (58 emu/g). PALABRAS CLAVES Método Poliol, Magnetita, Hexaferrita de estroncio, Dopaje. ABSTRACT The polyol method to synthesize hexaferrite (SrFe12O19) requires an annealing that produce a metastable phase magnetite (Fe3O4), from the reaction of iron and strontium acetates with diethylene glycol (DEG) at boiling temperature. In this paper an analysis of the presence of strontium ion (Sr2+) in this metastable phase is presented. The results of XRD of the synthesized powders showed a single phase Fe3O4, and a refinement by the Rietveld method revealed an increase in the lattice parameter and the occupation of the positions of the Fe 2+ ion, which is associated with the presence of Sr2+ in the crystal structure of magnetite, occupying an octahedral site. Magnetic hysteresis cycles confirm the presence of Sr2+ ions into magnetite structure due to the diminution on specific magnetization presenting (58 emu/g). KEYWORDS Polyol Method, Magnetite, Strontium Hexaferrite, Doping magnetite. 30 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol / Felipe Nerhi Tenorio González, et al. INTRODUCCIÓN La hexaferrita de estroncio (SrFe 12O 19 ) es un material de gran interés, debido a su amplia contribución para la tecnología moderna, 1,2 ya que tiene una gran diversidad de aplicaciones en distintas disciplinas tales como: hipertermia,3 catalizadores,4 sensores, pigmentos, medios de grabación magnética 5 y bio-aplicaciones. 6 Del mismo modo se han desarrollado diversos métodos de obtención pero en todos ellos se requiere cierto aporte energético por medio de tratamiento térmico;7 esto se debe a que generalmente la fase más estable que se obtiene tras realizar el proceso de síntesis es la magnetita (Fe3O4). Sin embargo en los reportes no se brinda información sobre la ubicación del estroncio, el cual fue adicionado en los precursores; en la bibliografía se propone que la fase que se manifiesta en el plano (111) del patrón de difracción corresponde al material de partida SrCO3,8 pero esta fase no describe el proceso por otras técnicas ya que se emplean diferentes precursores.9, 10. Por su parte, la magnetita es un material con estructura cúbica tipo espinela inversa con oxígenos formando una fcc,11 dentro de la estructura los cationes utilizan dos sitios intersticiales diferentes, el Fe3+, se encuentra localizado en sitios tetraédricos y octaédricos, mientras que los iones de Fe2+ se encuentra en sitios octaédricos,12 por esta distribución, la magnetita posee una magnetización de alrededor de 85 emu/g,13 pero esta magnetización puede disminuir en presencia de fases secundarias o cuando existe un aumento de campo coercitivo en la estructura.14. El presente estudio tiene como objetivo brindar evidencia sobre la formación de magnetita dopada con Sr2+, como una fase intermedia que se genera por la introducción de iones de Sr2+ en la estructura cristalina de la magnetita, Fe3O4, derivado de la aplicación del método poliol. EXPERIMENTACIÓN Se disolvió en cantidades estequiométricas, acetato de hierro hidratado ((C2H3O2)2Fe, 99.9%) y acetato de estroncio hidratado ((C2H3O2)2Sr, 99.9%) en 125 mL de dietilenglicol (C4H10O3, 99.9%), con la intención de obtener 2 g de hexaferrita de estroncio, siguiendo la reacción: (C2H3O2)2Sr+12(C2H3O2)2Fe→SrFe12 O19+C52H78O33 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 La solución fue agitada a 700 rpm a temperatura ambiente durante 20 minutos para promover la formación del complejo, posteriormente se calentó hasta el punto de ebullición del dietilenglicol (245 ºC) a fin de aportar la energía suficiente para promover el proceso de nucleación y crecimiento. La solución se mantuvo a esa temperatura con agitación vigorosa durante 5 horas, empleando el diseño experimental mostrado en la Figura 1. La solución obtenida se dejó enfriar a temperatura ambiente y se recuperó el polvo sintetizado mediante centrifugación, empleando una Ultracentrifugadora, Beckman Optima XL-100K, misma que fue programada a 12,000 rpm durante 15 min. El producto obtenido se lavó con etanol, repitiendo el proceso de limpieza dos veces más. Al culminar la centrifugación se evaporó el etanol a 80 ˚C. Para realizar los estudios cristalográficos, se empleó un difractómetro marca Inel modelo Equinox 2000. El equipo posee un detector curvo que es capaz de medir todos los picos de forma simultánea. Para este análisis se llevó acabo el estudio durante 30 minutos con radiación de CoKα1 en rango de 20 º a 85 º posteriormente se realizó refinamiento mediante el método de Rietveld empleando el software MAUD. 15 Las propiedades magnéticas fueron determinadas empleando un magnetómetro de muestra vibrante marca MicroSense EV7 aplicando un campo máximo de ±18 kOe a temperatura ambiente. El estudio morfológico se realizó empleando un Microscopio Electrónico de Transmisión marca Fig.1. Esquema del sistema empleado en el método del poliol. 31 �Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol / Felipe Nerhi Tenorio González, et al. Zeiss Libra 200FE equipado con un filtro en columna omega. Para obtener las imágenes se empleó un voltaje de 5.00 kV y el lente fue trabajado a 4.3 mm con amplificación de 50 kX. RESULTADOS En la figura 2 se presenta el difractograma del polvo obtenido por poliol y recuperado mediante centrifugación. Tal como se aprecia, la única fase identificada es magnetita (Fe3O4, ICSD #50567, Fd-3m), con un tamaño de cristal de 84 nm, calculada de acuerdo a la fórmula de Scherrer. El refinamiento Rietveld del difractograma, cuyos resultados se presentan en la tabla I, muestra que los acetatos precursores se han transformado en magnetita (Fe3O4) con parámetro de red (a) de 8.3952 nm. Este tipo de ferrita posee estructura espinela inversa, por lo cual fue indexada con ayuda de la siguiente ecuación:16 h+k+l=2a/(λsen(θ)) (2) Donde θ es el ángulo de difracción, a es el parámetro de red, h k l son los índices de Miller y λ es la longitud de onda. Se incluyen los índices de Miller de acuerdo a la estructura cristalina mostrada en la figura 2. En la figura 2, no se aprecia la presencia de ningún compuesto de estroncio en el material obtenido mediante poliol. De igual manera, el difractograma no presenta las características para suponer que el compuesto de estroncio se encuentre como un material amorfo, por lo cual se considera que los iones de estroncio se encuentran dentro de Fig. 2. Difractograma y Refinamiento mediante método de Rietveld de la muestra sintetizada. 32 Tabla I. Resultados del refinamiento. Análisis Ocupación Fe , Fe , O 2+ 3+ Parámetro de red (a) R Rw x2 2- Polvo sintetizado 1.017, 0.982, 1 8.358 7.18 9.31 1.05 la estructura de la magnetita, manteniendo su misma estructura cristalina. Es sabido que el catión Sr2+ (radio iónico de 1.13 Å) puede ser introducido en cualquier sitio intersticial siguiendo la teoría de los campos ligados17, ya que su último orbital es el 4p6, por lo cual se producen 6 momentos magnéticos que se cancelan, pudiendo ocupar dicho lugar. Adicionalmente, siguiendo las reglas de HumeRothery, se predice que el ion Sr2+ es más probable que se encuentre substituyendo al catión Fe2+ (radio iónico de 0.64 Å), aunque existe una gran diferencia entre los radios iónicos, este tipo de dopaje se ha descrito para otro tipo de ferritas, por ejemplo la sustitución de Fe 3+ (radio iónico de 0.69 Å) por Nd3+ (radio iónico de 1.09 Å) en la síntesis de hexaferrita de estroncio,18 además cumple el resto de reglas de Hume-Rothery y la sustitución se puede aceptar debido al bajo porcentaje de estroncio que se introduce (solubilidad muy baja y limitada), lo anterior se comprueba con los datos obtenidos por el refinamiento mediante el método de Rietveld y mostrados en la tabla I, ya que el porcentaje de ocupación del Fe2+ se incrementa en ambas muestras. De igual manera, se observa un incremento del parámetro de red, desde 8.337 Å, que es el valor teórico reportado, hasta 8.358 Å. Este incremento indica una deformación en la estructura cristalina, que se puede asociar a la sustitución de una posición atómica por cationes de mayor radio (Sr2+ cambia por Fe2+), lo cual provocaría una deformación de la red cristalina. Adicionalmente, en la tabla I se muestran los parámetros R (residual), Rw (es análogo al patrón R ponderado) y χ2 (valores sigma) extraído del proceso de refinamiento empleando el software MAUD. 19 Dentro de estos parámetros, un valor de 15 o menor para Rw es un rango considerado como aceptable, según los criterios de aceptación y rechazo discutidos por Lutterotti et al.,20 de igual manera, un valor Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol / Felipe Nerhi Tenorio González, et al. menor a 2 para χ2 es considerado como satisfactorio, por tal razón se concluye que el estudio es confiable ya que los resultados se encuentran por debajo de estos parámetros. Para confirmar la presencia de iones de estroncio dentro de la estructura cristalina de la magnetita, se realizó una caracterización magnética a través de la obtención del ciclo de histéresis magnético del polvo sintetizado y de un polvo de magnetita pura (Sigma Aldrich), cuyos resultados se muestran en la figura 3, donde se observa que el material sintetizado es un material ferrimagnético suave con valor de magnetización de saturación específica de 56 emu/g. Paralelamente en la misma figura se observa que el polvo de magnetita pura presenta el mismo comportamiento de material ferrimagnético suave, pero con una magnetización superior, alrededor de 85 emu/g, similar a la reportada por otros autores.21 Esta disminución de magnetización del polvo sintetizado respecto a la magnetita de referencia no puede ser asociada únicamente a la presencia de un compuesto de estroncio, en tal caso la disminución de la magnetización no sería tan significativa, ya que de acuerdo a la teoría de mezclas y considerando al compuesto de estroncio como material diamagnético, la magnetización de la mezcla de magnetita y el compuesto de estroncio debería dar valores de 67 emu/g, muy superiores a los obtenidos, con lo cual se debe justificar como consecuencia de la introducción de iones de Sr2+, debido a que el Sr2 + es un ión no magnético. En la figura 4 se presenta la propuesta de la estructura cristalina de la magnetita obtenida del Fig. 3. Ciclo de histéresis magnético de polvos sintetizados. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 proceso poliol, la cual de acuerdo a los resultados mostrados previamente, está parcialmente dopada con estroncio, donde se muestran los sitios que se considera que puede ocupar el ion Sr2+. La Fe3O4 puede ser expresada como FeO-Fe2O3 donde cada una de sus celdas unidad posee ocho átomos (Z=8), por lo tanto, y siguiendo el porcentaje de estroncio (0.23) se sabe que dentro de cada celda unitaria hay 1.84 iones de Sr2+ y 6.16 iones de Fe2+. Con la finalidad de explicar la disminución en el valor de la saturación magnética específica, se tiene que recurrir a los conceptos básicos de magnetización, sabiendo que la magnetización específica es una propiedad que depende de la cantidad y orientación de los espines. La estructura espinela inversa de la magnetita (Fe3O4) posee 64 sitios octaédricos y 32 sitios tetraédricos. En términos cuánticos se puede mencionar que los iones Fe3+ producen 5 µB (magnetón de Bohr) y los iones Fe2+ producen 4 µB. Los cationes Fe3+ ocupan 8 sitios tetraédricos y 8 octaédricos, mientras que los iones Fe2+ ocupan 8 sitios tetraédricos, sin embargo los momentos magnéticos producidos por los ocho Fe3+ ubicados en sitios tetraédricos están en oposición a los ocho Fe3+ ubicados en sitios octaédricos, por tal razón no aportan magnetización a la estructura. Los ocho cationes Fe2+ se encuentran alineados en la celda unidad y aportan magnetización neta,22, por tal razón la magnetización teórica de la magnetita pura será de 32 µB, y se puede definir con la siguiente ecuación: Ms=8(5µB )↑+8(5µB )↓+8(4µB )↑=32µB (3) Fig. 4. Estructura cristalina de la magnetita dopada con estroncio (Sr0.23Fe2.77O4), donde los iones en color amarillo (Fe1) corresponde a los iones Fe2+, los iones en color café (Fe2) corresponde a los iones Fe3+ y los iones en color rojo corresponden al O2-. 33 �Evidencia de Sr2+ en Fe3O4 durante la síntesis de SrFe12O19 mediante poliol / Felipe Nerhi Tenorio González, et al. Al ser la magnetita un material ferrimagnético y con carácter magnético suave, su anisotropía magnetocristalina es baja, por tal razón la magnetización específica de saturación es elevada (son propiedades inversamente proporcionales). Sin embargo, se debe considerar que al introducir iones de Sr2+ a la estructura, el cual no posee carácter magnético por lo tanto aporta 0 µB, la magnetización teórica de la magnetita se reduce hasta 24,64µB, de acuerdo al siguiente análisis: Ms=8(5µB)↑+8(5µB)↓+6.16(4µB)↑+1.84(0µB) =24.64µB (4) Con lo expuesto anteriormente, queda comprobada la hipótesis planteada, según la cual los iones de Sr2+ se encuentran en la estructura espinela de la magnetita (Fe3O4), ocupando posiciones octaédricas del Fe2+ y provocando una disminución en los valores de la magnetización específica de saturación del material. Finalmente, en la figura 5 se muestra una micrografía de los polvos sintetizados, en la cual se observan partículas con forma tetraédrica y de paralelepípedo que son típicas de la magnetita,20 el estudio muestra una distribución homogénea de tamaños que van desde 720 hasta 750 nm. Adicionalmente, no se distingue ningún indicio en las partículas observadas, sobre la presencia de diferentes materiales, magnetita y algún compuesto de estroncio. CONCLUSIONES En este estudio se demuestra, mediante el empleo de difracción de rayos X, refinamiento Rietveld, Fig. 5. Micrografía de polvos sintetizados. 34 magnetometría de muestra vibrante y Microscopia Electrónica de Transmisión, que iones de Sr2+ se incorporan en la estructura cristalina de la magnetita (Fe3O4), cuando se uitilza poliol en el método de síntesis de hexaferrita de estroncio (SrFe12O19). Adicionalmente se confirma que los iones de Sr2+ se introducen parcialmente en las posiciones octaédricas de la estructura espinela de la magnetita, las cuales están ocupadas por Fe2+, produciendo un incremento en el parámetro de red, desde 8.337 Å hasta 8.358 Å y una disminución de la magnetización específica de saturación, desde 85 emu/g hasta 56 emu/g. REFERENCIAS 1. V. Kostishyn, L. Panina, L. Kozhitov, A. 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Rubén Morones Ibarra Facultad de Ciencias Físico - Matemáticas, UANL rmorones@fcfm.uanl.mx RESUMEN El plasma de quarks y gluones (PQG) es un estado de la materia que se supone existió en los primeros microsegundos del universo. Para entender lo que ocurrió en esos primeros instantes después del Big-Bang se realiza actualmente una intensa actividad de investigación teórica y experimental. En el aspecto teórico, estudios efectuados en Cromodinámica Cuántica, que es la teoría que estudia las interacciones fuertes, llevan a la conclusión de que este estado se presenta cuando la materia nuclear alcanza una temperatura del orden de 1012 K. Para someter esta predicción a la prueba del experimento se han construido el Large Hadron Collider (LHC) y el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) que son actualmente los más poderosos aceleradores de partículas del mundo. En ellos se aceleran núcleos atómicos pesados que alcanzan velocidades cercanas a la de la luz y se provocan colisiones entre ellos. En ellas se generan condiciones similares a las que existieron en los primeros instantes del universo. En este articulo se describen las condiciones que deben satisfacerse para que se produzca el estado de PQG, en el interior de los núcleos en colisión. PALABRAS CLAVE Plasma de quarks y gluones, colisiones ultra-relativistas de iones pesados, Cromodinámica cuántica. ABSTRACT The quark gluon plasma is a state of matter that it is assumed was present in the early universe. Currently, an intense activity of research is being carried out, in both, the theoretical and experimental fields, to understand what happened in those first instants after the Big- Bang. In the theoretical aspects, studies in Quantum Chromodynamics leads to the conclusion that at about 10 12 Kelvin of temperature, the quark gluon plasma is formed in nuclear matter. To test this prediction, some experiments are in progress in the Large Hadron Collider (LHC) and in the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). In these machines heavy ions are accelerated up to reach speeds close to that of light producing collisions between them. They will produce similar conditions to that of the early universe. The conditions under which the quark gluon plasma state can be formed are described in this paper. KEYWORDS Quark gluon plasma, ultra-relativistic collisions of heavy ions, quantum Chromodynamics. 36 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra INTRODUCCIÓN Actualmente hay bastante evidencia de que el universo inició con una “Bola de Fuego” que explotó. La teoría que sustenta esta idea se denomina Cosmología del Big Bang. En los primeros instantes la densidad y la temperatura de esta “bola de fuego” eran muy elevadas. En esas condiciones se supone que la materia consistía de un plasma de quark y gluones (PQG), cuyo significado describiremos más adelante. Hasta donde conocemos ahora, el estado inicial del universo consistió de un PQG, por lo tanto, el PQG constituye la forma primordial de la materia. A medida que el universo se expandió éste se fue enfriando y se produjo la formación de hadrones (un tipo general de partículas entre las que se encuentran los protones y neutrones), a partir de los quarks y los gluones. Conocer los procesos que ocurrieron en la transición de PQG al estado hadrònico, es uno de los grandes retos de la física moderna. El PQG lo podemos encontrar actualmente en el núcleo de las estrellas compactas, como las estrellas de neutrones y en las colisiones de iones pesados a muy altas energías, donde las partículas que chocan alcanzan velocidades cercanas a la de la luz. Para estudiar el PQG es necesario producirlo en el laboratorio. Con este propósito se han diseñado experimentos de colisiones de iones pesados donde el PQG puede formarse. Entre los problemas que se presentan en estas investigaciones están el de determinar las cantidades físicas que indican que ha ocurrido la transición al PQG y por otro lado, que la dinámica del proceso de transición es hasta ahora desconocida. Todos estos problemas convierten a este campo de estudio en un tema fascinante que atrae a físicos teóricos y experimentales. IMPORTANCIA DE ESTUDIAR EL PQG El interés por conocer lo que ocurre a las propiedades de la materia en condiciones extremas de temperatura y/o densidad es un tema de gran trascendencia en la física teórica y experimental. Está contemplada la posibilidad de que en estas condiciones se observen nuevos estados de la materia hasta ahora no imaginados.1 Simulaciones en computadora de sistemas de partículas cuya interacción está gobernada por la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Cromodinámica Cuántica (CDC), que es la teoría de las interacciones fuertes, han llevado a la conclusión de que la materia nuclear sometida a elevadas temperaturas sufre una transición de fase pasando a un estado de PQG. Estudios con otros modelos efectivos de la CDC revelan también que para altas densidades de materia hadrónica se realiza la transición de fase hacia el PQG.2. El estudio del PQG es importante en la física, la cosmología y la astrofísica. En la física teórica es fundamental ya que está directamente relacionado con la naturaleza del vacío de la CDC. En la cosmología su importancia proviene de la hipótesis de que el PQG fue el estado inicial en el que se encontraba el universo en sus primeros microsegundos. Así que, con el conocimiento de las propiedades del PQG podemos determinar las condiciones iniciales y establecer hipótesis sobre la evolución posterior del universo. El interés en la astrofísica deriva de los procesos que ocurren en las estrellas compactas, como las estrellas de neutrones, las cuales se supone que tienen un núcleo en estado de PQG.3. Aristóteles afirmaba que los extremos se tocan. Nada más cierto que esto para el caso del análisis de los fenómenos astrofísicos y del estudio del cosmos, pues solo podremos entender lo que ocurre en el macromundo, en las estrellas y en el cosmos, si entendemos lo que sucede en los procesos del micromundo, en las partículas elementales, en sus interacciones, en su estructura y los fenómenos entre ellas. Recíprocamente, puesto que los núcleos atómicos complejos se formaron en procesos que ocurren en las estrellas, resulta fundamental saber lo que ocurre en las estrellas para comprender el origen de estos núcleos atómicos. En el núcleo de las estrellas de neutrones, por ejemplo, debido a su alta densidad, puede presentarse el PQG ocurriendo fenómenos interesantes como la superfluidez y otros. Los procesos que ocurren en ellas pueden ser explicados mediante las interacciones entre las partículas fundamentales.4 Con el desarrollo de aceleradores de partículas más potentes y de una nueva generación de detectores, la física nuclear amplió su campo de estudio para abarcar la materia nuclear en condiciones extremas de densidad y temperatura. La posibilidad de producir el PQG en el laboratorio trajo nuevos retos que obligan a estudiar el comportamiento físico de este nuevo 37 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra Vista de una sección del túnel del LHC por donde circulan las partículas que chocarán. estado de la materia. La meta es producir este estado, estudiarlo y determinar sus propiedades. Por el solo hecho de existir, este sistema se vuelve interesante ya que pueden presentarse en él fenómenos nuevos. Como ocurrió con el estudio de la materia a muy bajas temperaturas que condujo al descubrimiento de la superconductividad y la superfluidez, se espera que a temperaturas muy elevadas, no observadas en ninguna parte del universo, se presente el PQG y con él se manifiesten fenómenos hasta ahora desconocidos. Preguntas como ¿Qué tipo de señales debemos observar para asegurar que se ha presentado el PQG? , ¿Qué grupo de partículas esperamos que se formen al enfriarse el PQG?, ¿Qué clase de procesos ocurren antes y después de la formación del PQG? o ¿Qué fenómenos son los dominantes?, hacen interesante este estudio. Es pertinente remarcar aquí que los científicos no andan en busca de conocimientos que sean útiles, sino que su interés es conocer y entender lo que ocurre en la naturaleza. Esta es su más fuerte motivación. Actualmente están en proceso varios experimentos en el LHC en el CERN y en RHIC, en Brookheaven, para producir, mediante choques de iones pesados a muy altas energías, el estado PQG. Ahí se estudiarán los fenómenos del PQG. LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA Toda la materia que conocemos aquí en la Tierra en forma macroscópica, está formada por moléculas, las cuales son los constituyentes fundamentales de todas las sustancias. Las moléculas se forman de 38 átomos, los cuales son las estructuras básicas de los elementos químicos. Los átomos a su vez se componen de un núcleo y los electrones orbitándolos. Los electrones, hasta donde se conoce en el presente, no tienen ninguna estructura y son en este sentido partículas elementales. Los núcleos están formados por protones y neutrones. Los protones y neutrones están formados por partículas llamadas quarks. Hasta el momento, no se ha encontrado que los quarks tengan subestructuras. Por lo tanto consideraremos a los quarks como partículas elementales. Llegado a este punto en la estructura de la materia, es conveniente introducir la manera moderna como se clasifican las partículas subnucleares. Para establecer la clasificación de las partículas es necesario introducir unos comentarios sobre las fuerzas fundamentales de la naturaleza. En la naturaleza se observan cuatro tipos diferentes de fuerzas o interacciones fundamentales: Las interacciones gravitacional, electromagnética, fuerte y débil. Todas las fuerzas o interacciones entre las partículas o entre los cuerpos macroscópicos pueden explicarse, en principio, en términos de estas cuatro interacciones fundamentales. La fuerza de gravedad es para nosotros la más familiar de todas ellas; es la fuerza que nos mantiene unidos a la Tierra, manteniendo a la vez a la Tierra y a los planetas de nuestro sistema solar unidos al Sol. La fuerza electromagnética nos es también familiar: está presente en los motores y máquinas eléctricas que usamos diariamente; es también la responsable de la estructura atómica y de la unión química. Tenemos entonces que la interacción electromagnética es la responsable de la formación de los átomos y de las combinaciones entre ellos. Esta fuerza es, por lo tanto, la que ocasiona la gran diversidad de materiales, plantas, animales y seres vivos en general, que pueblan la Tierra. La fuerza débil es la responsable del decaimiento radiactivo beta, así como también del decaimiento de un neutrón libre en un protón, un electrón y un antineutrino. En general, todos los procesos de interacción entre partículas subatómicas en los que intervienen neutrinos o antineutrinos, son debidos a la fuerza débil. Por último, la fuerza fuerte es la que permite la unión entre protones y neutrones en los núcleos atómicos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra Las dos primeras fuerzas, se conocen desde hace mucho tiempo mientras que las fuerzas débil y fuerte fueron descubiertas en el primer tercio del siglo XIX. Estas cuatro fuerzas son suficientes para explicar todos los procesos físicos conocidos hasta ahora, tanto aquellos que ocurren a escala atómica como los que suceden en las estrellas y galaxias, con excepción de algunos descubrimientos recientes como son la materia y la energía oscuras, para las cuales no se tiene hasta el momento ningún modelo que las explique. LAS PARTÍCULAS FUNDAMENTALES Las partículas fundamentales de la naturaleza se clasifican de acuerdo con sus interacciones. Lo que en la actualidad se conoce como partículas fundamentales son los Leptones y los Quarks. Los leptones son partículas que no sienten la fuerza fuerte mientras que los quarks sí son sensibles a la fuerza fuerte. Las partículas que interaccionan mediante la fuerza fuerte, se llaman hadrones. Así que la primera gran clasificación de las partículas divide a estas en leptones y hadrones. Ejemplos de hadrones son el protón y el neutrón, mientras que el electrón y el neutrino son ejemplos de leptones. Todos los hadrones están formados por quarks. En particular, dentro de cualquier núcleo atómico tenemos como estructuras elementales a los quarks. Hasta el presente, los quarks se encuentran confinados dentro de los hadrones. Nunca se han observado quarks libres, es decir, fuera de los hadrones. Un atributo que poseen los quarks y que se introdujo por razones de consistencia de esta teoría con la teoría cuántica, es el color. Esta propiedad de los quarks nada tiene que ver con el concepto óptico de color y solo es un número cuántico que permite explicar los fenómenos que ocurren mediante la fuerza fuerte. El color en la CDC es equivalente a la carga eléctrica en la teoría electromagnética. Con esta idea en mente se habla de carga de color como el atributo asociado a la interacción fuerte. De aquí se deriva el nombre de la teoría que describe estas interacciones: Cromodinámica Cuántica. A diferencia de las cargas eléctricas que pueden ser observadas libres, en el electrón o el protón, por ejemplo, las cargas de color nunca se han detectado en forma libre. Siempre permanecen confinadas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 Diagrama de fases para la materia nuclear. dentro de los hadrones. Uno de los propósitos en el diseño de nuevos experimentos en la física de partículas elementales es el de liberar las cargas de color y producir regiones dentro de la estructura de los núcleos atómicos donde las cargas de color se encuentren libres. A este estado se le conoce como PQG. Según la teoría moderna de las interacciones, estas se efectúan a través del intercambio de partículas entre las partículas que interaccionan. A estas partículas portadoras de la fuerza se les llama bosones de norma. Por lo tanto nos falta incluir estos bosones de norma en el conjunto de partículas que necesitamos para estructurar este artículo. Para evitar complicaciones en la presentación de estas ideas solo mencionaremos los bosones de norma para la fuerza electromagnética y para la fuerza fuerte. Los transmisores de estas fuerzas son: el fotón para la fuerza electromagnética y el gluón para la fuerza fuerte. En realidad, para el caso de la fuerza fuerte, se tienen un conjunto de ocho gluones, por razones que no explicaremos aquí. Tendremos así que cuando los quarks interaccionan entre ellos, lo hacen intercambiando gluones; de estos hay ocho tipos distintos. LA INTERACCIÓN FUERTE La teoría que describe las interacciones fuertes es la CDC. Entre las principales características de esta teoría está la propiedad de confinamiento del color. La razón por la cual se introduce la propiedad de confinamiento en la CDC es que experimentalmente no se han visto nunca a los quarks libres ni tampoco a los gluones. Este hecho fenomenológico debe 39 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra entonces incorporarse en la teoría, lo cual está representado en la hipótesis del confinamiento del color. Con esto establecemos que los quarks y los gluones, que tienen carga de color, deben estar confinados dentro de los hadrones. Debido a las características de la CDC y a la dificultad para resolver las ecuaciones fundamentales de movimiento que lleva asociadas, no ha sido posible hasta ahora entender y explicar a partir de conceptos básicos, el fenómeno y mecanismo de confinamiento. La hipótesis de trabajo para manejar fenomenológicamente este hecho es que los quarks y los gluones interaccionan tan intensamente que al intentar separar los quarks de un hadron, la energía que se requiere es tan grande que con ella se puede generar un par quarks-antiquark dando lugar a un nuevo hadron. Usando una analogía, podríamos decir que el fenómeno es equivalente a tratar de ionizar un átomo quitándole un electrón, y lo que ocurriría es que se forma un átomo nuevo a partir de la energía de ionización. El proceso involucra la ecuación de Einstein E=mc2 que relaciona la masa y la energía. Por su naturaleza, por la gran dificultad que representa el problema, el estudio de las interacciones fuertes se realiza separando los fenómenos en dos regiones energéticas: una corresponde a los fenómenos que ocurren en el interior de los hadrones y la otra a aquellos que ocurren en el exterior de ellos. La energía determina la región donde se debe trabajar. Para muy altas energías, penetramos al interior de los hadrones y ahí, aunque parezca extraño, el tratamiento es más sencillo, ya que se pueden utilizar las mismas técnicas, ya conocidas, que se emplean en la teoría cuántica del electromagnetismo, la cual es una teoría muy bien establecida. Sin embargo, a bajas energías, en la región fuera de los hadrones, las cosas se complican notablemente. Para poder estudiar los fenómenos de interacciones fuertes a bajas energías, se necesita introducir un tipo de metodología que lleva el nombre general de teorías no-perturbativas. En estas teorías se respetan los aspectos fundamentales de la CDC pero es necesario considerar hipótesis adicionales. Todas estas teorías no-perturbativas predicen que un sistema de hadrones interaccionando fuertemente sufrirá una transición de fase de materia hadrónica a materia de quarks y gluones cuando se somete a elevadas temperaturas y/o elevadas densidades. 40 Este fenómeno, conocido como des-confinamiento del color, conduce a la aparición de la fase de Plasma de Quarks y Gluones. El problema que nos interesa tratar en este artículo es el de establecer bajo qué condiciones de temperatura se consigue el desconfinamiento del color, es decir, la transición de fase al PQG. LA MATERIA EN CONDICIONES EXTREMAS DE TEMPERATURA Como ya se mencionó, las sustancias aquí en la Tierra están formadas por átomos y moléculas. Estas partículas, que constituyen todos los materiales, están en un estado de agitación caótica permanente, conocido como agitación térmica. La temperatura de un cuerpo es una manifestación de la energía cinética de los átomos y moléculas y está asociada al valor promedio de esta energía. Cuanto mayor es la energía cinética promedio de las partículas que forman el sistema, mayor es su temperatura. Como sabemos, al aumentar la temperatura de un cuerpo sólido este se convierte en líquido y si seguimos incrementando la temperatura se transforma en gas. Si la temperatura del gas aumenta la energía cinética adquirida por las moléculas conduce a que en las colisiones entre ellas se produzca la disociación molecular, dando lugar a la formación de un gas atómico. Si la temperatura de este gas se sigue incrementando continúa la disociación en componentes más simples. Empiezan por desprenderse algunos electrones, formándose un gas de iones y electrones, el cual se conoce como plasma. El plasma común, llamado cuarto estado de la materia, es por definición un gas ionizado con carga eléctrica neta total igual a cero. Existen plasmas de varios tipos, dependiendo de la temperatura del gas ionizado. La ionización de un átomo puede ser parcial o total y tendremos así un plasma de iones positivos y electrones, cuando la ionización atómica es parcial. Un estado de ionización muy leve se presenta en una flama, durante la combustión de carbón, gas butano o alcohol. Estados también de ionización parcial, pero más intensa, se presenta en la corona solar. Cuando la ionización es total, como en el núcleo de las estrellas, tendremos un plasma de núcleos atómicos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra y electrones. En estados de temperatura más elevada los núcleos se pueden disociar dando lugar a un plasma de protones, neutrones y electrones. El estado de la materia que sería la última frontera en los procesos de disociación es la formación del plasma de quarks y gluones, donde los protones y neutrones se han disociado en sus componentes que son los quarks como las estructuras materiales, y los gluones como los mediadores de la fuerza entre los quarks. 5. Resumiendo estas ideas establecemos que a temperaturas por encima de los diez mil Kelvin todas las sustancias son gaseosas y existen solo en forma atómica ya que las moléculas se han disociado. A muy altas temperaturas el plasma consiste en núcleos, electrones libres y los fotones que aparecen en la interacción y que no son otra cosa que el campo electromagnético causante de las interacciones. A temperaturas aún mayores, que solo se pueden lograr a energías ultrarelativistas se forma el PQG. Aquí se usa la expresión ultra-relativista para referirse al caso de partículas con energías mucho más grandes que sus energías en reposo. En este caso, la expresión relativista para la energía dada por: puede reemplazarse por , EL PLASMA DE QUARKS Y GLUONES Para estudiar el PQG consideraremos como sistema inicial un núcleo atómico pesado, como por ejemplo, el núcleo de oro cuyo número atómico es 79. A este sistema le llamaremos materia nuclear. La materia nuclear, también llamada materia bariónica debido a que los nucleones que la constituyen son bariones, es el laboratorio donde se realizan las investigaciones sobre la formación del PQG. Para estudiar tanto la materia nuclear como el PQG estableceremos relaciones termodinámicas en un gas de fermiones (que corresponderá al gas de nucleones o al gas de quarks), y relaciones semejantes para el caso del gas de gluones. En la siguiente sección construiremos una ecuación que relaciona la presión y la densidad de energía para cada uno de estos gases. Con estos resultados podremos establecer las condiciones que se requieren para la transición de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 fase de la materia bariónica a la fase de PQG. Dos desarrollos tecnológicos recientes nos permiten estudiar a la materia en condiciones extremas de temperatura y/o densidad. El primero de ellos es la construcción de aceleradores de partículas a energías tan elevadas que las partículas alcanzan velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz. El segundo de estos avances tecnológicos es el desarrollo de nuevos detectores de partículas, de dimensiones enormes y capaces de detectar partículas muy masivas y de elevadas energías. Estos modernos equipos han permitido a los físicos nucleares y físicos de partículas abrir nuevas áreas de investigación, entre ellas la del estudio de la materia nuclear sujeta a condiciones extremas de temperatura y/o densidad. Para lograr la formación del estado de PQG y estudiar el comportamiento de este estado de la materia hay actualmente dos grandes proyectos. En el laboratorio de Brookhaven, N.Y. en EUA, se construyó el RHIC, el cual acelera iones pesados, como oro o plomo a las energías más elevadas logradas hasta ahora. Al entrar estas partículas en colisión, se espera que se reproduzcan las condiciones que imperaron en los primeros microsegundos del nacimiento del universo y observemos el estado de PQG en pequeños fragmentos en el interior de la materia nuclear. Otro gran proyecto que se terminó en el año 2008 es el de la construcción del acelerador LHC. En él se han logrado energías muy superiores a las del RHIC y se podrán reproducir también las condiciones iniciales del universo. Entre los grandes logros de este proyecto tenemos ya el descubrimiento del bosón de Higgs, el cual fue otro de los propósitos del proyecto del LHC. La CDC predice que cuando la materia hadrónica es sometida a altas densidades y temperaturas, esta puede sufrir una transición de fase hacia un nuevo estado en donde los gluones y los quarks interaccionan débilmente en un estado de plasma de quarks y gluones que puede presentarse en un volumen macroscópico por tiempos suficientemente largos como para ser estudiada. Lograr observar este estado de PQG es de interés ya que proporciona información importante sobre el mecanismo de confinamiento, lo cual mejorará notablemente nuestra comprensión de la CDC, y se podrá comprender mejor la evolución y la estructura actual del universo, pues se supone que 41 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra el estado PQG se presentó en los primeros instantes del Big Bang. EL FORMALISMO DE LA CROMODINáMICA CUÁNTICA La cromodinámica cuántica es una teoría cuántica relativista de campos, renormalizable, con una simetría de norma local SU(3). La densidad Lagrangianal L de la CDC está dada por (1) donde y describen el campo de los quarks (campo de Dirac), es la derivada covariante, representan el campo de los gluones, (a=1, 2, 3, ..., 8), los cuales corresponden a los bosones de norma. Las λa son las matrices de Gell-Mann del grupo SU(3), y finalmente, es el tensor de campo de norma y las constantes de estructura del grupo, las cuales son antisimétricas ante el intercambio de cualquier par de índices. 6. Las características fundamentales de la CDC, son: a) la libertad asintótica y b) el confinamiento. La libertad asintótica de los quarks dentro de los hadrones es un hecho experimental que revela que los quarks se comportan dentro de los hadrones como si no interaccionaran entre ellos, es decir como si estuvieran en estado libre. Por otra parte, el confinamiento significa que los quarks están atrapados dentro de los hadrones sin posibilidad de escapar. Este hecho llevó a los físicos a proponer un modelo conocido como el modelo de bolsa, para explicar el confinamiento de los quarks y los gluones dentro de los hadrones. 42 Para entender la diferencia entre el comportamiento de la fuerza fuerte o fuerza de color, que es la que mantiene unidos a los quarks en el interior de los hadrones, es conveniente recurrir primero a la bien conocida fuerza electromagnética. Partiendo de la relación relativista de Einstein entre la masa y la energía E=MC2, encontramos que la energía de ionización de los átomos, por ejemplo, el caso del hidrógeno, donde la energía necesaria para separar el electrón del átomo, es igual al producto de la diferencia de masa entre la masa del electrón más la masa del protón cuando están aislados y la masa del átomo de hidrógeno, multiplicada por C2. A esta energía de ionización, también se le llama energía de enlace o energía de amarre entre el protón y el electrón. Simbólicamente escribimos EB=(∆M)C2 donde EB es la energía de enlace electrón protón en el átomo de hidrógeno, y ∆M=[(mp + me) - MH]C2, donde mp es la masa del protón, me es la masa del electrón y MH es la masa del átomo de hidrógeno. La energía de enlace o de ionización, es la energía que debemos proporcionar al átomo para separarlo en sus componentes: electrón más protón. De una manera similar, en los núcleos atómicos, la energía de enlace es la que debemos proporcionar al núcleo para descomponerlo en protones y neutrones. Esta energía se calcula mediante la relación de Einstein anterior dando valores que corresponden a los valores obtenidos experimentalmente. En este caso ∆M corresponde a la diferencia de masa entre la suma de las masas de los constituyentes individuales de los núcleos y la masa total del núcleo ya formado. Uno de los resultados sorprendentes de la cromodinámica cuántica o teoría de la interacción entre los quarks, es que un cálculo similar a los anteriores para calcular la masa de un protón, por ejemplo, no corresponde la masa de la suma de sus constituyentes (los quarks). Las masas individuales de los quarks que formen el protón se han estimado en 10 MeV/c2 cada una. Con esto la masa del protón sería del orden de 30 MeV/c2, que ni remotamente se aproxima al valor de 940 MeV/c2, que es la masa del protón. Para explicar el resultado anterior se introduce un concepto relacionado con el vacío de la CDC, el cual actúa de una manera muy diferente al vacío de la electrodinámica cuántica (la teoría cuántica Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra de la interacción electromagnética). Debido a que las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de los quarks, son altamente no lineales, ocurre que los portadores de la fuerza de color interaccionan entre sí. Esto provoca que el vacío de la CCD, es decir, el estado de más baja energía, el cual se tiene cuando no hay cargas de color, resulta ser un estado con una configuración de campos de color muy complejo. Los quarks se encuentran formando los hadrones y para observarlos se requiere penetrar dentro de los hadrones. Para lograr esto se bombardean hadrones con otras partículas de muy alta energía, como electrones, por ejemplo. La libertad asintótica establece que solo a grandes energías se puede observar a los quarks y cuando se logra esto, los quarks aparecen dentro de los hadrones como si fueran partículas libres.7. El confinamiento es otra de las características de la CDC. Este se refiere a que los quarks no pueden presentarse en estado libre, fuera de los hadrones, ya que solo se les ha observado combinados formando hadrones. Las ecuaciones de movimiento que se derivan de la densidad Lagrangiana dada en la ec. (1), son ecuaciones no lineales y no pueden resolverse analíticamente. En el régimen de libertad asintótica, a elevadas energías, es posible aplicar métodos perturbativos. Entre los métodos no perturbativos están el de teoría de norma de lattice. Este método pretende resolver las ecuaciones de la CDC en una forma aproximada, reduciendo el número de grados de libertad del campo y reemplazando el continuo espacio tiempo por puntos discretos tomados en pequeñas celdas con el fin de hacer los cálculos. Este método de cálculo de teoría de norma de celdas es apropiado para calcular las condiciones bajo las cuales se puede efectuar la transición de materia nuclear o hadrónica al estado de plasma de quarks y gluones. Con el propósito de ilustrar las ideas planteadas en el estudio de los hadrones sometidos a condiciones extremas de presión, densidad y temperatura, realizaremos un cálculo usando un modelo de gas libre de quarks y gluones para el estado de plasma de quarks y gluones. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 MODELO DE GAS LIBRE PARA EL DESCONFINAMIENTO DE HADRONES La mecánica cuántica es la teoría que describe el comportamiento de los sistemas físicos a la escala atómica (10-10 m). Al final del siglo XIX, cuando el desarrollo de la tecnología permitió estudiar la materia a niveles de baja densidad, bajas temperaturas y cortas distancias, se presentaron ciertas dificultades para expresar los hechos que se observaban. Durante algunos años de esa época se acumularon muchas observaciones experimentales que la física de Newton no podía explicar. Entre los más relevantes encontramos los espectros de emisión que se producían en gases enrarecidos al someterlos a la exposición de intensos campos eléctricos. Los gases emitían luz con características muy particulares construyendo esto un reto para los físicos, que no podían explicar el fenómeno. El intento por explicar estos fenómenos, llevó a una revolución en la física que produjo la teoría que hoy conocemos como mecánica cuántica. La mecánica cuántica, una estructura matemática con una gran abstracción, logró explicar de una manera bellísima y precisa una inmensa variedad de fenómenos. Hoy en día esta estructura matemática teórica ha permitido entender los procesos químicos y los fenómenos que ocurren al nivel molecular, atómico, nuclear y sub-nuclear, constituyéndose en una teoría fundamental de la física moderna. El notable éxito de la teoría cuántica la han convertido en una teoría confiable a pesar de sus incomprensibles y misteriosas predicciones. CONDICIONES PARA PRODUCIR PLASMA DE QUARKS Y GLUONES En esta sección realizaremos un cálculo simplificado de las condiciones de temperatura bajo las cuales se puede obtener el estado de PQG. Consideremos el problema de una partícula en una caja cúbica de arista a y volumen V. Resolviendo la ecuación de Schrödinger para este problema obtenemos que el número de estados con momentum entre y está dado por la expresión 43 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra (2) donde V es el volumen de la caja. Usando coordenadas esféricas y considerando que el sistema que vamos a describir tiene simetría esférica, tenemos que Es conveniente definir la cantidad como la densidad de estados por intervalo de momentum (3) la cual también se conoce como la degeneración del estado de momentum con valor k. Para el caso de la materia nuclear, compuesta de protones y neutrones, existen dos estados de isospín (protón y neutrón) y dos estados de espín, lo cual da un factor de cuatro para el número de partículas que podemos colocar en cada estado de momentum de partícula independiente. Tendremos así que el número total de nucleones Np que podemos colocar en el estado fundamental de la materia nuclear, está dado por usado un tipo de unidades comúnmente usadas en la teoría nuclear llamadas unidades naturales. Sustituyendo esta expresión en la ec. (4), obtenemos que el momentum de Fermi para la materia nuclear a densidad normal, es kF=1.3 fm-1. Calculemos ahora la energía total de un sistema de fermiones en el estado fundamental; usando la ec. (3), y la relación , obtenemos: (5) donde g es el número de partículas que podemos colocar en cada estado de momentum p. El número total de partículas se obtiene integrando la ec. (5) (6) Con el propósito de estudiar la transformación de fase de materia hadrónica a plasma de quarks y gluones, consideraremos solo materia no extraña, es decir, aquella donde no interviene el quark extraño s, y que está formada solo por quarks u y d. En este caso la degeneración g está dada por g = Ncolor X Nespín X Nsabor = 3 X 2 X 2 =12. La energía total puede ser calculada de la ec. (5), usando la identidad que para el caso ultrarelativista, que es el que consideraremos aquí, donde kF es el momentum de Fermi. La integral es directa dando como resultado La densidad de nucleones, o densidad bariónica, entonces (7) está dada por (4) Por otra parte, la densidad normal o de saturación ρ0 de la materia nuclear es ρ0 =0.14 fm-3, donde hemos 44 Por otra parte, la relación entre la presión de los fermiones PQ, y la densidad de energía para un gas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra de fermiones ultrarelativista, está dada por, 8 , sustituyendo esta última relación en la ec. (7), obtenemos (8) La ec. (8) determina la presión PQ que los quarks ejercen sobre la superficie que limita al volumen V. Por otra parte, en el modelo de bolsa para los hadrones, 9 el vacío de la cromodinámica cuántica, ejerce una presión B, hacia adentro de la bolsa que modela el hadrón y que es el requisito para el confinamiento de los hadrones. La suposición fundamental de este cálculo es que la condición para que se efectúe la transición del estado de hadrones al estado de plasma de quarks y gluones, es que ambas presiones sean iguales o que domine la presión de los quarks y se liberen del confinamiento. Tendremos entonces que Igualando B con PQ en la ec. (8), obtenemos Siendo la energía crítica para que ocurra la transición de fase. Introducimos ahora la densidad de partículas . La densidad crítica para los bariones es , puesto que cada barión está formado por tres quarks. Sustituyendo esto en la ec. (9), obtenemos (9) Cuando la densidad de los bariones alcanza este valor, ocurre la transición de nucleones a plasma de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 quarks y gluones debido a que la presión externa B sobre la bolsa, ha sido igualada por la presión interna del sistema de quarks. Para hacer una estimación de la densidad bariónica que se requiere en la ec. (9), consideremos que la energía de un barión puede identificarse con la energía de su masa en reposo que tomaremos como de 1 GeV . De la relación relativista entre la presión y la densidad de energía, obtenemos que e igualando la energía E a un GeV y el radio R del barión a 1 fm, obtenemos que la presión PQ de los quarks tiene el valor (10) tomando PQ = B, en la ec. (10) y sustituyendo el resultado en la ec. (9) obtenemos que la densidad bariónica para que se produzca la transición al PQG, es nB,c= 0.7 fm-3 lo cual corresponde a cinco veces la densidad nuclear normal: es nB,c= 5ρ0. Esta densidad es muy grande y sólo apareció en los primeros instantes del universo, una fracción de segundo después del big bang. Esta densidad puede también presentarse actualmente en los núcleos de algunas estrellas como las estrellas de neutrones. En los laboratorios RHIC y el LHC se tiene la posibilidad de reproducir esas condiciones mediante el choque de núcleos pesados, aunque solo sea por breves instantes, pero suficientes para realizar estudios sobre el estado de PQG. SEÑALES QUE INDICAN QUE SE PRODUJO EL PQG EN UN EXPERIMENTO Los grandes problemas actuales de esta línea de investigación están relacionados con el cálculo de la cantidad de energía cinética de los núcleos que puede ser transformada en energía térmica y el porcentaje de energía potencial que se convertirá en energía de interacción entre los nucleones. Existen también dudas sobre cuáles serán los rasgos característicos que indiquen que se ha llegado a formar o presentar el 45 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra estado de PQG. Además hay todavía una pregunta sin respuesta y es la de cómo ocurrirá la hadronización (formación de hadrones) después de haberse alcanzado el estado de plasma de quarks y gluones, y luego el enfriamiento de éste. Calculemos ahora las condiciones de temperatura requeridas para que se logre la transición a PQG. Con el fin de simplificar los cálculos, consideremos un plasma formado por quarks, antiquarks y gluones, lo cual puede ser obtenido en el “derretimiento” de mesones, los cuales están formados por pares de quark-antiquark. Consideraremos solamente el caso de mesones formados por quarks u y d. En los diferentes modelos de bolsa para los hadrones se supone que los quarks se mueven libremente en el interior de la bolsa ejerciendo una presión sobre las paredes de esta. Dado que los quarks son fermiones, los consideraremos como un gas de Fermi. Para tener una bolsa estable, que no se expanda debido a la presión de los fermiones (quarks), necesitamos una hipótesis adicional: incluir una presión externa sobre la bolsa que permita equilibrar la presión de los quarks. Esta presión, introducida para mantener la estabilidad de la bolsa se conoce como presión de bolsa, y se supone que es ejercida por el vacío de la cromodinámica cuántica sobre la bolsa. Designaremos esta presión como B. El modelo de bolsa explica algunas características importantes de los hadrones y lo usaremos aquí para realizar algunos cálculos, los cuales se simplifican bastante usando este modelo, y obtener un resultado teórico cuantitativo para estimar las condiciones experimentales que permitan observar el fenómeno de transición al estado PQG. Se supone que a altas densidades o elevadas temperaturas los hadrones, representados por las bolsas, se traslapan y se fusionan ocasionando que se produzcan regiones relativamente grandes donde los quarks y gluones se mueven casi libremente; este es el estado de PQG. La manera de incluir la temperatura en los cálculos es a través de las distribuciones estadísticas que satisfacen los quarks y los gluones. Calculemos primeramente el número total de quarks y gluones usando la estadística de Fermi-Dirac y de BoseEinstein, respectivamente. 46 Para el caso de los quarks dnQ, el número de partículas con energías entre E y E + dt está dado por6 (11) donde g(E) es la degeneración del nivel de energía E, gQ = Ncolor X Nespín X Nsabor = 3 X 2 X 2 =12 es la degeneración para los quarks, y μ es el potencial químico, que en nuestro caso será tomado igual a cero ya que el plasma que vamos a considerar tiene el mismo número de quarks que de antiquarks. Similarmente, para el caso de los gluones, los cuales obedecen la estadística de Bose-Einstein, el número de partículas con energías entre E y E + dE está dado por 10 (12) con el mismo significado de las variables que el dado en la ec. (11), y gG = Nespín X Ngluones= 2 X 8=16, es la degeneración para los gluones. En el caso de los gluones, también ocurre que μ = 0. Debido a la relación Tenemos que g(E)dE = g(p)dp (13) Entonces, sustituyendo (13) en la ec. (3), y considerando el caso ultrarelativista, donde E = pc, obtenemos que el número de quarks con momentos entre p y p + dp está dado por La energía total EQ del sistema de quarks, se calcula con la relación (14) Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra Un cálculo similar conduce a una energía total para los gluones dada por (15) Definiendo Las integrales en (14) y (15) adoptan formas más sencillas si hacemos el cambio de variable x = βpc, obteniendo (16) (17) El cálculo de la energía para los antiquarks conduce al mismo resultado que el obtenido para EQ. Tenemos entonces que la energía total del sistema de quarks y gluones es Sustituyendo aquí las ecuaciones (16) y (17), obtenemos para la energía total, (18) La evaluación de estas integrales se realiza de manera casi directa desarrollando las fracciones Por otra parte, en el caso ultrarelativista, la presión total P que ejerce el gas de quarks y gluones sobre la bolsa que modela los hadrones, , está relacionada con la energía total dada por la ec. (18) mediante la expresión (19) (19) los valores de las integrales son correspondiendo I1 a la expresión superior e I2 a la inferior. La expresión se conoce como función Zeta de Rieman11 y está tabulada con un valor de 1.08, similarmente, Suponemos que la condición para la transición del estado de hadrones al estado de PQG es que ambas presiones, la de los quarks sobre la bolsa P, y la presión de la bolsa, dada por B, sean iguales. Tendremos entonces que, de (18), (19) y la condición P = B, obtenemos que la presión del vacío sobre la bolsa es (20) donde se han usado unidades naturales k=1, y Tc para la temperatura crítica de transición. Estimando el valor de B por el valor de P, obtenido en la ec. (10), Con Usando unidades naturales, donde resultado final es: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 , el Representación de la colisión de dos iones y la formación del PQG. 47 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra obtenemos para la temperatura crítica dada por (20), es Tc = 1.31 X 1012 K. Esta temperatura se dió en los primeros microsegundos después del Big Bang. De acuerdo con la relación entre la temperatura y la edad del universo, 12 se establece la ley de enfriamiento siguiente tenemos que para el valor obtenido arriba de Tc, la edad del universo en el momento que tenía esta temperatura, era de 10-5 segundos. PROBLEMAS EXPERIMENTALES PARA LA DETECCIÓN DEL ESTADO DE PLASMA DE QUARKS Y GLUONES La suposición de que en los primeros instantes del universo se presentó el estado de PQG, permanece hasta ahora solo como una hipótesis mientras no se confirme experimentalmente la existencia de este estado. Los experimentos de colisiones de iones pesados relativistas tienen el propósito de reproducir, a escala microscópica y por intervalos pequeños de tiempo, las condiciones que prevalecieron durante el inicio del universo. Existe un consenso general de que se logrará la transición al estado de PQG durante la colisión relativista de iones pesados. Uno de los problemas actuales es determinar cuál será la señal o el rasgo característico que permita ser detectado y que nos indique que el estado PQG se ha presentado. 13 Lograr esto permitirá entender mejor la evolución y la estructura presente del universo. Vista aérea del LHC 48 Una de las características de las colisiones entre iones pesados relativistas es que se desprende de ellas una gran cantidad de hiperones.13 La temperatura de la materia altamente comprimida, producto de la colisión de iones relativistas, puede ser estimada del tipo y número de estas partículas creadas o desprendidas en la colisión.14 Las señales que se espera obtener en las colisiones de iones pesados relativistas y que indican que se presentó el estado de plasma de quarks y gluones, es un flujo de mesones y bariones que contienen quarks extraños y cuya intensidad es mayor por un factor de dos cuando aparece el estado PQG que cuando esto no ocurre. La presencia de este flujo extra de mesones y bariones extraños será un indicador importante de que se presentó el estado de PQG. La presencia de partículas extrañas en las colisiones de muy alta energía se debe a la creación de pares extraños quark-antiquark. Dado que inicialmente la materia nuclear consiste solamente en quarks u y d, tenemos que la extrañeza original del sistema de partículas es cero. Por la ley de la conservación de la extrañeza, tenemos que después de los procesos regidos por las leyes de la interacción fuerte, esta debe conservarse. Tendremos entonces que las partículas extrañas creadas deberán aparecer en pares partícula-antipartícula o partículas para la conservaciones de la extrañeza. EL GRAN ACELERADOR COLISIONADOR Muy cerca de Ginebra, Suiza, se construyó la máquina más grande del mundo con el propósito de reproducir en un pequeño fragmento de materia, lo que ocurrió durante los primeros microsegundos del nacimiento del universo. Esta máquina tiene una parte que consiste de un inmenso tubo en forma de anillo circular de 27 Km de longitud, sepultado a una profundidad de cien metros bajo la superficie terrestre, localizándose una parte en Suiza y otra en Francia. Esta máquina, que es el acelerador de partículas más grande y de mayor energía del mundo, se terminó de construir en el año 2008. Se conoce como el Gran Acelerador Colisionador de Hadrones (LHC por Large Hadron Collider). Uno de los grandes éxitos del LHC, como se le llama en forma Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �La búsqueda del plasma de quarks y gluones/ J. Rubén Morones Ibarra abreviada, fue el descubrimiento del bosón de Higgs en el año 2012 que era la pieza que faltaba para completar la estructura teórica del modelo estándar. Con esto se tiene ahora una teoría robusta para explicar las interacciones entre las partículas elementales. En el LHC serán aceleradas partículas como protones u otros núcleos atómicos, hasta alcanzar velocidades muy cercanas a la de la luz, circulando en haces con direcciones opuestas en el anillo de 27 kilómetros de largo. El choque entre los dos haces de partículas será tan violento que reproducirá las condiciones iniciales del universo. Los experimentos están actualmente en proceso y se esperan grandes sorpresas, con fenómenos nunca antes observados, los cuales abrirán nuevas líneas de investigación en el campo de la física de partículas elementales. El proyecto de la búsqueda del PQG es de naturaleza multinacional donde colaboran más de mil científicos de treinta nacionalidades diferentes. Las temperaturas alcanzadas en el interior de los núcleos serán las más elevadas del universo, llegando a temperaturas cien mil veces mayores que las del interior del Sol. Se espera tener resultados sobre la recreación de lo que ocurrió en los primeros microsegundos del universo para el año 2016.15,16 Recientes descubrimientos han sido dados a conocer en choques de iones plomo-plomo y orooro. Hasta ahora no se ha logrado observar rastros de que se haya producido el estado de PQG en estos procesos. 16. Más recientemente, se anunció que se observó este estado en colisiones protón-plomo, sin embargo todavía es prematuro asegurar que se logró este objetivo.17-18 COMENTARIOS FINALES Como toda teoría física, la CDC requiere que se confirmen sus predicciones para fortalecerse como tal. Ya se ha desarrollado la tecnología para llevar a cabo la colisión de partículas y detectar la presencia de aquellas que se generan durante las colisiones, por ejemplo: con el experimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment)19 en el CERN se ha reportado que en colisiones plomo-plomo se producen partículas que corresponden al PQG,20 y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 lo mismo se reporta para colisiones protón-plomo.21 Sin embargo, estos resultados son recientes y son aun controversiales22 por lo que aún se están realizando experimentos que resuelvan esta controversia. Sin embargo, lo más importante hasta ahora es que la evidencia encontrada no se contrapone con la teoría propuesta para la formación del estado PQG. REFERENCIAS 1. Connecting Quarks with the Cosmos. National Research Council of The National Academies of Sciences. The National Academies Press. Washington, D.C. (2003). 2. E. V. Shuryak, The QCD Vacuum, Hadrons and Superdense Matter, Second edition, World Scientific, (2004). 3. G.B. Alaverdyan, A.R. Arutyunyan, Yu L.Vartanyan, Astronomy Letters 28,24 (2002). 4. P. Castorina , R.V. Gavai, H. Satz, Eur. Phys.J. C69 (2010) 169-178. 5. Satz Helmut, The Quark-Gluon Plasma, http:// arxiv.org/pdf/1101.3937.pdf (2011). 6. Peskin E. Michael and Schroeder, V. Daniel, An Introduction to Quantum Field Theory, AddisonWesley Publishing Company, (1995). 7. Gross David, J., Twenty Five Years of Asymptotic Freedom, hep-th/9809060. 8. Weinberg, Steven, Gravitation and Cosmology, John Wiley & Sons, N.Y., (1972). 9. 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Rubén Morones Ibarra 18. http://phys.org/news/2015-09-littlest-quarkgluon-plasma-revealed-physicists.html 19. http://home.cern/about/experiments/alice 20. http://link.springer.com/article/10.1007/ JHEP06%282015%29190#page-3 50 21.http://phys.org/news/2015-09-littlest-quarkgluon-plasma-revealed-physicists.html 22.http://www.popsci.com/science/article/201002/rhic-collider-creates-72-trillion-degreesfahrenheit-quark-gluon-plasma Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Vol. XVIII, No. 69 �Eventos y reconocimientos OBITUARIO M.C. Gabriel Fernando Martínez Alonso. El pasado 25 de septiembre falleció el M.C. Gabriel Fernando Martínez Alonso, quien tenía un título de Maestría en Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Estatal de Moscú “M. V. Lomonosov”, Rusia, con especialidad en Física Nuclear de bajas energías; también tenía la especialidad en Educación Superior, de la Universidad de Camagüey, Cuba. El M.C. Martínez Alonso estaba adscrito a la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, como Profesor Investigador de la Coordinación de Ciencias Básicas, contaba con el reconocimiento de Profesor de Perfil Deseable otorgado por el Programa para el Desarrollo del Profesional Docente (Prodep, antes Promep) de la Secretaría de Educación Pública. Era Coordinador de Estadística Competitiva de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y miembro del Comité Técnico de la revista Ingenierías. Fue miembro de la Red de Investigadores Educativos (RIE) de la Universidad Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 Autónoma de Nuevo León. Responsable del proyecto de investigación “Desarrollo y evaluación de competencias profesionales específicas”. Sus trabajos de investigación principales cubrían aspectos de enseñanza de la física, currículos basados en competencias y aprendizaje activo. CERTIFICACIÓN DEL CENTRO DE COMPETITIVIDAD Y PRODUCTIVIDAD EN INGENIERÍA Del 30 de agosto al 2 de septiembre se llevó a cabo la auditoría externa para la Certificación de las Normas ISO 14001:2004 y OHSAS 18001:2007 del Centro de Competitividad y Productividad en Ingeniería de la FIME. La auditoría fue efectuada por el Dr. Paul Castle y el Ing. Arturo Esperón, de la empresa International Premium Registrars. La FIME es la primera dependencia de la Universidad Autónoma de Nuevo León en implementar un Sistema de Gestión Integral y obtener su certificación según estas normas. Reunión de trabajo entre administrativos de la FIME con los auditores de International Premium Registrars. 51 �Eventos y reconocimientos NUEVO PROFESOR EMÉRITO DE LA FIME En la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario de la Universidad Autónoma de Nuevo León, celebrada el pasado 10 de septiembre, encabezada por el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, rector de la UANL con la presencia del Lic. Rodrigo Medina de la Cruz, gobernador del estado de Nuevo León, se otorgó el nombramiento de Profesor Emérito a ocho profesores, entre ellos al M.C. Esteban Báez Villarreal, quien es profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y ex-director de la misma facultad. Los profesores que recibieron este nombramiento son:: Dr. Juan Francisco Pissani Zúñiga Facultad de Agronomía Lic. José Luis Garza López Facultad de Artes Escénicas Dr. José Rosbel Chapa Guerrero Facultad de Ciencias de la Tierra MC. Esteban Báez Villarreal Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica MA. Gloria Nelly Páez Garza Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Pablo Livas” MEC. María del Carmen Quistiano Benavides Preparatoria 6 MMC. Dagoberto Silva Fernández Preparatoria 14 MC. Francisco Abarca Leyva Preparatoria 23 M.C. Esteban Báez Villarreal. 52 NUEVO INTEGRANTE DE LA JUNTA DE GOBIERNO El pasado 10 de septiembre, en la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario de la Universidad Autónoma de Nuevo León, presidida por el rector, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, se le tomó protesta como integrante de la Junta de Gobierno al Dr.Benjamín Limón Rodríguez. El nuevo integrante es Doctor en Ingeniería con énfasis en Ciencias del Agua de la Universidad Autónoma del Estado de México y cuenta con diversos reconocimientos: Medalla al Mérito Cívico, otorgada por el Gobierno del estado de Nuevo León, Profesor Emérito de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Reconocimiento al Mérito Académico, otorgado por la ANFEI, Medalla al Mérito Ecológico otorgada por el R. Ayuntamiento de Monterrey N.L., Medalla al trabajo y Perseverancia Diego Díaz de Berlanga, otorgada por el R. Ayuntamiento de San Nicolás de los Garza Nuevo León, Huésped Distinguido de la Ciudad de Mérida Yucatán, Medalla y reconocimiento como Primer Lugar en el Quinto Concurso Anual de Obras Cemex y la Cámara Nacional de la Industria de la Construcción, Premio de Ingeniería Civil en el Área de la Investigación por el Colegio de Ingenieros Civiles de Nuevo León, Premio y reconocimiento al Mérito Académico otorgado por el colegio de Ingenieros Civiles de Nuevo León, premio Nuevo León a la Ecología, Mención Honorífica Banca Serfín en Concurso Nacional de Investigación. El Dr. Limón Rodríguez es profesor de la Facultad de Ingeniería Civil de la UANL y en la FIME es miembro del Consejo Editorial de la revista Ingenierías. Dr. Benjamín Limón Rodríguez. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Eventos y reconocimientos DIPLOMADO DE ALTA DIRECCIÓN ANFEI Del 10 al 12 de septiembre se llevó a cabo en la FIME la primera sesión del “Diplomado de Alta Dirección para Directores de Instituciones Formadoras de Ingenieros”. Este diplomado fue creado por la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería (ANFEI), en esta ocasión la FIME es la sede, a la que asistieron directivos de diversas instituciones del país. Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado; y el Dr. Juan Manuel Alcocer González, Secretario Académico, para entregar el premio a las mejores tesis de licenciatura y maestría. El Premio a la Mejor Tesis de Maestría 2014 en el área de Ingeniería y Tecnología y Arquitectura, correspondió al M.C. David Elizondo Lozano, de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica por su trabajo “Aspectos físicos y factores que determinan la calidad superficial en el maquinado de compósitos de matriz polimérica reforzados con fibras”, asesorado por el Dr. Moisés Hinojosa Rivera. Participantes del Diplomado de Alta Dirección ANFEI. PREMIO A LA MEJOR TESIS DE MAESTRÍA El pasado 22 de septiembre se realizó una ceremonia presidida por el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León; el Dr. Mario César Salinas Carmona, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 Desde la izquierda, Dr. Arnulfo Treviño Cubero, Subdirector Académico de la FIME, M.C. David Elizondo Lozano, y Dr. Moisés Hinojosa Rivera. 53 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Julio - Septiembre 2015 Jesús Manuel Pérez Osuna, Maestria en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: “Reducción de queja cliente por rompimiento”, 2 de julio. David Abraham de la Cruz Mireles, Maestría en Logística y Cadena de Suministros con orientación en Dirección de Operaciones. Proyecto: “Elección del sistema de distribución adecuado para una empresa manufacturera de giro electrónico”, 2 de julio. Gladys Treviño Flores, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Estrategias de gestión para el mejoramiento de la Beca Fundación UANL”, 3 de julio. Jesús Gerardo García Martínez, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica. Proyecto “Métodos de modelación para una suspensión automotriz pasiva mediante Matlab y Simulink”, 3 de julio.. Héctor Ulises Luna Salas, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: “Estudio de calidad de la energía a una planta siderúrgica”, 3 de julio. Clemente Jr. Cantu Linares, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Procesos esbelto (reducción de costos)”, 6 de julio. Pamela Jocelyn Palomo Martínez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Proyecto: “Problema del agente viajero selectivo con restricciones adicionales”, 8 de julio. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. 54 Roberto Carlos Arellano Rodriguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Índice de terminación de estudios”, 9 de julio. Nathaly Lizzy López Treviño, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. Tesis: “Estudio de las Propiedades Mecánicas de Aleaciones Fe-Si”, 10 de julio. Omar Guzman García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Beneficios financieros de la mejora continua a través de la herramienta del mapa de flujo de valor”, 15 de julio. Jorge Enrique Herrera Arroyave, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Estructuras. Tesis: “Diseño estructural de un sistema CUBESAT con recubrimiento de barrera térmica”, 17 de julio. Carmen Guadalupe Rantería Ovalle, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Índice de terminación de estudios”, 17 de julio. José Evaristo Grimaldo Bovio, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Optimización en línea de ensamblaje automotriz”, 17 de julio. César Arturo Saenz Alanís, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Proyecto: “Secuencias de trabajos en sistemas de producción flexibles”, 21 de julio. Norberto Alejandro Hernández Leandro, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Tesis: “Métodos constructivos basados en relajación Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL lagrangiana para el problema de planeación de horarios a empleados”, 21 de julio. Eduardo López Aguilar, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Tesis: “Formulaciones lineales del problema del ruteo de vehículos con restricciones de sincronización”, 21 de julio. Leilania Lizeth Gamez Ruiz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Uso de las Tic´s para mejorar los promedios en la academia de química del CIDEB”, 22 de julio. Erika Elizabeth Contreras Sosa, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: “Selección del mejor candidato en recursos humanos por medio de tecnologías de la información”, 22 de julio. Manuel Alejandro Lira Martínez, Maestría en Ciencias en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Materiales. Tesis: “Sulfidación en alta temperatura en superaleación haynes 230 empleada en anillos sin costura de turboreactores de aviones”, 23 de julio. Pedro Inés Loera Martínez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Tesis: “Secuenciasción de tareas en una máquina con tiempos de preparación dependientes de la secuencia y etapas fijas de mantenimiento preventivo”, 23 de julio. Sergio Rolando López Prado, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. (Por materias), 24 de julio. Cuitlahuac San Vicente Fuentes, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. (Por materias), 24 de julio. Edgar Germán Pardo Salinas, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica. (Por materias), 24 de julio. Carlos Eduardo Perea Guajardo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: “Optimización de factura electrónica”, 24 de julio. Eri cka Ur bano Ro drí gue z, M aestr ía e n Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: “Murez Invercap”, 24 de julio. Néstor Ivan Martínez Rivera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mécanica con Especialidad en Materiales. Tesis “Análisis término y modal de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 un convertidor catalítico mediante el método de elemento infinito”, 27 de julio. Kevin Yibraim Morales Flores, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: “Reducción de SCRAP producido por máquinas moldeadoras”, 27 de julio. Sergio Héctor Martínez Arredondo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas,. Proyecto: “Análisis financiero industrias Bachoco S.A.B. de C.V.” , 27 de julio. Fernando Yoshua Guzman Pereira, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Fractura en aceros de alta resistencia: mecanismos de agrietamientos y autoafinidad en superficies de fractura”, 29 de julio. Francisco Eduardo López Castillo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica. Tesis: “Diagnostico de fallas basado en observadores con convergencia en tiempo finito”, 31 de julio. Miguel Ángel Bocanegra Galván, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis “Estudio del efecto del procesamiento termomecánico sobre los parámetros de formabilidad en aceros IF para aplicaciones automotrices”, 31 de julio. Juan José Ramírez Natera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: “Optimización del proceso de producción de hierro nodular para piezas automotrices”, 31 de julio. Guillermo Campos Ocampo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: “Desarrollo y evaluación de un filtro de partículas para GPF sistemas de escape en motores de gasolina”, 31 de julio. P atr i ci a P ec h e A l ej a nd ro, M a e s t r í a en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, Proyecto: “Creación de una empresa”, 31 de julio. Otoniel García Sepúlveda, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, Encriptado de datos con osciladores caoticos de orden fraccionario, 31 de julio. Salvador Eduardo Velasco Pérez, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en 55 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Informática, Proyecto: “Lematización y corrección ortográfica RSNWEB”, 5 de agosto. Emmanuel Valdez Cabello, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, Proyecto: “Mesa flexible para el soldado de estructuras”, 7 de agosto. Ana Karen Cavazos Robledo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, Proyecto: “Estrategias motivaciones aplicadas en troquelados y laminados Monterrey S.A de C.V”., 12 de agosto. Sandra Delia Bernal Aguayo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, Proyecto: “Diseño de propuesto de una empresa de consultoría”, 14 de agosto. Jesús Armando Cumplido Rodríguez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Optimización de espacios dentro de un centro de distribución mediante el incremento de la capacidad implementando el uso de racks”, 17 de agosto. Jorge Arturo Martínez González, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Uso de la mejora continua para alcanzar indicadores clave mediante un sistema de administración”, 26 de agosto. Doris Karina Guzmán Coronado, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, Proyecto: “Rotación, causas y solución”, 26 de agosto. Héctor Esponda Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Identificación de la corriente inrush en un transformador de potencia utilizando análisis modal”, 27 de agosto. Fernando Guerrero Vélez, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Dinámica de Vuelo, Tesis: “Diseño de sistema de navegación y guiado para un vehículo aéreo”, 28 de agosto. Perla Yamile González Dueñez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Estudio de las competencias relacionadas al proceso investigativo, caso mujeres estudiantes de posgrado”, 31 de agosto. Rolando Cruz Vesrastegui, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, Proyecto: 56 “Mecatrónica aplicada en la medicina”, 4 de septiembre. Carlos Alberto Villarreal Padilla, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, Proyecto: “Puesta en marcha y posicionamiento en el mercado de una bebida elaborada a base de suero de leche de vaca”, 9 de septiembre. Pedro Iván López Hernández, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, Proyecto: “AP NET 5CO: promoción y comunidad de AsP.Net5”, 9 de septiembre. Evangelina Ramírez Montaño, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, Proyecto: “Proyecto de negocio”, 14 de septiembre. Mayté Salazar Garza, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, Proyecto: “Selección de socios de transportes mediante la herramienta cuantitaiva AHP.”, 14 de septiembre. Rodrigo Guillermo Triana Reyna, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, Proyecto: “Esfuerzos residuales en soldaduras en componentes estructurales”, 15 de septiembre. Jorge Manuel Taboada Solís, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en Materiales. Tesis: “Caracterización de superaleación base níquel C-263 de anillo de forja sin costura en la industria aeronáutica”, 17 de septiembre. Luis Alberto Espinoza Zuñiga, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz, Tesis: “Evaluación de la integridad superficial de la aleación de AI-6063 para componentes automotrices”, 18 de septiembre. Manuel Tovar García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, Proyecto: “Cultura del reciclaje en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME)”, 21 de septiembre. Sergio Armando Bustamante Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, Proyecto: “Diagnóstico Energético”, 21 de septiembre. Gerardo de Jesús Balderas Juárez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, Proyecto: “Safe Now”, 23 de septiembre. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Eduardo Valverde Reyes, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales, Tesis: “Comportamiento fotooxidativo de compositos de polietileno de alta densidad con incorporación m-Bi2MoO6”, 25 de septiembre. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 Carlos Alberto Haro Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, Proyecto: “Evaluación de condición y estimulación de vida residual de transformadores de potencia en servicio”, 28 de septiembre. 57 �Acuse de recibo Revista internacional de métodos numéricos para cálculo y diseño en ingeniería La revista contribuye a la difusión de los desarrollos teóricos y aplicaciones prácticas de los métodos numéricos en español y portugués. Aunque su publicación física trimestral se encuentra en la Universidad Politécnica de Cataluña en España, cuenta con colaboraciones de la Sociedad Española de Métodos Numéricos en Ingeniería de Barcelona, la Asociación Argentina de Mecánica Computacional de Santa Fe, Argentina y del Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería también de Barcelona, España. Los nuevos números de la revista pueden ser accedidos mediante la siguiente página: http://www.elsevier.es/es-revista-revistainternacional-metodos-numericos-calculodiseno-ingenieria-338 DOCM 58 Ingenium Ingenium es una publicación que realiza la Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas de la Universidad Santiago de Cali. En sus articulos se podrán encontrar diversos estudios que aportan a la ingeniería. En el presente número podemos encontrar un artículo sobre el Uso de biomasas para la adsorción de plomo, níquel, mercurio y cromo, realizado por Candelaria Tejada Tovar, el cua plantea realizar dicho proceso por subproductos agrícolas por estar altamente disponibles y ser económicos y eficientes. La revista puede ser encontrada electronicamente en la página: http://revistas. usc.edu.co/ DOCM Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Colaboradores Almaguer López, Rafael Baruc Estudiante de Ingeniero en Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL. Tiene habilidades para el diseño electrónico y programación de microcontroladores. Ha colaborado en actividades académicas relacionadas en este campo de la ingeniería. Sus intereses son en electrónica vinculada con la inteligencia artificial. Bolarín Miró, Ana María Química Metalúrgica por la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Barcelona, España (1994). Doctorado en Ciencias de los Materiales Metálicos por la Universidad de Barcelona, España (1999). Actualmente es profesor Investigador de la UAEH desde 1999, miembro del SNI nivel 2 y profesor con perfil deseable PROMEP. Cortés Escobedo, Claudia Alicia Ingeniera Química Industrial (2001) y Maestra en Ciencias en Metalurgia y Materiales por la ESIQIEIPN (2005). Doctora en Ciencias en Materiales por el CINVESTAV-IPN (2007). Posdoctorado en la Universität des Saarlandes, Saarbrucken, Alemania (2009). Posdoctorado en la ITODYS, Université de Paris Diderot, Paris, Francia (2013). Actualmente es docente-investigadora en el CIITEC-IPN desde 2006 y miembro del SNI nivel 1 desde 2009. Sus líneas de investigación están dirigidas hacia la síntesis y caracterización de materiales funcionales. Cabrera Ríos, Mauricio Obtuvo el doctorado en Ingeniería Industrial y de Sistemas en la Universidad Estatal de Ohio en 2002. Llevó a cabo el posdoctorado en la misma universidad durante el 2003. Del 2004 al 2008 fue Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 profesor investigador (SNI Nivel 1) en el Programa de Posgrado en Ingeniería de Sistemas de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Del 2008 a la fecha ha estado afiliado al Departamento de Ingeniería Industrial de la Universidad de Puerto Rico, Recinto de Mayagüez. Sus intereses de investigación abarcan la caracterización estadística, la modelación matemática y la optimización de criterios múltiples en procesos tanto de manufactura como biológicos. Autor de más de 50 artículos técnicos arbitrados y director del Applied Optimization Group (/www.facebook. com/AppliedOptUPRM/). Editor fundador de JOUST (Journal of Undergraduate Research Students) y colaborador de Ingenierías desde el 2005. García Solís, Adrián Emmanuel Estudiante de Ingeniero en Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL. Realizó sus prácticas profesionales en el área de Calidad estandarizando procesos para Servicios Integrales Nova de Monterrey. Obtuvo reconocimiento al mérito académico por parte de la FIME, formando parte del grupo de los 100 mejores promedios de la Facultad. Garza Navarro, Marco Antonio Ingeniero Mecánico Electricista (2004), M.C. en Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2006) y Doctorado en Ingeniería de Materiales (2009) por la FIME-UANL. Premio de Investigación UANL-2009, Nivel I en el SNI. Actualmente es Profesor Investigador de la FIME-UANL. Gaytán Cavazos, Carlos Recibió el grado de Ingeniero Mecánico Electricista en la Universidad Autónoma de Nuevo León. 59 �Colaboradores Ingresó a la empresa Prolec GE en año de 1988 especializándose durante más de dos décadas en el diseño de los transformadores. Actualmente es el Gerente de Tecnología y Desarrollo de Producto para la división de Transformadores de Distribución. Carlos es miembro activo y lidera varios grupos de trabajo de la IEEE. González González, Virgilio Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales otorgado por la FIME-UANL. Ha sido investigador científico en el campo de los polímeros desde 1975, tiene en su haber más de 40 publicaciones técnico-científicas y de difusión. Ha sido jefe de los departamentos de Fisicoquímica de Polímeros y Macromoléculas. Es miembro del SNI nivel II. Es profesor de tiempo completo de la FIME desde 1998. Idárraga Ospina, Gina Ingeniera Electricista de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Medellín (2002). Doctora en Ingeniería Eléctrica, Universidad Nacional de San Juan (UNSJ), Argentina (2007). Investigadora invitada de la Friedrich Alexander Universität, Erlangen- Nürnbert, Alemania (2006 y 2009). Actualmente Profesora Investigadora de la División de Posgrado en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Autónoma de Nuevo León. México. (desde 2008). Sus áreas de interés incluyen la simulación y modelado de fenómenos transitorios, procesamiento de señales y aplicación de la transformada wavelet en sistemas eléctricos de potencia. López Guerrero, Francisco Eugenio Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero en Control y Computación de la UANL Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas en la misma Universidad, durante estos estudios participó en la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania en donde desarrolló su tesis de maestría. Doctor en Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma de Nuevo León trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Profesor de tiempo completo de la División de Ingeniería Mecánica de 60 la FIME. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. Martínez Calderón, Horacio Estudiante de Ingeniero en Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UANL. Obtuvo el título de Técnico en Electrónica por el Bachillerato Tecnológico Industrial y de Servicios #34.Tiene experiencia en el diseño mecánico y de circuitos electrónicos, así como el manejo de inglés certificado EXCI. Sus áreas de interés son la robótica y sistemas de control robustos. Actualmente hace su tesis en el postgrado de eléctrica de la FIME, en el campo de conversión eficiente de energía. Morones Ibarra, J. Rubén Licenciado en Ciencias Físico Matemáticas (UANL). Obtuvo su doctorado en Física en el área de Física Nuclear Teórica en la University of South Carolina, USA. Actualmente es maestro de la Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas de la UANL. Ortiz Méndez, Ubaldo Egresado de la Facultad de Ciencias FísicoMatemáticas de la UANL, obtuvo su DEA en Ciencias de Materiales en la Universidad Claude Bernard de Lyon, Francia y su doctorado en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon. Es investigador de la FIME-UANL, miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y miembro del SNI. Actualmente es director del Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología (CIIDIT). Palomino Reséndiz, Roberto Luis Ingeniero en Mecatrónica por el Instituto Tecnológico de Tlalnepantla (2010), con especialidad en Control y Automatización de procesos de manufactura, Actualmente estudiante del programa de Doctorado en Ciencias de los Materiales por la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Saldívar Hinojosa, Juan José Recibió el grado de Ingeniero Mecánico Electricista en 1991 en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Ingresó a la empresa Prolec GE en año de 1991 como Ingeniero de Diseño y actualmente se desempeña como Gerente de Desarrollo de Producto en el Departamento de Desarrollo de Producto en la División de Transformadores de Distribución. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Colaboradores Sánchez de Jesús, Félix Ingeniero Mecánico-Electricista por la FI-UNAM (1993). Master en Tecnología de Pinturas, Fundación Bosch i Gimpera-Universidad de Barcelona, España (1995). Doctorado en Ciencias de los Materiales Metálicos por la Universidad de Barcelona, España (1999). Actualmente es Profesor-Investigador de la UAEH desde 2000, miembro del SIN nivel 1 y líder del CA-PQFES-UAEH, PROMEP. Tenorio González, Felipe Nerhi Ingeniero Mecánico Automotriz por la Universidad Politécnica de Tecámac, México (2013). Actualmente estudiante del Doctorado en Ciencias de los Materiales en la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, México. Torres Castro, Alejandro Maestro en Ciencias y Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Posdoctorado en University of Texas at Austin, USA. Actualmente es profesor investigador en la FIME. Torres Treviño, Luis Martín Cursó la Licenciatura en Electrónica con especialidad en Sistemas Digitales en la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí 1994. Obtuvo el título de Maestría en Ingeniería Eléctrica con especialidad en Control automático por parte de la misma facultad 1997. Se tituló de Doctor en Ciencias con especialidad en Sistemas Inteligentes en el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey campus Monterrey en el año de 2001. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 Actualmente labora como profesor investigador Universidad Autónoma de Nuevo León Vera Serna, Pedro Ingeniero Mecánico del Instituto Tecnológico de Pachuca (1998), Doctorado en Ciencias de los Materiales por la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo (2010), Estancia de Investigación en la Universidad Tecnológica de Bratislava en Eslovaquia (2008), ha participado en proyectos de mejora, investigación y desarrollo tecnológico de materiales, procesos de manufactura y diseño en empresas como Zetrak, DINA, Bombardier, Cooperativa de Trabajadores de Pascual, Transmasivo, Nafex. Actualmente Profesor de Tiempo Completo en la Universidad Politécnica de Tecámac, con la distinción de SNI nivel I. Zambrano Gómez, Elisa Recibió el grado de Ingeniero Mecánico Electricista en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Adicionalmente obtuvo el título de Ingeniero así como una Especialidad en Energías renovables por parte de l’École Nationale d’Ingénieurs de Metz en Francia. Posteriormente cursó la Maestría en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Ingresó a la empresa Prolec GE en año de 2011 como Ingeniero de Desarrollo Eléctrico en el Departamento de Desarrollo de Producto en la División de Transformadores de Distribución. Actualmente se desempeña como Líder de Planeación Tecnológica. 61 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de 62 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Revisores Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año XVIII, No. 69 Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, 63 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. 64 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2015, Año. XVIII, No. 69 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2015 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 18 Número Número de la revista 69 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2015, Año 18, No 69, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2015 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020832 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Dispersión en Cálculos Fisiograma Modelos Empíricos Redes neuronales Robot https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20791/Ingenierias_2015_Ano_18_No_68_Julio-Septiembre.pdf ceb2c930295163a5abfdef0bd82124f7 PDF Text Text ��68 Contenido Julio-Septiembre de 2015, Año XVIII, No. 68 2 3 6 15 23 32 41 52 57 59 60 63 64 Directorio Editorial: Formación Internacional Arnulfo Treviño Cubero La luz en la cultura Azteca-Mexica Paola Angelica Sosa Salazar, Oscar Rene González López Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación en una fibra óptica Vidal Alfredo Trejo Rocha, Maripaz Moreno Díaz, Norma Patricia Puente Ramírez Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura del sector urbano en Girardot-Cundinamarca Aldemaro Gulfo Mendoza, Luis Fernando Serna Hernández Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno Mayra Iveth Llamas Hernández, Carlos Alberto Guerrero Salazar, Martín Edgar Reyes Melo, Juan Francisco Luna Martínez Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales Rodrigo Puente Ornelas, Leonardo Chávez Guerrero, Gerardo Fajardo San Miguel, Alejandro Trujillo Álvarez, Herlinda María Delgadillo Guerra Eventos y reconocimientos Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Acuse de recibo Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 3 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVIII, N° 68, julioseptiembre 2015. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Impresos Baez, Jesús M. Garza 3219 Oriente, Col Francisco I. Madero, Monterrey Nuevo León, México, C.P. 64560. Fecha de terminación de impresión: 15 de julio de 2015. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2015 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván M.C. Jesús G. Puente Córdova Daniela Gutiérrez Dimas Redacción Gregoria Torres Garay Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster María de los Ángeles Baez Acuña Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / M.I.A Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL /Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / M.C. Gabriel Martínez Alonso, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL. 4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 �Editorial: Formación Internacional Arnulfo Treviño Cubero Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Arnulfo.Trevinoc@uanl.mx La educación superior en México está enfrentando diversas demandas sociales que son consecuencia de un entorno que cambia rápidamente, como resultado, entre otros factores, de los procesos de globalización; del desarrollo de la sociedad del conocimiento; de la innovación científico-tecnológica; de las veloces transformaciones en la estructura del mercado laboral y de las ocupaciones; de una mayor exigencia por la pertinencia y calidad de la educación que imparten. Una exigencia del mundo globalizado es que las instituciones de educación superior mexicanas formen profesionistas que sean competentes a nivel internacional, lo cual significa que sus egresados deben tener los mismos conocimientos, habilidades, destrezas y actitudes, que los que se forman en escuelas extranjeras, para lo cual, se hace necesario contar con programas educativos pertinentes que atiendan a las necesidades que ahora se presentan, la capacitación y actualización de la planta docente, el contar con cuerpos académicos consolidados, en consolidación y en formación, con líneas de generación y aplicación del conocimiento acordes a los programas educativos y que integren a los profesores según su perfil participando en redes temáticas interinstitucionales, formar células académicas de colaboración que contribuyan a la propuesta de proyectos de investigación, desarrollo e innovación (I+D+I) entre dependencias e instituciones nacionales e internacionales, que tenga por resultado la movilidad académica en general, la codirección de tesis y trabajos de divulgación, entre otros. Esto se consigue a través de diseños curriculares adecuados y de la capacitación de profesores para que ofrezcan los elementos que ese tipo de formación requiere. Adicionalmente a la formación en las aulas, se tienen seminarios, conferencias y cursos que están dictados por profesores de otras instituciones educativas. También existe la intención de que los estudiantes tengan contacto directo con el medio académico de otras instituciones, por lo que es cada vez más común que haya programas educativos que consideran la movilidad académica de estudiantes, la cual consiste en que ellos realicen parte de su formación integral, tomando cursos o realizando prácticas, en otras organizaciones del extranjero. Los estudiantes que participan en esta actividad representan a su institución de origen, por lo que se requiere un proceso de selección cuidadosa de los candidatos que asegure el mejor aprovechamiento de esta oportunidad para complementar la formación, lo cual requiere que los profesores conozcan bien sus implicaciones. Los profesores que participan en este programa tienen conocimiento de cómo funcionan las cosas en otros países, especialmente aquellos Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 5 �Formación Internacional / Arnulfo Treviño Cubero. a los que la movilidad está orientada, por lo que pueden validar y promover las actitudes necesarias en los estudiantes a los que ya se les ha detectado cierto interés y sobre todo, capacidad para aprovechar esa experiencia. Esto significa que la interacción entre profesores y estudiantes es indispensable, ya sea informalmente o mediante la tutoría, individual o por grupos de profesores. La tutoría es una actividad que no se da por decreto, en diversos cursos y diplomados se hace mención de un aspecto empático entre el tutor y el tutorado. La vocación de un profesor lo distingue de un empleado, un profesor termina satisfecho de su clase cuando siente que ha logrado transmitir algo que ayudará a los estudiantes a construir las competencias que correspondan a su curso. Esta misma vocación hace que un profesor note que en su grupo hay ciertos estudiantes que tienen facilidad o talento para entender los temas en los que él trabaja, lo que hace que se conozcan mejor, de manera que sin realmente proponérselo se da una labor de tutoría, que lleva a que el profesor le ofrezca más información que promueva ese talento. ¿Qué más hace este profesor para promover ese interés? entre otras cosas, le recomienda material complementario, lo invita a que tome clase con ciertos profesores con los mismos intereses, lo motiva para que aprenda otro idioma, lo entera de convocatorias. La vocación del profesor hace que además de detectar el talento, trate de cultivarlo y promoverlo, mediante la guía y ejemplo, para lograr la formación integral del estudiante. Uno de los elementos más importantes en la vida de un profesor es su libertad para emprender iniciativas, no se requiere un programa especial para que realice esta labor académica, ya que por la naturaleza de su misión, las instituciones de educación dejan ese espacio para actuar. ¿Qué pasaría si hubiera un sistema que impidiera al profesor ayudar a un estudiante debido a que no es su tutor asignado? Eso no funcionaría, y por eso los programas de tutoría institucionales siempre dejan cierta flexibilidad en esta relación, de manera que se procura que en efecto los tutores y sus tutorados se identifiquen ellos mismos. De la misma forma que los profesores realizan tutoría individual, la flexibilidad académica de las instituciones favorece que la tutoría también sea realizada por algún grupo de profesores hacia grupos de estudiantes. En ambos casos parte del objetivo es identificar a aquellos que tienen el talento, el deseo y la capacidad (hay que querer y hay que poder), y los que tienen áreas de oportunidad, para poder establecer el mejor entorno para que aprovechen los diversos programas especiales que son parte de los modelos de formación integral y que incluyen actividades académicas, artísticas y deportivas. Estas actividades se promueven a través de programas de talentos y de movilidad, y particularmente en la FIME, mediante reconocimientos como el grupo de los 100 y el reconocimiento al mérito académico. Estos programas tienen la intención de encontrar a esos estudiantes adecuados en una etapa temprana, en los primeros semestres, para que se desempeñen con éxito durante sus estudios. La ventaja de que esta tarea se haga en una etapa temprana es que los estudiantes podrían poner en práctica el consejo, dado a través del ejemplo y no sólo mediante las palabras, de los profesores, a tiempo para poder disfrutar de los beneficios de estos programas. Por ejemplo, un estudiante que aspira a participar en el programa de movilidad tendría tiempo para dedicar el esfuerzo necesario para cumplir con los requisitos de tal aspiración. 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 �Formación Internacional / Arnulfo Treviño Cubero. Este búsqueda inicia con el proceso normal de admisión de la institución, y después, los profesores que imparten clases en ciencias básicas, son los que tienen la primera oportunidad para detectar a los estudiantes cuyas actitudes y valores son propicias para que tengan una formación sólida, por supuesto integral, para que se desarrollen adecuadamente en cualquiera de los programas en que participen, ya sea durante su estancia como estudiantes, como en su vida profesional. Una limitación para lograr que todos los estudiantes participen en el programa de movilidad es la capacidad de las instituciones receptoras, por lo que no es posible que todos los estudiantes estén en el programa de movilidad. Sin embargo, esta condición no es una limitante para que todos los estudiantes reciban los elementos de construcción de competencias de nivel internacional. Esto también significa que los estudiantes que no participan en el programa de movilidad no se ven perjudicados porque la formación que tienen al cursar su carrera es de tipo internacional, ya que la currícula está diseñada tomando en cuenta esa exigencia, por lo que aun los estudiantes que no vayan al extranjero reciben esa formación, para que sean competentes a nivel internacional. La diferencia está en la experiencia misma, que es deseable, pero no en la formación. Sin restar importancia al programa de movilidad, se debe tener presente que es sólo uno de los elementos de auxilio en la formación internacional de los estudiantes, que es altamente deseable, mas no indispensable, dado el diseño de las curriculas. Lo que sí es indispensable es que los estudiantes y sus tutores tengan buena comunicación, que los tutores promuevan la formación internacional y tener una estructura, en base a las academias, para dar el seguimiento y realizar las acciones necesarias para que los estudiantes vayan desarrollando las competencias previstas en la currícula. Es claro que las competencias internacionales de los ingenieros tienen una fuerte acentuación sobre las ciencias básicas, por lo que se debe procurar en las instituciones de educación superior, las condiciones que aseguren que todas las academias, con sus profesores, trabajen en favor de la formación de ingenieros con competencias internacionales con especial atención en las ciencias básicas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 7 �La luz en la cultura AztecaMexica Paola Angélica Sosa Salazar, Oscar René González López Instituto Nacional de Antropología e Historia, Museo del Templo Mayor, México paola_sosa@inah.gob.mx RESUMEN Con motivo del Año Internacional de la Luz, se ha publicado una variedad de documentos sobre su naturaleza, la visión de diferentes culturas, así como las tecnologías basadas en ella. La parte visible del espectro electromagnético es la más conocida y con el que mayor relación tienen las culturas, asociándolo al sol, al fuego, a los cuerpos celestes que reflejan la luz del sol y a otros objetos incandescentes. Dada la importancia de nuestro país en la propuesta para que la Asamblea General de las Naciones Unidas proclamara el año 2015 como el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en Luz, consideramos oportuno hacer una mención general de lo que significa la luz para la cultura Azteca-Mexica, incluyendo una propuesta reciente sobre espejos de agua. PALABRAS CLAVE IYL2015, luz, Azteca, Mexica. ABSTRACT After The International Year of Light and technologies based on Light, several documents about its nature, the vision of different cultures, as well as technologies based on ti, have been published. The visible portion of the electromagnetic spectra is the best known, with the greatest relation with cultures in association with the sun, the fire, the celestial bodies that reflect light, and other incandescent objects. Given the importance of Mexico in the proposal for having the International Year of Light and Technologies based on Light 2015 proclaimed by The General Assembly of The United Nations, we consider the opportunity for making a general mention of the meaning of the light for the Aztecan-Mexian, including a recent proposal about water mirrors. KEYWORDS IYL 2015, light, Aztecs, Mexicas. INTRODUCCIÓN 2015 ha sido proclamado el Año Internacional de la Luz y las tecnologías basadas en la luz por la 68 Asamblea General de la Naciones Unidas, reconociendo con esta decisión la importancia de la luz en la vida de la humanidad, sus sociedades y sus retos tecnológicos. La luz ha sido esencial en la vida del hombre desde sus orígenes, su manipulación permitió el nacimiento de las civilizaciones 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. y su desarrollo es una constante en la historia del mundo. En este contexto abordaremos el concepto de luz en una cultura emblemática de la identidad nacional, los azteca-mexicas, explorando su relación con la luz como energía divina y algunos usos cotidianos. Sin pretender un texto de investigación científica, revisaremos desde la traducción de los textos en lengua náhuatl proporcionados por los informantes de Sahagún, como los Mexicas crearon su imaginario social en torno a la luz. “In Tlamatini: Tlavilli ocult, tomovacocult hapocyo”. “El sabio: una luz, una tea, una gruesa tea que no ahuma”. Informantes de Sahagún, tr. M-León Portilla ORIGINARIOS DE LA LUZ Habitar el altiplano mexicano era vivir en contrastes de colores, expuestos a tonalidades, a luces que partían el día, la luz era sinónimo de sabiduría, tanto que define al filósofo (Tlamatini), así como define las transiciones de tiempo y espacio, gestación y ocaso, ya que para los mexicas el universo existía gracias al movimiento y este era el resultado de dos fuerzas complementarias que se confrontaban eternamente en su lucha por ocupar el lugar del otro. Estas energías eran básicamente la luz y la oscuridad, elementos que relacionaban a estas fuerzas como el frío y el calor, el día y la noche, lo femenino y los masculino entre otros. “Se dice que cuando aún era de noche, cuando aún no había día, cuando aún no había luz, se reunieron, se convocaron los dioses allá en Teotihuacan” Informantes de Sahagún Los diferentes textos recuperados por Sahagún, Duran, Torquemada y los frailes franciscanos revelan claramente el proceso de explicación empírica de la realidad. Entretejida la observación de la naturaleza, la humanización de la misma se va construyendo la Ciencia Mexica que da sentido a la existencia. Inmersos en una cuenca rodeada de volcanes no es de extrañar que la observación y estudio Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 del comportamiento vulcanológico identifique la antigüedad de la tierra siendo precisamente el Huehuetéotl (Dios viejo) la deidad antigua, la primera luz que calienta y da vida, la que ha sido dada a los hombres, su abuelo, un señor del tiempo, eje que como sea denota la eternidad. Huehuetéotl es considerado manifestación luminosa y terrestre del Ometéotl, ese ser originario que las crónicas de Cuahutitlán: 1 “Y se refiere, se dice 2 que Quetzalcóatl, invocaba, hacía su dios a algo (que está) en el interior del cielo. 3 a la del faldellín de estrellas, al que hace lucir las cosas; 4 Señora de nuestra carne, Señor de nuestra carne; 5 la que está vestida de negro, el que está vestido de rojo; 6.-La que ofrece suelo (o sostiene en pie) a la tierra, y que la cubre de algodón. 7.-Y hacia allá dirigía sus voces, así se sabía, hacia el lugar de la Dualidad, el de los nueve travesaños con que consiste el Cielo... “ Transcripción de Miguel León Portila en Lafilosofia Náhuatl estudiada en sus fuentes Padre y Madre de los dioses, Ometéotl vive en el ombligo del cielo y es luz, tanto como obscuridad, la crónica de Cuahutitlán lo define claramente: 1 “Madre de los dioses, padre de los dioses; el dios viejo, 2 tendido en el ombligo de la tierra, 3 metido en un encierro de turquesas. 4 El que está en las aguas color de pájaro azul, el que está encerrado en nubes, 5 el dios viejo, el que habita en las sombras de la región de los muertos, 6 el señor del fuego y del año.” Simultáneamente, padre y madre (Ometéotl) han dado vida a todo cuanto existe y en el principio hicieron el fuego, el sol, la luz. 2 y todos cometieron a Quetzalcóatl y a Uchilobi (Huitzilopochtli), que ellos dos lo ordenasen, y estos dos, por comisión y parecer de los otros dos, hicieron luego el fuego, y fecho, 7 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. hicieron medio sol, el cual por no ser entero no relumbraba mucho sino poco. Transcripción de Miguel León Portila en La filosofía Náhuatl estudiada en sus fuentes. Creaciones binarias, fuego y sol, hombre y maíz, pareciera un eje de significación donde un elemento alimenta al otro. El fuego primigenio esta ahí, desde el origen, desde el “ombligo” mientras las otras luces “los tezcatlipocas” toman su lugar, en especial Quetzalcóatl el venus mexicano, la estrella de la mañana, la luz vespertina, la serpiente que combate al jaguar, cuya piel es un cosmos invertido, un mapa de las estrellas. El rojo amanecer que se puede observar en el oriente definido por Tezcatlipoca rojo siempre mantiene la obscuridad al norte, permanente de tal que sólo puede ser clareada avanzada la mañana, sin embargo permite siempre la presencia de Venus, estrella matutina y vespertina, según la cuenta de los días. El azul permanente reflejo de luz que todo el año esta presente y sólo se tiñe con los contrastes de la lucha entre el día y la noche variando desde el rojo sanguíneo hasta el morado nocturnal, es el Huitzilopochtli cara del sur. Ahora el universo tiene colores y luces contrastantes que solo quienes han vivido en campo abierto podrían confirmar, quienes han podido amanecer en la cima de la montaña saben que esta coloración no es casualidad. La observación de los colores de las luces de la naturaleza tiene implícita la concepción de movimiento pero las luces creadoras aun no han sido perfeccionadas y los Dioses se reunieron en Teotihuacan para una nueva creación. “Llegada la media noche, todos los dioses se pusieron en derredor del hogar que se llamaba. En este lugar ardió el fuego cuatro días... y luego hablaron...” “Después que ambos se hubieron arrojado en el fuego, y que se habían quemado, luego los dioses se sentaron a esperar a qué parte vendría a salir el Nanahuatzin.” “Habiendo estado gran rato esperando, comenzóse a poner colorado el cielo, y en todas partes apareció la luz del alba.” 8 “...miraron a todas partes volviéndose en derredor, mas nunca acertaron a pensar ni a decir a qué parte saldría, en ninguna cosa se determinaron; algunos pensaron que saldría de la parte norte, y paráronse a mirar hacia él: otros hacia medio día, a todas partes sospecharon que había de salir; porque por todas partes había resplandor del alba; otro se pusieron a mirar hacia el oriente, y dijeron aquí de esta parte ha de salir el sol. “ “...los que miraron hacia el oriente fueron Quetzalcóatl, que también se llama Ecatl, y otro que se llama Tótec... y cuando vino a salir el sol, pareció muy colorado, y que se contoneaba de una parte a otra, y nadie lo podía mirar, porque quitaba la vista de los ojos, resplandecía, y echaba rayos de sí en gran manera, y sus rayos se derramaron por todas partes...” Citado por Miguel León Portilla en su folosofia Náhuatl El alba luz total que inunda todo el universo, sólo opacada por el rojo sol del oriente previsualizado por Quetzalcóatl, da fundación al quinto sol denominado Nahui Ollin o sol de movimiento y el Códice Matritense (figura 1) lo relata: “al principio el quinto Sol no se movía: “entonces, dijeron los dioses, ¿cómo viviremos? ¡No se mueve el Sol!” Para darle fuerzas se sacrificaron los dioses y le ofrecieron su sangre. Por fin sopló el viento y “moviéndose, siguió el Sol su camino” “ Citado por Miguel León Portilla en su filosofía Náhuatl La lectura de este fragmento del Códice Matritense nos permite ingresar el concepto de movimiento a la explicación simbólica de la realidad mexica. Movimiento---> vida Sangre = alimento Alimento----> vida Para lo cual se requiere de un ejercicio transformacional que pasa del estado de “no vida” al estado de vida por medio de la ingesta de la sangre derramada en sacrificios. Existe pues una correlación de elementos luminosos que se articulan con otros elementos Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. Fig. 1. Códice Matritense. naturales; unos les contienen, otros les animan, y valga decir que, por lo mismo los reflejan. Establecer la fundamentación del mundo desde estas relaciones, implica un ejercicio que define no solo los principios de interacción manifestados claramente en la construcción del imaginario mexica sino también la jerarquización de la vida cotidiana. Brevemente sintetizaremos como cada fenómeno luminoso, cada manifestación de soles, estrellas, planetas y demás quedan jerarquizados y por tanto también entrelazados. El codice Vaticano muestra claramente esta integración. En el primer cielo, el cielo inferior, el que todos vemos: es éste aquel por donde avanza la luna (llhuícatl Metztli) y en el que se sostienen las nubes. El códice Matritense lo describe: 1 ”Cuando la luna nuevamente nace, parece como un arquito de alambre delgado, aún no resplandece, y poco a poco va creciendo, 2 a los quince días es llena, y cuando ya lo es, sale por el oriente. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 3 A la puesta del sol parece como una rueda de molino grande, muy redonda y muy colorada, 4 y cuando va subiendo se para blanca o resplandeciente; aparece como un conejo en medio de ella, y si no hay nubes, resplandece casi como el sol a medio día; 5 y después de llena cumplidamente, poco a poco se va menguando hasta que se va a hacer como cuando comenzó; 6 dicen entonces, ya se muere la luna, ya se duerme mucho. 7 Esto es cuando sale ya con el alba, y al tiempo de la conjunción dicen: “ya es muerta la luna”. Toda la observación empírica de los tlamatimini mexicas está basada en que la luminosidad define tonalidades, equiparadas con procesos de vida y muerte. En el segundo cielo se encontraba el faldellín de estrellas, manifestación femenina de Ometéotl y divide dos grandes campos Las estrellas del Norte o Centzon Mimixcoa y las estrellas del sur CetzonHuitznahua. Y de aquí toda la visualización de estrellas y constelaciones que dan forma al ciclo de 52 años mediante el movimiento de las Tianquiztli o pléyades que determinaban el encendido del fuego nuevo. Los informantes de Sahagún relatan el tercer cielo 1 ”El Sol, águila con saetas de fuego, 2 Príncipe del año, dios. 3 Ilumina, hace resplandecer las cosas, las alumbra con sus rayos. 4 Es caliente, quema a la gente, la hace sudar, vuelve moreno los rostros de la gente, los ennegrece, los hace negros como el humo”. Descripciones que definen la acción de la luz primigenia de esa creación de los Dioses que integra no solo el tránsito de la noche al día, dominio de Tonatiuh, mas el cuarto cielo es el terreno de Venus la huey citlallin o estrella grande Existen trece cielos en la cosmogonía mexica, pero hasta aquí queda la fuerza de la luz manifestada en el sol y las estrellas, protagonistas de la gran batalla de los Dioses, de la alternancia de los elementos. La lengua, que da cuenta de la visión permanente de la luz y las palabras derivadas de la raíz sustantiva, 9 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. nos permite aproximarnos a la complejidad del pensamiento azteca-mexica. Podemos entender claramente que la luz tiene su origen en lo que baja y va adquiriendo modificaciones tanto simbólicas, como descripciones físicas que derivan en la cualidad del espejo. De aquí la existencia del concepto Tezcatlanextia “el espejo que hace aparecer las cosas” ve su origen etimológico en la palabra Tlanextia. Pero va más allá de una simple palabra compuesta designa al instrumento que refleja iluminando la vida pero baja la inevitable dualidad mexica coexiste con Tezcatlipoca “el espejo humeante” el cual obscurece con su humo la creación. Tezcatlipoca, nombre dado a los hijos de Ometéotl, el blanco, el negro, el rojo y el azul, representaciones de las diferentes tonalidades de luz que manifiestan los cuatro momentos geosolares. Este complejo de observaciones de la naturaleza en que vivían los mexicas y que se manifiesta en la reinterpretación lingüística y simbólica por medio de historias mitológicas que explican su realidad, propósito y destino en tanto pueblo predestinado por los dioses para llevar “la luz” a otros pueblos. Ahora el espejo (valga decir el reflejo) es un elemento fundamental para comprender el universo esta naturaleza de la tezcatlanextia para crear, y para ocultar. La arquitectura es siempre un reflejo de la cultura, da cuenta físicamente de las respuestas del ser humano a su presencia en el medio ambiente, ya sea para integrarse a él o para modificarlo. Palabra Carga semantica (no Nahuatl significado) Tlani Lo que baja Tlane (ci) Luz que rompe el día (alba) Tlanecitia Luz que rompe la obscuridad Tlanextli Luz Radiante Tlanextia Alumbrar Tlanextilia Transitivo de alumbrar (lo que va alumbrando) Tlanexilia Amanecer Tlanex yotl El resplandor (lo que es luz) El análisis es nuestro sobre un corpus presentado en el texto “An Analitical Dictionary of Nahuatl” de Francés Kattunen. 10 En la cultura azteca-mexica donde todo es resultado de esta ciencia empírica, nacida de la observación y resemantizada desde el ejercicio simbólico de las fuerzas naturales es evidente que los procesos urbanísticos estaríaninmersos en esta acción creadoraocultanten de la Tezcatlanextia. Es Teotihuacan el modelo de desarrollo arquitectónico más antiguo donde la construcción de edificios ceremoniales como las pirámides reproducciones humanas de los cerros donde viven los dioses “Altépetl” en tanto centros de habitat y de poder político contrastan con las habitaciones de los hombres comunes, agrupados en barrios, según su oficio, según su linaje y casta, según su origen étnico. No observaremos ahora los Altépetl y sus maravillosos efectos luminosos que sin duda son ejemplo de observaciones transmitidas generacionalmente por medio de tradición oral y confirmada por recientes estudios arqueoastronómicos, sino que nos concentráremos en el modelo constructivo y de iluminación de los centros poblacionales que aun conservamos como Zacuala, Tepantitla Atetelco y que nos permiten rastrear ejes arquitectónicos que llegan hasta Tula la grande en el palacio quemado y la casa de las águilas en el complejo del Templo Mayor, centro político ceremonial de la Gran Tenochtitlán. Cada casa es un elemento de reordenación entre los mundos y desde luego habría que incluir dos elementos esenciales, la luz eje de comunicación y convivencia y el agua eje de articulación e integración por medio del anillo de agua y del teoatl unificador universal. Una forma de encontrar si el principio de los espejos de agua es real, es analizando la planta de un edificio en Zacuala (figura 2) cercano al centro de poder teotihucano. Podemos observar hoy día los basamentos y pies de los muros que forman parte de este edificio, así como las plataformas que sostenían los muros por donde penetraba la luz que se reflejaba en espejos de agua que hoy claramente se pueden observar. Sabemos que no son patios hundidos por la profundidad de los espacios, las reconstrucciones han mostrado como Zacuala tenia esos tragaluces y evidentemente han quedado descubiertas las coincidencias entre las áreas con columnas y esas poco profundas áreas hundidas donde seguramente Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. se reflejaba el agua durante el día coloreando los rojos muros de las habitaciones teotihuacanas. Manifestaciones internas de la Ilhuica-atl que refleja claramente esas TezcaTlanextlia integando a las fuerzas de los Dioses dentro del recinto no solo iluminando la habitación sino tambien coexistiendo. Teotihuacán sería abandonado y posteriormente en Tula, la grande, se construiría la ciudad Tolteca que asume su herencia teotihuacana y sin sorpresas aparece recurrentemente la formación de estos espacios bordeados por columnas y con espejos que quizá podríamos llamar versiones terrenales y domésticas del Tezcatlanextia espejo creador (figura 3). Tres grandes espacios alineados con las mismas dimensiones y donde aún más claramente que en Zacuala se notan las diferencias estructurales en cuanto a la profundidad de los basamentos. Claramente definidos los cuadros centrales de Tula son esos posibles espejos de agua que reflejarían el cosmos. Y son precisamente los Mexicas, habitantes de Tenochtitlan, quienes asumen su herencia tolteca, teotihuacana, y la construcción del edificio de las águilas (figura 4); habría de ser en definitiva la manifestación más patente en la arquitectura de esta relación. Hay evidencia arqueológica de que ciertamente estos espacios hundidos pudieron haber estado llenos de agua pues algunos están conectados a un drenaje subterráneo como en el caso de Templo Mayor y Teotihuacán por lo que seguramente reflejaban no Fig. 2. Izq. Reconstrucción de la Planta de Zacuala. Der. En los círculos se presentan las columnas que sostendrían los tragaluces donde se ubican los espejos de agua (abajo). Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 11 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. Fig. 3. Palacio Quemada en Tula la grande. solo las luces diurnas, sino también las luces del faldellín de estrellas, femineidad de Ometéotl. Más aún hay elementos que discernir, si estos espacios eran meramente fuentes de iluminación o tenían funciones más ceremoniales, como el baño ritual tal vez. COMENTARIOS FINALES Aunque no hay evidencia narrativa que cite o estudie la iluminación con espejos de agua, en refuerzo de esta hipótesis aquí planteada se puede recurrir a un ejercicio práctico en el mundo moderno que muestra que los espacios cerrados pueden ser iluminados por espejos de agua. El caso de la arquitectura de Luis Barragán, diseñador de la obra, nos permite comprender como se utiliza el balance de los espacios cerrados con los espejos de agua. “La casa Guilardi” (figura 5) es un ejemplo claro de como se utilizan los espacios de agua, los tragaluces en un universo que el mismo Fig. 4. Espejo de agua en la casa de las águilas con sus basamentos para columnas. 12 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �La luz en la cultura Azteca-Mexica / Paola Angélica Sosa Salazar, et al. Barragán definiera como espiritual de diálogo entre silencios. Los Tlamatimine en tanto “dadores de luz”, tenían tanto la función de científicos modernos, descriptores de la realidad, pero en la medida de vivir en un mundo simbólico, reinterpretan la realidad, toman la misma observación de su propia humanidad y dotan de formas y relaciones humanizadas a esas fuerzas de la naturaleza. La lengua misma da cuenta de estas observaciones, dota de una riqueza extraordinaria a los conceptos relacionados con la luz desde el origen [tlani] lo que baja, hasta la construcción del tezcatlanextia (espejo creador). De igual forma que la lengua da cuenta en si misma de la observación empírica del universo, las construcciones dan cuenta de como se aplicaba la experiencia mítica en el diario vivir de las sociedades mesoamericanas. Aplicando estructuras arquitectónicas que reflejan por medio de espejos de agua, no solo la luz solar, o la luz nocturnal, sino que, constituyendose en aplicaciones simbólicas, dan cuenta del reflejo como elemento creador universal. Aun es necesario continuar la búsqueda de textos que permitan consolidar esta visión míticoarquitectónica, pero con lo que se ha descrito aquí queda evidente el interés de las culturas antiguas por la luz. Fig. 5. Fuente de la casa Guilardi Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 BIBLIOGRAFÍA Clavijero, Francisco Javier, Historia antigua de México, México, Editorial Porrúa, 1981. (Colección Sepan Cuantos, núm. 29). Durán, Fray Diego, Historia de las Indias de Nueva España e islas de tierra firme, 2 vols. y atlas, México, publicados por José F. Ramírez, 18671880. (Nueva edición preparada por Ángel M.ª Garibay, México, Editorial Porrúa, 1967-1968). Estudios de Cultura Náhuatl, México, UNAM, Instituto de Investigaciones Históricas, 18 vols., México, 1959-1985. Florescano, Enrique, (2009) “Nueva imagen del Estado teotihuacano” [en línea]. Revista de la Universidad de México. Nueva época. 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Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación en una fibra óptica Vidal Alfredo Trejo Rocha, Maripaz Moreno Díaz, Norma Patricia Puente Ramírez Posgrado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL vidal.trejorc@gmail.com RESUMEN Las fibras ópticas son utilizadas en las telecomunicaciones como un medio de transmisión de información, en los últimos años se han investigado nuevos métodos para aprovechar los modos electromagnéticos en fibras ópticas multimodo, como una opción para mejorar los sistemas de comunicaciones basados en fibra óptica. Con el fin de mejorar la compresión de los modos electromagnéticos, este trabajo expone los principios de propagación y distribución de modos transversales e híbridos en fibras ópticas con perfil de índice escalonado. Se presenta el proceso de solución directa de la ecuación característica de la fibra óptica. Por medio de un programa computacional realizado en MATLAB, se soluciona un caso particular en el cual es excitado al menos un modo transversal eléctrico (TE), transversal magnético (TM), e híbridos (EH) y (HE). En los resultados se presentan los perfiles de campo electromagnético de dichos modos y se discute sobre los parámetros que rigen las características de los perfiles de campo electromagnético. PALABRAS CLAVE Fibra Óptica perfil de índice escalonado, Análisis Modal, Ecuación Característica, Modos Híbridos. ABSTRACT Optical fibers are used in telecommunications as a medium to transmit information, recently have been studied new methods to exploit the electromagnetic modes in multimode optical fibers as an option to improve communication systems based on optical fiber. To achieve a better understanding of the electromagnetic modes, this work exposes principles of the propagation and distribution of transversal and hybrid modes propagating through step-index fibers. For that, it is presented the process of direct solution of the optical fiber characteristic equation. A MATLAB computer program gives solution to a particular case in which at least one of the transverseelectric (TE), transversal-magnetic (TM), and hybrid (HE) and (EH) modes are solved. In the results, we show the electromagnetic field profiles of these modes are presented and discussed the parameters witch impose the characteristics of the electromagnetic field. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 15 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. KEYWORDS Step-Index Optical Fiber, Modal Analysis, Characteristic Equation, Hybrid Modes. INTRODUCCIÓN Desde la aparición comercial en 1980 de la primera generación de sistemas de comunicación por luz guiada, la fibra óptica ha sido usada como un medio de transmisión de datos. A mediados de la misma década en la transición entre la primera y la segunda generación se optó por el uso de las fibras monomodo (SMF, Single-Mode Fiber) sobre las multimodo (MMF, Multi-Mode Fiber) con la motivación de superar la limitación en la velocidad de transmisión causada por dispersión modal presente en la fibra MMF.1 Posteriormente, cambios en la frecuencia de operación y en los métodos de detección permitieron mayores incrementos en la capacidad de información y en las distancias máximas permisibles sin repetidores para los enlaces ópticos. Actualmente, una nueva limitante impuesta por efectos no lineales presentes en la fibra óptica ha sido encontrada. 2,3 Para superar esta nueva restricción y en la búsqueda de satisfacer la siempre creciente demanda de velocidades transmisión han sido investigados métodos para el aprovechamiento de los modos electromagnéticos disponibles en las fibras MMF.4 Entre algunas de estas propuestas se encuentran técnicas de diversidad basadas en la redundancia de información en cada modo excitado5 y esquemas de acceso múltiple por división de modos (MMD, Mode Division Multiplexing),6,7 en el que a través de un grupo de modos se transmite distinta información agregando un nuevo grado de libertad en el diseño de sistemas de comunicación basados en fibras ópticas MMF. Además, las velocidades de fase asociadas a cada modo ofrecen la concepción de una gama de dispositivos intrínsecos a la fibra óptica como compensadores de dispersión sintonizables, controladores de polarización, entre otros.8 Estas investigaciones abren la posibilidad de emplear los modos electromagnéticos en fibras MMF como una opción para mejorar los sistemas de comunicaciones basados en fibra óptica y en el diseño de otros dispositivos ópticos. Es por esto que, con el fin de una mejor comprensión de los modos electromagnéticos, se presentan en este trabajo 16 principios básicos de la propagación y distribución de campo de los modos transversales e híbridos que son soportados en las fibras ópticas con perfil de índice escalonado. En este trabajo, se expone el proceso de solución directa de la ecuación característica de la fibra óptica. Posteriormente, por medio de un programa computacional realizado en MATLAB, se soluciona un caso particular en el cual es excitado al menos un modo transversal eléctrico (TE), transversal magnético (TM), e híbridos (HE) y (HE). Los resultados muestran los perfiles de campo electromagnético para estos modos en su componente en dirección de la propagación. Además, se destacan los parámetros que definen las características de los perfiles de campo electromagnético de los modos excitados, dichas características serán fáciles de apreciar en los gráficos obtenidos. También son expuestas aplicaciones recientes en fibras MMF y finalmente, se presentan las conclusiones. Propagación de luz en fibras ópticas con perfil de índice escalonado De manera más precisa, una fibra óptica es una guía de onda cilíndrica conformada por un núcleo de radio a con un índice de refracción n1, por donde la luz es guiada, y de un revestimiento de radio b con un índice de refracción n2 ligeramente menor al del núcleo. En la figura 1 a) se ilustra la estructura de la fibra óptica. Cuando existe un cambio abrupto del índice de refracción en la frontera entre el núcleo y el revestimiento r = a, se dice que la fibra es de perfil de índice escalonado, lo cual es presentado en la figura 1 b). Fig. 1. a) Estructura de fibra óptica, b) Perfil de índice de refracción de fibra óptica de índice escalonado Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. El mecanismo de la propagación de la luz en fibras ópticas, se presenta a continuación bajo la perspectiva de dos técnicas de estudio: 1) Trazo de rayos: Se basa en la aproximación de las ondas de luz como ondas planas cuyas rutas pueden ser trazadas en forma de rayos.9,10 Esta técnica analiza el mecanismo básico de propagación de la luz en la fibra óptica por medio de la ley de Snell. Para ilustrar dicha ley, en la figura 2 se muestra la sección transversal de una fibra óptica con perfil de índice escalonado. Un rayo incide en la cara de la fibra óptica con un ángulo αi y debido a la interacción del rayo en la interfaz fibra-aire, este es refractado con un ángulo αr al interior de la fibra óptica. Cuando el rayo refractado llega a la frontera entre el núcleo y el revestimiento se pueden presentar los siguientes fenómenos: de ondas electromagnéticas viajeras de configuración sencilla que mantienen un patrón de onda estacionaria a lo largo de la dirección de propagación.12 Los modos pueden clasificarse por su campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación E z y Hz. Se identifica como modo Transversal Eléctrico (TE) a aquellos modos que preservan la condición de que la componente del campo eléctrico en el eje de propagación es cero i.e. Ez=0, mientras en los que la componente del campo magnético es cero i.e. Hz=0 son conocidos como modos Transversal Magnético (TM). Por otro lado los modos en los que se presentan componentes axiales tanto de campo eléctrico como magnéticos i.e Ez≠0 y Hz≠0 son conocidos como modos híbridos.13 Se designa como modo híbrido EH en los que la contribución del campo eléctrico es mayor al del magnético e híbrido HE en caso contrario.14 Considerando la naturaleza de onda electromagnética de la luz, un estudio más detallado de sus mecanismos de propagación en la fibra óptica involucra el planteamiento de las ecuaciones de Maxwell. Fig. 2. Descripción del mecanismo de propagación de la luz en sección transversal de fibra óptica con perfil de índice escalonado por análisis de trazo de rayos. • Si el ángulo complementario de incidencia θ cumple con la condición: sen θ ≤ n2/n1, el rayo es refractado al revestimiento. • Los rayos que sean incididos con un ángulo θ en la frontera núcleo-revestimiento tal que sen θ ≥ n2/n1, presentarán reflexión total interna. Dichos rayos serán guiados en el núcleo de la fibra óptica.11 2) Análisis modal: Se basa en el tratamiento de la luz como una onda electromagnética sujeta a satisfacer las ecuaciones de Maxwell, libres de fuentes y condiciones de frontera impuestas por el medio de propagación.9,10 Mediante el análisis modal, la onda electromagnética que es guiada por la fibra óptica puede ser representada como una superposición de ondas llamadas modos o eigenfunciones. Los modos son soluciones válidas al planteamiento de las ecuaciones de Maxwell y a las condiciones de frontera. Consisten en un conjunto Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Fig. 3. Fibra óptica en sistema de coordenadas cilíndricas. Línea azul: Posición de un punto arbitrario P con coordenadas r0,0,z0. Línea naranja: dirección de los vectores unitarios en la interface NúcleoRevestimiento. Solución de la ecuaci ón de onda en coordenadas cilíndricas Una condición necesaria para que los campos E y H satisfagan las ecuaciones de Maxwell es que cada una de sus componentes satisfaga la ecuación de onda y equivalentemente a la ecuación de Helmholtz: (1) 17 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. Tomando en cuenta la geometría de la fibra óptica, se selecciona el sistema de coordenadas cilíndricas orientando el eje z a lo largo del eje de la fibra óptica, como se muestra en la figura 3. Entonces, la ecuación 1 se expresa con coordenadas (r, ϕ,z) en la siguiente ecuación (2) donde n es el índice de refracción del medio de propagación, k=2π/λ el número de onda y λ la longitud de onda del campo incidente. Debido a que la componente ẑ en la ecuación 2, contiene únicamente términos en Ez, se procede a solucionar la ecuación para esta componente. Un procedimiento similar se sigue con el campo H y sus componentes. Con las expresiones para Ez y Hz, los términos Er, Eϕ, Hr, Hϕ, pueden ser obtenidos utilizando las siguientes ecuaciones de Maxwell, las cuales se refieren a la ley de Faraday y Ley de Ampere-Maxwell asumiendo una dependencia temporal ejwt:15 (3) (4) Las soluciones de la ecuación 2 para la componente Ez y Hz son expuestas en la tabla I. Tabla I. Perfiles de campo E z, H z para núcleo y revestimiento en z = 0.15 Núcleo Revestimiento Jm(r) y Km(r) son las funciones de Bessel de primera clase y modificada de segunda clase del orden m respectivamente, A, B, C, D constantes por ser determinadas y m un número entero. También se tiene que: (5) (6) (7) donde β es la constante de fase y el parámetro V es conocido como frecuencia normalizada. Se debe recalcar la dependencia y periodicidad angular que define el índice m en los perfiles de campo de la tabla I. 18 Es de especial interés analizar la frontera entre las regiones de núcleo y revestimiento, para ello se designan los siguientes parámetros, donde a es el radio del núcleo de la fibra: P=pa, (8) Q=qa, (9) además se expone su dependencia con el parámetro de frecuencia normalizada en la siguiente expresión: V2=P2+Q2. (10) C o n d i c i o n e s d e f r o n t e ra y f u n c i ó n característica Las condiciones de frontera para la interface entre dos materiales dieléctricos distintos establece que las componentes tangenciales a la interface, es decir Ez, Eϕ, Hz, Hϕ, deben de ser continuas. Aplicando la condición de continuidad a las componentes en dirección a z de las expresiones en tabla I, se tiene que: (11) Al aplicar la misma condición a las componentes en ϕ resultan un conjunto de ecuaciones, para las cuales se obtienen soluciones no triviales para A, B, C y D únicamente si se satisface la siguiente ecuación: (12) La ecuación 12 es conocida como la ecuación característica de la fibra óptica de índice escalonado.15 Solo los pares de valores (P, Q) que satisfacen la ecuación característica cumplen simultáneamente con las ecuaciones de Maxwell y con las condiciones de frontera entre el núcleo y revestimiento, por lo tanto, dichos pares (P, Q) están asociados a un modo electromagnético. Después de una serie de simplificaciones a la ecuación 12, las soluciones pueden ser separadas en un conjunto de 4 ecuaciones características, mostradas en la tabla II, asociadas a los modos TE, TM, EH y EH. Las ecuaciones de los modos transversales resultan de la condición cuando m= 0 y las de los híbridos, de propiedades de recursividad de las derivadas de las funciones de Bessel y la suposición de que el factor β≈n1k, llamada condición de guiado débil.16 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. Tabla II. Ecuación característica para los modos Transversales [TM, TE] e híbridos [HE, EH]. TE0, n TM0, n Tabla III. Intervalos de solución de las ecuaciones características.15 Inicio de intervalo Q→0 El término a la izquierda de la igualdad de cada ecuación de la tabla II puede ser visto, para los modos transversales, como una función de 2 variables (P, Q) y para los modos híbridos, como una secuencia de funciones indexadas con m evaluadas también con el mismo par de variables. Visto de esta manera, la solución del modo son las coordenadas (P, Q) de los cruces por cero para dichas funciones. Intervalos de solución de la ecuación característica Un análisis de las ecuaciones características es realizado observando su comportamiento cuando Q=0 y Q=∞. El significado físico de que Q se aproxime a cero, es que la luz ya no es guiada en el núcleo y por lo tanto, el campo ya no decae a medida que se aleja del centro del núcleo. Esto se debe a los valores que toma la función de Bessel modificada de segunda clase y cómo este valor afecta a las ecuaciones de la tabla I. Por otro lado, cuando Q se aproxima a ∞ ya no se presenta propagación por el revestimiento, y se tiene que la mayor parte de la luz es guiada por el núcleo. En ambos casos se requiere que el parámetro P tome un valor de un conjunto de posibles valores para satisfacer la igualdad impuesta por las ecuaciones características. Tales valores para P definen un conjunto de intervalos disjuntos donde la solución de la ecuación característica existe. Lo valores P resultado de la condición en la que Q se aproxima a 0 son el inicio de los intervalos, mientras que los valores P cuando Q se aproxima a infinito definen el final de cada intervalo. En la tabla III se muestran los intervalos de solución para cada modo. Metodología Se examinó el caso en el que por lo menos un modo hibrido HEm,n y EHm,n es excitado. Para ello, se propuso una fibra óptica con un radio del núcleo Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Fin de intervalo Q→∞ TE0, n, TM0, n J0 (P)=0 J1 (P)=0 Tipo de modo HEm, n m=1, J0 (P)=0 incluyendo P=0 m≥2 Jm-2 (P)=0 Excepto P=0 Jm-1 (P)=0 EHm, n Jm (P)=0 Excepto P=0 Jm+1 (P)=0 a=9 µm e índices de refracción n1=1.45, n2=1.4442. Así mismo, se supuso una fuente emisora de luz con longitud de onda de operación de λ=1.5 µm. La selección fue realizada para producir una frecuencia normalizada de V=4.8843, cuya relación con los parámetros usados está dada por la ec. 5, y la cual excita los modos transversales: TE0,1, TM0,1 e híbridos: HE1,1, HE1,2, HE2,1, HE3,1, EH1,1. En la figura 4, se ilustra la cantidad y tipos de modos excitados para una frecuencia normalizada dada. Posteriormente, se obtuvieron los valores (P, Q) que cumplen con la ecuación 10 y que además son soluciones para cada una de las ecuaciones características de la tabla II. Se utilizaron los intervalos de solución mostrados en la tabla III para la búsqueda de las raíces de las ecuaciones características y con fin de evitar los valores en los cuales las mismas se indefinen. Las constantes A, B de las amplitudes modales de Ez y Hz en la región del núcleo son supuestas unitarias. Por otro lado, las amplitudes del revestimiento C, D son evaluadas con la ecuación 11 y con la información de la solución (P, Q) del modo analizado. Finalmente, a partir de las expresiones en la tabla I los perfiles de campo eléctrico y magnético son obtenidos. Fig. 4. Número de modos posibles en una fibra óptica de índice escalonado como función del parámetro de frecuencia normalizada V.15 19 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la figura 5 se presenta: 1) La evaluación del lado izquierdo de las ecuaciones características de la tabla II para los modos híbridos HEm=1,n y HEm=2,n en un rango de valores (P, Q), 2) la evaluación para un conjunto de valores que pertenecen a los círculos definidos por V=4.8843, la frecuencia normalizada de la fibra óptica propuesta, y un parámetro V=9 Fig. 5. Función característica para los modos a) HE1,n y b) HE2,n. Línea punteada: V=4.8843; Línea solida: V=9; y puntos: raíces de la función para V constante. de referencia y 3) las soluciones de las ecuaciones características para los modos y parámetros V ya mencionados. De las gráficas se observa primero que las soluciones se encuentran confinadas en intervalos en el eje P limitados por valores en los que la función es indefinida, reflejando los resultados de la tabla III. Estos valores corresponden con las raíces de la función Bessel Jm (r) en el denominador del primer término de las ecuaciones características de ambos modos. Así, la designación n del modo corresponde con la solución producida en el n-ésimo intervalo. 20 Luego, es evidente que un incremento en el parámetro V puede generar más soluciones y por tanto excitar más modos. Se observa también, que con el incremento del índice m las discontinuidades y las soluciones se desplazan a valores P mayores. Una consecuencia de esta última observación, es que siempre habrá una menor cantidad de soluciones para los modos híbridos con índices m mayores. Estos resultados pueden ser observados con la figura 4 y con los intervalos de inicio en la tabla III. Los perfiles de campo electromagnético en la dirección de propagación de todos los modos excitados en la fibra óptica propuesta para la longitud de onda seleccionada son ilustrados en la figura 6. Una característica común a todos los perfiles, es su decaimiento exponencial para valores de r mayores al radio del núcleo α. Esta caída debe ser lo suficientemente grande para considerar que no existe alguna interacción con el límite de la fibra óptica. Por otro lado, es visible que la amplitud máxima del perfil no es la misma para todos los modos. En un modo con índice m, este valor de amplitud corresponde al máximo de la función Bessel de primera clase Jm (r). Dado que los máximos de la función Jm (r) son decrecientes con el incremento de m, el máximo del perfil de campo también decae con el aumento del índice m. Los modos transversales, mostrados en la figura 6 a-b), son radialmente simétricos y no tienen dependencia angular. Los campos Ez del modo TE0,n Hz del modo TM0,1 no han sido incluidos dado que por definición son nulos. A diferencia de los modos híbridos en la figura 6 c-g), en los modos transversales gran parte de la intensidad de los campos está concentrada en el interior del núcleo. En los modos híbridos, figura 6 c - g), se observa que los campos eléctricos y magnéticos son similares y solo difieren por un giro de 90°. Los modos HE1,1 y HE1,2, presentados en las figuras 6 c-d) difieren solo por una oscilación con el incremento de la distancia radial que luego es amortiguada en la región del revestimiento. Los modos HE1,1, HE2,1 y HE3,1 se diferencian por el número de oscilaciones con el incremento angular, siendo m el número de oscilaciones completas. Estas observaciones resaltan la dependencia radial con el orden n y angular con m de los perfiles de campo de todos los modos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. Fig. 6. Perfiles de campo i) Ez y ii) Hz en z=0 para modos transversales: a) TM0,1, b) TE0,1. Híbridos: c) HE1,1, d) HE1,2, e) HE2,1, f) HE3,1 y g) EH1,1. Línea punteada: radio del núcleo a. Aplicaciones y perspectivas Gracias su distribución espacial de potencia, los modos de alto orden (m>0, n>0) han sido usados en aplicaciones con láseres de alta potencia de pulsos ultra cortos.17 Además se ha probado su alta estabilidad bajo influencia de las interacciones no lineales en la fibra óptica.18 Se ha demostrado la posibilidad de la realización del proceso de translación frecuencial por medio del mezclado no lineal de modos debido a no linealidades inducidas en la fibra óptica.19,20 Como fue mostrado en la derivación de la ecuación característica, la composición modal es producto de las condiciones de frontera. Esta dependencia hace al contenido modal sensible a perturbaciones en la geometría de la fibra óptica que pueden ser provocados por esfuerzos mecánicos. Bajo este principio han sido propuestos sensores de flexión y deformación,21,22,23 además de sensores biomédicos no invasivos para el monitoreo de la frecuencia cardiaca y respiratoria.24 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 CONCLUSIONES En el presente trabajo se discutieron los conceptos básicos para la comprensión de la propagación de ondas electromagnéticas en la fibra óptica de índice escalonado. Fue dada una introducción al concepto de modo electromagnético. Se realizó un programa computacional basado en el comportamiento de la ecuación característica de la fibra óptica para obtener sus modos excitados. Se demuestra la dependencia de la cantidad de modos soportados con el parámetro de frecuencia normalizada V y de manera particular se trabajó el caso de 7 modos excitados. En los perfiles de campo eléctrico y magnético se observó la dependencia radial impuesta por el índice n y angular del índice m. Donde m define el número de líneas rectas con amplitud cero atravesando el centro del perfil y las soluciones P para cada índice n, un factor de compresión radial.24 21 �Distribución de modos transversales e híbridos en la dirección de propagación... / Vidal Alfredo Trejo Rocha, et al. REFERENCIAS 1. G. P. Agrawal, Fiber Optic Communication Systems, 3 ed., New York: Wiley-Interscience, 2002. 2. D. J. Richardson, Filling the light pipe, Science. Applied Physics, vol. 330, no. 6002, pp. 327-328, 2010. 3. R. Essiambre et al, Capacity Limit of Optical Fiber Networks, Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no. 4, 2010. 4. R. Ryf et al., 32-bit/s/Hz Spectral Efficiency WDM Transmission over 177-km Few-Mode Fiber, in Optical Fiber Communication Conference/ National Fiber Optic Engineers Conference 2013, OSA Technical Digest , (online), 2013. 5. H. R. Stuart, Dispersive Multiplexing in Multimode Optical Fiber, Science, vol. 289, no. 5477, pp. 281-283, 2000. 6. F. Bernd y H. Bülow, Mode Group Division Multiplexing in Graded-Index Multimode Fibers, Bell Labs Technical Journal, vol. 18, no. 3, p. 153–172, 2013. 7. G. S. Gordon, Feasibility Demonstration of a Mode-Division Multiplexed MIMO-Enabled Radio-Over-Fiber Distributed Antenna System, Journal of Lightwave Technology, vol. 32, no. 20, 2014. 8. S. Ramachandran, Dispersion-Tailored FewMode Fibers: A Versatile Platform for InFiber Photonic Devices, Journal of Lightwave Technology, vol. 23, no. 11, 2005. 9. A. W. Synder, J. D. Love, Optical Waveguide theory, London: Chapman & Hall, 1983, pp. 205-211. 10. L. Felsen, Modes and beams in optical fibre waveguides, Optical and Quantum Electronics, vol. 9, no. 3, pp. 189-195, 1977. 11. M. Born, E. Wolf, Principles of Optics, 7 ed., New York: Cambridge University Press, 1999. 12. G. 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Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca Aldemaro Gulfo MendozaA, Luis Fernando Serna HernándezB A B Universidad Piloto de Colombia–Bogotá, Universidad Viña del Mar-Chile g-magulfo@unipiloto.edu.co, luis-serna@upc.edu.co RESUMEN El presente artículo exhibe un análisis de la vulnerabilidad sísmica en la estructura de 36 instituciones educativas públicas del sector urbano del municipio de Girardot – Cundinamarca. La metodología para este análisis está basada en la propuesta de Cardona y Hurtado, y en el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10; permitiendo evaluar cualitativamente las estructuras. Para este análisis, se realizó una caracterización y una modelación numérica de las estructuras, logrando el cálculo de las solicitaciones sísmicas, los índices de sobreesfuerzo y flexibilidad, para establecer una estimación del nivel de vulnerabilidad de las estructuras. La tipología general de las estructuras (un piso) marcó la tendencia hacia una vulnerabilidad baja (66.83%). PALABRAS CLAVES Sismo, Vulnerabilidad, Rehabilitación, Sismo Resistencia, Esfuerzo, Flexibilidad. ABSTRACT This article shows an analysis of the seismic vulnerability in the structure of 36 public educational institutions in the urban sector of the municipality of Girardot - Cundinamarca. The methodology for this analysis is based on the proposal by Cardona and Hurtado, and the Colombian Earthquake Resistant Building Regulations NSR-10; allowing to evaluate the structures. To develop this analysis, a characterization and numerical modeling of the structures was performed, achieving the calculation of seismic, rates of ovestrain and flexibility to establish an estimate of the level of vulnerability of the structures. The general types of structures (single floor) result in a tendency of of low vulnerability (66.83%). KEYWORDS Earthquake, Vulnerability, Rehabilitation, earthquake resistance, Effort, Flexibility. INTRODUCCIÓN La amenaza sísmica en el territorio colombiano está claramente documentada y además soportada en el hecho completar un ciclo de tres versiones de normatividad sismo resistente. En esta normatividad, inspirada en la actual Constitución Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 23 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. Nacional, se propende por “la preservación de la vida honra y bienes” de los ciudadanos colombianos, específicamente ante la ocurrencia de un evento sísmico. Para esto en parte de su articulado se dan las indicaciones para los estudios de vulnerabilidad de estructuras existentes, con el fin de calificar su desempeño ante movimientos telúricos y determinar así la necesidad o no de su reforzamiento. El caso específico del presente estudio tiene como alcance el análisis de la infraestructura de instituciones educativas de nivel básico primaria y secundaria del sector público, pretende, en términos generales: 1. R e a l i z a r u n a e v a l u a c i ó n g e n e r a l d e l comportamiento sísmico de las estructuras destinadas a ofrecer servicios educativos en el municipio. 2. Proponer modelos analíticos-matemáticos del comportamiento sísmico de instalaciones representativas del conjunto de estructuras destinadas a ofrecer servicios educativos en el municipio. 3. Proponer una calificación general de la vulnerabilidad de edificaciones educativas del municipio. Como metodología de trabajo se procedió a la revisión de diferentes sistemas de medidas de vulnerabilidad, para luego aplicar la más adecuada a un escenario de diferentes tipologías de estructuras, como las que se encuentran en el municipio de Girardot. ESTUDIO DE VULNERABILIDAD SÍSMICA EN EDIFICACIONES La vulnerabilidad estructural por causa de un sismo se refiere a la susceptibilidad que la edificación presenta frente a posibles daños en aquellas partes del sistema estructural que lo mantienen en pie ante un sismo intenso. Las metodologías para su evaluación han sido especial objeto de recopilación en trabajos de pregrado llevados a cabo en universidades colombianas.1 La clasificación básica de estas metodologías las diferencia en analíticas y cualitativas. Los métodos analíticos tienen su funcionamiento en la interacción de un modelo numérico que representa la estructura estudiada con la carga de un sismo probable. Su aplicabilidad se presta para 24 discusión, dada la alta complejidad del modelo usado y la disponibilidad de datos confiables para su conformación.2 El referente legal para Colombia de este tipo de metodología se encuentra en el actual Reglamento Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes NSR 10. En el capítulo A.10 de la mencionada norma se consignan los pasos para la conformación de un modelo linealmente elástico de la estructura en estudio y la posterior evaluación de su capacidad de carga. Los datos resultantes permiten asignar a la estructura su nivel de vulnerabilidad. Otras metodologías de enfoque analítico tienen aplicabilidad para sistemas constructivos específicos, 3,4 otras se centran en la evaluación post sismo de los sistemas de refuerzo con miras a proyectar su rehabilitación.5 Los métodos cualitativos permiten hacer la evaluación de la estructura en forma rápida y sencilla, a través de observación en campo de sus condiciones. Por esta razón, permite obtener estimativos de vulnerabilidad de zonas urbanas. El referente nacional para estas metodologías es la propuesta de Cardona y Hurtado,6 la cual ha sido ampliamente aplicada en el país, especialmente en la implementación de planes de prevención y mitigación de desastre. METODOLÓGICA La revisión de metodologías muestra que tanto los métodos cuantitativos como los cualitativos hacen referencia a edificaciones individuales, no a conjuntos de edificaciones. Para hacer evaluaciones en conjunto es factible el análisis estadístico de los resultados de las evaluaciones individuales de las estructuras que conforman la muestra. Para el caso de análisis cuantitativos detallados la opción estadística se complica dado el esfuerzo que implica hacer un modelo matemático individual. Adicional a esto, cada institución puede contener más de una edificación, multiplicándose así el número de modelos a realizar. Los métodos cualitativos se adaptan mejor a la opción estadística, pero su nivel de confiabilidad puede presentar variaciones frente a casos individuales. Por lo anterior se adopta la siguiente metodología de evaluación para concretar el proyecto: Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. 1. Evaluación cualitativa de las estructuras objeto del proyecto, de manera global por centro educativo, según el procedimiento propuesto por Cardona y Hurtado: • Caracterización, mediante visita de campo, de las condiciones estructurales de las edificaciones objeto de estudio. • Ponderación de las condiciones estructurales de las edificaciones objeto de estudio, según metodologías cualitativas aceptadas. • Formulación cualitativa de un índice de vulnerabilidad del conjunto de edificaciones objeto de estudio. 2. Análisis detallado de la estructura de dos de las instalaciones educativas en estudio, según procedimiento propuesto en NSR 10: • Levantamiento en campo de características estructurales tales como: La geometría, secciones estructurales, tipo de materiales, etc. • Determinación de las solicitaciones sísmicas para estas estructuras, con su correspondiente modelación numérica. • Cálculo de índices de sobreesfuerzo y formulación de un índice de vulnerabilidad de las dos instalaciones analizadas en detalle. 3. Comparación de los resultados obtenidos para los dos análisis. ANÁLISIS DE CONTEXTO: GIRARDOT Y SU INFRAESTRUCTURA EDUCATIVA PÚBLICA Las instituciones educativas objeto de estudio se encuentran ubicadas dentro del perímetro urbano del municipio de Girardot, este municipio se sitúa al suroccidente de Cundinamarca en la Región del Fig. 1. Comunas de la ciudad de Girardot. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Alto Magdalena, estrecho entre la cordillera Oriental y Central, cuya máxima anchura no sobrepasa los 40 kilómetros. La gobernación de Cundinamarca (2011) cuenta con un inventario para Girardot, 36 establecimientos escolares oficiales que brindan educación básica primaria y secundaria, como se muestra en la figura 1 y en la tabla I. Tabla I. Distribución de la infraestructura educativa básica primaria y secundaria en Girardot. Comunas Escuelas % 1 6 16.67 3 9 25 178.11 25 255.37 2 4 5 TOTAL 5 13.89 7 19.44 36 100 9 Densidad poblacional (Hab/Ha) 179.83 113.07 159.23 - E VA L U A C I Ó N C U A L I TAT I VA D E L A ESTRUCTURA De acuerdo con lo expuesto en el capítulo de sismicidad regional del plan para la Mitigación de Riesgos en Girardot (Municipio de Girardot, 2011), la sismicidad de toda la región andina colombiana está determinada por la convergencia de las placas tectónicas de Nazca y Suramérica, entre las cuales se ha desarrollado una especie de microplaca en el área comprendida desde la zona de subducción frente a sus valles vertientes y mesetas hasta el piedemonte de sus tres cordilleras. Los esfuerzos producidos por la fricción entre estas placas constituyen las fuentes sísmicas para la ciudad estando dentro de las más importantes la zona de subducción, la zona de Wadati-Benioff y la de sismicidad intraplaca. La zona de subducción, con una traza superficial que abarca de 130 a 200 Km en dirección paralela al litoral occidental, es la más importante de las fuentes sísmicas en Colombia, en términos de las magnitudes máximas y recurrencias de sismos grandes, con magnitudes mayores de 8.0 y su sismicidad es superficial (hasta 40 Km de profundidad). La zona de Wadati-Benioff es la continua de la zona de subducción. Su sismicidad es la más profunda de la región (hasta más de 100 Km). 25 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. Se concentra en Cundinamarca, con magnitudes que pueden ser de 5.0. A la denominada sismicidad intraplaca pertenecen fallas como las del sistema romeral y cauca, que pueden causar los sismos más cercanos al municipio de Girardot. Los sismos de Popayán en 1983, Páez en 1994 y el Eje Cafetero en 1997, fueron generados por las fallas intraplaca. Este cuadro de fuentes de amenazas sísmicas se expresa, en la NRS-10, en términos de definir todo el occidente de Colombia, y en él, Girardot como zona de amenaza sísmica intermedia. Por otro lado, la misma norma promulga la elaboración de una microzonificación que en la ciudad aún está prorrogada. CALIFICACIÓN DE LA VULNERABILIDAD Con base en la revisión metodológica realizada, se adopta el procedimiento de asignar mayor o menor importancia, dentro de un índice de 100 puntos, a los siguientes aspectos, que inciden en la respuesta de la estructura ante sismos: el sistema estructural, la calidad de los suelos de la zona, la geométría de la edificación, el número de pisos y el tipo de cubierta. Los puntajes ponderados para cada aspecto se muestran en la tabla II. A partir de los resultados de esta ponderación se obtiene una calificación del estado de vulnerabilidad estudiada según la tabla III. Tabla II. Aspectos estructurales a ponderar en la evaluación cualitativa.6 PARÁMETROS TESIS Aspectos estructurales Suelos % DE INCIDENCIA 50 15 Aspectos geométricos 15 Seguridad y zonas de evacuación 1 Cubierta 2 Aspectos constructivos y grado de deterioro 10 Edad y número de pisos 2 Golpeteo 2 Entorno y ubicación Cambios de uso y ampliaciones TOTAL 26 1 2 100 Tabla III. Propuesta de calificación del nivel de vulnerabilidad sísmica de edificaciones.6 CALIFICACIÓN PUNTAJE Vulnerabilidad media 30<I<60 Vulnerabilidad alta Vulnerabilidad baja X<30 I>60 CARACTERIZACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS La fase de trabajo de campo contempló la visita a los 36 centros educativos. La evaluación visual permitió la calificación de los aspectos relevantes en el comportamiento sísmico de las estructuras. De estas instituciones, 26 cuentan con una estructura de una sola planta y el resto (10) son de dos plantas. Los sistemas estructurales consisten de muros confinados (28) y muros sin confinar (8). Los tipos de cubierta son: teja de asbesto-cemento (30) y teja de lámina (6). En cuanto a la forma, 28 son regulares y 8 son de forma irregular. Los problemas en las edificaciones asociados al tipo de suelo, comúnmente designados como estables e inestables. En este sentido se diagnosticó, con base a la ubicación de la institución en los mapas de amenazas geológicas y deslizamientos proporcionados por la Alcaldía de Girardot, que 16 de las estructuras se encuentran sobre suelos estable y 20 sobre suelo inestable. ESTIMACIÓN DEL GRADO DE VULNERABILIDAD La selección de los parámetros de este procedimiento simplificado se hizo bajo la ponderación de propuesta por Cardona y Hurtado.6 Al comparar con los aspectos recopilados en el trabajo de campo se encuentran aspectos que no se consideran en los casos evaluados, tales como: • El golpeteo sólo se presenta en estructuras adosadas, el cual no es el caso de las estructuras estudiadas, ya que todas se tratan de edificaciones aisladas. • Los cambios de uso y ampliaciones fueron difíciles de establecer, pero se trataba de estructuras independientes. • La seguridad y zonas de evacuación son aspectos que más bien hacen parte de la calificación de la vulnerabilidad funcional de la edificación y no de su vulnerabilidad estructural. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. • El entorno y ubicación no se consideran porque ya se estableció que las estructuras estudiadas son aisladas. Por lo anterior se modifican las ponderaciones propuestas en la metodología, como se relaciona en la tabla IV: Tabla IV. Ponderación modificada para la evaluación cualitativa del conjunto de estructuras evaluado. PARÁMETROS DE LA METODOLOGÍA Aspectos estructurales Suelos Aspectos geométricos Cubierta ASPECTOS A EVALUAR % DE EN LA VISITA DE CAMPO INCIDENCIA ASIGNADO Organización del sistema resistente. Resistencia convencional. Diafragma horizontal. 50 Configuración en planta. Configuración en elevación. Distancia máxima entre muros. 15 Posición del edificio y de la cimentación. 25 Tipo de cubierta. 5 Edad y número de pisos TOTAL 5 100 Se utiliza el porcentaje que favorece el buen comportamiento estructural, por ejemplo en el aspecto de configuración geométrica, la regularidad es lo que favorece el buen desempeño por lo que se toma como porcentaje positivo el 77.77% que corresponde a las estructuras regulares. En el aspecto de tipo de cubierta lo que favorece es su bajo peso, por tanto se toma como porcentaje positivo el 16% que corresponde a las estructuras con cubiertas livianas. El resultado arroja una calificación de vulnerabilidad intermedia para la infraestructura analizada, como se evidencia en la tabla V. Analizando el puntaje obtenido 66.83% con la tabla III, se puede determinar que el nivel de vulnerabilidad sísmica de edificación de las 36 instituciones es bajo. Para contrastar estos resultados, con la evaluación detallada de dos de las instituciones, seleccionadas por su antigüedad y por su cobertura estudiantil. En la zona sur del municipio se escogió la Institución Educativa Fundadores Ramón Bueno y José Triana y en la zona norte la Policarpa Salavarrieta. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Tabla V. Calificación de la vulnerabilidad del conjunto de estructuras estudiado. PARÁMETRO PUNTAJE % PUNTUACIÓN DE PONDERADO FAVORABLE EVALUACIÓN OBSERVADO Sistema Estructural 50 77.77 38.89 Suelos 25 44.44 11.11 Cubierta 5 16.70 0.835 TOTAL 100 Aspectos Geométricos Número De Pisos 15 6 77.77 72.22 11.66 4.33 66.83 ANÁLISIS CUANTITATIVO DE VULNERALIBILIDAD SÍSMICA Como punto de referencia para la comprobación de la resistencia sísmica de una estructura existente, se tienen las indicaciones dadas en el capítulo A.10 del actual Reglamento Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes NSR-10 “Edificaciones construidas antes de la vigencia de la versión del presente reglamento”. Especial aplicación tienen los aspectos relacionados con la evaluación de la vulnerabilidad de la edificación con objeto de calificar su comportamiento, más no los aspectos relacionados con temas como modificaciones en planta o en altura de las estructuras, reforzamiento estructural o actualización a la presente norma. Para el análisis cuantitativo de la vulnerabilidad sísmica de las edificaciones de las instituciones educativas seleccionadas, se aplicará el siguiente proceso: 1. Evaluación de vulnerabilidad sísmica según NSR-10. Para el cálculo de las solicitaciones sísmicas que deben usarse para la obtención de los índices de sobreesfuerzo y flexibilidad, la NSR-10 indica que debe seguirse los procesos mencionados en su capítulo A.3 “Requisitos generales de diseño sismo resistente” y A.4 “Método de la fuerza horizontal equivalente.” 2. Metodología usada en los análisis cuantitativos. Dado que las sedes de las instituciones seleccionadas para análisis detallados las integran varias estructuras, se hace necesario seleccionar 27 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. cuales de ellas se encuentran en un nivel de vulnerabilidad tal que ameriten su modelación numérica. Para esto se adoptó el siguiente proceso: a) Evaluación cualitativa de las diferentes estructuras que componen la instalación completa. b) Modelación numérica de la estructura con un nivel de vulnerabilidad preliminar alto o con gran margen de incertidumbre. c) Determinación de índices de sobresfuerzos y flexibilidad. d) Calificación de la vulnerabilidad de la estructura. Período corto de la estructura: Período largo de la estructura: T1 = 2.4 x Fv=4.800 s Período fundamental aproximado de la estructura: Tα = Ctxhα, con Ct=0,047 y α=0,9 (tabla A.4.21 NSR-10); h=6.00 m (2 niveles de 3.00 m) y Tα=0.236 s Para el valor calculado de Tα se lee en el espectro elástico de aceleraciones un valor, Sα=0.875 luego el valor del sismo de diseño es: VS = 0.875 x 18728.52 KN por lo tanto VS = 1638.75 KN. Como resultado de la modelación de la estructura se obtienen los desplazamientos de los centros de masas mostrados en la tabla VI: Las solicitaciones a nivel de esfuerzos se obtiene de las combinaciones de carga muerta y carga viva más carga de sismo simultáneamente, para la determinación del índice de sobresfuerzo se promedian los resultados obtenidos a nivel de entrepiso: Nivel de cubierta: esfuerzo promedio=47.81 KN/m2 (flexión) Nivel de entrepiso: esfuerzo promedio=55.63 KN/m2 (flexión) El esfuerzo resistente promedio de los elementos estructurales, está generado a partir de la fórmula de la escuadría, afectada por los índices de reducción indicados en la tabla a.10.4-1 de la NSR -10. Considerando las irregularidades de la edificación como un nivel regular de calidad y diseño de la construcción el índice de reducción se establece en 0.8. INSTITUCIÓN EDUCATIVA FUNDADORES Siguiendo los requisitos de diseño indicados en el Reglamento Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes NSR 10, en especial las contenidas en el Título A - Requisitos generales de diseño sismo resistente, el Título B – Cargas y el Título C – Concreto estructural, se tienen los siguientes datos: • Zona de amenaza sísmica: intermedia • Coeficiente que representa la aceleración pico efectiva, como % de la gravedad Aa = 0.20 • Coeficiente que representa la velocidad pico efectiva, como % de la gravedad Av = 0.20 • Perfil de suelo: D • Coeficiente de amplificación para períodos cortos: Fa = 1.4 • Coeficiente de amplificación para períodos largos:Fv = 2.0 • Grupo de uso: III • Coeficiente de importancia: I = 1.25 • Peso total de la estructura: 18728.52 KN Los parámetros de aceleración, velocidad y desplazamiento para el cálculo del sismo de diseño son: Tabla VI. Desplazamientos de centros de masa. I.E. FUNDADORES-Sede Principal. U1 U2 U3 75 0.144936 0.017698 -0.000341 -0.000065 0.001836 -0.008168 74 0.110337 0.015138 -0.000315 -0.000525 0.003953 -0.006980 75 74 28 m 0.017787 0.015168 m 0.157834 0.10792 m -0.001567 -0.001367 R1 Radianes -0.002870 -0.005204 R2 Radianes 0.000049 0.000476 R3 Radianes -0.009918 -0.008499 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. El índice de sobreesfuerzo se determina como el cociente entre las solicitaciones resultado de la modelación y el esfuerzo resistente real. Para el caso modelado: Esfuerzo resistente: 49.88KN/m2 (Fórmula de la escuadría) Índice de sobreesfuerzo: sismo de diseño y de deriva máxima, corresponden con los utilizados para el análisis de la Institución Educativa Fundadores Ramón Bueno y José Triana, teniéndose un valor Sα=0.875; luego el valor del sismo de diseño es VS = 0.875 x 9521.28 KN por lo tanto VS = 8383.12 KN Como resultado de la modelación de la estructura se obtienen los desplazamientos de los centros de masas mostrados en la tabla VII: Esfuerzo Resistente: 45.40 KN/m2 (Formula de la escuadría) Nivel de Cubierta Esfuerzo promedio=50.18 KN/m2 Nivel de Entrepiso Esfuerzo promedio=57,24 KN/m2 Índice de Sobreesfuerzo=57,24/ (0,8x45.40)=1.576 Vulnerabilidad de la Estructura:1/1,576=0.63 La estructura presenta 63% de la resistencia correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. Siguiendo los pasos para el cálculo del índice de flexibilidad se obtiene: Deriva Sentido X=0,05175 m Índice de Flexibilidad en Sentido X=1,725 Deriva Sentido Y=0.04762 Índice de Flexibilidad en Sentido Y=1.5875 Índice de Flexibilidad de la Estructura: 1.725 Vulnerabilidad de la Estructura: 171,725=0.579 Aquí, la estructura presenta un 57.9% de la rigidez correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. Los resultados de este análisis se resumen en la tabla VIII. Vulnerabilidad de la estructura: Esta información indica que la estructura presenta el 71.9% de la resistencia correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. El índice de flexibilidad se define como el cociente entre la deflexión o deriva obtenida del análisis de la estructura, y la permitida por el reglamento, para cada uno de los pisos de la edificación. El índice de flexibilidad en sentido de la estructura se define como el mayor valor de los índices de flexibilidad de piso de toda la estructura. Para el caso modelado: Deriva sentido X=0.144936 m-0.110337 m=0.034456 m Deriva máxima permitida =0.01Hpiso = 0.01 x 3.00 m = 0.03 m Índice de Flexibilidad en Sentido Deriva Sentido Y=0.157834-0.107920=0.04991 Índice de flexibilidad en sentido Índice de flexibilidad de la estructura = 1.6634 Vulnerabilidad de la Estructura Esta información indica que la estructura presenta un 60% de la rigidez correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. INSTITUCIÓN EDUCATIVA POLICARPA SALAVARRIETA El cálculo del peso total de la estructura arroja un valor de 9521.28 KN. Los parámetros de cálculo de Tabla VII. Desplazamientos de centros de masa. I.E. POLICARPA SALAVARRIETA - Sede Principal. U1 U2 U3 113 0.187621 0.012128 -0.012654 -0.026319 -0.002855 -0.000566 125 0.135873 0.050277 -0.008805 -0.015887 -0.001143 -0.001426 113 125 m 0.015736 0.016020 m 0.141926 0.094302 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 m -0.074249 -0.043545 R1 Radianes -0.034320 -0.018876 R2 Radianes 0.002573 0.000352 R3 Radianes 0.000930 -0.000033 29 �Vulnerabilidad sísmica de la infraestructura escolar urbana en Girardot-Cundinamarca / Aldemaro Gulfo Mendoza, et al. Tabla VIII. Análisis General de la Vulnerabilidad Sísmica Estructural EVALUACIÓN CUALITATIVA DE LA INFRAESTRUCTURA Análisis de Vulnerabilidad 66.83% Según la tabla III, se puede determinar que el nivel de vulnerabilidad sísmica de edificación de las 36 escuelas determinadas para el estudio es bajo. ANÁLISIS CUANTITATIVO DE LA VULNERABILIDAD SÍSMICA I. E. FUNDADORES – Sede Principal RESISTENCIA La estructura presenta el 71.9% de la resistencia correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. RIGIDEZ La estructura presenta un 60% de la rigidez correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. I. E. POLICARPA SALAVARRIETA – Sede Principal RESISTENCIA La estructura presenta 63% de la resistencia correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. RIGIDEZ La estructura presenta un 57.9% de la rigidez correspondiente a los requisitos de una estructura nueva. ANÁLISIS GENERAL DE LA VULNERABILIDAD SÍSMICA De acuerdo a la evaluación cualitativa de la infraestructura, es evidente que la vulnerabilidad sísmica de las 36 instituciones educativas utilizadas en este estudio es bajo, lo que indica que tiene poca susceptibilidad de daño estructural o colapso. Se espera un escenario de daños menores que llegarían a imposibilitar su uso en condiciones seguras. Es incuestionable que la resistencia estructural promedio de las instituciones educativas escogidas para el análisis detallado es de 67.45% los que indica que su comportamiento ante cargas verticales y uso normal, están dentro de los parámetros aceptables; con respectó a su comportamiento o desempeño frente a la fuerzas horizontales inducidas por el sismo (Según la norma actual), las rigidez promedio 58.95% indica una respuesta probablemente negativa de las estructuras. CONCLUSIONES Si bien desde el punto de vista cualitativo la estructura de las instituciones presenta una vulnerabilidad baja, estos resultados pueden estar generados porque en su totalidad se tratan de edificaciones de baja altura, sin masas de entrepiso que se aceleren, lo que lleva a otorgar calificaciones de buen comportamiento. La anterior calificación contrasta con la evaluación de las estructuras seleccionadas, la cual arrojó que muchas de ellas a pesar de ser de un solo nivel tienen grandes fallas, llegando a sugerir la inviabilidad de su rehabilitación. Una extrapolación de los resultados de la evaluación a todo el conjunto sugiere un nivel de vulnerabilidad diferente. Por lo anterior la evaluación cualitativa se le debe otorgar un margen de error y considerar su calificación con tendencia a un nivel intermedio de vulnerabilidad. Las modelaciones numéricas de las estructuras seleccionadas muestran correspondencia con el nivel de resistencia, en comparación con una estructura nueva en cuanto a resistencia por cargas verticales y se alejan de los requisitos de flexibilidad ante cargas horizontales (sismo), influenciadas tal vez 30 por los cambios en los requisitos de simoresistencia realizados en las distintas versiones de la normalidad. Por ejemplo la modelación del sismo de diseño varió drásticamente pasándose de modelar en promedio aceleraciones de 40% de la gravedad en la norma 84 hasta 87.5% de aceleración de la gravedad como es el caso de las estructuras modeladas. El valor de los índices de sobreesfuerzos y flexibilidad hace viable la opción de actualización de las estructuras a la norma NSR-10, ya que están cerca del límite de 1.5. En este sentido, este estudio resalta la necesidad de implementar un programa de rehabilitación de las estructuras de los centros educativos en este sector, con el fin de evitar un escenario de lesiones físicas humanas y/o inhabilitación de uso de las estructuras. De igual forma, prepondera la importancia de continuar realizando este tipo de investigaciones y/o estudios en los diferentes escenarios de los municipios aledaños, con el objetivo de generar alertas y planes de mejora para el bienestar de las diferentes comunidades que hacen uso de los mismos. REFERENCIAS 1. D. 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Los compuestos polipropileno (PP)-grafeno (RGO) fueron obtenidos utilizando polióxido de etileno (PEO) como compatibilizante. Los resultados de este estudio muestran que es posible obtener un incremento en el módulo elástico superior al 300% a temperatura ambiente, con respecto al polipropileno en estado puro, utilizando menos del 1%wt de grafeno (RGO) y polióxido de etileno (PEO) como compatibilizante. PALABRAS CLAVE Grafeno, polipropileno, propiedades elásticas, polímeros, compuestos. ABSTRACT In this study, the reinforcement effects of graphene (RGO) on the elastic properties of an isotactic polypropylene matrix (PP) were studied. Graphene (RGO) was obtained by graphite oxidation, ultrasonic exfoliation and chemical reduction. Polypropylene (PP) - graphene (RGO) composites were obtained by using Poly-ethylene oxide (PEO) as compatibilizer. It was found that the addition of less than 1%wt of graphene (RGO) lead to a significant increase in the elastic modulus, more than 300%, using Polyethylene Oxide (PEO) as compatibilizer, at room temperature. KEYWORDS Graphene, polypropylene, elastic properties, polymers, composites. INTRODUCCIÓN Los polímeros presentan una gran cantidad de propiedades excepcionales, tales como tenacidad, buena elongación, facilidad de procesamiento, bajo peso, y bajo costo. Sin embargo, para algunas aplicaciones y comparándolos con los materiales cerámicos y metálicos, la debilidad de los polímeros está asociada a su baja resistencia mecánica, entre otros aspectos. Lo anterior sugiere el desarrollo de actividades de investigación encaminadas a mejorar sus propiedades mecánicas. 32 Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. Por otro lado, y para otro tipo de aplicaciones, podría ser ventajoso mejorar la conductividad eléctrica y térmica.2 Para cubrir las áreas de oportunidad mencionadas, muchos trabajos se han enfocado en la formulación de compuestos poliméricos basados en silicatos y materiales base carbono, tales como nanotubos, fibras de carbono y grafeno.3 Las excelentes propiedades que presenta el grafeno lo señalan como material con un gran potencial para mejorar las propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas, de los polímeros, además de su gran área superficial.4 El grafeno es un material compuesto por una o varias (<10) capas de átomos de carbono arreglados en forma hexagonal y empacados en una red bidimensional en forma de panal de abeja,1,7,15 es considerado el bloque de construcción básico de materiales tales como, fulerenos, nanotubos de carbono (NTC) y grafito.3 Actualmente, se han desarrollado diferentes métodos para la producción de grafeno en grandes cantidades, como la exfoliación directa del grafito,5 exfoliación y reducción química a partir de una solución de óxido de grafito5 o exfoliación y reducción térmica a partir de óxido de grafito seco.3 Todas ellas basan la producción de láminas de grafeno a partir de grafito o sus derivados. Otro aspecto a considerar en la producción de compuestos base grafeno es que las propiedades de éste dependen ampliamente de su método de síntesis. A la fecha, se sigue investigando sobre métodos de producción de láminas de grafeno libres de defectos perjudiciales y en cantidades necesarias para las aplicaciones finales.4 Lograr una dispersión homogénea de las láminas de grafeno en polímeros polares, tales como Polimetil-metacrilato (PMMA), Poli-acrilo-nitrilo (PAN) o Poli-óxido de etileno (PEO) es considerado como otra área de oportunidad; el mezclado en solución se ha revelado como una estrategia ideal cuando estos polímeros pueden ser disueltos en el mismo solvente polar que las láminas de grafeno o algún precursor del grafeno.7 En polímeros no polares como el polipropileno, material utilizado como matriz en este trabajo de investigación, lograr una dispersión homogénea de las láminas de grafeno continúa en proceso de investigación. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Este trabajo explora el efecto de la incorporación de bajas concentraciones de grafeno (menores al 1%wt) sobre las propiedades elásticas en una matriz de polipropileno, con la incorporación de un compatibilizante, (polióxido de etileno, PEO) entre las láminas de grafeno y la matriz de polipropileno. EXPERIMENTACIÓN Material utilizado La matriz polimérica seleccionada fue Polipropileno isotáctico de la compañía Basell (homopolímero, ρ=0.90 g/cm³ (23°C), Mw=82,700 g/mol). Para la obtención de las láminas de grafeno, se utilizó grafito en polvo, con un tamaño de partícula promedio de 20 μm, el cual se oxidó usando permanganato de potasio (KMnO4), nitrato de sodio (NaNO3), ácido sulfúrico (H2SO4) al 98%, peróxido de hidrógeno (H2O2) e hidróxido de sodio (NaOH). Posterior a la oxidación, se redujo el óxido para recuperar las láminas de grafeno, usando como agente reductor hidrosulfito de sodio (Na2S2O4). Para compatibilizar el refuerzo con la matriz polimérica se utilizó poli-óxido de etileno (PEO). Todos los materiales se usaron como se recibieron, proporcionados por Sigma Aldrich. Obtención del grafeno (RGO) El primer paso para obtener las láminas individuales de grafito, conocidas como grafeno, es oxidándolo, para lo cual se siguió el método de Hummer’s modificado.7,8 El óxido de grafito es un material hidrofílico, por lo cual, puede disolverse en agua, y de esta manera ser exfoliado en láminas individuales con relativa facilidad al someter la solución a ultrasonido. El óxido de grafito obtenido en este trabajo fue disuelto en agua destilada y sometido a ultrasonido, formándose una suspensión coloidal la cual, a su vez, fue centrifugado a 4000 rpm, a temperatura ambiente, para sedimentar aquellas láminas no exfoliadas de densidad mayor. La parte no sedimentada es lo que contiene las láminas exfoliadas de óxido de grafito denominadas óxido de grafeno. Este material fue secado al vacío durante 24 horas. El óxido de grafeno seco, fue sumergido en 33 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. una solución reductora de hidrosulfito de sodio y agua destilada, mezclado con hidróxido de sodio (NaOH). La reducción química del óxido de grafeno produce láminas conocidas como óxido de grafeno reducido (RGO) o grafeno. Fig. 1. Representación esquemática de la obtención de las láminas de grafeno (RGO). La figura 1 muestra una representación esquemática de la producción de las láminas de grafeno reducido (RGO). Síntesis de los compuestos Polipropileno Grafeno (PP-RGO) Debido a su gran área superficial, las láminas de RGO tienden a formar aglomerados al momento de ser incorporadas a la matriz polimérica. Para minimizar lo anterior, se usó polióxido de etileno (PEO), polímero soluble en agua, como auxiliar en la dispersión de las láminas de grafeno. Este método constituye el de mezcla en solución + mezcla por fusión. Aprovechando la solubilidad en agua del polióxido de etileno (PEO) y del óxido de grafeno (GO), se obtuvo una solución acuosa con los dos materiales, sometiéndola a agitación ultrasónica para mejorar la dispersión. El solvente fue removido en un horno de vacío, obteniéndose láminas de PEO-GO, las cuales fueron sometidas a reducción química en seguida usando hidrosulfito de sodio. El material reducido fue secado de nuevo para eliminar completamente el solvente. 34 El compuesto ya seco, de polióxido de etileno (PEO) + grafeno (RGO) fue pulverizado y adicionado a la matríz de polipropileno (PP) mediante el método de mezcla por fusión, utilizando un mezclador intensivo de doble husillo, marca C.W. Brabender. La cámara del mezclador fue calentada hasta llegar a 180°C, poniéndose a girar los rotadores a una velocidad de 100 rpm; después se introduce de forma gradual el polipropileno en estado puro; al llegar al estado estable, se alimenta el compuesto PEO-RGO previamente pulverizado continuándose el mezclado por 10 minutos. El proceso completo se realizó bajo una atmósfera de nitrógeno, para evitar la oxidación y la pérdida de las propiedades del compuesto final. En la tabla I se muestran los compuestos obtenidos. La figura 2 presenta esquemáticamente las etapas en el método de obtención utilizado. Tabla I. Compuestos producidos mediante el método de mezcla en solución + mezcla por fusión. Muestra ID PP(%wt) PEO (%wt) PP/2PEO/0.1RGO 97.9 2 PP/5PEO/0.1RGO 94.9 5 PP/2PEO/0.5RGO PP/5PEO/0.5RGO 97.5 94.5 2 5 Grafeno (%wt) 0.1 0.5 0.1 0.5 Fig. 2. Esquema del método de producción de los compuestos PP-PEO-RGO. Caracterización La caracterización del grafeno se llevó a cabo mediante difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión TEM. Se utilizó un difractómetro X’Pert Pro con fuente de radiación Cu Kα (λ = 0.15418 nm), a una velocidad de 0.5° min-1. Para el TEM se usó un equipo JEOL JEM-2100F operado con un voltaje de aceleración de 200kV. La muestra tomada fue una porción del grafeno obtenido en forma de película. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. Para los compuestos, se evaluó la parte de la viscosidad compleja relacionada con las propiedades elásticas aplicando una deformación oscilatoria en estado de flujo. Para estas pruebas se utilizó un reómetro de placas paralelas modelo SR-5000 Science Rheology, operando a una temperatura de 180°C y con un barrido de frecuencias desde 0.1 hasta 100 rad/s. Todas las pruebas fueron llevadas a cabo en una atmósfera inerte de nitrógeno. Para muestras sólidas, las propiedades elásticas se midieron usando análisis mecánico dinámico (DMA). El módulo elástico se analizó variando la temperatura desde 25°C hasta 180°C, la frecuencia permaneció constante a un valor de 0.5 Hz. Se utilizó un microscopio óptico para analizar la morfología y la dispersión del grafeno en la matriz de polipropileno en los compuestos fabricados por los dos diferentes métodos. también el difractograma obtenido para lo que hemos llamado láminas de grafeno, (b), en el cual no se muestra ningún pico de difracción. Lo anterior probablemente se pueda atribuir a la pérdida del orden periódico de acomodo de las láminas, presentado antes de la exfoliación. De la explicación anterior se puede inferir que la diferencia entre las dos curvas se debe a que el grafito fue exfoliado en grafeno mono- lámina o grafeno multi-lámina. Estos datos son concordantes con los resultados reportados en investigaciones previas.1-4 Microscopía electrónica de transmisión para el óxido de grafeno reducido (RGO) Las imágenes de TEM de la figura 4 corresponden al RGO obtenido. En ellas se puede observar una RESULTADOS Y DISCUSIÓN Difracción de rayos X para el óxido de grafeno reducido (RGO) La figura 3 muestra los resultados que se obtuvieron para (a) el grafito en estado puro y (b) para las láminas de RGO. Para el primer caso, se muestra un difractograma típico de la estructura cristalina de grafito en estado puro. La presencia de un intenso pico de difracción confirma que el grafito utilizado como punto de partida para la obtención de grafeno tiene una estructura de apilamiento altamente orientado. En la misma figura, podemos apreciar Fig. 3. Difractograma para (a) el grafito utilizado y (b) el grafeno obtenido RGO. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Fig. 4. (a) Imagen de TEM para el óxido de grafeno reducido (RGO). (b) Imagen de TEM para óxido de grafeno reducido a una resolución mayor. 35 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. morfología de lo que asemejan láminas de grafeno corrugadas, las cuales se han reportado previamente en la literatura, argumentándose que la corrugación es intrínseca de las láminas de grafeno.4,15 En la misma figura, además de observar lo que parecieran láminas apiladas (indicada con flecha), es posible notar regiones con diferente intensidad de grises, o bien, regiones de diferente densidad, lo cual es indicativo de una exfoliación con respecto a la estructura original del grafito, tal como lo indican los resultados de difracción de rayos X ya mencionados, donde fue posible asumir que el material obtenido corresponde a grafeno mono-lámina o grafeno multilámina.4,7-9,34 Microscopía óptica para los compuestos Las figura 5 y 6 muestran las imágenes de microscopía óptica para los compuestos obtenidos. En ambas figuras se observa la presencia de aglomeraciones, evidenciando una mala dispersión en la matriz de polipropileno. Fig. 6. Imágenes de microscopía óptica para los compuestos: (a) PP/5%wt PEO/ 0.1%wt RGO y (b) PP/5%wt PEO/0.5%wt RGO. Obtenidos mediante el método de mezcla en solución + mezcla por fusión. Fig. 5. Imágenes de microscopía óptica para los compuestos: (a) PP/2%wt PEO/0.1%wt RGO, (b) PP/2%wt PEO/0.5%wt RGO. Obtenidos mediante el método de mezcla en solución + mezcla por fusión. 36 Al encontrarse el polipropileno en estado de flujo, se produce gran movimiento de las cadenas poliméricas, lo que propicia la difusión del compuesto adicionado (PEO-RGO) a través del polipropileno, sin embargo un factor importante a tomar en cuenta para evitar la aglomeración de las láminas de grafeno es la velocidad de los husillos de la cámara de mezclado, aunque este efecto es diferente para cada polímero. Para romper con las aglomeraciones, Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. la velocidad debe aumentar conforme aumenta la concentración de reforzante, ya que entre mayor sea la cantidad de éste, mayor será la energía necesaria para poder romper dichas aglomeraciones. Esto ya se ha reportado para otros materiales reforzantes, entre ellos nanotubos de carbono, los cuales son considerados láminas de grafeno enrolladas.39 Dados los pobres resultados obtenidos en la dispersión del reforzante con el compatibilizante y las condiciones de mezclado utilizadas, se propone la búsqueda de vías alternas para mejorar la dispersión, tales como modificar el tipo de compatibilizante, la modificación de la velocidad de husillo y del tiempo de mezclado entre las más importantes. Reología de los compuestos en estado de flujo La comparación de la viscosidad de todos los compuestos obtenidos se muestra en la figura 7. En las imágenes se puede observar que la viscosidad se encuentra alrededor de los mismos valores del polipropileno puro, lo que aparentemente indica que en estado de flujo el PEO no está haciendo su función como compatibilizante. que la diferencia máxima en el módulo elástico entre el PP y el compuesto se obtiene a una temperatura de 30°C, siendo del orden de 490 MPa (173%). Para el compuesto PP/2%PEO/0.5%RGO, figura 8b, a la temperatura de 30°C, la diferencia es mayor, llegando a ser de 741 MPa (361%). El aumento en el módulo elástico en los compuestos, puede deberse a que las láminas de grafeno se “anclan” a las cadenas de PEO, las cuales interaccionan a su vez con el polipropileno a través de enlaces débiles tipo van der Waals o puentes de hidrogeno. Sin embargo este reforzamiento es menos obvio al aumentar la temperatura, debido al aumento en la movilidad de las cadenas de ambos polímeros. La temperatura en la cual el módulo elástico es prácticamente cero se mantiene alrededor de los mismos valores para el polipropileno puro y todos los compuestos, lo cual es una gran ventaja para aplicaciones en donde es necesario el reforzamiento Fig. 7. Viscosidad en función de la frecuencia para el PP y todos los compuestos obtenidos ya sea por el método de mezcla en fusión (PP/RGO) o por el método de mezcla en solución + mezcla por fusión (PP/PEO/RGO) a 180°C. Resultados de DMA en los compuestos obtenidos por mezcla en solución + mezcla por fusión. La figura 8 muestra el módulo elástico (E’) en función de la temperatura para los compuestos obtenidos. En la figura 8a, correspondiente al compuesto PP/2PEO/0.1%RGO, se puede apreciar Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Fig. 8. Módulo elástico en función de la temperatura para los compuestos obtenidos por mezcla en solución + mezcla por fusión y su comparación con PP en estado puro. (a) PP/2PEO/0.1%RGO, (b) PP/2%PEO/0.5%RGO, 37 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. mecánico a temperatura ambiente, pero con baja temperatura de procesamiento en el estado de flujo. En la figura 9a se observa el módulo elástico del compuesto PP/5%PEO/0.1%RGO; una diferencia máxima de 166 MPa (58%), con respecto al del polipropileno puro a una temperatura de 30°C. Para el compuesto PP/5%PEO/0.5%RGO, la figura 9b muestra un aumento de alrededor de 576 MPa (300%) respecto al PP puro a una temperatura de 30°C. La concentración de 5% PEO probablemente esté por encima de lo requerido para las cantidades de grafeno manejadas en este trabajo, de ahí que el compuesto con 2% PEO presente un ΔE’ mayor. A pesar de lo anterior, se presume que a mayor cantidad de grafeno, mayor cantidad de compatibilizante, debido a la posible saturación de las láminas de grafeno Fig. 10. Variación del módulo elástico (ΔE’) de los compuestos con respecto a la concentración de grafeno (%wt RGO) y la concentración de compatibilizante (%wt PEO); la matriz de PP puro corresponde al punto 0,0,0 usado como referencia. Fig. 9. Módulo elástico en función de la temperatura para los compuestos obtenidos por mezcla en solución + mezcla por fusión y su comparación con PP en estado puro. (a) PP/5%PEO/0.1%RGO y (b) PP/5%PEO/0.5%RGO. Resumiendo los últimos resultados, la figura 10 muestra la diferencia del módulo elástico (ΔE’), en función de la concentración de grafeno y la concentración de compatibilizante para todos los compuestos con respecto al polipropileno puro a 30°C. Se puede notar que, a concentración constante de polióxido de etileno, hay un aumento del módulo elástico al aumentar la concentración de grafeno. Las condiciones a las cuales se obtiene la mayor diferencia es con 0.5%wt grafeno y 2%wt PEO. 38 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES I. Para el polipropileno reforzado con láminas de grafeno en estado de flujo no se presentaron diferencias significativas en el comportamiento de la viscosidad, con respecto a la matriz en estado puro. II. El adicionar PEO a los compuestos PP/RGO, promueve un aumento en el módulo elástico a temperaturas debajo del estado de flujo. III. La cantidad agregada de 2%wt PEO con 0.5%wt de grafeno se reporta como la concentración más favorable para un valor máximo de E’, a una temperatura de 30°C. IV. Para las concentraciones de grafeno usadas en este proyecto, funciona mejor el adicionar concentraciones bajas de PEO (≈2%). V. La temperatura en la cual el módulo elástico presenta un valor de “0” es prácticamente la misma (T≈160°C), tanto para el polipropileno en estado puro como para los compuestos Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Comportamiento elástico y morfológico de compuestos polipropileno-grafeno / Mayra Iveth Llamas Hernández, et al. polipropileno/PEO/grafeno. Esto pudiese resultar favorable en aplicaciones desde el punto de vista del procesamiento en grandes cantidades de los compuestos, debido a que no es necesario utilizar energía adicional que involucre aumento de costos para alcanzar el estado de flujo de los compuestos, y obteniendo reforzamiento mecánico a temperatura ambiente. VI. En general se puede concluir que conseguir una buena dispersión continúa siendo un desafío primordial para el reforzamiento efectivo de los polímeros, especialmente en especímenes no polares, tales como el Polipropileno (PP). Para la realización de investigaciones posteriores se considera conveniente el análisis del espesor y longitud de las láminas de grafeno obtenidas, así como también la obtención de imágenes de TEM a mayores magnificaciones, esto con el objetivo de conocer la calidad de láminas de grafeno que será utilizado en la síntesis de los compuestos. Se recomienda, en el método de mezcla por fusión, realizar pruebas para la búsqueda de condiciones óptimas de mezclado con el objetivo de mejorar la dispersión del grafeno en la matriz polimérica, tales como la modificación de la velocidad de husillo y del tiempo de mezclado. Es n e ce s ar i o a n al i z ar n ue v as ví as de compatibilización que pudiesen ser eficientes para mejorar la dispersión. Debido a las imágenes de microscopía óptica, las cuales revelaron la presencia de aglomeraciones. Sería conveniente realizar pruebas con óxido de grafeno, con la finalidad de evaluar el potencial de éste en las propiedades elásticas de la matriz de polipropileno. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Zhou T, Chen F, Liu K, Deng H, Zhang Q, Feng J, Fu Q, A simple and efficient method to prepare graphene by reduction of graphite oxide with sodium hydrosulfite, 2011, Nanotechnology 22, 45704. 2. Mahmoud W, Morphology and physical properties of poly(ethylene oxide) loaded graphene nanocomposites prepared by two different techniques, 2011, European Polymer Journal, 47, 1534-1540. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 3. Kim H, Abdala A, Macosko C, Graphene/ polymer nanocomposites 2010, Macromolecules, 43, 6515-6530. 4. Chen M, Oh W, Zhang K, Zhang F, 2010, Journal of K physical society, 4, 1098-1102. 5. Srinivas G, Zhu Y, Piner R, Skipper N, Ellerby M, Ruoff R, Synthesis of graphene-like nanosheets and their hydrogen adsorption capacity, 2009, Carbon, 48, 630-635. 6. 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Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales Rodrigo Puente OrnelasA, Leonardo Chávez GuerreroA, Gerardo Fajardo San MiguelB, Alejandro Trujillo ÁlvarezA, Herlinda María Delgadillo GuerraA Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME-CIDET Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Civil, ropuor@gmail.com A B RESUMEN Pastas fueron elaboradas reemplazando cemento portland ordinario por caliza de bagazo de agave, ceniza volante, nano-SiO2 geotérmica y humo de sílice. Las pastas fueron curadas a 20ºC y 100% de humedad hasta 28 días. Se les evaluó la resistencia a la compresión, resistencia a la penetración de iones cloruro, porosidad y microestructura. Tras la evaluación, los resultaron revelaron que las pastas reemplazadas mostraron una matriz más compacta y menos porosa, valores de resistencia a la compresión de hasta un 45% más, valores de paso de carga de hasta 57% menos, en comparación con las pastas de referencia. PALABRAS CLAVE Ion cloruro, cemento, caliza, nano- SiO2, microestructura. ABSTRACT Pastes were fabricated replacing ordinary portland cement by limestone agave bagasse, fly ash, geothermal nano-SiO2 and silica fume. The pastes were cured at 20°C and 100% humidity for 28 days. They evaluated the compressive strength, resistance to penetration of chloride ions, porosity and microstructure. After evaluation, the results showed that the pastes additioned exhibited a more compact and less porous matrix, values of compression strength of up to 45% more, load passage values of up to 57% less, compared to reference pastes. KEYWORDS Chloride ion, cement, limestone, nano-SiO2, microstructure. INTRODUCCIÓN Los problemas actuales causados por las altas emisiones de CO2, como el calentamiento global y el aumento de la generación de residuos industriales, han creado conciencia en la sociedad acerca de la preservación del medio ambiente. Por otra parte, la sostenibilidad de la industria del cemento se ha visto amenazada por el aumento del precio de los combustibles fósiles y los eco-impuestos para la liberación de CO2. Por lo anterior, la mitigación de las emisiones de CO2 mediante el uso de adiciones minerales como sustitutos parciales de cemento es hoy en día una práctica muy común,1-3 no sólo para preservar el medio ambiente, la energía y Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 41 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. los recursos naturales, sino también para mejorar la calidad, propiedades (física, química, mecánica), durabilidad y precio del concreto.4,5 Hay muchas investigaciones en las que se han utilizado adiciones minerales tales como puzolanas naturales, filler calizo, desechos industriales (escoria granulada de alto horno, ceniza volante, humo de sílice y cenizas de cascara de arroz), agregado grueso de concreto reciclado, para nombrar unos pocos.6-10 En varios casos, estas adiciones aumentan la resistencia mecánica; mejoran la uniformidad microestructural fomentando con ello la reducción en la permeabilidad y porosidad. A pesar de los numerosos informes relacionados con el uso de adiciones minerales en las últimas cinco décadas, los cuales proponen la viabilidad de sustituir un porcentaje determinado de cemento sin perjudicar las propiedades del concreto, existen muy pocos en los cuales se aborde sobre el uso de los residuos industriales generados por las plantas geotérmicas y la industria del mezcal o tequila. En el caso de los residuos generados por las plantas de energía geotérmica, estos pueden llegar a causar problemas importantes debido a su generación y acumulación. Varias estimaciones indican que más del 80% de las plantas existentes tienen estas dificultades.11 Sin embargo, en la actualidad la producción de electricidad a través de los recursos geotérmicos es cada vez mayor por las ventajas económicas y ecológicas en comparación con otras fuentes de generación de electricidad.12 Una de estas plantas se encuentra en Mexicali, Baja California, México, en la cual se estima una producción de hasta 70 mil toneladas por año13 de residuos (residuo llamado en este artículo como nano-SiO2 geotérmica, “NSG”), por lo que es importante encontrar una aplicación para este residuo. Este residuo es un material compuesto por nanopartículas de sílice amorfa (~ 20nm) en más de 90% en peso y una cantidad considerable de cloruros de sodio y potasio.14 Este material ha sido estudiado como material secundario en la producción de vidrio, cerámica refractaria,15 así como en la preparación de pastas, morteros y concretos.16-18 Por otra parte, el mezcal o tequila, que es una bebida alcohólica producida en México, requiere como materia prima para su fabricación, plantas de 42 agave, cuyo consumo ha aumentado año con año y es estimado actualmente en 1.000.000 de toneladas.19 Según Ibarra-Hernández y cols.,20 la composición global de la planta agave es: 60% humedad, 25% carbohidratos, 10% fibra, 2,5% minerales y 2,5% de otros componentes, tales como proteínas e inulinas, por lo tanto, durante el proceso de fabricación de mezcal o tequila se producen miles de toneladas de residuos que comúnmente son llamados “bagazo”, que tan solo la industria de producción del mezcal genera de 15 a 20 kg por litro.21 Si estos residuos no se reciclan o se procesan adecuadamente generan contaminación y suelen ser quemados o arrojados a los vertederos. Según diversos estudios, el bagazo es un candidato para su uso en la preparación de alimento para ganado, remedios para la salud, construcción, fertilizantes, combustible, sustratos para la aplicación de enzimas inulinosas de microorganismos como Aspergillus niger CH-A-2010 y CH-A-2016.22-27 Sin embargo, hay pocos estudios sobre la viabilidad de su uso en la industria de la construcción.28-29 Por esta razón, en la presente investigación se estudiaron los efectos de la sustitución parcial de cemento portland ordinario por caliza de bagazo de agave, ceniza volante y nano-SiO2 geotérmica, sobre la porosidad, resistencia mecánica, microestructura y resistencia a la penetración de iones cloruro en pastas elaboradas con estos materiales. EXPERIMENTACIÓN Materias primas El bagazo de agave se recogió directamente de la fábrica de mezcal IPIÑA SA de CV ubicada en San Luis Potosí, México. Se utilizó un horno Thermolyne 48000 para calentar el bagazo a 450 °C con el fin de obtener las cenizas, llamadas en este artículo como caliza de bagazo de agave (CBA) debido a su alta concentración de CaCO3. La ceniza se tamizó para obtener partículas menores a 75 micras y finalmente fue homogenizada. Por otro lado, la cenizas volante (CV) fue proporcionada por la planta Termoeléctrica José López Portillo (ubicado en Nava, Coahuila, México), la cual corresponde a ceniza de clase F, debido a su bajo contenido de CaO, de acuerdo a lo descrito por ASTM C618-08a.30 La ceniza fue tamizada para obtener partículas menores a 75 micras y finalmente fue homogenizada. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. Respecto a la nano-SiO2 geotérmica (NSG), esta fue proporcionada por la planta geotérmica Cerro Prieto (que se encuentra en Mexicali, Baja California, al norte de México). Este material fue lavado utilizando agua que se encontraba a 100°C, esto con la finalidad de disolver y eliminar la alta concentración de cloruros de sodio y potasio (~ 32,2%) contenidos en la nano-SiO2, de manera que se el NSG quede en una concentración de cloruros totales igual a 0% en peso. El % de cloruros totales (Cl-) fue determinado mediante la técnica de valoración volumétrica utilizando el método de Mohr.31 Después del lavado, la NSG se filtró y se secó durante 24 horas a 120°C en un horno eléctrico. Posteriormente, la NSG se tamizó para obtener partículas menores a 75 micras y finalmente fue homogenizada. El humo de sílice (HS) empleado en este trabajo corresponde a una micro-sílice densificada en polvo comercial, marca RHEOMAC SF100, la cual es comercializada por la compañía química BASF. Dicho material fue tamizado para obtener partículas menores a 75 micras y finalmente fue homogenizado. El cemento utilizado en este estudio fue proporcionado por CEMEX México y corresponde a la clasificación de tipo I CPO (Cemento Portland Ordinario, de acuerdo a la norma mexicana, NMXC-414-ONNCCE). 32 Todas las materias primas utilizadas en este estudio se caracterizaron por fluorescencia de rayos X y las composiciones químicas se muestran en la tabla I. Diseño de mezclas y producción de pastas Se elaboraron pastas cilíndricas de diferentes tipos de mezclas utilizando cemento portland ordinario (CPO), caliza de bagazo de agave (CBA), ceniza volante (CV) y nano-SiO2 geotérmica (NSG), humo de sílice (HS), agua destilada y superplastificante comercial (Glenium 3150, base policarboxilato en una proporción de 1.5% con respecto al peso del cemento). Las dimensión de las pastas cilíndricas fue de 25.4x50.5mm y se elaboraron usando una relación agua/materiales cementantes (a/c) de 0.45, así como la sustitución de CPO por 1.67, 2.5 y 5% en peso de CBA, CV, NSG y SF). Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 Tabla I Análisis químico por FRX de las materias primas empleadas. Compuesto Composición química (% peso) CPO NSG CV CBA 0.845 15.79 61.165 1.4 95.89 0.82 0.45 Na2O 0.36 0.32 0.273 Al2O3 4.46 0.09 25.144 MgO 1.27 - SiO2 18.51 98.36 SO3 3.26 0.03 0.184 0.23 1.405 - 0.988 P2O5 Cl- 0.08 - - 0.06 CaO 67.45 0.45 Mn2O3 0.13 0.05 0.014 *P. I., % 0.79 0.31 3.016 Total 100 K2O TiO2 Fe2O3 **R. I., % 0.87 0.21 2.61 - 0.04 0.05 100 2.42 4.556 - 100 - : No aplica * P. I.: Pérdidas por ignición a 950ºC. **R. I.: Residuos insolubles. HS - 0.17 - 0.42 3.53 12.75 0.42 0.06 0.41 65.31 0.61 - 0.03 0.21 0.29 - 0.189 - 100 - 1.22 0.03 100 La dosificación de las materias primas utilizadas se muestra en la tabla II. Las pastas fueron fraguadas a 20ºC. Después de 24 horas, se fueron sumergidas en agua saturada con hidróxido de calcio, permaneciendo en ese ambiente de curado hasta 28 días a una temperatura de 20°C. Para obtener la mejor reproducibilidad de los experimentos, se utilizaron cuatro pastas por cada tipo de mezclas y por cada período de hidratación. Métodos de medición La resistencia a la compresión se evaluó a los 28 días utilizando una máquina de compresión de 200 toneladas, esto para cada una de las edades de curado. Después de las pruebas de resistencia a compresión, el centro de las pastas se extrajo y se trituró para obtener partículas de aproximadamente 5 mm de diámetro las cuales fueron sumergidas en recipientes que contenían acetona, y se sometieron a un proceso de secado empleando una temperatura de 50°C por 24 h, esto para detener las reacciones de hidratación. 43 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. Tabla II. Proporción de materiales en la elaboración de los diferentes tipos de mezclas (% en peso). CPO CBA 64.846 (95%) 3.413 (5%) R 68.259 (100%) M2 64.846 (95%) M1 M3 M4 M5 M6 Materiales cementantes suplementarios (Nivel de reemplazo de CPO en % en peso) 64.846 (95%) 64.846 (95%) 64.846 (95%) 64.846 (95%) 1.706 (2.5%) 1.137 (1.67%) CV 3.413 (5%) NSG 3.413 (5%) 1.706 (2.5%) 1.137 (1.67%) Para el análisis de pastas por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), las muestras representativas se impregnaron con resina epoxi, fueron devastadas y pulidas y finalmente recubiertas con grafito. Las imágenes de MEB se obtuvieron en el modo de electrones retrodispersados utilizando un voltaje de aceleración de 20 kV, las observaciones más relevantes se presentan en este trabajo. Además, se tomaron algunas secciones de las pastas para determinarles la porosidad siguiendo el procedimiento reportado en la ASTM C-642-97.33 La resistencia a la penetración de iones cloruro se evaluó en pastas cilíndricas curadas a 28 días empleando la técnica RCPT (rapid chloride penetration test) de acuerdo con el procedimiento estipulado por la norma ASTM C 1 202.34 Para eso, las pastas de las dimensiones 25.4x50.5mm fueron cubiertas con pintura epoxi en toda su superficie periférica y después de secarse por 24 horas, se introdujeron en una cámara de secado a una presión de vacío de 1 mm Hg durante tres horas; posteriormente, la cámara se llenó con agua destilada manteniendo la presión de vacío durante 1 hora; después, las pastas se mantuvieron en la inmersión de agua por 24 horas, esto sin presión de la cámara. Después del período de inmersión, las pastas se colocaron entre dos celdas conectadas a un potenciostato. Para ello, una de las celdas se llenó con solución acuosa preparada al 0.3 N de NaOH y la otra celda con una solución acuosa preparada al 3% de NaCl. Finalmente, las células fueron conectadas a una fuente de alimentación de voltaje, donde el electrodo 44 HS Agua SP Total 30.717 1.024 100 30.717 1.024 100 30.717 1.024 100 30.717 30.717 3.413 (5%) 1.137 (1.67%) 30.717 1.024 1.024 1.024 100 100 100 de la celda que contenía el NaCl funcionó como cátodo y el electrodo de la celda que contenía NaOH funcionó como ánodo. La prueba de RCPT se realizó en 3 pastas por cada diseño de mezcla utilizando un voltaje constante de 60,0 ± 0,1 V durante seis horas, obteniendo como resultado de la prueba de un valor de paso de carga total (Q en culombios). Los resultados observados en los valores de Q son el promedio de 3 ensayos y fueron clasificados de acuerdo con los criterios sugeridos por la norma ASTM C1202 (ver tabla III). Tabla III. Penetrabilidad del ion cloruro en base al paso de caga. Paso de carga (coulombs) Penetrabilidad del ion cloruro 2,000-4000 Moderada ›4,000 1,000-2,000 100-1,000 ‹100 Alta baja Muy baja Despreciable Después de la prueba de RCPT, las pastas se rompieron transversalmente y una de las secciones fue expuesta en su cara interna ante una solución acuosa preparada al 0.1 M con nitrato de plata (AgNO3, el cual funge como indicador de iones cloruro). Después de 5 minutos de exposición, la precipitación de cloruro de plata color blanco (AgCl) apareció sobre la superficie revelando la presencia de iones cloruro en el interior de las pastas. Posteriormente, la profundidad de penetración de iones cloruro fue evaluada. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La figura 1 muestra los resultados obtenidos de las pruebas de resistencia a la compresión realizadas en las pastas. De manera general, en dicha figura puede observarse que los diferentes tipos de mezclas presentaron un incremento en la resistencia a la compresión con respecto al incremento en el tiempo de curado, esto debido a la producción de gel CSH, principal promotor de la resistencia mecánica, el cual es producto de reacción del agua con las diferentes fases anhidras del cemento. Así mismo, los materiales suplementarios como el CV, HS y NSG también fomentaron un incremento en las propiedades mecánicas de las pastas que fueron adicionadas con éstos, ya que dichos materiales reaccionaron con el hidróxido de calcio (producto de hidratación generado tras la reacción del agua con las diferentes fases anhidras del cemento) produciendo gel CSH adicional, de manera que a los 28 días de curado, los valores de resistencia a la compresión de las pastas adicionadas superaron a los valores de las pastas elaboradas con 100% de CPO. A 28 días, las pastas adicionadas con NSG superaron a las pastas elaboradas con 100% de CPO (mezcla R) en un 27%, 54% y 75% más en resistencia a la compresión al reemplazar el CPO por NSG en un 1.67% (mezcla M6), 2.5% (mezcla M5) y 5% (mezcla M3) respectivamente. Estos resultados son atribuidos a la efectividad de la reacción puzolánica de la NSG con el hidróxido de calcio, de manera que al tener mayor NSG en la matriz cementante existe mayor posibilidad de que ésta produzca más gel CSH y consecuentemente la matriz se haga más compacta mejorando con ello los valores de resistencia a la compresión. En otras investigaciones, se ha observado una alta actividad puzolánica en nano-sílice geotérmica cuando esta ha sido utilizada como material de reemplazo de cemento.35,36 Además, es importante señalar que de acuerdo con estudios realizados por Quercia,37 quien a su vez refiere a Qing38 y lin39 las partículas de nano-sílice empleadas en la elaboración de morteros y concretos actúan como sitios de nucleación para la precipitación de gel CSH, logrando con ello un mejoramiento en los resultados de resistencia a la compresión, efecto también observado con el uso de la NSG. Por otro lado, puede observarse que la resistencia a la compresión de las pastas elaboradas con 5% de Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 CV (mezcla M2) va incrementando paulatinamente con respecto al tiempo, sin embargo, su resistencia a 28 días es 13.52% menor que la exhibida por las pastas R. Este fenómeno fue observado en otras investigaciones donde las pastas elaboradas con CPO fueron adicionadas con partículas finas y esféricas de CV mostrando un incremento en su resistencia mecánica a edades tardías, efecto que fue atribuido al empaquetamiento fomentado por las partículas pequeñas y esféricas de la ceniza volante fina de modo que su reacción se vio retardada a edades tempranas;40-43 además, otros autores manifestaron en sus investigaciones que el tamaño y la morfología esférica, la composición química y la fracción amorfa de la CV, modifican el desarrollo de las propiedades mecánicas, químicas y microestructurales de pastas, morteros y concretos.44 Bajo este esquema, tomando en consideración lo observado en dichas investigaciones, se esperaría que las pastas adicionadas con CV (mezcla M2) superen en resistencia a la compresión a las pastas R a edades tardías. Así mismo, en la figura 1 se aprecia que las pastas elaboradas con 5% de HS (mezcla M4) mostraron mayor resistencia a la compresión con respecto a las pastas R a la edad de 28 días, lo que representa un 8% más; ello se debe a que el HS es un material no cristalino que presenta alta área superficial, lo cual lo hace ser un excelente material puzolánico. Es sabido que este material durante las reacciones iniciales de del cemento, actúa como sitio de nucleación incrementado con ello la velocidad de reacción y precipitación de CSH adicional promoviendo el incremento en la resistencia a la compresión. Este comportamiento ha sido reportado en diversas investigaciones en las cuales concretos adicionados con el HS han exhibido valores superiores en la resistencia a la compresión con respecto a los concretos elaborados con 100% de CPO.45,46 Por otro lado, las pastas adicionadas con CBA mostraron un incremento en la resistencia a la compresión con respecto al tiempo y al igual que el resto de las pastas, también mostraron valores de resistencia mecánica mayores que las pastas R, tal es el caso de las pastas adicionadas al 5% con CBA (mezcla M1), las cuales superaron en resistencia a la compresión en un 16% más, respecto a las pastas de referencia R. Esto se debe a que el 45 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. Fig. 1. Resultados de resistencia a la compresión de pastas curadas a 7, 1 y 28 días. filler calizo ayuda en el proceso de aceleración de la hidratación del cemento, obteniendo efectos benéficos en la resistencia mecánica tal y como lo manifiesta Lothenbach y cols.47 y más tarde De Weerdt y cols.,48 además; Li y cols.49 observaron un incremento sustancial en la resistencia mecánica de concretos cuando adicionaban el 3% de nano caliza (nano-limestone) obteniendo 140 MPa de resistencia a la compresión comparada contra la exhibida en los concretos de referencia que fue de 125.6 MPa, lo que representa una ganancia en resistencia a la compresión del ~12%. Así mismo, Ramezanianpour y cols.,50 observaron que a la edad de 28 días, la resistencia mecánica de concretos adicionados con 5% de caliza (limestone) superaba a la exhibida en los concretos elaborados con 100% de CPO, este comportamiento se repetía a la edad de 90 y 180 días de curado. En la figura 2, son presentados los resultados obtenidos de las prueba de penetración rápida del ion cloruro, esto tomando en consideración los valores de paso de carga recomendados por la norma ASTM C1202. De manera general, en dicha figura puede observarse que todas las mezclas presentaron una resistencia a la penetración del ion Cl- considerada como “muy baja” de acuerdo parámetros estipulados por la norma ASTM C1202, ya que todos los valores de carga se encuentran en el rango de 100-1000 coulombs. Sin embargo, las mezclas exhibieron diferencias en sus valores de carga, tal es el caso de las pastas adicionadas con 5% de NSG (mezcla 3) que presentaron cargas del orden de los 309 Coulombs, siendo las que mayor resistencia al paso 46 del ion Cl- exhibieron. Este valor de carga representa una penetración de 8.52 mm de acuerdo a estudios post-mortem realizados en las pastas (ver tabla IV). Lo anterior indica que el uso de la NSG promueve en las pastas una fuerte capacidad para inhibir la penetración de los iones Cl-, esto haciendo una comparación con los valores de carga exhibidos en las pastas elaboradas con 100% de CPO los cuales fueron 720 Coulombs (14.32 mm de penetración del ion Cl-). De acuerdo a estos los valores de carga, las pastas adicionadas con NSG exhibieron un 57.08% menos de paso de carga respecto a las pastas elaboradas con 100% de CPO. Comportamiento similar fue observado en las mezclas M2 (5% CV, 610 Coulombs, 12.92 mm de penetración del ion Cl-), M4 (5% HS, 470 Coulombs, 11.72 mm de penetración del ion Cl-) y M5 (2.5% Fig. 2. Resistencia a la penetración del ion Cl- en pastas cuadas a 28 días. Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. CBA y 2.5% NSG, 463 Coulombs, 10.77 mm de penetración del ion Cl-) ya que estas presentaron valores de carga un poco menores respecto a los obtenidos en las mezclas R (100% OPC), dichos valores representan un 15.27%, 34.72% y 35.69% menos de paso de carga respectivamente. Este mismo comportamiento se ha observado en otras investigaciones en las que se ha utilizado nanosílice como material suplementario en la elaboración de morteros, los cuales exhibieron un enorme decremento en la penetración del ion Clrespecto a los morteros de referencia.51,52 Así mismo, se ha reportado que la penetración del ion cloruro en los concretos usualmente disminuye con la adición de materiales suplementarios como la ceniza volante y el humo de sílice.53,54 Tabla IV. Resultados de porosidad total y penetración de cloruros en pastas curadas a 28 días. R M1 M2 M3 M4 M5 M6 Porosidad Total (%) Penetración de Cl- (mm) 17.17 14.58 13.76 8.52 16.98 16.33 14.32 12.92 14.66 11.72 18.27 18.31 14.33 10.77 Por otro lado, las mezclas M1 (5% CBA, 740 Coulombs, 14.58 de penetración del ion Cl-) y M6 (1.67 CBA &1.67CV&1.67 NSG, 971 Coulombs, 18.31 mm de penetración del ion Cl-) presentaron un ligero incremento en los valores de carga respecto a la mezcla de referencia, dicho incremento representa un 2% y 34% respectivamente. Algunos autores han reportado que la penetración del ion cloruro en concretos incrementaba con el contenido de caliza (10, 15% y 20% de limestone).55,56 La figura 3 muestra una comparativa respecto a la microestructura exhibida por cada una de las pastas a la edad de 28 días y que fue adquirida por mediante la técnica de Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) utilizando el detector de electrones retrodispersados y magnificaciones de 500X. En dicha figura los materiales de reemplazo de CPO son identificados de la siguiente manera: CBA Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 (flecha color rosa), FA (flecha color naranja), NSG (flecha color roja), SF (flecha color azul); además, el gel CSH en la modalidad de productos internos (IP, flecha color negro con amarillo) y productos externos (PE, flecha colorblanco con negro), granos de cemento en proceso de hidratación (U, flecha color negro) y la porosidad (P, flecha color café). De manera general, se puede observar que la pasta R (100% OPC) presenta gran cantidad de granos de cemento en proceso de hidratación (U), así como gran cantidad de poros (P), esto en comparación con el resto de las pastas. Similar comportamiento se aprecia en las mezclas M1 (5% CBA) y M6 (1.67 CBA &1.67FA&1.67 NSG), pese a que esta última fue adicionada con materiales puzolánicos como el FA y la NSG Estas pastas R, M1 y M6 exhibieron los valores más altos en porosidad, 16.98%, 17.17% y 17.65% respectivamente (ver tabla IV), valores que concuerdan con los resultados obtenidos de resistencia a la penetración de ion cloruro (paso de carga) y el estudio post-mortem de las pastas cuando estas se pusieron en interacción química con el nitrato de plata utilizado como indicador de penetración del ion cloruro. Este ligero incremento de porosidad obtenido en las pastas M1 respecto a las pastas R puede atribuirse a que las partículas de CBA poseen morfologías rectangulares fibrosas del orden de 20 y 40 µm las cuales presentan porosidad a su interior, así como poros a su alrededor (interface entre las partículas de CBA y los productos de hidratación), tal como se puede observar en las imágenes de la figura 3 donde CBA es señalada mediante flechas color rosa. Este fenómeno ha sido previamente reportado en otras investigaciones en la cuales, pastas fueron adicionadas con caliza y analizadas microestructuralmente a la edad de 7 y 28 días.57,58 Similar comportamiento se sugiere que fue propiciado en las pastas M6 ya que tienen como material de adición el CBA, sin embargo, el efecto de las reacciones puzolánicas provenientes de los otros materiales de adición (CV y la NSG) con el hidróxido de calcio no fue el esperado ya que estos contribuyeron a la poca formación de gel CSH adicional para densificar la matriz cementante, de manera que la disminución de la porosidad no fue favorecida como se esperaba. 47 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. Fig. 3. Comparación microestructural entre todas las pastas curadas a 28 días: CBA (flecha rosa), CV (flecha naranja), NSG (flecha roja) y HS (flecha azul); productos internos de gel CSH (IP, flecha negra con amarillo, productos externos de gel CSH (PE, flecha blanco con negro), cemento anhidro (U, flecha negra) y porosidad (P, flecha café). Por otro lado, las pastas adicionadas con NSG al 2.5% y 5% en peso, presentaron microestructuras más compactas debido a la fuerte reacción puzolánica entre la NSG y el hidróxido de calcio que fomento gran cantidad de gel CSH adicional contribuyendo a la disminución de la porosidad, tal y como lo reflejan los resultados en los que las pastas M3 y M5 presentan los valores más bajos de porosidad, 13.76% y 14.33% respectivamente (ver tabla IV). Este efecto de densificación en la microestructura de las pastas con el uso de nano-sílice ha sido reportado por Du y colaboradores.59,60 Finalmente, las pastas adicionadas con HS al 48 5% (M4) presentaron una microestructura no tan compacta como la que se esperaba, de manera que la porosidad que desarrollaron (14.66%) fue mayor a la presentada por las pastas adicionadas con NSG. Además, la microestructura reveló muchos aglomeramientos de partículas de HS que sobrepasaron las 50 µm, propiciando con ello el desarrollo de la reacción álcali sílice (RAS), fenómeno que contribuyó en los resultados obtenidos en las propiedades mecánicas, los cuales presentaron poca ganancia en los valores de resistencia la compresión con respecto los exhibidos en las pastas de referencia R, ya que existió poca reactividad en Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. el HS para la generación adicional de gel CSH. Este fenómeno de RAS ha sido ampliamente reportado por otros autores, el cual contribuye de manera muy negativa en las propiedades en general de los concretos.61,62 CONCLUSIONES Los resultados revelaron que la nano-SiO 2 geotérmica (NSG) y la caliza de bagazo de agave (CBA) podrían ser materiales potencialmente adecuados en la fabricación de pastas, morteros y concretos con aplicaciones industriales, lo que contribuiría positivamente a la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera, así como en la disminución del impacto ambiental generado en las zonas de eliminación. Esto debido a que ambos fomentaron en las pastas adicionadas con estos, un mejoramiento en las propiedades mecánicas y una menor porosidad, permeabilidad de iones cloruro y alta resistencia al paso de carga, en comparación con pastas elaboradas con 100% de CPO y así como las adicionadas con humo de sílice (HS ) y ceniza volante (CV). Los resultados de las propiedades mecánicas mostraron que es viable la sustitución de CPO por nano-SiO2 geotérmica (NSG) hasta un 5%, ya que la adición de este material superó el valor de la resistencia a la compresión en ~ 45% más, respecto al exhibido por las pastas elaboradas con 100% de CPO y en ~ 40% más respecto a las pastas adicionadas con HS al 5%. Así mismo, es viable la utilización de la caliza de bagazo de agave (CBA) hasta 5 %, ya que la adición de este material superó el valor de la resistencia a la compresión en ~ 15 % más respecto al exhibido por las pastas elaboradas con 100 % de CPO. Además, los sistemas ternario (CPO&CBA&NSG) y cuaternario (CPO&CBA&CV&NSG) exhibieron un 20% y 35% más de resistencia a la compresión respecto a las pastas hechas con 100% de CPO respectivamente. Los resultados de la RCPT indican que las pastas adicionadas con NSG tienen una estructura menos porosa con respecto a la exhibida en las pastas de referencia. En este sentido, la adición de NSG en 5% (mezcla M3 CPO&NSG) y en 2.5% (Mezcla M5 CPO&CBA&NSG) propició un menor paso de carga a través de las pastas en un 57% y 35%, Ingenierías, Julio-Septiembre 2015, Vol. XVIII, No. 68 respectivamente, esto comparado con lo exhibido en las pastas de referencia. Comportamiento similar se presentó en pastas elaboradas con HS y CV cuyos valores en el paso de carga fueron de 35% y 15% menores a los presentados en las pastas elaboradas con 100% de CPO respectivamente. Sin embargo, este comportamiento no se observó en las pastas adicionadas con CBA ya que estas exhibieron en el paso de carga un 3% (Mezcla 1 OPC&ABA) y 25% (Mezcla M6 CPO&CBA&CV&NSG) más respecto a las pastas hechas con 100% de CPO. El análisis microestructural mostró que las pastas elaboradas con NSG exhibieron una mayor densificación debido a la fuerte reacción puzolánica del NSG con el hidróxido de calcio generando gel CSH adicional, logrando con ello una matriz densificada la cual exhibió menos porosidad en comparación con la presentada en las pastas elaboradas con 100 % de CPO. Similar comportamiento manifestaron las pastas adicionadas con HS y CV, sin embargo, la reacción puzolánica fue pobre en comparación con la generada por la NSG, por lo tanto, dichas pastas exhibieron pequeños incrementos en los valores de porosidad respecto a los presentados por las pastas adicionadas con NSG, pero estos valores fueron menores en comparación con las pastas elaboradas con 100 % de CPO. Este comportamiento no fue observado en las pastas adicionadas con CBA, debido a la porosidad desarrollada alrededor de las partículas de CBA, exhibiendo con ello microestructuras menos compactas y más porosas que los presentados en pastas de elaboradas con 100 % de CPO. REFERENCIAS 1. E. M. R. Fairbairn, B. B. Americano, G. C. Cordeiro, T. P. Paula, R. D. Toledo Filho, M. M. Silvoso, J. Environ. Manage, 91 (2010) 18641871. 2. C. A. Hendriks, E. Worrell, D. De Jager, K. Blok, P. Riemer, Greenhouse gas control technologies conference paper-cement, (2004)1-11. 3. M. Nehdi, J. Duquette, A. El Damatty, Cem. Concr. Res., 33 (2003) 1203-1210. 4. D. Anderson, A. Roy, R. K. Seals, F. K. Cartledge, H. Akhter, S. C. Jone, Cem. Concr. Res., 30 (2000) 437-445. 49 �Propiedades de pastas de cementos modificados con residuos industriales / Rodrigo Puente Ornelas, et al. 5. V. M. Malhotra, Proceedings of a Symposium Honoring Prof Raymundo Riverá-Villarreal International Symposium on Durability of Concrete, Monterrey México, May (2005). 6. A. Cwirzen, V. Penttala, C. Vornanen, Cem. Concr. Res., 38 (2008) 1217-1226. 7. K. Sisomphon, L. Franke, Cem. Concr. Res., 37 (2007) 1647-1653. 8. R. Corral-Higuera, S. P. Arredondo-Rea, M. A. Neri-Flores, J. M. Gómez-Soberón, J. L. Almaral-Sánchez, J. H. Castorena-González, A. Martínez-Villafañe, F. Almeraya-Calderón, Int. J. Electrochem. Sci., 6 (2011) 958-970. 9. E. I. Moreno, R. G. Solís-Carcaño, J. VarelaRivera, J. C. Pacho-Monforte, R. A. Cua-Cuevas, Int. J. Electrochem. Sci., 10 (2015) 6444-6453. 10. M. J. Pellegrini-Cervantes, C. P. BarriosDurstewitz, R. E. Nuñez-Jaquez, S. P. ArredondoRea, F. J. Baldenebro-Lopez, M. RodríguezRodríguez, L. G. Ceballos-Mendivil, A. CastroBeltrán, G. Fajardo-San-Miguel, F. AlmerayaCalderon, A. Martinez-Villafañe, Int. J. Electrochem. Sci., 10 (2015) 332-346. 11. O. D. Whitescarver, J. T. Kwan, K. M. Chan, D. P. Hoyer, Patent: “Process for using sludge from geothermal brine to make concrete and concrete composition”, United States Patent 4900360, California, (1990). 12. A. Camenzuli, G. M. Mudd, 3rd International Conference on Sustainability Engineering & Science: Blueprints for Sustainable Infrastructure Auckland, New Zealand, December (2008). 13. Comisión Federal de Electricidad, http://www. cfe.gob.mx. 14. L. Y. Gómez, J. I. Escalante, G. Mendoza, Journal of Materials Science Letters, 39 (2004) 40214025. 15. J. Rincon, M. Romero, C. Díaz, V. Balek, Z. Malek, J. Therm. Anal. Calorim., 56 (1999) 12611269. 16. L. Y. Gómez, J. I. Escalante, 12th International Congress on the Chemistry of Cement, Canada, (2007). 17. R. Puente-Ornelas, L. Y. Gómez-Zamorano, M. C. Alonso, P. C. Zambrano, A. M. Guzmán, E. Rodríguez, B. Bermúdez-Reyes, M. Sánchez- 50 Moreno, Int. J. Electrochem. Sci., 7 (2012) 136149. 18.C. A. Iñiguez-Sanchez, L. Y. Gómez-Zamorano, M. C. Alonso, J. Mater. Sci., 47 (2012) 36393647. 19.C. G. Iñiguez, C. J. J. Bernal, M. W. Ramírez, N. J. Villalvazo, Advances in Chemical Engineering and Science, 4 (2014) 135-14. 20.E. B. Ibarra-Hernández, J. F. Botero Gonzalez, C. Cortez Amador, Ingenieria de tequila 1a Edición, Bogota, Colombia (2010) 12-37. 21.L. Chávez, Ingenierías, 8 (2010) 8-16. 22.B. E. Barragán-Huerta, Y. A. Téllez Díaz, A. Laguna Trinidad, Revista Sistemas Ambientales, 2 (2008) 44-50. 23.A. M. Sánchez-Riano, A. I. Gutiérrez -Morales, J. A. Muñoz-Hernández, C. A. Rivera-Barrero, Tombaga, 5 (2010) 61-91. 24.L. Chávez-Guerrero, M. Hinojosa, Fuel, 89 (2010) 4049–4052. 25.L. Chávez-Guerrero, J. Flores, B. I Kharissov, Chemosphere, 81 (2010) 633–638 26.E. Esparza-Ibarra, L. Romero-Bautista, F. CabralArellano, R. Bañuelos-Valenzuela, ReIbCi, 1 (2014) 103-110. 27.C. Huitron, R. Perez, A. E Sanchez, P. Lappe, L. Rocha Zavaleta, Journal of Environmental Biology, 29 (2008) 37-41. 28.R. Puente Ornelas, L. Chávez Guerrero, P. 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Escalante, Materiales de Construcción, 59, 296 (2009) 5-16. 51 �Eventos y reconocimientos INFORME DEL DIRECTOR El pasado 15 de abril, el director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, rindió su primer informe de actividades, correspondiente al período abril 2014 - marzo 2015. Entre los asistentes al informe estuvieron; Ing. María Elena Barrera Bustillos, directora del Consejo de Acreditación de la Enseñanza de la Ingeniería; Ing. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la Universidad Autónoma de Nuevo León y exdirector de la FIME; los también exdirectores de la FIME; Ing. Guadalupe E. Cedillo Garza; Ing. José Antonio González Treviño y el Ing. Esteban Báez Villarreal. El director de la FIME, Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, durante su mensaje con motivo de su primer informe de actividades académicas y administrativas. El director expuso los resultados de las estrategias que ha establecido durante su primer año de administración con énfasis en las de mayor relevancia, tales como el fortalecimiento de la planta y capacidad académica, la promoción de las actividades de formación integral del estudiante, la participación de profesores en proyectos de investigación, desarrollo tecnológico y de vinculación, entre otros. 52 Como parte final del evento, la Ing. María Elena Barrera Bustillos, le entregó al Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, un reconocimiento para la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica por el nivel que ha alcanzado entre las escuelas y facultades de ingeniería. DÍA DEL MAESTRO El pasado 13 de mayo, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, realizó un festejo presidido por el Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, director de la FIME, en compañía del Ing. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL; la Ing. Sandra E. del Río Muñoz, Directora de la Preparatoria 16; el Dr. Félix Martínez Lazcano, Secretario General del STUANL; el Ing. Marco Antonio Méndez Cavazos, Miembro de la H. Junta de Gobierno de la UANL; los exdirectores: Ing. Guadalupe E. Cedillo Garza, Ing. José Antonio González Treviño, Ing. Esteban Báez Villarreal; y el Dr. Raúl Quintero Flores, Presidente del Consejo Consultivo de la FIME. En este evento, se distinguió a los maestros por su destacada labor en la docencia 15, 20, 25, 30, 40 y 45 años de servicio; así como la entrega del reconocimiento de Profesor de Catedra Honorífica para el Ing. Jesús Meléndez Oliva. Los maestros con 15 años de antigüedad son: M.C. Cynthia Ocañas Galván M.C. Francisco Guevara Guerrero M.C. Mónica Alejandra Cano Mireles M.C. Amelia González Cantú Dr. Ernesto Vázquez Martínez M.A. Mayra Patricia Cantú Tijerina Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Eventos y reconocimientos Maestros con 15 años de antigüedad con autoridades universitarias. M.C. Guadalupe Trujillo Sánchez M.A. Diana Garza Rocha Con 20 años: M.C. Juan Alberto Torres López M.C. Yesenia Elizabeth Palomo Sánchez M.C. Jorge Manuel Quiroga Mireles M.C. José Tarcilo Sánchez Ramos C.P. Roberto de Jesús Méndez Cáceres M.C. Arturo Báez Villarreal Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Dra. María Teresa Cedillo Salazar Dr. José Antonio de la O Serna Dra. Ada Margarita Álvarez Socarras M.C. Fernando Treviño Martínez Dra. Brenda Maribel Barrientos González Con 25 años: Dr. Ramón Cantú Cuellar M.C. Juan Rafael Cervantes Vega M.C. Jesús Renato Colunga de la Garza M.C Ricardo Alonso Flores Torres M.C. Antonio Rodríguez García Dr. Rafael Colás Ortiz M.C. Juan Bautista González M.C. Rigoberto Américo Garza López M.C. Blanca Xóchitl Valadez Maldonado M.C. Patricia Argelia Valdez Rodríguez Ing. Marco Antonio de la Rosa Tapia M.C. Arturo Páez Pérez M.C. Francisco Gerardo Treviño Barrera Con 30 años: M.C. Margarito Torres Silva M.E.C. Juan Manuel Villa Martínez M.C. Elsa Alicia González López M.C. José Antonio Moreno Barrios Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 M.A. José Ángel Gaitán Sandoval M.C. Francisco Javier Olvera Rodríguez Dra. Laura García Quiroga Ing. Sandra Puente Valdivia M.C. José Abelardo Araiza González M.C. Verónica Garza Medina M.C. José Luis Calvo González M.C. Cesar Sordia Salinas Dr. Arturo Torres Bugdud M.C. Ofelia Irma Garza Cavazos Con 35 años: MCP. Hermilo Valdez Pérez M.C. Álvaro García Garza Ing. Antonio González Martínez M.C. José Ángel Mendoza Salas M.C. Adolfo Escamilla López Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar M.C. Salvador Mondragón Mata Con 40 años: M.C. Ma. Del Carmen Edith Morín Coronado M.C. Humberto Figueroa Martínez M.C. Héctor López Pardo M.C. Jaime César Vallejo Salinas M.C. Miguel Luis Castillo Marco M.C. Cesar Augusto Leal Chapa M.C. Guadalupe Ignacio Cantú Garza Con 45 años: M.C. Rafael Escobar Córdova M.C. Benito Sergio Garza Espinosa M.C. Félix González Estrada M.C. María Magdalena Ramos Granados Dr. José Luis Cavazos García M.C. Roberto Alberto Mireles Palomares M.C. Margarito Segura Obregón M.C. José Antonio Aranda Maltes RECONOCIMIENTO PARA MAESTROS El pasado 13 de mayo, la Universidad Autónoma de Nuevo León galardonó a un grupo de 15 maestros de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, entre 64 de la universidad, por 40, 45, 50 y 55 años de servicio. La ceremonia en las que se les entregó la “Flama Universitaria” estuvo encabezada por el Ing. Rogelio Garza Rivera, Secretario General de la UANL. 53 �Eventos y reconocimientos Maestros de la FIME galardonados por 40 años de servicio: MC. Guadalupe Ignacio Cantú Garza MC. Miguel Luis Castillo Marco MC. Humberto Figueroa Martínez MC. César Augusto Leal Chapa MC. Héctor López Pardo MC. Ma. del Carmen E. Morín Coronado MC. Jaime César Vallejo Salinas Por 45 Años MC. Juan Antonio Aranda Maltez Dr. José Luis Cavazos García MA. Rafael Escobar Córdova MC. Benito Sergio Garza Espinosa MC. Félix González Estrada MC. Roberto A. Mireles Palomares MC. Ma. Magdalena Ramos Granados MC. Margarito Segura Obregón Autónoma de Nuevo León premió a 77 trabajos en las categorías de Patente, Modelo de Utilidad y Diseño Industrial, con lo que la UANL se colocó como la primera universidad a nivel nacional en registros de propiedad industrial. Maestros de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica obtuvieron los premios que a continuación se enlistan junto con sus autores. Dr. Luis Alonso Trujillo Guajardo y Dr. Arturo Conde Enríquez Dra. Raquel Mendoza Reséndez Maestros de la FIME galardonados por 40 y 45 años de servicio. Dr. Javier Morales Castillo y Dr. Leonardo Chávez Guerrero con su reconocimiento de invención. Dr. Marco Antonio Garza Navarro, Dr. Alejandro Torres Castro, Dr. Virgilio Ángel González González y MC. Nubia Esther Torres Martínez. PREMIO UANL A LA INVENCIÓN Con motivo del Primer Premio UANL a la invención, el pasado 19 de mayo, la Universidad 54 Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Eventos y reconocimientos Dr. Marco Antonio Garza Navarro, Dr. Alejandro Torres Castro y Dr. Virgilio Ángel González González MC. Manuel Alejandro González Ábrego, MC. Karen Adriana Bustos Torres y Dr. Virgilio Ángel González González Ing. Arturo Paz Pérez, Dr. Martín Castillo Morales y Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo MC. Jorge Raymundo Loredo Murphy MC. Manuel Alejandro González Ábrego MC. Karen Adriana Bustos Torres y Dr. Virgilio Ángel González González Dr. Javier Morales Castillo y Dr. Moisés Hinojosa Rivera Jesús Alejandro Salinas Montelongo y Dr. Leonardo Chávez Guerrero MC. Manuel Alejandro González Ábrego, LQI. Fernando Antonio Blanco Flores, MC. Karen Adriana Bustos Torres y Dr. Virgilio Ángel González González Dra. Selene Sepúlveda Guzmán y Dr. Leonardo Chávez Guerrero Ing. Cristian Alejandro López Flores MC. Manuel Alejandro González Ábrego, MC. Karen Adriana Bustos Torres y Dr. Virgilio Ángel González González Dr. Virgilio Ángel González González, Dr. Antonio Francisco García Loera y Dr. Reynaldo Esquivel González MC. Manuel Alejandro González Ábrego y Dr. Virgilio Ángel González González Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 55 �Eventos y reconocimientos Dr. Francisco Vieira (Brasil) Dr. Won-Ho Kim (República de Corea) Ing. René Girard (en representación del Dr. Jean Salencon, Francia) Dr. Héctor Altuve (en representación del Edward Schwitzher, EUA) Dr. Mario Laforest (Canadá) Dr. John Duncan (EUA) Dr. Alexander Au ( Alemania) Dr. Juan Miguel Sánchez (EUA) Lauritz Holm Nielsen (Dinamarca) Miembros del consejo consultivo internacional UANL. CONSEJO CONSULTIVO INTERNACIONAL En la reunión ordinaria celebrada el 25 de mayo, el Rector Jesús Ancer Rodríguez fue testigo del cambio directivo para otorgar la presidencia al Dr. Luis Riveros Cornejo, académico con renombre internacional, ex Rector de la Universidad de Chile. En la nueva mesa directiva se encuentra la Dra. Elena María Rodríguez Falcón, egresada de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, quien es directora del Learning and Teaching, de la Universidad de Sheffield, ocupa ahora la Vicepresidencia de esta instancia colegiada. Consejeros del CCI-UANL: Dr. Luis Riveros Cornejo, Presidente (Chile) D ra . E l e n a M a r í a R o d r í g u e z F a l c ó n , Vicepresidenta (Inglaterra) Dr. Tom Fox (EUA) Dr. Alejandro Tiana Ferrer (España) Dr. Luis Cabero (España) 56 El MI Dante Ferreira Méndez, profesor de la FIME, observando un panel. “EDUCATORS DAYS” NI El pasado 28 de mayo de 2015, se llevó a cabo en la Universidad Autónoma de Nuevo León el evento Educator Days, el cual reune a los académicos para discutir las últimas tendencias pedagógicas. En este evento que se celebra por primera vez en la UANL en este año, la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y National Instruments recibieron a 130 educadores de la comunidad académica de diferentes ramas de ingeniería de México para compartir sus retos y mejorar prácticas de técnicas de enseñanza. El evento consistió en sesiones técnicas impartidas por ingenieros de NI, talleres prácticos, demostraciones de equipo, así como visitas a los laboratorios de ingeniería de la FIME. Durante el evento, los asistentes tuvieron acceso a sesiones de circuitos y electrónica, control y mecatrónica, instrumentación, telecomunicaciones y RF, prácticas con las herramientas para la enseñanza de adquisición de datos y control, robótica y aplicaciones integradas. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Abril - Junio 2015 Angélica Aguirre González, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “Zonas francas como vía para la distribución de productos a centroamérica (sin establecimiento permanente)”, 15 de abril. Brenda Jeannette Zamarripa Lucio, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “Selección de proveedores para la apertura y operación de un nuevo centro de distribución”, 17 de abril. Daniel Martínez López, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Dream League Soccer”, 17 de abril. Maite Georgina Espinoza Treviño, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global. Proyecto: “Análisis de oportunidades comerciales en el extranjero para PYME recicladora”, 20 de abril. Valentín Celestino de la Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Determinar intervalos de calibración”, 23 de abril. Luis Miguel Contreras Monrreal, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: “Análisis de correlación entre un modelo multicuerpo y pruebas de laboratorio de una camioneta de carga ligera”, 27 de abril. Melissa Ivett Villanueva Acevedo, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: “Transferencia de productos Interplanta”, 8 de mayo. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 Hiliariona Martínez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura con orientación en Automatización. Tesis: “Módulo didáctico para practicas de laboratorio con controladores lógicos programables”, 21 de mayo. Selene Guadalupe Pinal Gómez, Maestría en Ingeniería con orientación en Informática. Proyecto: “Contribución a la dimensión formativa con énfasis en las competencias del estudiante de ingeniería a través de la asignatura de servicio social”, 21 de mayo. Magali Yasmin Villegas Rodríguez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “La importancia de la cadena de frío en alimentos perecederos como alternativa para desarrollar ventajas competitivas en las empresas de Nuevo León”, 22 de mayo. A l e ja n d ro Ta p i a R o s a ri o , M ae s t r í a e n Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Cálidad. Proyecto: “Reducción de costos en sello mecánico de motores de bombeo en agua”, 22 de mayo. Javier Treviño Guerrero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas. Proyecto: “Mejora continua sin caja”, 27 de mayo. Emanuel Rodríguez Campos, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica (por materias), 2 de junio. Lyn May Paramo Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (por materias), 8 de junio. Ricardo Delgado Banda, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Tesis: “Diseño y construcción de un dispositivo para evaluar la efectividad del proceso de lavado de muestras textiles”, 8 de junio. 57 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL René Gerardo Mondragón González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable. Tesis: “Desarrollo de un sistema de refrigeración doméstica compacto de bajo consumo energético”, 8 de junio. Armando Tamez Lugo, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica (por materias), 9 de junio. José de Jesús Alday Macías, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior. Proyecto: “Exportación de café Mexicano a España”, 10 de junio. Carlos Rafael Uder Contreras, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable. Tesis: “Desarrollo de una metodología computacional para el análisis de fenómenos físicos acoplados en la operación de transformadores eléctricos”, 10 de junio. Rosario de Jesús Rodríguez Altaif, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable. Proyecto: “Estudio numérico experimental del distribuidor hidráulico de un colector solar de tubo al vacío tipo heat-pipe”, 10 de junio. Luis Alberto Martínez Arredondo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Incrementar la productividad de un proceso de fabricación al implementar un sistema de KANBAN en los materiales del proceso de fabricación anterior”, 12 de junio. Eulalia Margarita Garza Rubio, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad (por materias), 12 de junio. Reginaldo Barrientos González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Calentamiento global”, 12 de junio. Lucía Leticia Romero Arévalo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación 58 en Logística Global. Proyecto: “Caracterización existente entre el manejo de los tránsitos internos del comercio exterior para México y Estados Unidos”, 15 de junio. Luis Carlos Luna López, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Localización de parada y diseño óptimo de rutas para transporte de personal”, 17 de junio. Brenda Lizzeth Salazar Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Estrategias para la gestión del capital humano a través del perfil de puestos, evaluación del desempeño y el programa de capacitación por competencias en la FIME”, 18 de junio. Joel Alejandro Samaniego Castañeda, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Proyecto: “Rediseño aplicado al proceso de esmaltado de soleras”, 19 de junio. Tania Nicte Mata Mata, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: “Estudio y diseño de un sistema de iluminación de día para interiores”, 19 de junio. María Guadalupe Lugo Martínez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: “Diseño de sensores con meta materiales”, 19 de junio. Sergio Antonio Ordoñez González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (por materias), 23 de junio. Luis Antonio Trujillo Guajardo, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica. Proyecto: “Método Newton-Raphson”, 26 de junio. Cristóbal Adolfo Garza Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (por materias), 29 de junio. Jorge Ángel González Berlanga, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, (por materias), 29 de junio. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Acuse de recibo Avion Revue Forum: Noticias del Foro Consultivo Avion Revue es una publicación mensual que describe las novedades y noticias destacadas del mundo de la aviación internacional. La versión de julio de 2015 para América Latina (número 185), presenta un recuento de la primera década del Airbus A380 y el avance de la tecnología desde su primer vuelo en Toulouse el 27 de abril de 2005 y la expectativa del A380neo. Como dato interesante de cobertura, en este número se muestra una publicación judicial en donde una compañia condena a otra por infracción de patente. Con respecto a México hay un reportaje sobre la Feria Aeroespacial México 2015 y los bonos para el nuevo Aeropuerto Internacional de la Ciudad de México. Hay más informes sobre esta revista en http://la.avionrevue.com/ En la revista Forum Noticias del Foro Consultivo se dan a conocer las actividades del Foro de Consulta Científico y Tecnológico y de las instituciones que lo integran. La publicación electrónica mensual se puede encontrar en http://www.foroconsultivo. org.mx/forum/. La revista presenta información sobre temas relevantes de las agrupaciones de científicos y tecnólogos, de organizaciones de empresarios mexicanos y de instituciones de educación superior e investigación. En su primer número, junio 2015, se ofrece un comentario sobre la renovación de la plantas académicas y las áreas de investigación en el CINVESTAV, así como la innovación y desarrollo, ciencia y tecnología en México. JAAG Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 JFL 59 �Colaboradores Chávez Guerrero, Leonardo Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2001) y Maestría en Materiales (2004) por la Facultad de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Doctorado en Nanociencias y Nanotecnología por el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (2008). Posdoctorado en ParisTech de Paris, Francia (2011). Posdoctorado en la Escuela de Química de la Universidad de St Andrews, Escocia (2012). Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1 y Profesor con Perfil deseable (PROMEP). Delgadillo Guerra, Herlinda María Ingeniero Mecánico Electricista, Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Producción y Calidad por la Facultad de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIMEUANL. Profesor con Perfil deseable (PROMEP) Investiga los fenómenos relacionados los procesos de corrosión en estado sólido en cerámicos, la síntesis y caracterización de cerámicos, así como la utilización de subproductos industriales en el desarrollo de materiales cerámicos sustentables. Fajardo San Miguel Gerardo Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería Mecánica por el Instituto Tecnológico de Veracruz y Doctor en Ingeniería Civil por la Universite Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Es especialista en Durabilidad de obras de concreto y deterioro de materiales de Ingeniería. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1 y Profesor con Perfil deseable (PROMEP). Cuenta con más de 10 años de experiencia en el área 60 de durabilidad de obras de concreto evidenciados por más de 20 artículos de investigación publicados. González López, Oscar René Es lingüista y productor de medios audiovisuales egresado de la Escuela Nacional de Antropologia e Historia en 1988. En 1995 fue investigador del Instituto Latinoamericano para la comunicación educativa. De 1992 a 1994 fue Miembro de la subdirección de radio del INI, fue capacitador, director de radiodifusora y coordinador nacional de transferencia de medios. Desde 1996, participa en producciones cinematográficas, de radio y televisión. Guerrero Salazar, Carlos Alberto Ingeniero Químico (1976) por la Universidad Autónoma de Nuevo León, Ph.D. especialidad Ingeniería Química (1986) por l’Ecole Polytechnique de Montreal, Canadá. Profesor de Tiempo Completo adscrito al programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales de la FIME. Pertenece a la Academia Mexicana de Ciencias, posee el Perfil Deseable de acuerdo al Programa de Mejoramiento al Profesorado y es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel II. Sus áreas de investigación son la nanociencia y la nanotecnología. Gulfo Mendoza, Aldemaro Candidato a Magister en Gestión Urbana de la Universidad Piloto de Colombia–Bogotá. Ingeniero Civil de la Universidad del Quindío. Docente Investigador del Programa de Ingeniería Civil de la Universidad Piloto de Colombia –Seccional Alto Magdalena, Grupo de Investigación Desarrollo y Productividad en la Ciudad Región Girardot y el Alto Magdalena. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Colaboradores Moreno Díaz, Maripaz Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones egresada de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (FIME UANL) en 2015. Actualmente es estudiante de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica (MCIE) con orientación en Telecomunicaciones en la misma institución. Luna Martínez, Juan Francisco Ingeniero Mecánico Eléctrico (2000) por la Universidad Autónoma de Nuevo León, Doctor en Ingeniería de Materiales (2011) por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor Investigador de Tiempo Completo titular B, Coordinador de la carrera de Ingeniería Aeronáutica de la Universidad Politécnica de Apodaca y miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel C. Sus áreas de Investigación son Materiales Híbridos Polifuncionales. Llamas Hernández, Mayra Iveth Ingeniero en Mecatrónica (2010) por la UANL, Maestría en ciencias de la ingeniería mecánica con especialidad en Materiales (2012) por la UANL en colaboración con l’Ecole Polytechnique de Montreal, Canadá. Formó parte del programa de desarrollo de talentos de la empesa Frisa Forjados (20122015). Actualmente es estudiante del Doctorado en ingeniería de materiales, en el área de investigación de materiales híbridos aplicados en dispositivos micromecatrónicos. Puente Ornelas, Rodrigo Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1 y Profesor con Perfil deseable (PROMEP). Investiga los fenómenos de corrosión en materiales refractarios y aceros de refuerzo, desarrollo de nuevos materiales refractarios, cementicios y termoeléctricos, así como la utilización de materiales suplementarios y desechos industriales para el mejoramiento de las propiedades fisicoquímicas y de durabilidad de pastas, morteros y concretos. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 Puente Ramírez, Norma Patricia Egresada de la maestría en ciencias con orientación en optoelectrónica por el CICESE, doctora en Ciencias por la Universidad Autónoma de Baja California. Desde 2011, adscrita a la FIME de la UANL. Sus áreas de interés son: sensado óptico, óptica visual y la propagación de ondas electromagnéticas en fibras ópticas. Miembro del SNI nivel Candidato, desde 2012. Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Doctorado en Ciencia de Materiales (2004) en la Universidad Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Ha obtenido el Premio de Investigación UANL en 1999, 2004, 2009, 2011 y 2012. Es catedrático investigador en la FIME y el CIIDIT de la UANL. Es miembro del SNI nivel I. Serna Hernandez, Luis Fernando Magister en Administración de Empresas de la Universidad Viña del Mar - Chile. Especialista en Gerencia de Instituciones Educativas y Licenciado de Matemáticas de la Universidad del Tolima – Ibagué. Docente - Investigador del Programa de Ingeniería Civil de la Universidad Piloto de Colombia –Seccional Alto Magdalena, Grupo de Investigación Desarrollo y Productividad en la Ciudad Región Girardot y el Alto Magdalena. Sosa Salazar, Paola Angélica Tiene formación en pedagogía y gestión cultural por la Universidad de Guadalajara. Trabaja en el Instituto Nacional de Antropología e Historia desde 1993, con diversos cargos y funciones en las áreas de divulgación y protección cultural. Es fundadora y coordinadora del grupo cultural “Losereshurbanos” con actividades autísticas, culturales y ambientales. Actualmente es asesor educativo del museo del Templo Mayor y comisionada de cultura de la Coordinadora de Residentes de Tlatelolco, A.C. Trejo Rocha, Vidal Alfredo Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (FIME UANL) en 2014. Actualmente es estudiante de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica 61 �(MCIE) con orientación en Telecomunicaciones en la misma institución. Treviño Cubero, Arnulfo Doctorado en Educación por el Instituto de Educación Superior José Martí de Monterrey, México. Actualmente es Subdirector Académico de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), y tiene 30 años como Profesor investigador de la Coordinación de Administración. Líneas de Investigación: Estadística, Auto transformación Integral Universitaria en Ingeniería y Gestión académico-Administrativa. Ha participado como 62 ponente en eventos nacionales e internacionales sobre educación y tiene publicaciones nacionales e internacionales en esta área. Trujillo Álvarez, Alejando Ingeniero Administrador de Sistemas, Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Relaciones Industriales por la Facultad de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIMEUANL. Investiga los fenómenos relacionados con la utilización de subproductos industriales en el desarrollo de materiales cerámicos sustentables. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación para su validación. No se aceptan protocolos de Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@uanl.mx El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@uanl.mx 63 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Revisores Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. 64 Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 �Código de ética excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año XVIII, No. 68 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. 65 �66 Ingenierías, Julio-septiembre 2015, Año. XVIII, No. 68 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2015 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 18 Número Número de la revista 68 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2015, Año 18, No 68, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2015 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020831 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Compuestos Grafeno Polímeros Polipropileno Propiedades elásticas https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20790/Ingenierias_2015_Ano_18_No_67_Abril-Junio.pdf a759fb5fb141e2cf8537b65b35687340 PDF Text Text ��67 Contenido Abril-Junio de 2015, Año XVIII, No. 67 2 3 5 12 19 30 38 Directorio Editorial: Memoria e historia Edmundo Derbez García Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico Martín Edgar Reyes Melo, Flor Yanhira Rentería Baltiérrez, Beatriz López Walle Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida Leonardo Chávez Guerrero, María Elena Cantú Cárdenas, Javier A. Garza Cervantes, Margarita Ortiz Martínez, Denisse Margarita Elizondo Escamilla, Ovidio Salazar Salazar, Diana Caballero Hernández Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo de baja tensión Jaisiel Quintero Balandrán New design of distance protection for smart grid applications Blumschein Jörg, Dzienis Cezary, Yelgin Yilmaz La carga de espacio en materiales híbridos Martín Edgar Reyes Melo, Jesús Gabino Puente Córdova, Beatriz López Walle 48 Eventos y reconocimientos 53 Acuse de recibo 51 54 56 57 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Abril-Junio 2015, Año XVIII, No. 67 3 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVIII, N° 67, abriljunio 2015. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de abril de 2015. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2015 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio Ángel González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Francisco Eugenio López Guerrero, FIME-UANL / M.C. Gabriel Martínez Alonso, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL. 4 Ingenierías, Abril-Junio 2015, Año XVIII, No. 67 �Editorial: Memoria e historia Edmundo Derbez García Universidad Autónoma de Nuevo León Centro de Documentación y Archivo Histórico edmundo.derbezg@uanl.mx Autores como el historiador francés de los Anales, Roger Chartier, señalan que la memoria histórica, como su nombre lo indica, se construye a partir de la memoria y la historia. La primera es la presencia del pasado en el presente de una sociedad como elemento esencial de la construcción de su ser colectivo, y la segunda, se inscribe en el orden del saber universal aceptable, sujeto a procedimientos científicos. Para Maurice Halbwachs la expresión memoria histórica asocia dos términos que se oponen. La memoria sale de la conciencia del grupo o de los grupos de una sociedad y se extiende hasta que éstos desaparecen. “La memoria […] se desmorona lentamente en los bordes que marcan sus límites –a medida que sus miembros individuales, sobre todo los más ancianos, desaparecen”, escribe en La mémoire collective. Cuando los recuerdos y los pensamientos mueren, entonces la historia tiende un puente entre el pasado y el presente y restablece la continuidad interrumpida sobre acontecimientos y personajes. Así, en la segunda mitad del siglo XIX al instituirse en Europa políticas para la valorización del patrimonio histórico y cultural, la principal preocupación fue la conservación de la memoria histórica, promoviendo la creación de archivos, bibliotecas, museos, pinacotecas e instituciones afines, “lugares topográficos” –como los llama Jacques Le Goff en Memoria– de donde parte el estudio de la historia. En los documentos está la gran mayoría de las evidencias, datos e información con la que se construye la historia, pero el documento entendido en su más amplio sentido, como explica Eric Hobsbawm, es toda fuente de información registrada en cualquier soporte que sirve de testimonio y prueba de la actividad humana, siendo al mismo tiempo memoria de una época, de un lugar, de una sociedad. A partir de estos restos del pasado –agrega– el método histórico conoce y explica el pasado. De ahí la importancia, como ocurre en países como España, Guatemala y otros sometidos en el pasado a guerras, de generar una política pública de memoria histórica o una ley de memoria histórica que la garantice como un derecho civil. En México un avance en ese sentido será la aprobación de la Ley General de Archivos que garantice la preservación del patrimonio documental del país. Pero también lo será una conciencia, no por decreto, de la importancia de guardar, preservar, organizar y difundir la memoria, no sólo como un mero acto de conservacionismo de objetos, sino como un acto de preservación de la identidad y la continuidad de un pueblo. La recuperación de la memoria Ingenierías, Abril-Junio 2015, Año XVIII, No. 67 5 �Editorial: Memoria e historia / Edmundo Derbez. histórica se constituye en uno de los principales baluartes para que las sociedades adquieran y consoliden su identidad. Por ello resulta indispensable sembrar el país de soportes, incluso pueden erigirse para las generaciones habituadas con las nuevas tecnologías, “lugares topográficos” que exploten los recursos en línea como los repositorios institucionales (RI), índices académicos, bibliotecas digitales, libros electrónicos porque el descubrimiento del pasado, aunque suene a lugar común, ayuda a la proyección del presente para sentar mejores bases para el futuro. Muchos son los autores que así pensaron y piensan. Para Le Goff, la memoria a la que atañe a la historia, que a su vez la alimenta, apunta a salvar el pasado sólo para servir al presente y al futuro. Para Todorov el uso ejemplar de la memoria permite utilizar el pasado con vistas al presente y separarse del yo para ir hacia el otro. Ambas citas adquieren mayor actualidad y relevancia cuando en los últimos años se han visto ejemplos de una memoria histórica y cultural borrada con fines de conquista y sometimiento por parte de grupos étnicos y religiosos, como los casos de la ciudad histórica de Nimrud, capital del imperio asirio; la milenaria ciudad de Hatra, la antigua Ninivé, en Irak, o Palmira en Siria, así como el mausoleo de Al Shab al Dahmani en Trípoli, Libia o los milenarios Budas del valle de Bamiyán en Afganistán. Esta amenaza revierte los fines que Le Goff concede a la memoria histórica: “sirve a la liberación y no a la servidumbre de los hombres”. Igual de grave es que de ordinario, por indiferencia o desconocimiento, existe una destrucción sistemática de testimonios del pasado, un abandono de los diversos tipos de transmisión y fijación de la memoria de base material como mapas, cuadros, fotografías, películas y monumentos; de fuentes escritas en las que entran diferentes tipos de documentos y de las orales en forma de leyendas, mitos, canciones y frases. Todas estas obras del ser humano, son elementos que conforman la memoria histórica de un pueblo. Su conocimiento resulta imprescindible en el fortalecimiento de la identidad cultural; en ese sentido el trabajo de su recuperación y conservación es una prioridad vital de un pueblo como México, porque una sociedad sin historia, sin identidad, sin cultura, sin comprensión de su presente y por tanto de su futuro, está sujeto a la dominación ideológica, política y económica. Representación artística del interior de la Biblioteca de Alejandría (O. Von Corven). 6 Ingenierías, Abril-Junio 2015, Año XVIII, No. 67 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico Martín Edgar Reyes Melo, Flor Yanhira Rentería Baltiérrez, Beatriz López Walle UANL, CIIDIT, FIME mreyes@gama.fime.uanl.mx RESUMEN La creciente demanda de materiales poliméricos para aplicaciones de ingeniería eléctrica, electrónica o mecatrónica requiere no solamente de la caracterización de la dependencia temporal o en temperatura de sus propiedades fisicoquímicas, sino que también es necesario complementar dicho estudio con la caracterización de su movilidad molecular, la cual es producto de su estructura amorfa alejada del equilibrio termodinámico. En este trabajo se llevó a cabo el estudio de la movilidad molecular del polivinil butiral o PVB, el cual, dadas sus propiedades fisicoquímicas, es un importante candidato para llevar a cabo funciones de tipo eléctrico, electrónico y/o mecatrónico. A partir de mediciones experimentales del comportamiento viscoelástico obtenidas mediante análisis mecánico dinámico (DMA), y utilizando la teoría de movimientos moleculares cooperativos, se determinó que la energía de activación de la transición vítrea del PVB es función de su peso molecular promedio y depende fuertemente de la temperatura en un intervalo de T*≈1.1Tg a T0≈Tg-50K. Así, la dependencia en temperatura de la energía de activación de la transición vítrea del PVB, es análoga a la dependencia en temperatura de la cooperatividad de su movilidad molecular. PALABRAS CLAVE Polivinil butiral, movilidad molecular, energía de activación. ABSTRACT The growing demand of polymeric materials for applications in electrical, electronic or mechatronics engineering requires not only characterizing the temporal or temperature dependence of their physicochemical properties, but also it is necessary to complement the study with the characterization of its molecular mobility, which is the product of its amorphous structure away from thermodynamic equilibrium. In this work, we study the molecular mobility of the polyvinyl butyral or PVB, which by their physicochemical properties, is an important candidate to perform electric, electronic and/or mechatronics functions. The experimental measurements of the viscoelastic behavior obtained by dynamic mechanical analysis (DMA), and considering the cooperative molecular motions theory, it was determined that the activation energy of the PVB glass transition is a function of the average molecular weight and strongly depends on the temperature in a range from T*≈1.1Tg a T0≈Tg -50 K. The temperature dependence of activation energy of the PVB glass transition is analogous to the temperature dependence of the cooperativity of its molecular mobility. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 5 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. KEYWORDS Polyvinyl butyral, molecular mobility, activation energy. INTRODUCCIÓN Hoy en día las aplicaciones que tienen los materiales poliméricos en las diversas áreas de la ingeniería se han incrementado de manera muy importante, principalmente en las áreas de la ingeniería eléctrica, electrónica y/o mecatrónica.1,2 En estos casos en particular, los polímeros además de llevar a cabo la función de contenedor mecánico, también desarrollan funciones de aislante eléctrico, material dieléctrico y/o material conductor de electricidad. En este sentido, por sus propiedades viscoelásticas, térmicas, y dieléctricas, el polivinil butiral o PVB es un polímero candidato de gran potencial para aplicaciones eléctricas, electrónicas y/o mecatrónicas. Un aspecto fundamental a tomar en cuenta para las funciones antes mencionadas, es el hecho de que los polímeros, debido a su carácter macromolecular (en forma de cadenas), presentan una estructura amorfa en su mayor parte, la cual se encuentra alejada del equilibrio termodinámico. En consecuencia, los materiales poliméricos tienen una tendencia o potencial a buscar su equilibrio termodinámico y, por ende, su estructura amorfa puede desarrollar diferentes tipos de movilidad molecular localizada (movimientos moleculares de corto alcance) que, en conjunto, pueden llegar a producir movilidad molecular de largo alcance, manifestándose como cambios conformacionales a través de la formación o destrucción de entrecruzamientos físicos o temporales entre las cadenas poliméricas.3 Este proceso se conoce como envejecimiento físico y se manifiesta macroscópicamente como un decaimiento importante de sus propiedades. Cada tipo de movilidad molecular asociado a dicho proceso de envejecimiento, se caracteriza por el tiempo característico (tiempo de relajación) que requiere para llevarse a cabo, el cual es función de la temperatura. Por otra parte, también existe la posibilidad que las cadenas poliméricas modifiquen su estructura con la finalidad de disminuir su nivel energético para buscar el equilibrio; esto a través de la formación o destrucción de enlaces covalentes al interior y/o 6 entre las cadenas poliméricas. Este proceso se conoce como envejecimiento químico. De lo anterior, se establece que, aunque previo a su utilización los polímeros, sean mezclados con aditivos químicos con el objetivo de protegerlos del desarrollo de entrecruzamientos químicos, evitando con esto un decaimiento pronunciado de sus propiedades, el envejecimiento físico o cambios conformacionales de las cadenas no puede eliminarse, lo que limita el periodo de vida útil de estos materiales. Por lo tanto, es importante identificar y cuantificar la movilidad molecular del polímero en cuestión con el fin de alcanzar un mejor desempeño de sus propiedades. Por otra parte, las importantes aplicaciones industriales que el PVB tiene hoy en día, se pueden expandir al dominio de los materiales dieléctricos, semiconductores y conductores, cuando dicho material polimérico se combina de manera estratégica con materiales metálicos nanoestructurados, sintetizando de esta forma lo que se conoce como materiales híbridos.4,5 Sin embargo, como se mencionó anteriormente, esto requiere primeramente, una caracterización de la movilidad molecular de estos materiales, ya que la interacción entre el PVB y las nanopartículas metálicas define las propiedades del material híbrido resultante.5 En la figura 1a se muestra un segmento de cadena del PVB, así como el resultado obtenido mediante espectroscopia de infrarrojo o FTIR (ver figura 1b), que muestra los diferentes modos de vibración, correspondientes a los principales grupos químicos que se encuentran en las cadenas poliméricas. Mediante FTIR es posible identificar de manera cualitativa la movilidad molecular localizada en las cadenas de PVB a una temperatura constante; sin embargo, es complejo estimar un parámetro cuantitativo para dicha movilidad en función de la temperatura, por lo que el estudio debe complementarse con mediciones experimentales de tipo oscilatorio, como en el Análisis Mecánico Dinámico o DMA. El objetivo de este trabajo es desarrollar un estudio cuantitativo de la movilidad molecular del PVB, el cual está basado en la determinación de los tiempos de relajación asociados a dicha movilidad molecular. Lo anterior se llevará a cabo a partir de Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. a b Fig. 1. a) Estructura del PVB con peso molecular promedio de 23,000 g∙mol-1, y su b) correspondiente espectro FTIR. mediciones experimentales del comportamiento viscoelástico del PVB, las cuales serán obtenidas mediante DMA. La relación que existe entre los tiempos de relajación calculados y la temperatura será utilizada para calcular la energía de activación de la movilidad molecular correspondiente. La energía de activación es la energía mínima que necesita un sistema antes de iniciar un determinado proceso de movilidad molecular.6 En este caso en particular, la magnitud de la energía de activación es un parámetro de gran utilidad para estudios posteriores sobre el decaimiento de las propiedades fisicoquímicas del PVB. Análisis Mecánico Dinámico (DMA) En la técnica experimental de DMA, el polímero se somete a un estímulo mecánico oscilatorio que sigue una forma sinusoidal. La respuesta obtenida se encuentra en desfase en un ángulo δ con respecto al estímulo aplicado. Este ángulo δ puede tener magnitudes que varían entre 0 y π/2, y es función de la estructura, morfología y de sus historiales mecánicos, térmicos y eléctricos. Por otra parte, el ángulo δ que Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 se produce entre el estímulo y la respuesta obtenida, permite calcular el Módulo Elástico Complejo (E*=E'+iE" ), ya sea en función de la temperatura a una frecuencia constante, o bien, en función de la frecuencia a una temperatura constante. La parte real, E′, se encuentra en fase con el estímulo mecánico aplicado y representa a la movilidad molecular del polímero que se manifiesta de manera elástica (almacenamiento parcial de energía). Por otra parte, la parte imaginaria, E″, tiene un ángulo de desfase π/2 con respecto al estímulo aplicado y representa a la movilidad molecular asociada con un proceso de disipación parcial de energía. La representación del módulo elástico en su forma compleja permite estimar tan δ=E″/E′ en función de la temperatura a una determinada frecuencia. La figura 2 muestra los resultados obtenidos, tan δ vs T, mediante DMA para una muestra de PVB a una frecuencia de 1 Hz. En los recuadros se muestran los gráficos de E′ (T) y de E″ (T) que dieron origen al gráfico de tan δ vs T. A temperaturas bajas, entre 23°C y 45°C, se identifica un comportamiento elástico, prácticamente independiente de la temperatura, el cual se asocia con E′≈5.7×108 Pa; éste corresponde a valores cercanos a cero para tan δ, mientras que E″ tiene valores con un orden de magnitud inferior al de E′. Esto es un indicador de que la disipación de energía es mínima en este intervalo de temperaturas. Por otra parte, en un intervalo de temperatura que va de 45°C a 75°C, E′ decae de manera importante cuando la temperatura Fig. 2. Resultados obtenidos mediante DMA para una muestra de PVB con un peso molecular promedio de 23,000 g∙mol-1. 7 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. aumenta y, tanto E″ como tan δ, presentan un pico en la región donde E′ (T) tiene la mayor tasa de decaimiento. Continuando con la figura 2, la temperatura en la que se presenta el pico de tan δ se utiliza como una estimación de la temperatura de transición vítrea, Tg, del PVB. Por definición, el pico de tan δ corresponde a un máximo de la relación entre la energía disipada y la energía almacenada; por lo tanto, el punto en la temperatura de dicho pico corresponde también a un máximo de movilidad molecular asociada a una disipación de energía para una frecuencia de 1 Hz. A temperaturas superiores a 75°C, E″ y tan δ tienen valores cercanos a cero, y corresponden a un valor E′≈1.7×106 Pa, cuya dependencia de la temperatura es mínima. Así, las curvas obtenidas de la dependencia en temperatura para E′,E″ y tan δ, son coherentes con el hecho de que la transición vítrea en los polímeros corresponde a un cambio de movilidad molecular de corto alcance, a una movilidad molecular de largo alcance cuando la temperatura aumenta.5,6 Mediciones experimentales de los tiempos de relajación Con la finalidad de identificar de una manera más clara los parámetros que definen los tiempos de relajación del PVB, se analizaron dos muestras con diferente peso molecular promedio, PVB-BL 23,000 g∙mol-1 y PVB-BM 53,000 g∙mol-1. Estos fueron suministrados por Sekisui Chemical Co., Ltd. En ambos casos, las probetas utilizadas fueron manufacturadas en forma de película delgada con las siguientes dimensiones: 21 mm de largo, 7 mm de ancho y 0.08 mm de espesor. Las mediciones experimentales de E* se llevaron a cabo utilizando un DMA 8000 Perkin Elmer utilizando el modo de tensión, siendo las frecuencias analizadas de 0.1, 1, 10 y 100 Hz, y empleando una rampa de calentamiento de 2°C/min. En la figuras 3a y 3b se muestran, para las dos muestras, los espectros obtenidos de tan δ en función de la temperatura a las diferentes frecuencias analizadas. En ambos casos se logra identificar de manera clara que la forma, la amplitud y la posición en temperatura de los picos de relajación, asociados a la transición vítrea, son función de la frecuencia. Por 8 a b Fig. 3. Espectros de tan δ en función de la temperatura: a) muestra PVB-BL, b) muestra PVB-BM. otra parte, se identifica el efecto del peso molecular promedio sobre los picos de relajación: cuando el peso molecular aumenta, las temperaturas de transición vítrea también aumentan. Así mismo, la amplitud de los picos de relajación también aumenta. La amplitud y la forma de estos picos se relacionan, no solamente con la frecuencia, sino también con el peso molecular promedio o, mejor dicho, con la curva de distribución de pesos moleculares. En la tabla I se muestran los valores de Tg estimadas para las dos muestras estudiadas a las cuatro frecuencias mencionadas. Tomando como referencia la posición en temperatura de cada pico de relajación, se identifica que para las dos muestras, los espectros de tan δ vs T tienen un deslizamiento hacia altas temperaturas a medida que la frecuencia aumenta. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. Tabla I. Valores estimados de la Tg mediante mediciones experimentales de DMA. Muestra PVB-BL PVB-BM 0.1 61.6°C 66.36°C Frecuencia (Hz) 1 65.53°C 72.86°C 10 69.95°C 80.8°C 100 77.28°C 85.1°C Este comportamiento es una manifestación clara de que la transición vítrea y, por ende, sus movimientos moleculares correspondientes constituyen un proceso térmicamente activado,6-8 el cual puede ser caracterizado mediante el cálculo de su energía de activación. Cada uno de los picos observados en los gráficos de tan δ vs T corresponde al punto en la temperatura y frecuencia donde se presenta con mayor intensidad la movilidad molecular, asociada con la transición vítrea del PVB. Para cada pico de relajación, es posible estimar el tiempo de relajación (τ) correspondiente, considerando la siguiente expresión matemática: a (1) De acuerdo con (1), para cada pico de relajación se obtiene la magnitud de τ y la temperatura a la que se presenta dicho pico. Con estos datos calculados, en la siguiente sección se calculará la energía de activación correspondiente para cada muestra analizada. Análisis de los tiempos de relajación A partir de la magnitud de τ y la temperatura a la que se presenta cada pico de relajación, se construye un diagrama de tipo Arrhenius . La figura 4 presenta los gráficos de tipo Arrhenius correspondientes a las figuras 3a y 3b. En un comportamiento de tipo Arrhenius, la energía de activación, E a, es independiente de la temperatura, y el tiempo de relajación correspondiente, τ, se representa matemáticamente mediante la siguiente ecuación:6,8 (2) En la ecuación 2, el parámetro τ0 se relaciona con el inverso de la frecuencia de vibración atómica, kB es la constante de Boltzman y T es la temperatura absoluta. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 b Fig. 4. Diagramas de tipo Arrhenius obtenidos para cada una de las muestras de PVB analizadas: (a) PVB-BL, (b) PVB-BM. Los gráficos de la figura 4 muestran que, para las dos muestras analizadas, existe una tendencia a alejarse de un comportamiento de tipo Arrhenius. Este comportamiento se explica por el hecho de que la movilidad molecular asociada a la transición vítrea sigue la teoría de movimientos moleculares cooperativos.9-11 El modelo de movimientos cooperativos establece que los movimientos moleculares a temperaturas superiores a una temperatura T*, se realicen de una manera independiente (sin cooperatividad), con una probabilidad directamente proporcional al inverso de τ. Sin embargo, cuando la temperatura comienza a descender, para que los movimientos moleculares se lleven a cabo, se requiere que los segmentos 9 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. de cadena (confórmeros) vecinos se muevan de manera coordinada. A medida que el número de confórmeros que se deben mover cooperativamente se incrementa, la probabilidad para que dichos movimientos se efectúe con éxito debe seguir la siguiente ecuación: (3) De acuerdo a la ecuación anterior y considerando que P mov cooperativos es proporcional al inverso de τmov cooperativos, se establece la siguiente expresión matemática: (4) Si tomamos en cuenta que la probabilidad para que un confórmero se mueva de manera independiente sigue la siguiente expresión matemática: (5) Entonces, a partir de la ecuación 4 y considerando la ecuación 5, podemos establecer la ecuación 6 para los tiempos de relajación de movimientos cooperativos: (6) En la ecuación 6, Ea representa a la energía de activación de un confórmero que se mueve sin cooperatividad, el parámetro Z define el número de Tabla II. Parámetros utilizados para describir los tiempos de relajación de movimientos cooperativos. Parámetros Valores PVB-BL Valores PVB-BM T0 288.15 K 292.2 K τ0 5.5×10-13s T* Ea 360.5 K 0.57 eV a aumentar, tendiendo a un valor infinito cuando T tiende a T0. A partir de las ecuaciones 6 y 7 es evidente que la energía de activación correspondiente a la movilidad molecular de la transición vítrea, depende significativamente de la temperatura. En la tabla II se muestran los parámetros calculados correspondientes al ajuste de los datos experimentales de las figuras 4a y 4b. Las magnitudes de T* y T 0 son coherentes con los valores calculados para otros materiales poliméricos;10,11 se obtiene que es una relación empírica ligeramente mayor a la unidad y T0≈Tg-50 K. El parámetro Ea que corresponde a la energía de activación de confórmeros que se mueven de manera independiente también asemeja al calculado para otros polímeros,9-11 y se obtiene el mismo valor de factor pre-exponencial τ0, el cual se encuentra en el mismo orden de magnitud del valor inverso de la frecuencia de la vibración atómica. Finalmente, en la figura 5 se muestra la dependencia en temperatura de la energía de activación para las dos muestras analizadas, y se identifica de manera clara que la energía de activación aumenta cuando el peso molecular se incrementa. Este comportamiento puede explicarse por el hecho de que los grupos químicos asociados a la movilidad molecular requieren más energía debido a que están anclados a cadenas moleculares más grandes (mayor peso molecular promedio). 372.5 K 0.57 eV 5.5×10-13s confórmeros que se mueven de manera cooperativa y se estima de la siguiente manera:9,10 (7) En la ecuación 7, cuando T≥T* los movimientos moleculares se llevan a cabo de manera independiente, sin cooperatividad y Z=1. Cuando la temperatura empieza a descender por debajo de T*, Z empieza 10 Fig. 5. Dependencia en temperatura de la energía de activación para las dos muestras analizadas. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Estudio de la movilidad molecular de PVB mediante análisis mecánico dinámico / Martín Edgar Reyes Melo, et al. En ambos casos, la energía de activación se incrementa considerablemente cuando la temperatura disminuye y tiende a T0, y por otra parte, la energía de activación tiende a su valor mínimo cuando la temperatura tiende a T*. Desde un punto de vista molecular, la cooperatividad se presenta entre estas temperaturas y, a medida que la temperatura disminuye partiendo de T*, la cooperatividad aumenta de manera importante, provocando un aumento considerable de la energía de activación. CONCLUSIONES Los tiempos de relajación calculados a partir de los resultados experimentales obtenidos mediante DMA corresponden a movimientos moleculares cooperativos y la energía de activación correspondiente es función de la temperatura. El peso molecular promedio afecta de manera directa a la movilidad molecular del PVB. Este estudio servirá de base para el desarrollo de materiales híbridos PVB-nanopartículas metálicas, con potenciales aplicaciones en electricidad, la electrónica y la mecatrónica. 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Rault; Origin of the Vogel-Fulcher-Tammann law in glass-forming materials: the α-β bifurcation; Journal of Non-Crystalline Solids, 2000, Vol.271, pp.177-217. 7. J. Colmenero, F. Alvarez, Y. Khairy, A. Arbe: Modeling the collective relaxation time of glassforming polymers at intermediate length scales: Application to polyisobutylene; The Journal of Chemical Physics; 2013; Vol. 139, pp. 044906 (1-6). 8. H. Bahous, Manil M. Soufi Laurent Meuret, M. Benzohra; Relaxation time at glass transition temperature measured by simplex thermo stimulated depolarisation current; Macromol. Symp. 2014, Vol. 341, pp. 45–50. 9. S. Matsuoka; Entropy, free volume, and cooperative relaxation; Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology; 1997; Vol. 102, No. 2, pp. 213-228. 10.M.E. Reyes-Melo, J.J. Martínez-Vega, C. A. Guerrero-Salazar, U. Ortiz-Méndez; Mechanical and dielectric relaxation phenomena of poly(ethylene-2,6-napthalene dicarboxylate) by fractional calculus approach; Journal of Applied Polymer Science; 2006; Vol. 102, No. 3, pp. 3354-3368. 11.M.E. Reyes-Melo, V.A. González-González, C.A. Guerrero-Salazar, F. García-Cavazos, U. Ortiz-Méndez; Application of fractional calculus to the modeling of the complex rheological behavior of polymers: From the glass transition to flow behavior. I. The theoretical model; Journal of Applied Polymer Science; 2008; Vol. 108, No. 2, pp. 731-737. 11 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida Leonardo Chávez GuerreroA*, María Elena Cantú CárdenasA, Javier A. Garza CervantesA, Margarita Ortiz MartínezA, Denisse Margarita Elizondo Escamilla A, Ovidio Salazar SalazarB, Diana Caballero HernándezA A B Universidad Autónoma de Nuevo León Universidad Autónoma de Tamaulipas leonardo.chavezgr@uanl.edu.mx RESUMEN El hidróxido de calcio [Ca(OH)2] se reconoce como un bactericida eficaz y además se aplica ampliamente en materiales de construcción y en la industria de alimentos. El Ca(OH)2 es principalmente producido por la hidratación del óxido de calcio (CaO), es cual es obtenido mediante la descomposición térmica del carbonato de calcio (CaCO3) proveniente de fuentes como la piedra caliza. En este trabajo, se sintetizó hidróxido de calcio mediante la transformación termoquímica de residuos de biomasa de la industria tequilera (bagazo). Las muestras se caracterizaron por difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido, que muestran que la biomasa procesada a 600 °C se compone principalmente de CaCO3 y que el Ca(OH)2 se produce después de la calcinación a 900°C seguida de hidratación. Se evaluó la actividad bactericida del Ca(OH)2 obtenido de bagazo mediante los ensayos de difusión en agar y viabilidad por turbidez, en contra de las bacterias Escherichia coli y Enterococcus faecalis. Esta es la primera vez que Ca(OH)2 obtenido a partir de bagazo de agave se ha propuesto y evaluado como bactericida, con resultados positivos, introduciendo una fuente alternativa y sustentable para este compuesto. PALABRAS CLAVE Sustentabilidad, bagazo de tequila, ceniza, hidróxido de calcio, carbonato de calcio, bactericida. ABSTRACT Calcium hydroxide [Ca(OH)2] is recognized as an efficient bactericide and is widely applied in construction materials and the food industry. Ca(OH) 2 is mainly produced by hydration of calcium oxide (CaO), where CaO is obtained via thermal decomposition of calcium carbonate (CaCO 3), from sources such as limestone. In this work, calcium hydroxide was synthesized by the thermochemical transformation of waste biomass from the tequila industry (bagasse). The samples were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy, showing that the processed biomass at 600°C is composed mainly of CaCO3 and Ca(OH)2 is produced after calcination at 900 °C followed by hydration. Bactericidal properties were investigated using the agar diffusion 12 Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida / Leonardo Chávez Guerrero, et al. assay and viability test against Escherichia coli and Enterococcus faecalis. This is the first time that Ca(OH)2 obtained from agave bagasse has been proposed and tested as a bactericidal, introducing an alternative source of this compound. KEYWORDS Sustainability, tequila bagasse, ash, calcium hydroxide, calcium carbonate, bactericidal. INTRODUCCIÓN La cosecha de biomasa de las tierras semiáridas es una fuente muy prometedora de bienes,1 ya que el uso de las mismas, aumenta las tierras cultivables disponibles para la producción de alimentos.2 Las plantas xerófitas de la familia Agavaceae como Agave americana o Agave tequilana, que crecen en tierras semiáridas, son utilizadas como fuente de alimentos, fibras, energía y bebidas espirituosas como el tequila y el mezcal.3,4,5 Las 300 especies de agave conocidas son todas nativas del continente americano y se sabe qué hace 7,500 años, los humanos las utilizaban para fabricar calzado, tejiendo fibras de la penca empleando espinas como agujas.6 La industria tequilera produce diversos desechos; sólidos (bagazo), líquidos (vinazas) y gaseosos, como el CO2.7 A principios de la década de 1990 se registró un aumento en la popularidad del tequila en todo el mundo, haciéndola una industria atractiva a nivel mundial. La producción de bebidas alcohólicas procedentes de agave típicamente sigue 5 pasos: cocción, molienda, fermentación, destilación y añejamiento. Recientemente, se han desarrollado diversas aplicaciones que toman ventaja del bagazo de agave; como combustible,8-9 en fabricación de papel,10 en alimentación de animales y como composta para la agricultura ecológica.4 Convenientemente, como fuente de compuestos de calcio, el bagazo de tequila, una biomasa renovable,11 tiene el potencial de mitigar el calentamiento global como lo han demostrado otros tipos de biomasa, como la jatrofa, aceite de palma y cáscara de coco.12 Una práctica común en el manejo de los residuos generados por la industria del tequila es secar al sol el bagazo, seguido de su incineración para reducir volumen, esto permite la recuperación de energía, pero produce grandes cantidades de ceniza. En la actualidad, hay un interés creciente Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 en la recuperación de hidróxido de calcio, óxido de calcio y carbonato de calcio a partir de recursos renovables, como la ceniza de bagazo. Hoy en día, el hidróxido de calcio se obtiene principalmente por la calcinación de piedra caliza a 900 °C, que es posteriormente hidratada. Este método es costoso, debido al consumo de energía, debido al uso de combustibles fósiles, necesaria para alcanzar la temperatura de calcinación, lo que también produce altas cantidades de CO2, una de las principales causas del calentamiento global.13 El Ca(OH)2 tiene una amplia gama de aplicaciones; se ha utilizado desde la antigüedad como un componente del cemento9 y más recientemente como antifúngico,14 como relleno bactericida de los conductos radiculares en los tratamientos de endodoncia,15 degradación fotocatalítica frente al azul de metileno,16 como almacén de calor de las plantas solares concentradas,13 moduladores del pH en los suelos y en la industria del papel para recristalizar CaCO3.17 El objetivo principal de este trabajo ha sido evaluar el uso potencial del bagazo calcinado de la industria del tequila como agente bactericida, utilizando Escherichia coli (E. coli) y Enterococcus faecalis (E. faecalis) como modelo de estudio. También tiene como objetivo introducir una fuente alternativa y renovable de Ca(OH)2 que tiene el potencial de reducir el impacto ecológico de la industria del tequila y la piedra caliza en todo el mundo. MATERIALES Y MÉTODOS Producción de Ca(OH)2 a partir del bagazo de agave El bagazo recibido se introdujo en un horno Thermolyne dentro de un contenedor (crisol de alúmina) y se calcinó a 600 °C durante 2 horas hasta obtener ceniza; esta muestra fue denominada C600. A continuación, la ceniza (C600) se cribó utilizando un tamiz estándar de cobre y se calcinó a 900 °C durante 5 horas. Entonces, la ceniza se vació en agua desionizada durante 30 minutos, finalmente, el material se dejó secando a 100 °C durante 5 horas; esta muestra fue nombrada C900. Para comparar la actividad antimicrobiana se utilizó Ca(OH)2 grado analítico adquirido en Sigma-Aldrich, el cual se identifica de aquí en adelante como COM. 13 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida / Leonardo Chávez Guerrero, et al. Microscopía Electrónica de Barrido y Difracción de Rayos X La morfología y composición de las muestras se determinaron utilizando un microscopio electrónico de barrido (MEB) de alta resolución Philips FEI XL30 Sfeg, con un sistema de microanálisis y dispersión de energía por rayos X, y una energía de aceleración de 10 kV. Todos los compuestos se analizaron por difracción de polvo de rayos X (DRX) en un difractómetro Bruker D8 Advance. Los difractogramas se obtuvieron de 2θ = 20-60° utilizando una radiación Cu Kα (λ = 1.5406 Å). Evaluación de la actividad bactericida Para probar la eficacia de los compuestos para inhibir el crecimiento microbiano, se utilizó el ensayo de difusión en agar utilizando para ello dos bacterias, E. coli, ATCC 25922 (American Type Culture Collection, Rockville, MD) y E. faecalis, ATCC 29212. Los cultivos de prueba se prepararon mediante subcultivo en caldo de tripticasa de soya (Merck), la pureza del cultivo se controló por observación al microscopio. Para el ensayo de difusión en agar, se inocularon doscientos microlitros (µL) del cultivo directo o de una dilución 1:10 en una placa de agar, el cultivo fue esparcido cuidadosamente en la superficie de agar Muller-Hinton (Bioxon) usando un triángulo de vidrio estéril. Se prepararon aproximadamente 10 µL de pasta a partir de cada muestra, y se colocaron en posiciones equidistantes en la superficie del agar. Las placas se incubaron a 37 °C durante 24 horas y posteriormente se examinaron para determinar la presencia de halos de inhibición alrededor de los compuestos. Todas las pruebas se realizaron por triplicado para cada microorganismo. Prueba de viabilidad por turbidez Se prepararon tubos con 2 ml de Caldo LB (Bioxon), los cuales se inocularon con 20μL de la dilución 1:10 del cultivo microbiano y posteriormente se adicionaron 0.05 g de cada uno de los compuestos a evaluar o el compuesto de referencia. La incubación se realizó en agitación a 150 rpm a 37°C y se les determinó la absorbancia a una densidad óptica de 596 nm a los 3 y 6 días. Para hacer las mediciones de absorbancia se realizó una 14 dilución 1:10 en condiciones de asepsia en solución isotónica. Las pruebas se realizaron por triplicado, se llevó un control de cultivo sin tratar y como blanco se utilizó medio de cultivo sin inocular. Adicionalmente se realizó un conteo de células vivas mediante la técnica de dilución y siembra en placa empleando como medio agar LB (Bioxon). RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la figura 1, los resultados de rayos X muestran los principales compuestos encontrados en los tres materiales estudiados. Para C600, el perfil muestra un pico que coincide con carbonato de calcio (PDF 00-004-0636), un hallazgo no del todo inesperado, ya que las plantas extraen minerales del suelo, entre ellos calcio. En el caso de C900, el perfil se corresponde con hidróxido de calcio, el producto de la descarboxilación del CaCO 3. Al analizar los difractogramas de las muestras estudiadas, teóricamente, sería de esperar que el perfil para la muestra COM coincidiera con el perfil disponible en las bases de datos para Ca(OH)2, sin embargo, de acuerdo con los resultados, la muestra COM se compone de una combinación de hidróxido de calcio y carbonato de calcio, por ejemplo, el pico observado a 28.5° puede explicarse por la exposición repetida del polvo grado reactivo al CO2 en el medio ambiente, una vez se ha abierto el recipiente, lo que produciría una carbonatación parcial de la muestra. En la ecuación 1 se muestra la reacción que sufre la ceniza de bagazo durante el proceso de calcinado. Durante este proceso el 56% (p/p) permanece como óxido de calcio, mientras que el 44% restante corresponde al dióxido de carbono. Luego por cada 1,000 kg de ceniza generada se producirán 560 kg de CaO, pero las emisiones netas de CO2 no se verán afectadas, dado la fuente renovable utilizada (bagazo). (1) En la ecuación 2 se indica la reacción exotérmica intermedia necesaria para obtener hidróxido de calcio, donde la cal se mezcla con agua para obtener Ca(OH)2 más calor. De acuerdo con esto, 560 kg de CaO producirán 740 kg de hidróxido de calcio. La ecuación 3 muestra la reacción de carbonatación Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida / Leonardo Chávez Guerrero, et al. de hidróxido de calcio, que se produce de forma espontánea al aire o un medio ambiente con presencia de CO2. La ecuación 3 explica el comportamiento de la muestra COM, que es expuesto a CO2, y que fue corroborado por los resultados de rayos X en la figura 1. (2) (3) En la figura 2 se muestra la morfología de las muestras después de las transiciones químicas. En la figura 2(a) la muestra COM presenta formas de partícula irregulares, esto se puede atribuir a la utilización de piedra caliza molida durante el proceso de síntesis de Ca(OH)2. En la figura 2(b) todavía es posible discernir la estructura del agave, con pequeñas partículas semicirculares.8 Finalmente, en la figura 2(c) se puede observar el proceso de cristalización del CaO, obteniéndose morfologías regulares (hexagonales) de hidróxido de calcio. La presencia de CaCO 3 en el bagazo podría explicarse por la capacidad de las plantas para romper y disolver la roca circundante mediante la excreción de compuestos ácidos presentes en exudados de las raíces,18 este mecanismo es utilizado por las plantas para obtener minerales de suelos pobres que posteriormente pueden recuperarse para diversas aplicaciones. Del material que resta de la planta (a) (a) Fig. 1. Patrones de difracción (DRX) de las muestras estudiadas. (ceniza), una vez que el bagazo ha sido usado como biocombustible, es posible proporcionar compuestos con aplicación potencial en el área médica y diversas industrias. La tabla I indica la composición de las muestras (en porcentaje atómico - At%) obtenida por microanálisis, durante la adquisición de imágenes en el MEB. Los resultados coinciden con la información obtenida por rayos X y corroborados por las ecuaciones 1 y 3. Las diferencias en la composición entre C900 y COM son evidentes. La composición inusual mostrada por la muestra (b) (b) (c) (c) Fig. 2. Imágenes de MEB mostrando la morfología de COM en (a), C600 en (b) y C900 en (c). Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 15 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida / Leonardo Chávez Guerrero, et al. Tabla I. Resultados del microanálisis que muestran la composición elemental de las muestras estudiadas. Elemento C O Ca C600 C900 COM 26.50 10.13 24.00 At% 52.39 21.11 At% 60.49 29.38 At% 45.06 30.94 COM, en comparación con C900, se puede explicar considerando la presencia de Ca(OH)2 y CaCO3 durante el análisis. La información detallada sobre la caracterización de la ceniza de agave se puede obtener en González-López et al 2015. Evaluación de la actividad bactericida Usando el ensayo de difusión en agar, se observó un halo de inhibición alrededor del Ca(OH)2 tanto en cultivos de E. coli como de E. faecalis, tanto en las placas inoculadas con cultivo sin diluir y con cultivos diluidos 1:10 también, mientras que este efecto no fue observado con el carbonato de calcio (figura 3). Sin embargo, los mecanismos por los que el Ca(OH)2 inhibe el crecimiento bacteriano no se conocen o comprenden bien, se han propuesto al menos tres mecanismos, pero la controversia continua.19 En la figura 3(a), se presenta un acercamiento de los halos de inhibición de los diferentes tratamientos. En el caso de E. faecalis, el tamaño de radio del halo es aproximadamente el mismo que el observado para COM y C900, respectivamente. Con C600 no se observó un efecto sobre el crecimiento bacteriano, lo que excluye la posibilidad de actividad bactericida inherente de la ceniza sin procesar. En el caso de E. coli, el tamaño del halo de inhibición es muy similar para C900 y COM, lo que sugiere que la ceniza obtenida C900 posee una potencia muy parecida a COM, a pesar de las diferencias en su composición sobre esa bacteria. Sin embargo, el tamaño de halo no es el principal factor a tener en cuenta para la mayoría de las aplicaciones, ya que los mecanismos de actividad bactericida putativos de Ca(OH)2 son mediados por contacto.19 En la figura 3 (b) se puede observar el crecimiento microbiano en los cultivos experimentales, representado como la viabilidad de los cultivos a diferentes tiempos, la viabilidad se determinó 16 midiendo la absorbancia de los cultivos a 596 nm por el método de turbidez en tubo; se puede observar que los resultados fueron similares para C900 y Ca(OH)2 comercial y claramente distintos con respecto a C600. Se determinó la viabilidad a los días 3 y 6 y se empleó un cultivo control sin tratamiento, el cual representa el crecimiento “total” a cada uno de los tiempos analizados (100% de células viables) y sirvió como referencia para el cálculo de viabilidad de las muestras estudiadas. La principal diferencia en los resultados de actividad bactericida entre las muestras analizadas, podría deberse a que el material comercial fue intensivamente procesado, mientras que C900, contiene todavía trazas de elementos o impurezas tales como K, P, Mg11 normalmente contenidas en la planta.18 Para el año 2012, el promedio de producción de tequila fue de 253 millones de litros. La producción de un litro de tequila requiere 7 kg de agave, lo que equivale a una demanda de aproximadamente 1,771 millones de toneladas de agave tan solo ese año. El subproducto generado durante el proceso representa el 40% del peso húmedo del agave utilizado en la fabricación de tequila, es decir, se generaron 708,400 toneladas de bagazo durante el 2012. A partir de este material, aproximadamente el 16% del peso húmedo de bagazo se puede recuperar como ceniza cuando se calcina a 900 °C,11 mientras que el manejo inadecuado de estos residuos podría ser perjudicial para el ambiente y la salud humana. Por todo esto, es de gran importancia encontrar alternativas sustentables para el manejo de subproductos potencialmente contaminantes, utilizando procedimientos y aplicaciones como el que se propone en el presente trabajo. CONCLUSIONES Según los resultados, se puede concluir que es posible obtener Ca(OH)2 a partir de la combustión de residuos de agave utilizando un método sencillo, además, este hidróxido de calcio posee actividad antimicrobiana contra E. coli y E. faecalis, dos microorganismos patógenos de importancia para la salud dental y donde el Ca(OH) 2 ha sido tradicionalmente usado como bactericida. El uso de cenizas procesadas a base de bagazo de agave posee varias ventajas para su uso sustentable: 1) Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Transformación termoquímica de biomasa residual y su actividad bactericida / Leonardo Chávez Guerrero, et al. Fig. 3. (a) Halo de inhibición visto con microscopía óptica a 8x. Barra de escala de 2 mm. En (b) se muestra el crecimiento microbiano en los cultivos bajo los diferentes tratamientos. hay un flujo continuo de subproductos industriales. 2) dado que el agave es una xerofita no requiere de riego continuo y 3) al crecer en tierras semiáridas donde otros cultivos no pueden desarrollarse permite el uso de superficies no usualmente percibidas como útiles. Lo más importante, la biomasa de agave está disponible en abundancia en México, por lo tanto, el uso de bagazo procesado para aplicaciones médicas podría proporcionar un destino útil para la disposición de residuos peligrosos con un valor añadido para el cuidado del ambiente. Futuros trabajos se centrarán en determinar la extensión de las propiedades bactericidas del Ca(OH)2 obtenido a partir del bagazo de agave. Estas Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 propiedades se compararán con las del Ca(OH)2 comercial, durante períodos más largos de tiempo, y empleando una variedad de bacterias patógenas. REFERENCIAS 1. 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PALABRAS CLAVE Falla a tierra, motor de inducción, protección de sobrecorriente, corriente de secuencia cero, huecos de tensión. ABSTRACT This paper is focused on the ground protection in motors of low voltage and the causes of the premature failure due to insulation failure. KEYWORDS Phase-to-ground fault, induction motor, overcurrent protection, zero-sequence current, sags. INTRODUCCIÓN En el presente documento se presenta una explicación teórica a la problemática presentada en equipos de baja tensión instalados principalmente en el área de carbón y cenizas de las centrales termoeléctricas de la Zona Norte de Coahuila en donde se observa la operación del elemento de sobrecorriente a tierra; se eligió la observación de los motores a un nivel de 480 V por ser estos los que tienen una mayor cantidad de arranques diarios, y por ende presentan la tasa de mortandad más grande así como las reparaciones subsecuentes. Artículo publicado en el XII Simposio Iberoamericano sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia, 2015. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA Motores Los motores observados en este estudio son de diversas capacidades, mismos que oscilan entre 60 y 300 HP, con distintas armazones y aplicaciones. Para fines de categorización y por conveniencia del estudio se engloban en función a su aplicación siendo catalogados de la siguiente manera: -Bombas para manejo de lodos. -Bombas para manejo de aguas turbias. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 19 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. -Reductores acoplados a transportadores de bandas de diferentes longitudes (entre 30 m y 1500 m). -Ventiladores, soplantes y compresores de diferentes capacidades. Elementos de protecciones Los relevadores de sobre corriente empleados son las unidades de disparo Digitrip, en sus diferentes versiones desde 520 hasta el 1150, dichas protecciones en su mayoría cuentan con los ajustes en base al cálculo de corto circuito elaborado para la puesta en servicio. Transformadores de corriente Los transformadores de corriente (TC´s) se encuentran montados en la salida de potencia de los interruptores en el lado de la carga, con relación de transformación a 5A secundarios, mismos que se encuentran montados en los interruptores en las barras de salida de fuerza al motor, otra parte de los interruptores en cuestión se encuentran alojados en el interior del mismo interruptor y una pequeña parte se encuentra montado en los conductores de potencia, esta sección de TC´s corresponde a los de secuencia negativa mismos que tienen una relación de 1000/1A. encuentra sólidamente aterrizada (Ver figura 1), esto trae como ventaja el poder portar el neutro a través del mismo cableado, aunque cabe destacar el riesgo de la magnitud que originaría un arco por falla a tierra. EL ELEMENTO DE SOBRECORRIENTE DE SECUENCIA CERO Para el caso de estudio del presente documento, la detección de la falla a tierra, típicamente es lograda mediante el uso de un elemento de sobrecorriente que tiene su respuesta a la I0 del sistema que monitorea. La corriente de secuencia cero tiene lugar en una falla que implica un desbalance de tensión, así como una referencia a tierra y aunque se genera en la operación normal del equipo cuando estos trabajan en sistemas desbalanceados, esto no implica una condición de falla,2 pero se entiende el hecho de que las cargas desbalanceadas ocasionan flujos de corriente cero, adicionalmente, existe la recomendación de que los elementos de protección para falla a tierra sean ajustados en un nivel que permita la operación del equipo tomando en cuenta que este se encuentre por sobre el desbalance del sistema, lo cual, trae como consecuencia el segado de la sensibilidad del elemento de I0. El relevador de sobrecorriente Condiciones ambientales El clima de la región es extremoso, registrando temperaturas que oscilan entre los 0°C en temporada invernal y los 50 °C en temporada de verano, la altitud relativa oscila los 300 msnm, los equipos se encuentran totalmente expuestos a la intemperie o parcialmente encapsulados, cabe mencionar este dato en virtud de que esto representa considerables esfuerzos mecánicos en los equipos y tienen inferencia directa en el comportamiento tanto del desempeño como de la degradación de la vida útil, así como en las diferenciales de temperatura que se originaran en el arranque de los motores.1 Tipo de sistema El sistema se encuentra alimentado a través de transformadores reductores de 6900 V a 480 VCA, conectados en delta-estrella, la parte de baja se 20 Fig. 1. Diagrama unifilar típico. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. I0 mide la suma de las tres corrientes de fase, esta comúnmente se refiere como corriente residual y su ecuación característica es: Ir=3I=IA+IB+IC (1) La ventaja de los elementos de I0 son la amplia cobertura a fallas resistivas, su simplicidad para el ajuste y que no son afectadas por la corriente de carga ya que el impacto sobre I0 es pequeño,3 no obstante cabe mencionar que es susceptible a las variaciones en las fuentes de alimentación, además del desbalance normal del sistema. Modelo de la falla a tierra En el modelado de la falla a tierra es importante analizar los efectos de diferentes tipos de aterrizaje a fin de predecir los efectos de las fallas a tierra del sistema. El modelo más común es el que involucra a las componentes simétricas,1 y particularmente el uso del circuito de corriente de secuencia cero. Históricamente el vector de corriente de secuencia cero I0 y el V0 han sido usados con los relevadores para la protección de falla a tierra. Parte del motivo por el cual se han usado por un largo tiempo se debe a que los valores de secuencia cero son directamente proporcionales a la suma de las tres fases y las tres corrientes como podemos apreciar en las ecuaciones. (2) (3) Al observar las ecuaciones se puede entender el principio de funcionamiento de la sobrecorriente residual, por lo que es necesario analizar el contexto en el que se desarrolla la aplicación del motor eléctrico para poder entender la relación respecto a la operación de la protección eléctrica, no obstante debido a que el caso de estudio se encuentra enfocado en la operación de la protección residual, es pertinente que avancemos analizando las causas que pueden ocasionar que se generen las corrientes de secuencia cero. EFECTOS DE I0 EN MOTORES Habitualmente los efectos de las fallas eléctricas incipientes no son fácilmente perceptibles, por lo cual cuando se hace evidente un problema eléctrico, Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 2. Principales causas de falla: (a) EPRI; (b) IEEE. se considera que el mecanismo de evolución del daño será muy agresivo,4 y se podrá sospechar de una falla inminente en el equipo en un intervalo de tiempo que normalmente será corto. Dentro de la categorización de fallas tanto EPRI como de IEEE, ya que en motores de inducción la segunda falla más común se encuentra en el estator, misma que se encuentra caracterizada por tener un mecanismo degenerativo originado en el corto circuito entre espiras de una misma fase, hasta que trasciende a una falla más severa que produce la falla final.5 Las principales causas de falla pueden ser observadas en las gráficas tanto de EPRI como de la IEEE.6,7 A su vez, las fallas en las que se encuentra implicado el corto circuito en el devanado, regularmente se encuentra asociada con un cambio en la corriente de secuencia negativa, así como en la impedancia de secuencia inversa, los componentes de secuencia de un motor se encuentran dadas por8 (4) Los índices p, n y o, representan la secuencia positiva, negativa y cero respectivamente en tanto en fasores de corriente como de tensión, Zij representa la impedancia de secuencia i debido a la secuencia j. 21 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. Comúnmente los motores son alimentados como se aprecia en la figura 4, sin neutro, por tal motivo la corriente de secuencia cero es nula y la ecuación puede ser reducida a: (5) Cabe destacar que In es sensible a las variaciones de la fuente, las asimetrías del motor y de la carga. Al existir una falla, la impedancia de la matriz se verá afectada debido a la asimetría que experimenta el motor, de modo que la falla se puede detectar mediante la comparación de In de motor y fuente sin falla, y la In con falla; la desviación entre estas dos variables será un indicador de falla, así mismo para el cálculo de la impedancia de secuencia inversa se puede emplear la siguiente fórmula:9 Fig. 3. Fallas en las que se encuentra implicado el corto circuito en el devanado. (6) El arranque de un motor eléctrico supone un esfuerzo electromagnético de una magnitud tal que consume una corriente lo suficientemente grande como para iniciar la rotación de un eje, en el que pudiera llegar a darse el caso de que por condiciones propias del proceso en el que se encuentre inmersa la maquina en cuestión, se pudiera encontrar cargado o sobrecargado, y dado que el arranque del motor representa un subtransitorio de hasta 10 veces la corriente a plena carga seguido de un transitorio de entre 6 y 7 veces la corriente nominal, lo que origina la demanda de una gran cantidad de corriente que se verá traducido en un hueco de tensión con una duración determinada por el tiempo de arranque del motor. Cabe considerar que la puesta en marcha de un motor produce un incremento en la potencia activa del circuito en el cual se encuentra alojada la máquina que está arrancando, el motor de inducción presenta grandes efectos sobre los huecos de tensión con la peculiaridad de una perturbación subsecuente derivada de la aceleración de la máquina (ver figura 5). En el instante en que un transformador es energizado se tiene la aparición de transitorios de flujo magnético derivado de la demanda de corriente implicada en la magnetización, a su vez esta corriente consumida por el transformador puede tener su origen en tres causas principales que a continuación son enunciadas: 22 Fig. 4. Conexión típíca de un motor. a) La energización que tiene lugar cuando un transformador previamente desenergizado vuelve a ser alimentado. b) La recuperación originada por la recuperación del nivel de tensión normal posterior a un abatimiento de tensión originado por un transitorio en el sistema. c) Empatía (sympathetic inrush) originada por la operación paralela de dos transformadores, con la peculiaridad de que este tipo de consumo de corriente se encuentra asociada a un periodo de recuperación más lento que las anteriores debido a sus características inusuales y la generación de armónicos de voltaje11 (ver figura 6). Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. Cabe mencionar que la corriente de energización del transformador presenta gran asimetría resultante de la saturación del núcleo del transformador ocasionada por el crecimiento excesivo del flujo magnético en una sola dirección.12 Una característica de los huecos de tensión cuando son originados por el inrush de transformadores, es el desbalance que presenta entre el voltaje de fase y los armónicos inyectados por el transformador, y esto constituye la diferencia comparativa con relación a los huecos ocasionados por los motores, ya que la recuperación del hueco tiende a seguir la curva de aceleración por lo que presenta una característica tipo exponencial con la diferencia de no inyectar armónicos a la red, caso que tiene lugar con los transformadores.10 Fig. 5. Hueco de tensión originado por la puesta en servicio de un motor eléctrico.10 Fig. 6. Formas de onda típicas de las corrientes (a) de inrush y (b) de inrush de empatía. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Perturbaciones de tensión De acuerdo a 13 las perturbaciones se encuentran catalogadas en tres grupos generales: a) Variaciones en el valor RMS de voltaje o corriente. b) Perturbaciones transitorias, a su vez contiene la siguiente subdivisión a. Transitorios b. Variaciones de corta duración c. Variaciones de larga duración d. Desbalances de voltaje o corriente e. Distorsión en la forma de onda f. Fluctuaciones de tensión g. Variaciones de frecuencia c) Deformaciones de la forma de onda. En el caso concreto de los huecos de tensión, estos se encuentran categorizados en perturbaciones de corta duración no repetitivas o transitorias caracterizadas por un voltaje residual referido al voltaje inicial que se denomina profundidad, y una duración temporal. Un hueco de tensión es una disminución de potencial que se encuentra entre el 90% y el 10% de la nominal entre fases, que se encuentra acompañada de una subsecuente recuperación posterior a un breve intervalo que típicamente se encuentra entre los 0.5 ciclos y 1 minuto, dicho fenómeno puede tener su origen en: descargas atmosféricas que afectan a un sistema concreto, maniobras en alta tensión que inestabilicen los flujos de potencia, variaciones de carga por energización de equipo eléctrico y fallas de corto circuito.13 Efectos de los huecos de tensión en motores de inducción y su relación con la operación de la falla a tierra Las perturbaciones de tensión tienen un efecto sobre los motores de inducción, entre las perturbaciones mas importantes que podemos encontrar los armónicos, los huecos de tensión y desequilibros de tensión. El efecto que tienen los armónicos en los motores de inducción es el de afectar variables como: corriente, par-velocidad, factor de potencia, eficiencia y potencia, con las consecuentes reducción 23 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. a su vida útil.14 Dicho fenómeno no es estudiado tan extensamente en el presente documento, en virtud de que la topología de la red en cuestión tiene mayoritariamente cargas inductivas, además de que la utilización de agentes generadores de armónicos es relativamente baja, contrastado con el hecho de que la fuente de energía se encuentra “aguas arriba” con sólo un nivel de tensión de transformación. Hablando del término concreto de los huecos de tensión, encontramos sus definiciones como: *Disminución brusca de alimentación a un valor situado entre el 90% y el 1% de la tensión declarada Ucm seguida del restablecimiento de la tensión después de un corto lapso de tiempo. Por convenio, un hueco de tensión dura de 10ms a 1min. La profundidad de un hueco de tensión es definida como la diferencia entre la tensión eficaz mínima durante el hueco de tensión y la tensión declarada. Las variaciones de tensión, que no reducen la tensión de alimentación a un valor inferior al 90% de la tensión delcarada Uc no son consideradas como huecos de tensión.15 *Disminución de tensión o la intensidad, en un valor eficaz, entre 0.1 y 0.9 PU a la frecuencia de la red, para duraciones comprendidas entre 0.5 ciclos y 1 minuto.13 Los huecos de tensión ocasionan sobrecorrientes transitorias, súbitos incrementos del par y también pueden ocasionar pérdida de velocidad, 16 así mismo si los huecos son simetricos estos tienen una dependencia directa con la profundidad y la duración del hueco, en tanto que los huecos asimétricos tienen relación con el punto en que inicia el evento, tal es el caso del arranque de un motor que presenta asimetría la impedancia, para efectos prácticos mediante simulaciones se pueden apreciar la recuperación del nivel normal de tensión una vez que el motor alcanza su velocidad nominal.17 Los sistemas de tensión con desequilibrio es un caso muy común tanto en instalaciones industriales como en el seno de la misma central generadora, y esta condición tiene efecto directo sobre el rendimiento de la máquina, en tanto que el motor propiamente aporta reactivos18 que se traduce en el equilibrio de tensión de la red además se documenta el hecho de que el aumento de niveles de carga en los motores de inducción modifica el factor de desequilibro de 24 secuencia negativa de tensión (VUF) en el punto de conexión, en comparación con los motores de inducción de carga ligera.19 Otra conclusión importante es que las variaciones en el deslizamiento del motor tienen efecto sobre el voltaje o corriente de secuencia positiva en el punto de evaluación mientras que el valor de secuencia negativa permanece casi constante, entre los efectos nocivos que se pueden tener derivados de esta condición podemos mencionar el corto entre espiras.20-22 Cabe destacar que existen estudios en los que se relaciona la tercer armónica de la componente fundamental con la magnitud de la corriente y el votaje de alimentación para inferir el porcentaje de falla del aislamiento en diferentes condiciones de carga, esto derivado de desbalances de voltaje,21 dicho desequilibro puede tener efecto sobre el par y la corriente generando alto rizado en el par de torsión, dicho efecto se puede traducir a la interrupción de la operación de los equipos23 y derivado del debalance de corriente se tendrán salidas de equipo derivados de la operación del respectivo esquema de protección, cabe destacar que también se tienen efectos en la potencia aprovechada por el proceso, con el consecuente impacto económico debido que desequilibrios de un 5% pueden ser traducidos en una disminución de la eficiencia de entre 1 y 3%.24 Adicionalmente la operación de un motor en condiciones de desbalance de corriente trae como consecuencia una creciente diferencial de temperatura que implica otra fuga de potencia.25 Al respecto, los huecos de tensión pueden ser caracterizados por medio de dos métodos, uno llamado Clasificación ABC y otro que se conoce como clasificación de componentes simétricas, por cuestiones de simplicidad y utilización en la literatura especializada, se enuncia el que corresponde a la clasificación ABC. A continuación observamos las siete tipologías generales en las que se engloban los huecos de tensión: Se encuentra sustentado que en un motor, la contribución de potencia reactiva debido al enlace de flujo magnético atrapado en el motor, evita un colapso en el voltaje y da como resultado un hueco de tensión no rectangular, por su parte el torque negativo inducido durante el intervalo de falla ocasiona la pérdida de velocidad en conjunto con el esfuerzo Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. mecánico que representa en si la carga impulsada por el motor, lo cual prolonga el tiempo de reaceleración y aumenta el tiempo de retardo en la recuperación de voltaje.18 Cabe mencionar que en los motores trifásicos de inducción el par electromagnético se encuentra en función del cuadrado de la tensión del estator,26 lo cual confirma la sensibilidad ante los huecos ya que se ve comprometida la estabilidad en la velocidad frente a una variación de tensión de la red de alimentación. Fallas en devanados Cuando un motor presenta espiras en corto circuito, se ve modificada la impedancia efectiva de secuencia inversa,27 dicho parámetro tiene una gran utilidad como indicador de falla en las bobinas, y en conjunto con la teoría de componentes simétricas, represente una herramienta de diagnóstico de fallas.28 En términos prácticos, los niveles de tensión que pueden ser observados en campo, hacen manifiesto el hecho de que se operan en condiciones de desequilibrio tanto de voltaje como de ángulos de fase. El análisis de un motor de inducción que se encuentra en un sistema desequilibrado puede ser modelado en base a su circuito equivalente de secuencia directa e inversa. En la figura 8 observamos un circuito equivalente donde las variables Rs y Rr representan las reactancias de estator y rotor respectivamente. Las reactancias de dispersión de estator y rotor y la reactancia de magnetización corresponden a Xs, Xr y Xm respectivamente. La componente variable de la resistencia del rotor Rl1, es la que hace posible el cálculo de la potencia mecánica del motor como una función del deslizamiento del rotor (S). (7) resultante puede ser observado en la figura, donde la impedancia es expresada como: (9) En donde podemos observar que ya no es tan afectada por los cambios de deslizamiento dicho evento es apreciable en la siguiente ecuación: (10) Y debido que la mayoría de los motores de inducción tienen poco deslizamiento (del orden del 3%), cabe destacar que la impedancia de secuencia negativa es mucho menor que la impedancia positiva, por lo que para un nivel bajo de tensión de secuencia inversa, circula un nivel relativamente Dicho parámetro se encuentra afectado por los cambios de deslizamiento, tal como se observa en la función derivada. (8) Por el hecho de que el campo de secuencia inversa se encuentra contrapuesto con el campo directo, el equivalente del circuito se obtiene al sustituir, S, en el circuito de secuencia directa por (2-S), y el circuito Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 7. Siete tipologías generales en las que se engloban los huecos de tensión. 25 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. Fig. 8. Circuito equivalente de secuencia positiva del motor de inducción. alto de secuencia inversa, lo que ocasiona que al monitorear la corriente en línea, está sea afectada por pequeños desequilibrios de tensión y por tal motivo oculte una falla incipiente, también se puede observar que la impedancia de secuencia inversa es poco sensible a los cambios de deslizamiento, por lo que la impedancia de secuencia inversa es constante a las variaciones de carga y al flujo de corriente de secuencia inversa. Dicha impedancia se calcula al obtener el cociente entre la componente de secuencia inversa de voltajes y la componente de secuencia inversa de corrientes, como se ve en la ecuación. Fig. 9. Circuito equivalente de secuencia negativa del motor de inducción. (11) Donde: V r2 e I r2 son las componentes de secuencia inversa de voltajes y las corrientes respectivamente, calculados con la teoría de componentes simétricas como se ve en las ecuaciones. (12) (13) Cuando el aislamiento comienza a tener daños, se tiene una pérdida de la simetría en las impedancias, por lo que se presenta un afluente de componentes de distinta secuencia, ocasionando caídas de voltaje atribuibles a la circulación de componentes de cualquier secuencia. Por tal motivo la Z2ef se puede 26 ver alterada frente a fallas incipientes, y en base a experimentación han concluido que la impedancia de secuencia negativa presenta una tendencia de evolución determinado por el daño del aislamiento del estator, con lo que se asevera que el módulo cambia de valor frente a un corto, aun cuando este solo tenga efecto sobre un par de espiras. Fallas en estator y su detección mediante corrientes de secuencia negativa Dentro de las fallas ocurridas en el estator de un motor de inducción, ocupa un papel preponderante la falla por cortocircuito entre espiras, ya que el aislamiento entre dos espiras de una misma bobina suele ser el más frágil, y bajo ciertas condiciones de operación, puede estar sometido a grandes esfuerzos electromagnéticos y/o térmicos; esto lo convierte en el elemento más débil del sistema de aislamiento de un motor, adicionalmente pueden existir factores externos como la abrasión que puede estar determinada por el tipo de contaminación en el que se encuentra el equipo. Las consecuencias de un cortocircuito entre espiras pueden ser catastróficas, porque aparece una corriente circulante localizada de un valor significativamente alto (varias veces la corriente nominal), que no se refleja en los terminales del motor y que produce un efecto de aumento local de la temperatura. El incremento de temperatura hace que el aislamiento exterior se deteriore progresivamente, lo que lleva en poco tiempo a un cortocircuito de mayor magnitud, como el que ocurre entre fase y tierra o entre bobinas de diferentes fases dentro de la misma ranura.29 El signo exterior de la falla es operación de la protección de falla a tierra, pero el factor determinante de la falla incipiente es la degradación degenerativa del aislamiento entre espiras. En condiciones en que existiera una buena simetría, se esperaría que el voltaje y la corriente de secuencia negativa fueran nulos, no obstante, en el sistema puede ser inducida una corriente de secuencia negativa que puede tener su origen en la asimetría natural del devanado del motor producto del modo de embobinado, además que es un proceso fuera de medición puesto que implicaría el control de la cantidad de cobre en cada fase del estator. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. Si la fuente de alimentación no presenta balance en los voltajes, se genera una componente de secuencia negativa que induce una corriente desbalanceada y que genera una componente de corriente negativa circulante por el devanado. La corriente total de secuencia negativa puede ser calculada por: (14) Donde: Isf: componente de la corriente generada por la condición de falla. I0n: corriente de secuencia negativa debida a imperfecciones, defectos de fabricación o bobinado inherentes al motor, es decir, no relacionada con la situación de falla o de alimentación asimétrica. Ivuf: corriente de secuencia negativa asociada al desequilibrio de tensiones de alimentación expresado a través del coeficiente VUF como indicador de dicho desbalance.13 (15) Las componentes de resistencia y reactancia del rotor se refieren al estator usando el deslizamiento, las pérdidas en el núcleo son despreciables al sustituir una rama de magnetización por una reactancia.30 La componente variable de la resistencia del rotor reflejada representa la potencia mecánica del motor en la secuencia positiva y negativa respectivamente (Rp y Rn). La resistencia Rr es la resistencia de rotor bloqueado obtenido en la prueba del mismo nombre según aparece en.31 La relación entre resistencia de secuencia positiva y negativa es alta, es decir, aún que se tenga un voltaje de secuencia negativa bajo, se genera corriente de secuencia negativa alta en donde existe bajo deslizamiento. No obstante, si observamos en el circuito de secuencia negativa, la reactancia del devanado del rotor, esta es proporcional al doble de la frecuencia de alimentación, con lo que se limita la corriente de secuencia negativa por el rotor, y con ello su consecuente valor reflejado al estator, de modo que un incremento en el factor de desblance de voltaje se refleja como un incremento proporcional en la corriente de secuencia negativa. La constante de proporcionalidad se encuentra en función a los parámetros de diseño y construcción del motor.32 Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 CONCLUSIONES Con base a la presente investigación y a los fenómenos observados en campo se argumenta que la corriente de secuencia negativa es un indicador de las fallas en el devanado del estator por cortocircuito entre espiras, por lo que puede ocasionar la operación de la protección de sobrecorriente a tierra de manera asertiva pero debe descartarse la circulación de dicha corriente, ocasionada por otros problemas como el desbalance de tensiones en la alimentación del motor. El desbalance de tensiones, aun en pequeña escala, impulsa corrientes de secuencia negativa de magnitud considerable, comparable a la corriente de falla ocasionada por un cortocircuito entre espiras. Haciendo un uso del principio de transitividad de la implicación, y observando el fenómeno que tiene lugar en un motor eléctrico cuando este es sometido a un hueco de tensión, las variables que se ven afectadas son el torque y velocidad, por lo que, cuando por causas atribuibles al sistema al cual se encuentra acoplado el motor, se realizan modificaciones a las caracterisitcas normales de operación, se esperaría que se tuviera un respuesta en el lado de la alimentación, que pudiera encontrarse relacionada con la sobrecarga del circuito derivado en el cual se encuentra alimentado el equipo, ocasionando la operación de la protección de sobrecorriente a tierra, sin que esta tuviera un indicativo concreto de la falla incipiente en un motor, esto con términos no limitativos, puesto que un fenómeno de esta naturaleza con un patrón repetitivo, influye directamente en que se generen las fallas a largo periodo. La operación de la protección de falla a tierra, se encuentra acompañada de una posible indicación de falla final del aislamiento que en algunos casos, si es debidamente detectable, puede ser reparable para incrementar la vida del equipo, estos casos son: • Cuando opera la falla a tierra y que se encuentra acompañado de un desbalance muy grande de corriente, que puede ser indicativo de un empalme flojo, o terminales del motor mal ponchadas, o bien mala conexión del motor. • Cuando la falla a tierra se encuentra acompañada de una lectura de aislamiento que gira en 27 �Análisis de la operación del elemento de sobrecorriente residual: Estudio en equipo... / Jaisiel Quintero Balandrán, et al. torno a los megaohms, que pudiera ser indicativo de un aislamiento recalentado, donde se puede rescatar el equipo a través de un mantenimiento bien aplicado. • Cuando la falla a tierra se encuentra franca y se tiene una lectura de kilo ohms y hasta cientos de ohms, y cuando el equipo en cuestión se encuentra inmerso en un ambiente con un alto grado de humedad, en este caso el equipo detectado a tiempo, le pueden ser restituidas las condiciones de operación mediante la aplicación de calor al devanado. 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Algunos criterios basados en magnitudes y cambios de los voltajes y corrientes, componentes simétricos o impedancias se aplican en paralelo. Los resultados de cada criterio individual se ponderan y se combinan para obtener el resultado final para la selección del lazo con falla. Con este principio de eficiencia, la selección del lazo ha sido optimizada para diferentes topologías de red mediante el cambio en la ponderación de cada criterio. Se aplica el mismo principio al elemento direccional. PALABRAS CLAVE Redes inteligentes de protección, relevo de protección. ABSTRACT This paper presents a new design of distance protection which perfectly fits to the requirements of the smart grid of the future, regarding selectivity and dependability. The impedance measurement is based on the calculation of the load compensated fault reactance X and from line resistance separated fault resistance. This method is applied for phase to ground as well as phase to phase faults. Separation of the fault resistance improves the accuracy of the impedance calculation. The method reduces the negative influence of fault resistance during high load flow and minimizes the risk of wrong pickup during high load condition. Several criteria based on magnitudes and changes of voltages and currents, symmetrical components or impedances are applied in parallel. The results of each single criterion are weighted and combined to get a final result for the selection of the faulted loop. With this principle the efficiency, the loop selection has been optimized to different network topologies by changing the weights of each criterion. The same principle is applied to the directional element. KEY WORDS Smart grid distance protection, protection relay. 30 Artículo publicado en el XII Simposio Iberoamericano sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia, 2015. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. INTRODUCTION Distance protection is used worldwide to protect the lines for the transmission and distribution of electrical energy against consequences of electrical faults. The distance protection has to detect these faults and initiate a trip command to isolate the faulted line. Fig. 1. Basic principle of distance protection. These faults can be phase to phase which are short circuits between different phases or phase to ground which are short circuits between one or more phases and ground. In most cases there will be an arc flash between the faulted phases or between phases and ground. Figure 1 illustrates the basic principle of distance protection. The distance protection D determines the fault impedance ZF from the voltage UA and the current IA measured at the relay location according to Ohm’s law: (1) The measured fault impedance Z F will be compared afterwards with the so called zone setting resulting from the line impedance. If the fault impedance is less than the configured setting the fault is on the line. In this case a trip command is issued to the local circuit breaker CB to isolate the faulted line from system operation as shown in figure 1. Fig. 2. Principle of stepped distance protection. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Figure 2 shows the principle of a stepped distance protection. For the selectivity it is important that only the faulted line is separated from operating network. That means that the relay D1 in 2 should only issue a non-delayed trip command if the fault is inside the protected zone Z1. Due to some uncertainty of the network parameters as well as measurement errors, this zone is normally configured to 80% of the protected line. Faults on adjacent lines should be tripped by the related relays D2 or D3 in 2. The relay D1 works only as a backup function for faults on these lines. Most faults on transmission and distribution lines are not pure metallic faults but faults with a so called fault resistance like shown in 3. This fault resistance can be an arc flash for phase to phase faults or the combination of an arc flash and the grounding resistance for phase to ground faults. Fig. 3. Single phase diagram for a resistive fault. In reality the model of an arc flash is much more complicated but for simplicity it will be modeled as a fault resistance RF in this paper. In case of faults including resistance RF, the equation for the faulted loop can be obtained based on 3 as follows: (2) According to (2), the impedance measured by the distance protection consists of two parts. The first part m*ẔL is the impedance of the line between the relay and the point of the fault. The second part RF is the fault resistance, representing the resistance of the arc flash for phase to phase faults or the combination of an arc flash and the grounding resistance for phase to grounding resistance for phase to ground faults. Figure 4 shows the graphical representation of both impedances in the complex plane. The phasor of m*ẔL is shown at the line angle which is close to 90° for high voltage overhead lines. The phasor representing fault resistance RF is added in parallel to the R-axis. 31 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. Z2 is delayed by 300 ms to have a backup function. The green marked zone Z4 is a backup zone for the reverse direction and the black marked zone Z5 is another unidirectional backup zone. The distance protection has the great advantage of selectivity which can be achieved by local measurement only without any communication. IMPEDANCE MEASUREMENT ON HEAVY LOADED LINES The classical impedance measurement according to (2) is only accurate for lines with single ended infeed as well as without significant load. Fig. 4. Graphical representation resistive fault in the complex plane. Depending on the fault position m the fault impedance m*ẔL can vary between zero for faults close to the relay and 0.8*ẔL for faults at the end of the protected zone. The polygonal characteristic is the best choice because this characteristic has a constant reach in R-direction for all faults on the protected line. Fig. 5. Typical polygonal characteristic of a stepped distance protection. Figure 5 represents a typical polygonal characteristic of a stepped distance protection. According to the principle explained in 2 the red marked zone Z1 is responsible to detect faults up to 80% of the protected line. In this case a non-delayed trip command is issued. The blue marked zone Z2 has the same reach in R-direction but can detect faults up to 150% of the protected line. Normally zone 32 Fig. 6. Single line diagram for a resistive fault, feeded from both ends of the line. Figure 6 shows the single line diagram for a resistive fault, feeded from both ends of the line. In this case the fault current IF is the sum of the fault current IA from the local end and the fault current IB from the remote end. The local relay at bus A can only measure the current IA from the local end. But with regard to 6 the fault current from the remote end causes an additional voltage drop at the fault resistance RF (3) This additional voltage drop caused by the fault current from the remote end has an impact on the accuracy of impedance measured by the distance protection at bus A. This voltage drop results in an additional impedance component which depends on the relation between the local fault current IA and the fault current ḻB from the remote end. (4) According to (4) this additional impedance is increasing with increasing fault current contribution from the remote end. The additional impedance can have a reactive component if the fault currents IA and ḻB have different angles. This reactive component will result in a measuring error ΔX if the classical Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. impedance measuring method (2) is applied in distance protection: (5) Transmission of active power requires a phase difference between the voltages of the equivalent sources at sending and receiving end. During load flow the phase angle of the sending end leads the phase angle of the receiving end. In case of a fault the phase angles of the fault current contributions from both ends are related to the phase angles of the feeding voltages in a first approach. teleprotection. 9 illustrates the measured impedance in the complex plane. The fault was applied at 50% of the line length but according to the principle explained in 7 the measured impedance is located outside the red marked zone Z1 which is configured to 80% of the line length. According to (5) the phenomenon of overreach or underreach for resistive faults only effects heavy loaded lines with infeed from both ends. In the past this effect was compensated by changes to the characteristic of the zones. Fig. 7. Influence of the remote end infeed on the impedance calculation of a resistive fault using the classical impedance calculation method. Figure 7 illustrates the influence of the load flow on the calculated impedance of a resistive fault using the classical impedance calculation method. In case of load export the phase angle of IA leads the phase angle of IB. According to (5), ΔX becomes negative for a normal load angle of 30° which results in an overreach of the distance protection. A simulated case from the network of Colombia is used to explain the opposite case. A fault ABN with 5 Ω fault resistance is applied at 50% line length of a heavy loaded line. This case was tested with a distance protection relay using the classical impedance calculation method. Referring to 8 there is a load import of 122 MW before the fault occurred. At fault inception the load flow is changing the direction to feed the fault from the local source. The binary signals indicate that this fault was not seen in zone Z1 even if the fault was applied at 50% of the line length, whereas the reach of zone Z1 was configured to 80% of the line length. A trip command was issued by the overreach zone Z1B supported by the receive signal from Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 8. Fault record of a resistive fault at 50% of the line length which is not seen in Z1 using the classical impedance calculation method. Fig. 9. Impedance plane of a resistive fault at 50% of the line length which is not seen in Z1 using the classical impedance calculation method. 33 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. Today and in the smart grids of the future such a static compensation is not sufficient because the load often changes in magnitude or direction. IMPEDANCE MEASUREMENT WITH LOAD COMPENSATION The general idea of the impedance measurement with load compensation is the elimination of the reactance measurement error ΔX given in (5). According to 6, ec. (3) can be written in the following form: (6) To eliminate the reactance measurement error ΔX caused by the fault resistance RF multiplied with the complex fault current IF, eq. (6) will be multiplied with a compensation quantity which is the conjugate-complex value of the fault current IF. This compensation quantity consists a compensation current ICmp which should be already very closed to IF and a compensation angle δCmp for the final adjustment (7) Due to the multiplication of IF with its conjugatecomplex replacement the term RF*IF* I*Cmp*e-jδCmp becomes a real value. For the calculation of the fault Fig. 10. Sequence network for a single phase to ground fault. 34 reactance only the imaginary part of (7) needs to be considered (8) Solving for X, which is the imaginary part of m*ZL, we get (9) It is shown, that the zero sequence current I0 or the negative sequence current I2 can be used as a compensation current for the fault current IF because they are not influenced by load flow. In case of different impedance angles in the zero or negative sequence network a final adjustment can be done using as example for the zero sequence. (10) Using this compensation angle δCmp,0 the measured zero sequence current I0,A can be adjusted to the angle of the fault current IF if the zero sequence impedances Z0,A, Z0,B and Z0,L have different angles. IMPEDANCE MEASUREMENT FOR PHASE TO PHASE LOOPS USING REACTANCE METHOD The basic idea to compensate the influence of load flow can be extended to phase to phase faults. 11 Fig. 11. Sequence network for a phase to phase fault. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. shows the current flow for a phase to phase fault with the fault resistance RF in the sequence network. For a phase to phase fault the negative sequence network is connected in parallel to the positive sequence network. Since the zero sequence component does not exist for a phase to phase fault and the positive sequence network includes the sources only the negative sequence current can be used as compensation quantity. The determination of the compensation quantity for phase to phase faults will be explained using an AB fault as example. For an AB fault the fault current IF is the difference between the current of phase A and the current of phase B (11) Replacing the phase currents by the sequence components we get the following result: (12) For the AB fault the relation between positive sequence current and negative sequence current is given as: (13) Considering this transformation factor the compensation current for the AB fault based on the negative sequence current can be derived: (14) For other fault types the compensation quantity will be determined accordingly. In case of different impedance angles in the negative sequence network a final adjustment can be done using Fig. 12. Impedance plane for a resistive fault at 50% of the line length which is seen in Z1 using impedance calculation according to the reactance method. lines a trip command in zone Z1 for the fault simulated for a network in Colombia is issued as shown in 13. According to 1 the method of reactance compensation can also be applied for 3 phase fault using the adequate compensation quantity. MULTICRITERIAL LOOP SELECTION The proper selection of the faulted loops is a precondition for each distance protection algorithm. Different criteria are applied to select the faulted loops like: (15) The exact reactance for a resistive fault AB on heavy loaded lines can be calculated using the following equation. (16) This method was applied to the fault explained in section 2. As shown in 12 the fault is seen in zone Z1 using the impedance calculation based on the reactance method. Consequently with the new method of reactance compensation for resistive faults on heavy loaded Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 13. Fault record of a resistive fault at 50% of the line length which is seen in Z1 using impedance calculation based on the reactance method. 35 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. • magnitude of currents and delta currents, • magnitudes of voltages and delta voltages, • impedances, • symmetrical components. In the past these different criteria were applied in form of a decision tree like illustrated in 14. This decision tree was optimized to get the final result as fast as possible. Due to the structure of the decision tree not all criteria are evaluated to get a final result. From 14 it is obvious that a wrong loop can be determined if only one criterion gives a wrong result. Sometimes the result of a single criterion is not very strong but in the decision tree it must be reduced to binary information. Additional to this it was shown by simulations and analysis of real events Fig. 16. Quality of criteria voltage. are applied in parallel creating the so called multicriteria loop selector. Each criterion can have an output quality which is a value between 0.0 ---which means the criterion is not fulfilled--- and 1.0 ---which means the criterion is completely fulfilled. Figure 16 gives an example of the output quality of the voltage criterion. A strong voltage drop in case of a fault results in a high quality of the voltage criterion for the related loop. If the voltage drop is Fig. 14. Decision tree as classical structure for the loop selection. that different criteria have different importance for different network topologies. All these considerations lead to another structure of the loop selection like shown in 15. With the new concept all criteria of loop selection Fig. 15. Multi-criteria loop selection. 36 Fig. 17. Quality of criteria impedance. only marginal the quality of the voltage criteria of the related loop will have a low quality. Figure 17 illustrates the output quality of the impedance criterion. If the measured loop impedance is closed to the zone limit the quality of the impedance criteria is low. However if it is clear that the impedance is in the zone the related quality is high. According to equation (17) a final quality Qloop for each loop will be calculated. The weighted quality outputs of N criteria qi,loop will be summated to get the final quality Qloop. (17) Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �New design of distance protection for smart grid applications / Jörg Blumschein, et al. Fig. 18. Calculation of loop quality. Fig. 19. Weights of multi-criteria loop selector depending on different infeed. Figure 18 gives a graphical explanation of equation (17). It is shown that each criterion is weighted according to its significance. It was found by simulations and analysis of real events that depending on network topologies different criteria have different significance. Figure 19 gives an example for the best adaption of the weights for a network with strong infeed compared to a network with weak infeed. It is obvious that the current based criteria have a higher weight in a network with strong infeed however the voltage based criteria have a higher weight in networks with weak infeed. By implementing the Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 20. Operation of the multi-criteria loop selector. weighting factors between the boundaries shown in 19 the loop selection is optimized for all system conditions. Figure 20 illustrates the operating principle of the multi-criteria loop selector. After fault inception the qualities for all loops are calculated. A loop is selected if the quality of the loop extends an adaptive threshold like shown in figure 20. CONCLUSION It was shown that the reach of the classical impedance calculation method is significantly influenced by resistive faults on heavy loaded lines. Using the reactance method this reach error can be eliminated. Additionally a new method of loop selection was presented which is optimized for all network topologies. The same philosophy is applied for directional element where different algorithm are weighted and depended on network topology. BIBLIOGRAFÍA C. Dzienis, Y. Yelgin, G. Steynberg, et al., Novel impedance determination method for phase-tophase loops, 18th Power Systems Computation Conf., Aug. 2014. 37 �La carga de espacio en materiales híbridos Martín Edgar Reyes Melo, Jesús Gabino Puente Córdova, Beatriz López Walle Universidad Autónoma de Nuevo León CIIDIT-FIME mreyes@gama.fime.uanl.mx RESUMEN Utilizando el marco teórico del módulo eléctrico complejo, M*, se analizaron resultados experimentales de la permitividad eléctrica compleja, εr*, para una matriz polimérica de PVB y un material híbrido (PVB-Fe2O3), lo que permitió identificar de manera clara el fenómeno de carga de espacio. A partir de los diagramas isocrónicos de las partes real e imaginaria de M*, se obtiene como resultado que la dispersión de nanopartículas de Fe 2O3 disminuye considerablemente la carga de espacio del PVB. Por otra parte, la manifestación eléctrica de la transición vítrea del PVB se desliza hacia las altas temperaturas en el material híbrido; la temperatura de transición vítrea aumenta considerablemente de 70 a 90°C. PALABRAS CLAVE Carga de espacio, PVB, nanopartículas magnéticas, dieléctricos. ABSTRACT Using the theoretical framework of the complex electric modulus, M*, experimental results of the complex permittivity, ε r*, were analyzed for a polymeric matrix of PVB and a hybrid material PVB-Fe2O3. By this analysis, it was possible to clearly identify the space charge phenomenon. From isochronous diagrams of the real and imaginary parts of M*, it was obtained that the dispersion of Fe2O3 nanoparticles result in a reduction of the space charge of the PVB. On the other hand, the electrical manifestation of the glass transition of the PVB shifts to high temperatures in the hybrid material; glass transition temperature increases considerably from 70 to 90°C. KEYWORDS Space charge, PVB, magnetic nanoparticles, dielectrics. INTRODUCCIÓN Los avances científicos en nanotecnología, 1,2 permiten la síntesis de nanopartículas cuya estructura define propiedades diferentes, y potencialmente superiores, a las exhibidas por tamaños de partícula mayores a su escala mesoscópica.3-5 Tal es el caso de nanopartículas de Fe2O3 que, con un tamaño característico alrededor de 20 nm, presentan propiedades de superparamagnetismo.4-9 38 Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. Cabe mencionar que el proceso de síntesis para estas nanopartículas requiere de un proceso de dispersión en algún medio para evitar su aglomeración. En este sentido, los polímeros constituyen una alternativa importante, ya que la dispersión de nanopartículas en películas delgadas de dicho material genera un tipo de material híbrido en el cual las propiedades que ofrecen las nanopartículas magnéticas de manera individual, se combinan con la elasticidad entrópica de la matriz polimérica. Bajo este contexto, en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, se sintetizó un material híbrido magnético a base de nanopartículas de Fe2O3 dispersas en una matriz polimérica de polivinil butiral o PVB. En el proceso de síntesis de este material híbrido, se estableció como principal objetivo producir películas delgadas, mecánicamente flexibles y sensibles a campos magnéticos.7,8 Este material híbrido (PVBFe2O3) puede deformarse de manera controlada bajo la acción de un campo magnético,9 debido a que dicho campo interacciona con el momento magnético de las nanopartículas dispersas y, éstas a su vez, transmiten la fuerza magnética a la matriz polimérica a través de las interfaces nanopartícula-polímero. Por lo anterior, se establece que el PVB-Fe2O3 ofrece importantes aplicaciones en las áreas de ingeniería eléctrica, electrónica y mecatrónica.8-11 Sin embargo, a pesar de los logros obtenidos, todavía se tienen interrogantes por resolver, las cuales están relacionadas con un fenómeno de polarización interfacial, también conocido como carga de espacio. El comportamiento eléctrico y, por ende, las propiedades eléctricas (conductividad y permitividad) son muy diferentes entre las nanopartículas de Fe2O3 y el PVB y, se ha demostrado que, para un sistema híbrido similar, epoxi/aluminio, estas diferencias se relacionan fuertemente con la carga de espacio.12 Lo anterior nos permite plantear como hipótesis que, en el PVBFe2O3, las nanopartículas alteran el comportamiento aislante y dieléctrico del PVB, modificando con esto su carga de espacio. Es importante remarcar que, a la fecha, no existe una definición con sustento científico que describa el fenómeno de carga de espacio. Sin embargo, se acepta en la literatura que dicho fenómeno se relaciona con el estado eléctrico de un material semiconductor o mal conductor, y se manifiesta como una distribución espacial de portadores de carga eléctrica relativamente Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 inmóviles, lo que a su vez se traduce como un momento dipolar eléctrico.13-16 Por otra parte, es bien conocido que la carga de espacio en sistemas poliméricos se relaciona con varias aplicaciones en ingeniería, como electrets (lámina de polímero que al estar polarizada eléctricamente no requiere de alimentación), películas conductoras, o materiales flexibles capaces de absorber las ondas de radar.12-13 En contraparte a las aplicaciones antes mencionadas, la carga de espacio en materiales poliméricos incide directamente en su proceso de envejecimiento eléctrico, el cual se manifiesta mediante un decaimiento de sus propiedades en función del tiempo. 13-16 En este trabajo, mediante Análisis Dieléctrico Dinámico, se llevó a cabo el estudio del comportamiento dieléctrico de una matriz polimérica de PVB y de un material híbrido magnético a base de PVB, el PVB-Fe2O3. A partir de estas mediciones experimentales se construyeron gráficos de la permitividad eléctrica compleja (εr*=εr’-jεr’’) y del módulo eléctrico complejo (M*=M’+jM’’), lo que permitió identificar la carga de espacio en ambas muestras. LA CARGA DE ESPACIO EN POLÍMEROS En general, la carga de espacio se asocia a una nube de portadores de carga eléctrica, por ejemplo, electrones, protones, iones, y dipolos eléctricos; y se manifiesta como un fenómeno de polarización interfacial.15,17 La nube en cuestión puede estar localizada en un “espacio vacío”, en un gas, en un líquido, en un sólido, o en un material amorfo, como los polímeros. El ejemplo más claro de carga de espacio que podemos encontrar en la vida cotidiana, es el efecto luminoso que caracteriza a una bombilla eléctrica (ver figura 1). Este efecto luminoso es originado por carga de espacio en un “espacio vacío”, y corresponde a un fenómeno de emisión termoiónica, conocido también como efecto Edison.18 La emisión termoiónica se produce a partir de una superficie metálica “al vacío”, la cual se somete a energía térmica para incrementar su estado vibracional, produciendo así una fuerza electrostática que empuja a los electrones hacia la superficie, generando la nube de electrones antes mencionada. La carga de espacio en la bombilla eléctrica es consecuencia de que los electrones de valencia 39 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. Fig. 1. Esquema de la carga de espacio generada en una superficie metálica y su analogía con la carga de espacio producida en un material aislante eléctrico de tipo polimérico. de los metales tienen un nivel energético que les permite transitar, con alta probabilidad, de la banda de valencia a la banda de conducción. Sin embargo, para los materiales poliméricos la situación es diferente, ya que sus electrones de valencia tienen menos libertad, y el enlace químico que se puede formar entre dos átomos es de tipo covalente. Por lo anterior, un material polimérico con estructura ideal (sin defectos) y libre de aditivos químicos o contaminantes, carece de “electrones libres” que puedan generar una corriente eléctrica con un mecanismo de conducción como el de los metales; así mismo, por la misma razón, el efecto de emisión termoiónica es muy poco probable. En la realidad, la presencia de defectos en los polímeros, el uso de aditivos químicos para preservar sus propiedades, la presencia de dipolos eléctricos permanentes y la factibilidad de generar dipolos temporales en su estructura, hacen posible, entre otros aspectos, que se presente el fenómeno de carga de espacio.13-17 Es importante remarcar aquí, que el escenario anterior utilizado para explicar la presencia de carga de espacio en los polímeros, se modifica de manera importante cuando estos materiales se combinan con materiales conductores, como es el caso de la síntesis de materiales híbridos poliméricos.12-13 Por otra parte, el efecto macroscópico que caracteriza a los sistemas poliméricos debido a la carga de espacio es que, en ausencia de un campo eléctrico externo, el campo eléctrico al interior del polímero es diferente de cero. La presencia de este campo eléctrico interno afecta de manera importante el comportamiento dieléctrico de la matriz polimérica. Por lo anterior, es fundamental identificar las condiciones o escenarios que generan carga de espacio en los materiales poliméricos. Por lo general, los portadores de carga 40 eléctrica en estos materiales tienen una distribución espacial tal, que su campo eléctrico global no es importante. Sin embargo, se ha demostrado que cuando los polímeros se exponen a campos eléctricos elevados, y/o se exponen a determinadas radiaciones electromagnéticas, la carga de espacio producida es importante.14 Otro caso particular que puede generar y modificar la carga de espacio en los polímeros, es su combinación estratégica con un material conductor,12 tal es el caso del uso de nanopartículas de Fe2O3 para la síntesis del PVB-Fe2O3. Si consideramos que este material híbrido puede modelarse o representarse como un sistema con un número infinito de pequeños capacitores eléctricos, los cuales se forman entre las nanopartículas metálicas y la matriz polimérica, es evidente que puedan existir al interior del material híbrido, regiones en el espacio donde se intensifique el fenómeno de carga de espacio. En base a lo anterior, se establece que la carga de espacio puede alterar de manera importante el comportamiento dieléctrico de los polímeros, y se ha demostrado que, a partir de mediciones experimentales de su comportamiento dieléctrico, se puede caracterizar su carga de espacio.13,19 C O M P O RTA M I E N TO D I E L É C T R I C O E N POLÍMEROS Los materiales dieléctricos tienen dos aspectos importantes. Por una parte, deben ser aislantes eléctricos. Por la otra, su estructura (electrónica y atómica) debe permitir un proceso de polarización eléctrica cuando dicho material se expone a un campo eléctrico externo; una vez que el campo se elimina, la polarización inducida también debe eliminarse. Este proceso de polarización y despolarización se traduce como un proceso de almacenamiento de carga eléctrica, y representa la principal función de los capacitores eléctricos. Algunos ejemplos de materiales dieléctricos son: vidrio, cerámica, goma, mica, cera, papel, madera seca, porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico, y la baquelita. Existen también materiales en estado gaseoso que se utilizan como dieléctricos, como ejemplo se tiene el aire, nitrógeno y el hexafluoruro de azufre.17 Desde un punto de vista industrial, particularmente en las áreas de la electrónica y mecatrónica, los materiales cerámicos son los dieléctricos más importantes. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. Tab la I. P ermi tiv idad eléctrica de materiales dieléctricos. Material Aire H20 TiO2 Polietileno Poliestireno PVB Permitividad eléctrica relativa εr 1.02 78 100 2.3 – 2.7 2.5 - 2.9 1.5-4 Sin embargo, los polímeros, a pesar de tener una capacidad de almacenamiento de carga eléctrica inferior a la de los materiales cerámicos, hoy en día han cobrado mucha importancia, debido a que son menos costosos y mecánicamente más flexibles que los cerámicos.17,21 La tabla I presenta la magnitud de la permitividad eléctrica relativa, εr, para algunos materiales; a medida que εr aumenta, su capacidad de almacenamiento de carga eléctrica también aumenta. Además de los bajos valores de εr que caracterizan a los polímeros, su comportamiento eléctrico va acompañado por el hecho de que no son aislantes ideales ya que, dependiendo de la intensidad del campo eléctrico aplicado, pueden llegar a conducir la electricidad en un orden de magnitud de los picoamperes (pA).7,17 La figura 2 muestra la dependencia temporal de la corriente eléctrica, I, obtenida para una película de PVB de 15 µm de espesor, la cual ha sido sometida a una diferencia de potencial constante de 50 volts. Se observa en dicha figura, que I disminuye en función del tiempo. Este comportamiento corresponde a una corriente de polarización. Cuando el voltaje (o campo eléctrico) es eliminado, se obtiene una corriente de despolarización cuya dirección es contraria a la corriente de polarización. La magnitud de esta corriente también disminuye y tiende a cero en función del tiempo. Los mecanismos de polarización y despolarización en las curvas de la figura 2 pueden corresponder a varios fenómenos: la formación y posterior orientación de dipolos temporales, la orientación de dipolos permanentes, la inyección y posterior atrapamiento de portadores de carga eléctrica en el polímero, o radiación. Considerando el espesor de la muestra y el campo eléctrico utilizado para Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 Fig. 2. Curva I “vs” t para una película de PVB con 15 µm de espesor a temperatura constante de 25°C. obtener estos resultados (figura 2), ambos procesos, el de polarización y el de despolarización, son principalmente el resultado de la orientación de dipolos eléctricos. Como se mencionó anteriormente, los dipolos pueden ser permanentes o temporales. Los dipolos permanentes existen como tales en el material polimérico, y son el resultado de imperfecciones y defectos en su estructura, así como de la presencia de aditivos químicos y otras sustancias contaminantes. En contraparte, los dipolos eléctricos temporales son inducidos a formarse por acción del campo eléctrico aplicado, y son el resultado de distorsiones geométricas de las nubes electrónicas de átomos, grupos químicos, o moléculas que forman parte de la estructura de los polímeros. En la figura 3a se muestra la estructura del PVB, así como los grupos químicos que presentan momento dipolar eléctrico. La figura 3b representa de manera esquemática un segmento de cadena polimérica así como la posible orientación de sus dipolos en ausencia o en presencia de un campo eléctrico aplicado, representa el momento dipolar eléctrico de un grupo químico y representa el valor promedio del momento de los dipolos que conforman el material polimérico colocado entre los electrodos. La curva descendiente de I(t) en el proceso de polarización (figura 2) se explica por el hecho de que I(t) es directamente proporcional al número de dipolos (temporales o permanentes) que aún no se han orientado por acción del campo eléctrico aplicado. Cuando I(t) alcanza su mínimo valor se dice que el polímero está completamente polarizado, y los dipolos eléctricos tienen un potencial o 41 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. a) b) Fig. 3. a) Estructura del PVB, b) esquema de dipolos eléctricos en cadenas poliméricas. tendencia a volver a su posición original. Debido a la viscoelasticidad del polímero, cuando el campo eléctrico es eliminado, los dipolos que fueron orientados regresan de manera parcial a su posición original. De tal manera que, una cantidad de carga eléctrica se puede almacenar y otra se disipa en forma de corriente eléctrica. La magnitud de carga eléctrica almacenada, le da al polímero lo que se conoce como comportamiento dieléctrico. Lo anterior significa que además de aislante eléctrico, el polímero puede llevar a cabo la función de dieléctrico. Dicho de otra manera, la corriente eléctrica (sea de polarización o despolarización) producida en un material polimérico, debe tener dos componentes, una corriente asociada al almacenamiento de cargas eléctricas (efecto capacitivo), y otra corriente relacionada con un proceso de disipación de cargas eléctricas (efecto resistivo). Separar el efecto capacitivo del efecto resistivo en las curvas de la figura 2, es un proceso complejo pero necesario para el estudio de la carga de espacio. Para tal efecto, se recurrió al uso de un dispositivo eléctrico en el que se aplicó un campo eléctrico oscilatorio que sigue una forma sinusoidal. Esta técnica de caracterización es el Análisis 42 Dieléctrico Dinámico, y en la siguiente sección se describe su principio físico de funcionamiento. ANALISIS DIELÉCTRICO DINÁMICO En el Análisis Dieléctrico Dinámico (DDA por sus siglas en inglés), la muestra (película delgada de espesor uniforme) se somete a un campo eléctrico oscilante, E, de forma sinusoidal, a una determinada frecuencia de pulsación angular ω (ecuación 1), la cual es proporcional a la frecuencia f. (1) El estímulo sinusoidal (ecuación 1) induce a los portadores de carga eléctrica del polímero, un determinado movimiento para tratar de seguir la dirección del estímulo aplicado. Esto produce como respuesta una corriente eléctrica, I, que también sigue una forma sinusoidal pero, debido a la viscoelasticidad del material polimérico, se encuentra desfasada en un ángulo θ con respecto a la ecuación 1. La figura 4 es un esquema del DDA, así como de su funcionamiento. La muestra se debe posicionar entre dos electrodos conductores, los cuales deben ser planos y paralelos entre sí; con esto se busca producir un campo eléctrico uniforme y perpendicular entre los planos. Fig. 4. Esquema del dispositivo experimental utilizado para el DDA. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. La distancia entre los electrodos, d, es función del espesor de la muestra, y se relaciona con el campo eléctrico a través de la diferencia de potencial, V, entre los planos, de tal manera que la ecuación 1 se transforma en: (2) Considerando el ángulo de desfase, θ, entre V e I (ver figura 4), se pueden expresar tanto el voltaje, V, como la corriente, I, y la admitancia, Y, dentro del marco de los números complejos. A continuación se presentan las expresiones matemáticas correspondientes: (3) El comportamiento dieléctrico del material polimérico se desvía del comportamiento de un capacitor eléctrico ideal; dicha desviación es directamente proporcional al ángulo A partir de δ, también conocido como ángulo de pérdida, y considerando un modelo RC en paralelo,20 se pueden calcular la capacitancia, C, y la resistencia equivalente, R, para el material estudiado. Las expresiones matemáticas de estos dos parámetros son las siguientes: (4) Por otra parte, a partir de Y* se puede calcular la capacitancia compleja, C*, o la permitividad relativa compleja, εr*, ver ecuación 5. Es importante remarcar aquí que εr* se relaciona de manera directa con el comportamiento dieléctrico del polímero, y no depende de la geometría (espesor y área) de la muestra.20,21 (5) Las ecuaciones anteriores consideran que la temperatura es constante, por lo que se pueden obtener mediciones experimentales de la parte real, εr’, y la parte imaginaria, εr’’, de εr*, para diferentes valores de ω. Lo anterior permite construir dos gráficos isotérmicos, εr’ y εr’’. Las formas de estas curvas experimentales expresan el comportamiento dieléctrico del material estudiado. Por otra parte, también se pueden realizar mediciones experimentales a una frecuencia constante para un intervalo de temperatura, obteniéndose gráficos isocrónicos: εr’ (T) y εr’’ (T), que reflejan el comportamiento dieléctrico en temperatura del material estudiado. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 En la siguiente sección se muestran los resultados experimentales obtenidos mediante DDA para el PVB y el PVB-Fe2O3. RESULTADOS DEL ANÁLISIS DIELÉCTRICO DINÁMICO PARA EL PVB Y EL PVB-Fe2O3 Los resultados obtenidos mediante DDA para el PVB y PVB-Fe2O3 se muestran en la figura 5. Se realizaron mediciones experimentales isotérmicas de εr*, para un intervalo de frecuencias de 20 Hz a 2 MHz, siendo diez las temperaturas constantes estudiadas, las cuales se encuentran en un intervalo de 50 a 150°C. Ambas muestras analizadas fueron sintetizadas de acuerdo con las directivas de Puente Córdova,7 conservando un espesor aproximado de 15 µm. En la figura 5a se muestra que en las curvas isotérmicas obtenidas para la muestra de PVB, εr’ tiene un comportamiento descendiente entre 4 y 1 cuando la frecuencia aumenta. Esto se explica por el hecho de que los dipolos eléctricos tienen menos tiempo para orientarse y almacenar carga eléctrica cuando la frecuencia aumenta. Por otra parte, se identifica también que la capacidad de almacenar carga eléctrica aumenta cuando la temperatura de las curvas isotérmicas aumenta. En las curvas de la figura 5a, se identifica que a muy altas frecuencias existe una tendencia a volver a incrementarse los valores de εr’, este comportamiento se observa de manera más clara cuando la temperatura aumenta, y está asociado a la interface que se forma entre los electrodos y el material estudiado. En lo que respecta a los gráficos isotérmicos de εr’’ para el PVB, en la figura 5b se observa que la disipación de carga eléctrica a temperaturas bajas (T=60°C) tiene un valor máximo a una frecuencia de 8 kHz. Este máximo se desliza hacia frecuencias más elevadas cuando la temperatura de las curvas isotérmicas aumenta. Por tal razón, este comportamiento debe ser considerado como térmicamente activado. Aunado a lo anterior, se observa en las curvas de la figura 5b que, a la temperatura más elevada, εr’’ se incrementa cuando la frecuencia disminuye. Este comportamiento es menos pronunciado para las curvas con menor temperatura, y debe estar asociado a la conductividad iónica y la carga de espacio del PVB. Es importante remarcar que de esta manera no es posible identificar por separado estos dos fenómenos. 43 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. a) b) c) d) Fig. 5. Resultados experimentales de ε* para la muestra de: (a) y (b) PVB, (c) y (d) PVB-Fe 2O3. Po otra parte, las figuras 5c y 5d corresponden a los resultados isotérmicos εr’ y εr’’ para la muestra de PVB-Fe2O3. Se observa de manera clara en la figura 5c que las curvas εr’ son globalmente superiores a los gráficos correspondientes a la muestra de PVB (figura 5a), esto significa que la capacidad de almacenar carga eléctrica se incrementó en el material híbrido. Sin embargo, el efecto disipativo de carga eléctrica también aumentó y se muestra de manera clara en la figura 5d, ya que las curvas isotérmicas de εr’’ son superiores a las correspondientes de la muestra de PVB (figura 5b). Otro aspecto importante entre las curvas de PVB y las de PVB-Fe2O3 es el cambio en la forma de las curvas, lo cual es función de las nanopartículas dispersas en la matriz polimérica. A partir de las curvas experimentales de la figura 5, se identifica de manera clara la capacidad de almacenar y disipar carga eléctrica tanto en 44 la muestra de PVB como en la de PVB-Fe2O3, pero no es posible identificar la carga de espacio. Para tal efecto fue necesario calcular el módulo eléctrico complejo, M*. Para esto, en primer lugar se construyeron los gráficos isocrónicos de εr’ y de εr’’. Posteriormente, a partir de estos, se calculó la parte real y la parte imaginaria de M*. En la figura 6 se muestran los gráficos isocrónicos εr’ (T) y εr’’ (T) con una frecuencia de 20 Hz para ambas muestras. Las figuras 6a y 6b corresponden a εr’ (T) y εr’’ (T) respectivamente para la muestra de PVB, y las figuras 6c y 6d corresponden a εr’ (T) y εr’’ (T) respectivamente para la muestra de PVB-Fe2O3. Las figuras 6a y 6b muestran de manera muy clara la manifestación eléctrica de la transición vítrea del PVB, la cual se identifica con el valor máximo de εr’’ (T) entre 60 y 100 °C, y que está relacionada con un incremento de εr’ (T) cuando la temperatura Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. a) b) c) d) Fig. 6. Resultados isocrónicos de la εr* a una frecuencia de 20 Hz, en un intervalo de temperaturas de 50°C a 150°C para una muestra de: (a) y (b) PVB, (c) y (d) PVB-Fe2O3. aumenta en este mismo intervalo de temperatura. A temperaturas superiores a 100 °C, tanto εr’ (T) como εr’’ (T) se incrementan cuando la temperatura aumenta. Esto se relaciona con la conductividad iónica, la que a su vez eclipsa el fenómeno de carga de espacio, el cual se debería identificar como un máximo o pico de relajación a una temperatura superior a la temperatura de transición vítrea del PVB. Debido a que en los diagramas de las figuras 5 y 6, no se aprecia de manera clara el fenómeno de carga de espacio, para identificar dicho fenómeno se calculó el módulo eléctrico complejo, M*, el cual se relaciona con la permitividad relativa compleja mediante la ecuación 6.12, 22 (6) Considerando que para los polímeros la permitividad relativa compleja se define mediante Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 la ecuación 7: (7) Sustituyendo la ecuación 7 en 6 se obtiene una expresión matemática para M*: (8) A partir de la ecuación 8, se definen la parte real y la parte imaginaria de M*. (9) Las ecuaciones 8 y 9 se utilizaron para construir los gráficos de M’ y M’’ en función de la temperatura a una frecuencia constante. Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente sección. EL MÓDULO ELÉCTRICO COMPLEJO En la figura 7 se muestran los diagramas isocrónicos obtenidos para M’ (T) y M’’ (T) para una frecuencia de 20 Hz. 45 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. a) resultados obtenidos para el PVB b) resultados obtenidos para el material híbrido PVB-Fe2O3 Fig. 7. Dependencia en temperatura de la parte real y parte imaginaria del módulo eléctrico complejo, M*. En la figura 7a, se muestran los gráficos M’(T) y M’’ (T), mediante los cuales se identifican dos fenómenos de relajación dieléctrica. El primero, a una temperatura de 65°C, que se identifica como un máximo de M’’ (T), y que está asociado con un descenso de M’ (T) cuando la temperatura aumenta de 50 a 110°C. Este fenómeno de relajación es la manifestación eléctrica de la transición vítrea del PVB. El segundo fenómeno de relajación se manifiesta en M’’ (T) como un pico de mayor amplitud a una temperatura de 130°C, y corresponde a un descenso pronunciado de M’ (T). Este segundo fenómeno de relajación corresponde a la carga de espacio del PVB. Por otra parte, los gráficos obtenidos de M’(T) y M’’ (T) para la muestra de PVB-Fe2O3, muestran que tanto la transición vítrea como la carga de espacio se ven modificados por la dispersión de nanopartículas de Fe2O3. El pico de relajación correspondiente a la transición vítrea se desliza hacia las altas temperaturas, mientras que la amplitud del pico de relajación asociado a la carga de espacio disminuye considerablemente. Este último comportamiento, puede interpretarse como una disminución de la carga de espacio debido a que las nanopartículas de Fe2O3 facilitan la disipación de carga eléctrica, evitando su acumulación en la matriz polimérica. CONCLUSIONES A partir de mediciones experimentales obtenidas mediante DDA se construyeron las curvas de la parte real y la parte imaginaria del módulo eléctrico complejo, mediante las cuales se logró identificar de 46 manera clara la manifestación eléctrica de la transición vítrea del PVB, así como la carga de espacio a temperaturas superiores a su temperatura de transición vítrea. Efectuando el mismo análisis para una muestra del material híbrido PVB-Fe2O3 se concluyó que la carga de espacio disminuyó considerablemente en el material híbrido, lo cual es producto de las nanopartículas de Fe2O3 dispersas en el PVB. Estos resultados permitirán darle un aprovechamiento más adecuado a los materiales híbridos en aplicaciones eléctricas, electrónicas y mecatrónicas. REFERENCIAS 1. G.C. Delgado-Ramos; Nanotechnology in Mexico: Global trends and national implications for policy and regulatory issue; Technology in Society, 2014, Vol. 37, pp. 4–15. 2. F.C. Adams, C. Barbante; Nanoscience, nanotechnology and spectrometry; Spectrochimica Acta Part B, 2013, Vol. 86, pp. 3–13. 3. M. Colombo, S. Carregal-Romero, M.F. Casula, L. Gutiérrez, M.P. Morales, I.B. Böhm, J.T. Heverhagen. D. Prosperi, W.J. Parak; Biological applications of magnetic nanoparticles; Chem. Soc. Rev., 2012, Vol. 41, pp. 4306–4334. 4. D. Stanicki, L. Vander Elst, R.N Muller, S. Laurent; Synthesis and processing of magnetic nanoparticles; Current Opinion in Chemical Engineering, 2015, Vol. 8: pp. 7–14. 5. M.E. Reyes Melo, V.A. González González, J.F. Luna Martínez; Materiales híbridos magnéticos; Ingenierías, 2011, Vol. XIV, No. 53, pp. 6-12. Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 �La carga de espacio en materiales híbridos / Martín Edgar Reyes Melo, et al. 6. J.F. Luna-Martínez, E. Reyes-Melo, V. Gonzalez-Gonzalez, C. Guerrero-Salazar, A. Torres-Castro, S. Sepúlveda-Guzmán; Synthesis and characterization of a magnetic hybrid material consisting of iron oxide in a carboxymethyl cellulose matrix; Journal of applied polymer science, 2013, Vol. 127, No. 3, pp.2325-2331. 7. J.G. Puente Córdova; Síntesis y caracterización de un material híbrido de matriz polimérica de polivinil butiral. Tesis de Maestría, 2013, Universidad Autónoma de Nuevo León, México. 8. J.G. Puente Córdova, M.E. Reyes Melo, B.C. López Walle, V.A. González González; Materiales poliméricos dieléctricos; Ingenierías, 2012, Vol. XV, No. 57, pp. 29-37. 9. B. López-Walle, J. Romo-Rico, J. PuenteCórdova, M. Reyes-Melo; Synthesis and mechanical characterization of magnetic hybrid materials with PVB as polymeric matrix for micro-actuation applications; MRS Proceedings, 2014, Vol. 1708, mrss14-1708-vv04-37. 10. A.B. Salunkhe, V.M. Khot, J.M. Ruso, S.I. Patil; Synthesis and magnetostructural studies of amine functionalized superparamagnetic iron oxide nanoparticles; Royal Society of Chemistry Adv., 2015, Vol. 5, pp. 18420–18428. 11. M. Carraro S. Gross; Hybrid materials based on the embedding of organically modified transition metal oxoclusters or polyoxometalates into polymers for functional applications: A review; Materials, 2014, Vol. 7, pp. 3956-3989. 12. L.I. Ramajo, M.S.I .Castro, M.M.I. Reboredo; Fenómenos de relajación interfacial en compuestos epoxi/aluminio; Revista Matéria, 2008, Vol. 13, No. 2, pp. 405 – 411. 13. M. Mudarra López; Estudio de la carga de espacio en polímeros amorfos por espectroscopia Ingenierías, Abril-Junio 2015, Vol. XVIII, No. 67 dieléctrica; Tesis Doctorado, 2000, Universitat Politècnica de Catalunya, España. 14.C. Perrin, V. Griseri, Ch. Laurent; Space charge detection in KaptonR and PTFE polymer films by the open pulsed electro-acoustic method; High Performance Polymers, 2008, Vol. 20, pp. 535–548. 15.D.K. Das-Gupta; Space charge and dielectric polarization in polymers; Proc. of the 6th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials; 2000, pp. 24-29. 16.M. Carmo Lança, E.R. Neagu, R.M. Neagu, C.J. Dias, J.N. Marat-Mendes; Space charge studies in LDPE using combined isothermal and non-isothermal current measurements; IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation; 2004, Vol. 11, No. 1, pp. 25-34. 17.C. Laurent; Diélectriques solides et charge d’espace; Techniques de l’ingénieur, 1999, pp. D 2 305 1-13. 18.P.T. McCarthy, R.G. Reifenberger, T.S. Fisher; Thermionic and photo-excited electron emission for energy-conversion processes; Frontiers in energy research - Nanoenergy technologies and materials; 2014, Vol. 2, No. 54, pp.1-15. 19.M. Arous, F. Karray, H. Hammami, G. Perrier; Study of the space charge relaxation in poly ether ether ketone (PEEK); Phys. Chem. News 10, 2003, pp. 05-07. 20.J.C. Dubois; Propriétés diélectriques des polymères; Techniques de l’Ingénieur, 1998. 21.R. Coelho; Physics of dielectrics for the engineer; Elsevier Scientific Publishing Co.; 1979. 22.R. Richert, H. Wagner; The dielectric modulus: relaxation versus retardation; Solid State Ionics, 1998, Vol. 105, pp. 167-173. 47 �Eventos y reconocimientos CURSO ASHRAE MONTERREY El pasado 15 de enero, se inauguró el Curso de Refrigeración organizado por el Capítulo Monterrey de ASHRAE Monterrey en acuerdo con la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. La pintora Irma Herrera frente a una de sus obras en la exposición “Sensaciones de color”. El Ing. Enrique Garay de la Garza (de frente), durante la exposición del curso de refrigeración ofrecido por el Capítulo Monterrey de ASHRAE en acuerdo con la FIME. EXPOSICIÓN “SENSACIONES DE COLOR” El pasado 18 de febrero, se inauguró dentro del Espacio del Arte de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, la exposición individual de la pintora Irma Herrera, titulada “Sensaciones de color”. La inauguración finalizó con un mensaje del Director de la FIME, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, quien agradeció ampliamente a la pintora por compartir con la comunidad su talento, a través de esta muestra. 48 SIMPOSIO IBEROAMERICANO El pasado 23 de febrero, el M.C. Fernando Banda Muñoz, Subdirector de Vinculación y Relaciones, en representación del Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, llevó a cabo la inauguración del XII Simposio Iberoamericano sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia. Este evento se organizó en conjunto con la Comisión Federal de Electricidad con la FIME coordinado por el Dr. Ernesto Vázquez Martínez. Entre los asistentes se contó con la presencia del Ing. Ricardo Orozco Mendoza, Gerente de Protección de la Subdirección Transmisiones de la CFE y el Ing. Rivero Rivera Payan, Subgerente de Protección de la Gerencia Regional Transmisión del Noreste. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Eventos y reconocimientos El Dr. Ernesto Vázquez Martínez, dando un mensaje durante la inauguración del simposio. RECONOCIMIENTO INTERNACIONAL El pasado 4 de marzo, el Rector Jesús Ancer Rodríguez, dio a conocer a la comunidad universitaria, el logro que la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica obtuvo por parte del Consejo de Acreditación para la Ingeniería y la Tecnología (ABET, por sus siglas en inglés), que avala la calidad internacional del Programa de Ingeniero en Materiales que se ofrece en esta facultad. En este acto estuvieron presentes también el Dr. Daniel González Spencer, Secretario de Relaciones Desde la izquierda: Dr. Daniel González Spencer, Lic. María Elena Barrera Bustillos, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, MEC. Rogelio G. Garza Rivera, y el Lic. Jorge E. Valle de la Cruz. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 Internacionales de la UANL; la Lic. María Elena Barrera Bustillos, Directora General del Consejo de Acreditación de la Enseñanza de la Ingeniería (CACEI); Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la FIME; el MEC. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL, y el Lic. Jorge E. Valle de la Cruz, Director de Acreditación y Evaluación Internacional de la UANL. El Dr. Castillo Elizondo expresó que este logro se debe al trabajo de un equipo sólido de maestros, administrativos y estudiantes, reconociendo al MC. Esteban Báez Villarreal, quien en su momento, como director, se comprometió con esta experiencia. GALERÍA DE LOS PROFESORES EMÉRITOS El pasado 4 de marzo, el Rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, acompañado del Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Dr. Jaime Arturo Castillo Elizondo, develaron una serie de placas con los nombres de los profesores eméritos, en la Galería de Profesores Eméritos, que se encuentra ubicada en un lugar especial junto a las oficinas administrativas de la FIME. En la galería lucen los nombres de los 8 profesores de la FIME que cuentan con este reconocimiento a su trayectoria profesional y aporte académico: el MC. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza (conferido en 1987), Ing. Jorge Manuel Urencio Ábrego (1995), Ing. Antonio Cayetano Garza Garza (1998), El Dr. Jaime A. Castillo Elizondo (izq.), develando junto con el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, inaugurando la Galería de los Profesores Eméritos. 49 �Eventos y reconocimientos MC. René Mario Montante (1998), MC. Fernando Javier Elizondo Garza (2006), MC. Cástulo E. Vela Villarreal (2008), MC. Manuel Amarante Rodríguez (2010) y el Dr. José Lis Cavazos García (2011). FERIA UNIVERSITARIA DEL LIBRO UANLeer El pasado 11 de marzo, el Rector de la Universidad Autónoma de Nuevo Léon, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, inauguró la Feria Universitaria del Libro UANLeer 2015 en el Centro Cultural Colegio Civil, acompañado del Dr. Celso José Garza Acuña, Director de Publicaciones de la UANL; M. Stéphane Gaillard, Director de la Alianza Francesa de Monterrey, el Dr. Mario Humberto Rojo Flores, Director de la Facultad de Ciencias de la Comunicación; y del Premio Nobel de Literatura 2008, Jean Marie Le Clézio; a quien se le entregó la presea denominada “La Flama”, distinción que otorga la UANL a los invitados más 50 ilustres. Este año la Alianza Francesa es el invitado de honor en esta celebración dedicada a la lectura. Desde la izquierda: Dr. Mario Humberto Rojo Flores, Dr. Celso José Garza Acuña, M. Stéphane Gaillard, M. José Manuel Blanco, Director Cultural de la Alianza Francesa. En la rueda de prensa en la que se anunció la Feria Universitaria del Libro UANLeer 2015. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Enero - Marzo 2015 Pablo Emilio Pimentel Villasmil, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con orientación en estructuras. Tesis: “Estudio del comportamiento del cuerpo y aletas plegables en un cohete de un sistema lanza cohetes múltiples”, 13 de enero. Víctor Hugo Oropeza Cárdenas, Maestría en Ingeniería en orientación Eléctrica, (Por materias) 14 de enero. Manuel Medrano Contreras, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática. Proyecto: “Metodología para la Implementación de BI (Bussines InteligenceInteligencia de Negocios) en las empresas”, 15 de enero. Héctor Javier García Rodríguez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis (Por materias), 21 de enero. Francisco Javier Cavazos García, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica (Por materias), 22 de enero. Miguel Ángel González Leal, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación (Por materias), 26 de enero. Adán Orlando González Ugalde, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 27 de enero. Reyes Alejandro Paura Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Tesis: “Planificación libre de Gluten”, 9 de febrero. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 Anakita Nanda, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas. Tesis: “Fitting phase type distributions to service process with sequential phases”, 10 de febrero. Edgar Alejandro Rodríguez Castro, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Tesis: “Tipo de fractura presente en bielas”, 11 de febrero. Carlos Enrique Gutiérrez Durán, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales. Tesis: “ Estudio del comportamiento eléctrico (corriente vs tiempo) de materiales poliméricos”, 13 de febrero. Daniel Tovar Díaz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 17 de febrero. Yareth Gutiérrez Molina, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación, (Por materias), 17 de febrero. Melissa Selene Moreno Sánchez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Dirección empresarial”, 18 de febrero. Rodrigo Villareal Manrique, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Reducción de arranques”, 18 de febrero. Martha Idalia Rodríguez Matamoros, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación. Tesis: “Minimización de faltantes por temporalidad mediante un manejo en el pronóstico de las demandas”, 20 de febrero. 51 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Rodolfo Castillo López, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Tesis: “Diseño de cable submarino para alta tensión de corriente alterna”, 23 de febrero. José Eduardo Trejo de la Torre, Maestría en Logística y Cadenas de Suministro con orientación en Dirección y Operación. Proyecto: “Optimización de costos de distribución para una empresa de clase mundial”, 23 de febrero. Pedro Omar Molina Sauceda, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Tesis: “Fallas de tiempo de ciclo en máquinas de hielo”, 27 de febrero. Eric Arvey Garza Rodríguez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con orientación en Materiales. Tesis: “Propiedades mecánicodinámicas de nanopartículas termofijas”, 27 de febrero. Jessica Alejandra Eng Gómez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Análisis de los clusters en China y su influencia en la cadena de valor”, 2 de marzo. Héctor Treviño Castro, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en 52 Relaciones Industriales, (Por materias), 6 de marzo. Laura Karina Saldaña Rojo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación. Proyecto: “Optimización de Manejo y costos para materiales de los tipos B y C”, 9 de marzo. Carlos Alberto Flores Martínez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operación. Tesis: “Mejora de la velocidad de inventario mediante la implementación de un sistema de conteo periódico”, 15 de marzo. José Antonio Ramírez Figueroa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales. Tesis: “Ahorro de energía en compresores de aire”, 18 de marzo. Enrique Alejandro Díaz Torres, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura. Tesis: “Reducción de sobreconsumo de compuesto de PVC”, 26 de marzo. Miguel Francisco Durón Martínez, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 27 de marzo. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Acuse de recibo Journal of Water Resource and Protection Revista EIA El Journal of Water Resource and Protection (JWARP) está dedicado a los últimos avances en la protección de recursos hidráulicos. Se publica mensualmente en línea e impreso (ISSN: 19453094) y en línea (http://www.scirp.org/Journal/ Home.aspx?JournalID=46), por Scientific Research. Su objetivo es registrar el estado del arte y promover la investigación en estas áreas. Un ejemplo del contenido de esta revista se puede apreciar en el primer número de 2015, volumen 7, número 1, con el artículo: “Spatial-Temporal Dynamics of Runoff Generation Areas in a Small Agricultural Watershed in Southern Ontario”, el cual muestra una metodología para identificar la generación de escurrimientos en ciertas áreas dentro de las cuencas, validada mediante mediciones en una cuenca localizada en el sur de Ontario. La Revista EIA es una publicación científica y tecnológica de la Escuela de Ingeniería de Antioquia, Colombia (ISSN: 1794-1237) que divulga resultados de investigación en el campo de la ingeniería, el desarrollo tecnológico y la innovación. La revista se publica semestralmente y se puede consultar en http://revista.eia.edu.co/ . Un ejemplo del material que presenta es el artículo “Calibración de los parámetros de un modelo de horno de arco eléctrico empleando simulación y redes neuronales“ que apareció en el volumen. 11, número 22 (2014), que presenta un modelo que permite determinar su comportamiento con respecto al tipo de carga. Se hace énfasis en el problema de la calibración de los parámetros utilizando redes neuronales con resultados que muestran un error máximo de 4.1 %. JAAG Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 MAGG 53 �Colaboradores Blumschein, Jörg Graduado de ingeniero de la Universidad de Magdeburg, Alemania (1992), en donde estudió Cibernética Técnica y Medición de Procesos. Desde 1992 trabaja en el Departamento de Desarrollo de Relevadores de Protección Eléctrica de SIEMENS, como experto en sistemas de protección. Caballero Hernández, Diana Profesor Investigador en la Facultad de Ciencias Biológicas, UANL. Biólogo (2000), maestría en Inmunobiología (2003), Doctorado en Microbiología (2009) por la UANL. Postdoctorado en el Instituto de Neurobiología, UNAM, México (2009-2010), postdoctorado en el Centro Andaluz de Biología Molecular y Medicina Regenerativa, Sevilla, España (2010-2012). Cantú Cárdenas, María Elena Maestría en Ciencias con especialidad en Microbiología Industrial (2000). Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León. Doctorado en Ciencias con orientación en Farmacia (2010). Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León. Coordinadora del Posgrado en Microbiología de 2010 a la fecha. Jefe del Laboratorio de Biotecnología de 2011 a la fecha. Chávez Guerrero, Leonardo Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2001) y Maestría en Materiales, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (2004). Doctorado en Nanociencias y Nanotecnología por el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (2008). Postdoctorado en ParisTech de Paris, Francia 54 (2011). Postdoctorado en la escuela de Química de la Universidad de St Andrews, Escocia (2012). Derbez García, Edmundo Licenciado por la Facultad de Ciencias de la Comunicación (1988) y por la Facultad de Filosofía y Letras de la UANL (2002), además cuenta con un diplomado en Apreciación de las Artes, MARCOUANL (2003). Ha sido reportero, enviado especial, editor y directivo informativo y colaborador en revistas de la UANL y externas. De 1985 a 1995 trabajó en el Diario de Monterrey; de 1997 a 2009 en Vida Universitaria y actualmente es director del Centro de Documentación y Archivo Histórico de la UANL. Dzienis, Cezary Ingeniero Electricista de la Universidad de Tecnología de Varsovia, Polonia, en 2003. Trabajó en la División de Electrónica Industrial y Sistemas de Control hasta 2004. Obtuvo su doctorado en 2007, en la Universidad de Magdeburg, Alemania, trabajando en la Coordinación de Redes de Potencia Eléctrica y Fuentes de Energía Renovables. A partir de 2008 es investigador en el área de algoritmos de control de SIEMENS Berlín. Elizondo Escamilla, Denisse Margarita Químico Farmacéutico Biólogo (2014), Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León. Garza Cervantes, Javier A. Químico Farmacéutico Biólogo (2014), Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Nuevo León, estudiante de Maestría en Ciencias Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Colaboradores con orientación en Microbiología Aplicada, FCQ-UANL. López Walle, Beatriz Ingeniera Mecánica -opción Mecatrónica- (2003) por la UNAM. Doctora en Microrobótica (2008) en la Université de France-Comte, en Besançon, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. Miembro del SNI nivel I. Ortiz Martínez, Margarita Químico Farmacéutico Biólogo (2008), Maestría en Ciencias con orientación en Farmacia, Facultad de Ciencias Químicas (2011). Puente Córdova, Jesús Gabino Ingeniero Mecánico Electricista (2010) y Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2013) por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Actualmente es estudiante de doctorado en Ingeniería de Materiales en la misma institución. Catedrático investigador en la FIME. Quintero, Jaisiel Egresado de la Licenciatura en Ingeniería Electrónica en 2008 en el Instituto Tecnológico de Saltillo; obtuvo la Maestría en Planeación con Acentuación en Capital Humano en la UA de C en 2009. Actualmente trabaja en la SGRTNE, C.T. Carbón II, de la Comisión Federal de Electricidad. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 Rentería Baltiérrez, Flor Yanhira Ingeniería Industrial con especialidad en Calidad y Manufactura (2008), Instituto Tecnológico de Delicias, Chih., México. Maestría en Ciencia de Materiales (2012), Centro de Investigación en Materiales Avanzados, S.C., Chih., México. Estudiante de Doctorado en Ingeniería de Materiales, en la FIME-UANL. Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Doctorado en Ciencia de Materiales (2004) en la Universidad Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Ha obtenido el Premio de Investigación UANL en 1999, 2004, 2009, 2011 y 2012. Es catedrático investigador en la FIME y el CIIDIT de la UANL. Es miembro del SNI nivel I. Salazar Salazar, Ovidio Profesor Investigador de la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Universidad Autónoma de Tamaulipas. Yelgin, Yilmaz Estudió ciencias computacionales en la Universidad Técnica de Berlín, Alemania, graduándose en 2004, y desde 2006 trabaja en el Departamento de Desarrollo de Relevadores de Protección Eléctrica de SIEMENS. 55 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación 56 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Revisores Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, 57 �excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. 58 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 �Ingenierías, Abril-junio 2015, Año XVIII, No. 67 59 �60 Ingenierías, Abril-junio 2015, Año. XVIII, No. 67 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2015 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 18 Número Número de la revista 67 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2015, Año 18, No 67, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2015 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020830 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Carga de espacio Dieléctricos Nanopartículas magnéticas PVB Sustentabilidad https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20789/Ingenierias_2015_Ano_18_No_66_Enero-Marzo.pdf 9fef5ba7d292f8438b66a24be5afd01d PDF Text Text ��66 Contenido Enero-Marzo de 2015, Año XVIII, No. 66 2 3 6 13 24 32 39 Directorio Editorial: Año Internacional de la luz Juan Antonio Aguilar Garib Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba Armando Díaz Concepción, Julio Abril Romero García, Jesús Cabrera Gómez, Néstor Viego Ariet, La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias Brenda Janett Alonso Gutiérrez, Arnulfo López Meléndez, Carolina Yazmin Rodríguez Liñan, David Abraham Lázaro López Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión Ever Benjamín Huerta Leija, Ernesto Vázquez Martínez, Gina María Idarraga Ospina Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () Sergio David Madrigal Espinoza, Francisco Edmundo Treviño Treviño, Valeria Paola González González Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso como material de refuerzo Yaret Gabriela Torres Hernández, Alejandro Altamirano Torres 45 Eventos y reconocimientos 50 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 48 54 55 57 58 Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Acuse de recibo Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 3 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVIII, N° 66, eneromarzo 2015. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de enero de 2015. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2015 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / M.C. Gabriel Martínez Alonso, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 �Editorial: Año Internacional de la luz Juan Antonio Aguilar Garib Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Juan.AguilarGb@uanl.edu.mx La Real Academia Sueca de Ciencias entregó en 2014 el Premio Nobel de Física a los japoneses Isamu Akasaki y Hiroshi Amano, y al estadounidense Shuji Nakamura, por la invención del diodo emisor de luz azul eficiente, que aunado a los diodos emisores de luz rojo y verde, permite contar con fuentes de luz blanca brillantes que ahorran energía. El tema de este premio resulta ser un magnífico antecedente del inicio del Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz, proclamado por la Asamblea General de las Naciones Unidas para el 2015, después de las celebraciones internacionales de la física (2005), la astronomía (2009), la química (2011) y la cristalografía (2014), que fueron organizados para aumentar la concientización y comprensión por parte del público general de cómo estas disciplinas de la ciencia pueden ayudar a responder a las necesidades de la sociedad, fomentar el interés de los jóvenes en estas disciplinas, y celebrar las contribuciones de los científicos. Todas estas ciencias tienen relación con la luz: el Año Mundial de la Física marcó el centenario del “año milagroso” en el cual Albert Einstein publicó trabajos que han influenciado a la física moderna, tal como la explicación del efecto fotoeléctrico; el Año Internacional de la Astronomía fue una celebración mundial por los 400 años del primer uso de un telescopio astronómico por Galileo Galilei; el de la Química toma como un hito histórico el centenario del Premio Nobel a Marie Curie, quien en 1903 ya había recibido el premio de Física por sus estudios sobre la radiación; y el de la Cristalografía conmemoró el centenario de los trabajos de difracción de rayos X, que permite el estudio detallado de los materiales cristalinos. La importancia de la luz es obvia si consideramos que el sustento de la vida en la tierra depende de ella a través de la fotosíntesis en las plantas. La fuente de luz natural de la tierra es el sol, aunque también suministra radiación electromagnética que no podemos detectar con la vista. A la parte del espectro electromagnético que sí podemos detectar le llamamos “luz visible” y es la que utilizan nuestros ojos para captar nuestro entorno. La vista es probablemente el más intuitivo de los sentidos y el que mayor información nos proporciona. Estamos familiarizados con la luz dada nuestra naturaleza diurna, que por cierto estamos modificando con la iluminación artificial. La importancia de la luz se manifiesta desde las culturas antiguas en las que no faltan deidades relacionadas con el día, la claridad y por supuesto el sol. En lo cotidiano, apreciamos los fenómenos luminosos constantemente en nuestra vida, aún sin conocerlos: la propagación rectilínea de la luz cuando comprobamos si una superficie es ondulada o plana, valoramos las distancias a Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 5 �Año Internacional de la Luz / Juan Antonio Aguilar Garib. los objetos mediante triangulación con nuestros dos ojos, utilizamos la reflexión al mirarnos en el espejo o la refracción al admirar un cuerpo bajo el agua, la dispersión en el arco iris o en el color azul del cielo o el rojizo del atardecer. Todas estas cosas que parecen ordinarias, requieren ser estudiadas y comprendidas al momento de desarrollar aplicaciones que aprovechen esos fenómenos. No hay nada más rápido que pueda viajar en el vacío como las ondas electromagnéticas, lo cual brinda un atractivo especial a los científicos interesados en la investigación básica. Newton ya había considerado la naturaleza corpuscular de la luz, tratándola como materia que seguía las reglas de la mecánica clásica, con lo que explicaba su propagación rectilínea y considerando choque elástico, a su reflexión, también se podía explicar la refracción de la luz al aceptar que su velocidad de propagación dependía del medio, incluso se sugerían partículas responsables de cada color, que viajaban a diferente velocidad a través de un prisma y separaban la luz blanca en sus componentes cromáticos. Sin embargo no se podía explicar la difracción de la luz utilizando esta aproximación corpuscular. Huyghens logró explicarla considerando que la luz se propagaba en ondas a través del eter; pasarían más de 300 años para que Einstein demostrara la naturaleza dual de la luz. La importancia de la luz se extiende cuando se consideran otras regiones del espectro electromagnético además del visible, se encuentran las microondas que se utilizan para comunicación y procesamiento de materiales, las ondas de radio que también se utilizan para comunicaciones y en la medicina, el infrarrojo que transfiere calor, también está el ultravioleta, y los conocidos rayos X que se utilizan para el diagnóstico médico y para la caracterización de materiales, y ya no me extiendo más a otros haces energéticos de naturaleza ondulatoria porque la lista es larga. No parece necesario reforzar la importancia de la luz en sí, pero lo que sí es necesario es reforzar la importancia de su estudio, ya que hay una tendencia moderna para evaluar el mérito de una investigación por su “utilidad” inmediata, y trasciende hasta los cursos en las carreras eliminando temas que no parecen tener demanda. El mismo Charles K. Kao expresó algo así en sus palabras de agradecimiento a la Real Academia Sueca de Ciencias cuando recibió el premio Nobel de Física en 2009 por el desarrollo de la fibra óptica en 1965, “Había muchos obstáculos. Pero a principios de los 60’s la investigación esotérica era tolerada siempre que no fuera muy costosa”. Así, entre los objetivos de una celebración como la del Año Internacional de la Luz está valorar y fomentar el interés por el estudio sobre este campo de manera que no sea un asunto de tolerancia. Una forma en la que se puede lograr esto es a través de figuras que se resaltan a la manera de los héroes, como podrían ser investigadores laureados con el premio Nobel (seguramente Newton, Huyghens y Galileo hubieran calificado). En este año también se celebran algunos aniversarios importantes, tal como el libro de óptica de Ibn Al-Haythem de 1015, los trabajos sobre la naturaleza ondulatoria de la luz de Fresnel de 1815, las propuestas sobre ondas electromagnéticas de Maxwell de 1865, la luz en espacio y tiempo con la teoría general de la relatividad de Einsten de 1915, el descubrimiento del fondo de microondas en el espacio por Penzias y Wilson, así como la tecnología de fibra óptica de Charles Kao de 1965, cubriendo desde los primeros estudios de óptica hasta las tecnologías en 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 �Año Internacional de la Luz / Juan Antonio Aguilar Garib. comunicaciones ópticas que aprovecha el Internet, de hecho, se puede decir que fotónica se está convirtiendo en la piedra angular de las tecnologías del futuro desde los trabajos de Townes, Básov y Prójorov, quienes compartieron el Premio Nobel de Física en 1964 por los trabajos fundamentales en el campo de la electrónica cuántica y la construcción de osciladores y amplificadores basados en los principios de los máser-láser. El Año Internacional de la Luz es un proyecto multidisciplinario de educación e investigación con más de 100 socios de 85 países interesados en las tecnologías basadas en luz que esperan interesar a la población en ellas, no solamente como usuarios de “gadgets”, sino como parte de la cultura general, proponerlas como promotores de la economía coordinando actividades internacionalmente. Nuestro país tuvo una participación muy importante en esta celebración ya que la resolución fue presentada por México en la Segunda Comisión de las Naciones Unidas en 2013, y apoyada con la participación de 35 países que resultó en la proclamación del Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz, reconociendo su importancia, cómo éstas ayudan al desarrollo sostenible y ofrecen soluciones a los problemas mundiales en energía, salud, agricultura y educación. Se ha formado un comité nacional en México con la finalidad de promover y coordinar las actividades relacionadas con esta celebración, la página www. luz2015.unam.mx presenta noticias y artículos sobre temas diversos relacionados con la luz y mantendrá al público informado sobre las diversas actividades a desarrollarse durante este año en México, también hay un enlace a la página internacional www.light2015.org Ésta es una oportunidad para incluir a la luz en nuestro acervo de cultura general, ya que durante el año estaremos escuchando con frecuencia notas y comentarios al respecto, conoceremos de los hechos y los mitos, en donde se verá que actualmente la luz se utiliza para mucho más que iluminar o dar color, también es un medio importante para la transmisión de energía y de información. Un antecedente favorable es sin duda el Museo de la Luz en la Ciudad de México (www.museodelaluz.unam.mx), que será parte de la promoción y mejor entendimiento general y político del papel de la luz en el mundo moderno, procurando además que los jóvenes se interesen por la formación científica. Los universitarios tenemos una responsabilidad especial en el éxito de las actividades asociadas a celebraciones de esta naturaleza, especialmente como profesores, ya que con nuestra actividad en el aula, y fuera de ella, influimos decisivamente en el interés de nuestros estudiantes por las cuestiones científicas y sus aplicaciones en la tecnología. La clausura se llevará a cabo en México en 2016, pero las actividades continuarán, ya que solamente se podrá decir que se ha aprovechado esta oportunidad al momento en que se logren aumentar el interés y comprensión de la población el estudio de este campo y se encuentre mayor interés de los jóvenes por realizar en el futuro contribuciones científicas para la solución de problemas específicos de la sociedad. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 7 �Estudio de confiablidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba Armando Díaz ConcepciónA, Julio Abril Romero GarcíaB, Jesús Cabrera GómezA, Néstor Viego ArietB, Centro de Estudios en Ingeniería de Mantenimiento. Instituto Superior Politécnico José A. Echeverría (ISPJAE). Campus CUJAE, Marianao, La Habana, Cuba. B Empresa de Aviación ECA. Corporación de la Aviación Cubana (CACSA). Boyeros, La Habana, Cuba adiaz@ceim.cujae.edu.cu A RESUMEN En el presente trabajo se caracteriza la actividad de mantenimiento en una empresa de aviación en Cuba. Se evalúan los indicadores de cada elemento integrante de la Confiabilidad Operacional para el sistema de acondicionamiento de aire de las aeronaves IL – 96 – 300, mediante el uso de análisis de Weibull, modelo de Ajuste a la Distribución y cálculo de Disponibilidad, como soporte al mejoramiento del proceso de toma de decisiones. Los resultados del estudio demuestran la baja confiabilidad de este sistema y sus agregados y que las bases de datos no tienen la información para la aplicación de todas las herramientas y modelos. PALABRAS CLAVE Mantenimiento, industria aeronáutica, confiabilidad operacional, toma de decisiones. ABSTRACT In this work the maintenance activity at Cuba´s airline is characterized. All factors integrating each element of Operational Reliability for Environmental Control System in aircraft type IL – 96 – 300 are evaluated using Weibull analysis, Adjust of Distribution model and Availability calculations, for supporting decision-making process. The results of study show the low reliability of this system and its components, and also, data bases don´t have necessary information to apply all the tools and models. KEYWORDS Maintenance, aeronautical industry, operational reliability, decision making. INTRODUCCIÓN El Mantenimiento ha variado más que cualquier otra disciplina durante los últimos años, respondiendo a expectativas cambiantes y a una óptica de 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba / Armando Díaz Concepción, et al. nuevos métodos, diseños cada vez más complejos y responsabilidades enfocadas al negocio y la satisfacción de los clientes como meta fundamental. Se requiere por tanto, un conjunto de estrategias, políticas y actitudes sistemáticas para asegurar que un sistema o componente pueda ser operado cuando se necesita. El Mantenimiento, al asegurar un menor índice de fallo, mayor explotación y elevada confiablidad produce un bien real, que puede resumirse en capacidad de producir con calidad, seguridad y rentabilidad.1,4 Dentro de la filosofía de la confiabilidad, un sistema integrado de Confiabilidad Operacional es la unión de metodologías de inspección y análisis de mantenimiento con el cual se generan los mejores planes de inspección y mantenimiento, mediante una perspectiva que enlaza una serie de elementos técnicos, de negocios y filosóficos en una estrategia global, cuyo objetivo es lograr una serie de efectos positivos que ayuden a posicionar a cualquier empresa en la categoría de Clase Mundial.5 En un sistema de Confiabilidad Operacional es necesario el análisis de sus cuatro parámetros operativos: Confiabilidad Humana, Confiabilidad de los Procesos, Mantenibilidad y Confiabilidad de los Equipos; sobre los cuales se debe actuar si se quiere un mejoramiento continuo y de largo plazo.6 En la figura 1 se muestran los elementos integrantes de la Confiabilidad Operacional. La empresa de aviación en la que se realiza el estudio, es un operador aéreo donde el proceso de mantenimiento comprende todo el trabajo que se realiza para conservar la aeronave en condiciones de aeronavegabilidad, teniendo gran incidencia en la seguridad de las operaciones aéreas, por lo que Fig. 1. Elementos integrantes de la Confiabilidad Operacional. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 es una alta prioridad para la máxima dirección de la organización.7 La empresa tiene diseñado un Programa de Confiabilidad para mejorar el mantenimiento de las aeronaves y controlar sus costos, con el objetivo de cumplir los requerimientos propios de sus operaciones, el cual es desarrollado, tomando en consideración las recomendaciones de la Dirección de Ingeniería y Aeronavegabilidad (DIA) del Instituto de la Aeronáutica Civil de Cuba (IACC) y los Fabricantes, así como la experiencia de explotación y el nivel de utilización de las aeronaves, siguiendo el orden que se establece en las Regulaciones Aeronáuticas Cubanas (RAC). De acuerdo con lo anterior, el presente trabajo se orienta a estudiar el mejoramiento del programa de mantenimiento de las aeronaves basado en un análisis de Confiabilidad Operacional, para facilitar la toma de decisiones y optimizar la gestión del mantenimiento. MATERIALES Y MÉTODOS El estudio basado en los indicadores de Confiabilidad Operacional se realiza para el sistema de acondicionamiento de aire (ECS) de las aeronaves tipo IL – 96 – 300, teniendo en cuenta que durante el período de explotación de estas aeronaves, este sistema ha venido presentando un incremento en el número de fallos, lo que ha provocado un grupo de consecuencias operacionales y por tanto, una pérdida en la calidad de los servicios que prestan. El análisis de los agregados del sistema se basa en los reportes de tripulación y mantenimiento e incluye remociones, fallas, chequeos funcionales e inspecciones, demoras y cancelaciones técnicas, interrupciones de vuelo e incidentes técnicos. La información es recopilada y extraída de programas especializados para el almacenamiento de esta información y que sirven como fuente primaria para el procesamiento y elaboración de informes que permitan establecer criterios objetivos de evaluación para tomar acciones de mantenimiento.6 En la tabla I se precisa una relación de los activos con mayor cantidad de incidencias en los fallos del ECS y su influencia cuantitativa en esta contribución. 7 �Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba / Armando Díaz Concepción, et al. Tabla I. Relación de fallos por agregados respecto al total del ECS. Agregados % Válvula 3449 39.3 Válvula 3408 8.4 Válvula 3409 Válvula 3415 Válvula 3173A Turbina de enfriamiento (6671) 29.9 8.4 7.5 6.5 Partiendo de las propuestas de diferentes autores y haciendo un análisis de la influencia de los parámetros y de las consultas a especialistas y personal técnico experimentados en la materia, se obtiene información actualizada para estimar los cuatro elementos de la Confiabilidad Operacional y seleccionar modelos matemáticos para ser estudiados y evaluar su impacto en el binomio operación – mantenimiento, mediante herramientas y el procesamiento estadístico de los datos históricos se evalúa el comportamiento del activo a fin de poder determinar el nivel de operabilidad, la magnitud del riesgo y las acciones de mitigación y de mantenimiento que requiere el mismo para asegurar la continuidad operacional. La confiabilidad en los Procesos y Sistemas contempla la comprensión del proceso, los procedimientos y las operaciones comprendidas dentro del diseño establecido. Inicialmente para determinar la distribución de probabilidad que modela el conjunto de datos se realiza una Prueba de Bondad de Ajuste utilizando el programa de análisis StatGraphics versión 5.1, comprobando que estos siguen una distribución de Weibull en todos los casos,8 por lo que para la valoración de la función de supervivencia se utiliza la ecuación: (1) Donde: α: Escala de Weibull β: Forma o pendiente de Weibull t: Parámetro tiempo. El Tiempo Medio entre Fallos (MTBF) o tiempo de vida promedio de un activo según una distribución de Weibull se obtiene según la ecuación: (2) 8 Donde: Γ: Función Gamma. La mantenibilidad es uno de los indicadores utilizados para caracterizar la actividad de Mantenimiento. El cálculo de esta magnitud se efectúa utilizando los tiempos para reparar (TTR) de cada uno de los activos durante el período, a los datos se le aplicó una Prueba de Bondad de Ajuste utilizando el programa estadístico StatGraphics versión 5.1 con la guía de las pruebas de Kolmogorov – Smirnov y Anderson – Darling. Luego de ser analizados se comprobó que los TTR seguían una distribución de tipo Weibull por lo que para la estimación de la mantenibilidad se utilizó el Método de Ajuste a la Distribución.9,10,11 El cálculo de la disponibilidad8,14,15 está basado en la distribución de fallas y la distribución de tiempo de reparación y muestra la probabilidad de que el equipo esté operando satisfactoriamente en el momento en que sea requerido después del comienzo de su operación y puede ser calculada mediante la ecuación: (3) Donde: Rei: Disponibilidad del activo. tee: Tiempo de trabajo efectivo. tet: Tiempo total de trabajo previsto. El Programa de Control de la Confiabilidad implementado actualmente en la empresa de aviación para evaluar la efectividad de los programas de mantenimiento de las aeronaves, está dirigido solamente hacia los activos, sin tener en cuenta otros factores que influyen en las causas de las fallas y que afectan los procesos críticos y la rentabilidad de la empresa, limitando sus resultados dentro de la organización, al enfocar la confiabilidad únicamente desde la perspectiva del mantenimiento. 12 La propuesta de Confiabilidad Operacional,13 ofrece ventajas en cuanto a la integración y el trabajo de equipo para la toma de decisiones, mediante una serie de procesos de mejora continua, que incorporan en forma sistemática, herramientas de diagnóstico, metodologías de análisis y nuevas tecnologías, para optimizar la gestión del mantenimiento. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba / Armando Díaz Concepción, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se requiere analizar cada uno de los parámetros de la Confiabilidad Operacional, para optimizar las características operacionales de los activos más críticos, reducir los costos y garantizar un mejoramiento continuo y de largo plazo. Tabla III. Indicadores de confiabilidad del sistema de aire acondicionado. CON FIAB ILI DAD E N LOS PROCE SOS Y SISTEMAS Los índices de confiabilidad se determinan mediante las ecuaciones 1 y 2, los valores obtenidos para cada activo se presentan en la tabla II. Se puede observar en la tabla II que los valores de β (β >2) son típicos para activos con una probabilidad de fallo creciente. Los valores de confiabilidad obtenidos para cada activo son aproximadamente de un 50 %, lo que está por debajo de los estándares que se exige en la industria aeronáutica. El agregado de menor confiabilidad fue la válvula 3409 con 49.7 % y el de mayor confiabilidad fue la válvula 3408 con 53.6 %. Enfriamiento Turbina 6671 0.5341 Válvula 3408 0.5356 Tabla II. Parámetros de confiabilidad de cada activo. Agregados Parámetro β Parámetro α Turbina 6671 6.40984 11692.2 Válvula 3409 3.30843 10117.2 Válvula 3449 Válvula 3408 Válvula 3415 Válvula 3173A 3.49362 8.1174 3.34192 4.55963 10157.4 Subsistemas Agregados Extracción Válvula 3449 Croos-Feed R(t) R(t) R(t) Agregados Subsistema % Válvula 3409 Válvula 3408 Válvula 3409 Distribución Válvula 3415 Válvula 3173A Sistema 0.5018 0.4969 0.5356 0.4969 88.2 0.953 95.3 0.69 69 0.545 54.5 el de mayor confiabilidad fue el de enfriamiento de aire con 95.3 %. El sistema de acondicionamiento de aire en las aeronaves es un sistema de confort, lo que implica que el fallo de uno de sus componentes o del sistema no afectaría la navegabilidad de la aeronave. La baja confiabilidad de este sistema afecta directamente MTBF (horas) 10871 9132 9080 0.534 R(t) 53.4 0.502 50.2 0.497 53.6 11893.7 10860 0.517 51.7 10030 0.498 R(t) % 49.7 0.536 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 0.882 0.5165 5735 En la estimación de la confiabilidad del sistema se tiene en cuenta la forma en que están interconectados los componentes y subsistemas. En el caso del ECS la configuración de sus subsistemas es en serie, pero en cada subsistema, los agregados se encuentran instalados en una configuración serie, paralelo o mixta, por lo que la disposición del sistema es una configuración mixta. En la tabla III se muestra los resultados de la confiabilidad del sistema tomando en cuenta la de sus subsistemas y agregados. En la tabla III se aprecia que la confiabilidad del sistema de acondicionamiento de aire de las aeronaves IL – 96 – 300 es de un 54.5 %. El subsistema de más baja confiabilidad fue el de distribución con 69 % y 93.8 0.4982 6078.22 11175.9 0.938 49.8 la calidad de los servicios y no atenta contra la seguridad del vuelo. MANTENIBILIDAD DEL EQUIPO En la tabla IV se pueden observar los indicadores de mantenibilidad para cada uno de los activos, comprobándose que la válvula 3415 fue el activo de menor confiabilidad con 35.8 % y la probabilidad de que las tareas de mantenimiento no fueran cumplidas en 8 horas y si entre 8 y 12 fue de 33.9 %. En el indicador del cumplimiento de las tareas de mantenimiento se puede apreciar como el 90 % de las mismas fueron cumplidas en 21,9 horas. El activo de mayor confiabilidad en las acciones de mantenimiento fue la válvula 3173A con 94 %, el 9 �Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba / Armando Díaz Concepción, et al. Tabla IV. Indicadores de mantenibilidad para cada activo. Agregado MTTR M(t2)% P(t1,t2) TTR(0,90) 0.86 6.75 0.999 0.993 8.17 Válvula 3449 0.5398 Válvula 3408 0.86 Válvula 3409 Válvula 3415 Válvula 3173A Weibull (t1=8 horas; t2=12 horas) M(t1)% 0.358 0.944 7.73 6.75 11.76 5.36 cual tiene una probabilidad de que sus tareas de mantenimiento sean cumplidas entre 8 y 12 horas de 98 %. El 90 % de las tareas de mantenimientos fueron cumplidas en 7.5 horas. En el caso de la turbina de enfriamiento 6671 todos los agregados de este tipo que fallaron en el período, fueron reportados como no reparables debido al alto grado de degradación de sus componentes. En la figura 2 se muestra la mantenibilidad del sistema según la disposición de sus agregados, y se puede apreciar que para el sistema durante el período analizado fue de un 96.76 %. 0.993 0.999 0.576 0.999 0.985 0.993 0.339 0.98 10.1 8.17 21.9 7.5 Fig. 3. Disponibilidad de los activos y sistema de aire acondicionado. mismo fue de un 99 %. Esto se debe a la redundancia que presenta la ubicación de los activos y a la función que cumplen los mismos dentro del sistema. Fig. 2. Mantenibilidad de los activos y sistema de aire acondicionado. DISPONIBILIDAD La figura 3 ilustra la disponibilidad de cada uno de los equipos, calculada según ecuación 3, e incluye la evaluación de la disponibilidad del sistema a partir de la disposición de los agregados en el mismo. Puede comprobarse en la figura 3, como para el período en análisis, la disponibilidad del sistema fue de 99 %, siendo el activo de menor disponibilidad las válvulas 3449 con 95.7 %; mientras que los demás activos operaron con una disponibilidad superior al 99 %. Se debe señalar que a pesar de que la confiabilidad del sistema se comportó al 54.5 % la disponibilidad del 10 CONFIABILIDAD HUMANA La Confiabilidad Humana es un factor fundamental y determinante de la Confiabilidad Operacional, pues impacta fuertemente en los demás componentes. La herramienta más conocida y aplicada para el análisis de Confiabilidad Humana es la Técnica para la Predicción de la Tasa de Error Humano, debido a la complejidad de su análisis y la carencia de una base de datos que permitan la realización del mismo, en el presente estudio se decidió no incluirlo y complementar el análisis de Confiabilidad Operacional incorporando los indicadores de Confiabilidad Humana después que se implemente una base de datos que contenga la información necesaria para aplicar esta herramienta. El alcance del estudio de Confiabilidad Operacional permite identificar la eficiencia de los procesos de aseguramiento en las condiciones de explotación de los activos analizados y de los Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Estudio de confiabilidad operacional como soporte al mantenimiento aeronáutico en Cuba / Armando Díaz Concepción, et al. elementos que intervienen en el ECS, pero al no poder incorporar elementos relacionados con las personas, es insuficiente para poder elaborar una propuesta integral, sin embargo, posee un impacto directo en la calidad, superior al Programa de Control de la Confiabilidad utilizado en la empresa de aviación, al incorporar las cálculos de mantenibilidad y confiabilidad en los procesos, ofreciendo una visión más completa para la toma de decisiones. CONCLUSIONES • Se analizaron las características actuales del mantenimiento en la Industria Aeronáutica cubana, concluyéndose que las herramientas vinculadas con los análisis de confiablidad y particularmente las de Confiabilidad Operacional, son poco utilizadas como parte integral del sistema de mantenimiento. • En el proceso de obtención de datos se obtuvo que las bases de datos no cuentan con toda la información necesaria para la aplicación de todas las herramientas y modelos, en específico los relacionados con la Confiabilidad Humana. • Se realizó un análisis de la confiabilidad detallado por activo y el sistema de aire acondicionado en su integralidad; donde se determinó que respecto a la Confiabilidad de Equipo, el activo con menor confiabilidad es la válvula 3409, el subsistema de distribución es el de mayor incidencias y en lo que se refiere a la Mantenibilidad, el activo de menor confiabilidad fue la válvula 3415. BIBLIOGRAFÍA 1. Cabrera Gómez, J. 2003. 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En este artículo presentaremos los orígenes, así como los primeros filósofos y científicos en exponer las ideas que hacen de la nanotecnología lo que hoy es y cómo ha ido creciendo a través del tiempo, para que hoy en día sea considerada una herramienta clave del futuro de la humanidad, debido a las inmensas posibilidades que presenta para un gran número de áreas de interés como la Biología, la Medicina, la industria automotriz y textil, por mencionar algunas. PALABRAS CLAVES Nanotecnología, nanociencia, nanoescala, nanopartícula, Richard Feynman. ABSTRACT Nanotechnology is a science that has been present in civilization since ancient times and has grown rapidly, reaching a peak from the 80s. It is clear that nanotechnology will have an important role in the growth of scientific and technological development in this century. This article presents the origins of this area as well the philosophers and scientists to expose the first ideas of nanotechnology and how it has been evolving over time, so that today it is considered the science of the future due to the immense possibilities for a large number of interest areas such as biology, medicine, automotive industry and textiles. KEYWORDS Nanotechnology, nanoscience, nanoscale, nanoparticle, Richard Feynman. INTRODUCCIÓN La historia de la civilización ha mostrado la habilidad del ser humano por modificar la naturaleza a gran escala, para lograr un beneficio de su entorno natural. La construcción de las pirámides de Egipto y del México prehispánico, la gran muralla China hasta el edificio Empire State en New York, son tan solo algunos ejemplos. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 13 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. Por el contrario, no queda claro en qué momento exactamente los humanos empezaron a aprovechar las ventajas de los materiales en dimensiones nanométricas, se sabe que en el siglo IV a.C. los vidrieros romanos fabricaban cristales que contenían metales nanométricos. Un ejemplo de esto, es la copa que representa la muerte del Rey Licurgo,1 está hecha de vidrio de sosa y cal que contienen nanopartículas de oro y plata. Debido a estas nanopartículas presentes, el color de la copa varía de verde a rojo intenso (figura 1) cuando se le introduce una fuente luminosa en su interior. También la gran variedad de colores que están presentes en los vidrios de las catedrales medievales, se debe a la existencia de nanopartículas metálicas en el vidrio. Fig. 1. Color cambiante de la copa de Licurgo (verde con luz reflejada y rojo con luz transmitida) y una de las nanopartículas de Au que contiene el vidrio.2 Aunque desde tiempos antiguos ya se presentaba el uso de la nanotecnología, no fue hasta tiempos más recientes que se comenzó a poner un mayor interés en esta fascinante área. En 1960 el premio Nobel de Física Richard Feynman presentó una conferencia en el ámbito de la nanotecnología llamada “There is plenty of room at the bottom” en una reunión de la Sociedad Americana de Física,3 donde especuló sobre el potencial y las grandes posibilidades en el estudio del área de lo nanométrico. En esta plática propuso manipular los átomos individualmente para poder construir pequeñas estructuras que poseyeran la mayor variedad de propiedades. Aunque la presentación de Feynman fue hasta los años 60, ya se trabajaba de forma experimental sobre la síntesis de pequeñas partículas metálicas. La única diferencia fue que en ese entonces, no se le conocía como nanotecnología ni se había estudiado el tema de una forma precisa y sistemática. 14 No fue hasta los años 80 que la nanotecnología dio un gran salto en el ámbito científico, con la aparición de nuevos métodos, más apropiados para el estudio y fabricación de nanoestructuras. Un ejemplo de esto ocurre en el año de 1981 cuando se desarrolló un método para obtener cúmulos metálicos mediante el uso de un láser concentrado que permitiera vaporizar metales y formar plasma. Al final, lo importante es no perder de vista la historia de la nanotecnología y sus partículas insignia, iniciada por el fullereno que aseguraba traer grandes cambios en la vida cotidiana, luego llego el nanotubo y sufrió el mismo destino hasta que fue sustituido por el ampliamente estudiado grafeno, el cual deberá esperar, hasta que aparezca una nueva fuente de inspiración que alimente las promesas tecnológicas incumplidas. Un nanómetro (nm) actualmente tiene la aceptación en el Sistema Internacional de Unidades (SI), donde 1 nanómetro es igual 1x10-9 metros.4 A esta escala de la que estamos hablando, se encuentran muy cercanos el tamaño de los átomos y moléculas que componen la materia. Para tener una idea de que tan pequeño es un nanómetro, pensemos en el diámetro de un cabello humano, el cual mide aproximadamente 75,000 nm, la doble hélice del ADN tiene un espesor de 2 nm (figura 2), otro ejemplo es que en una habitación normal hay unas 15,000 nanopartículas por cm3 en el aire. Si estamos dando un paseo por el bosque, usted estará en un ambiente donde habrá alrededor de 50,000 nanopartículas por cm3, en una gran ciudad puede haber hasta 100,000 nanopartículas por cm3, aunque no podemos ver partículas nanométricas se pueden oler algunas, por ejemplo cuando se está horneando un pastel. Las nanopartículas deben cumplir 3 condiciones: que el tamaño este comprendido en 1 y 100 nm por lo menos en una dimensión (0D, 1D, 2D) que las propiedades de los materiales cambien en este rango y que exista un control y entendimiento de lo que se está fabricando. En cuanto al cambio de las propiedades podemos dar el ejemplo del oro, si se compara una moneda de oro con un lingote del mismo material y de la misma pureza, aunque mucho más pequeña, tiene las mismas propiedades físicas y químicas del lingote, como el color, la dureza, el punto de fusión, la densidad, etc. Si hipotéticamente Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. dividimos la moneda en dos partes iguales, cada una de las mitades seguirá siendo dorada, brillante y con todas las propiedades de la moneda entera o del lingote. Al repetir este proceso muchas veces, pasando de los centímetros a los milímetros y de los milímetros a las micras, no debería de haber cambios observables en los pedazos de la moneda de oro. Sin embargo, cuando llegamos a la nanoescala todo cambia, el fragmento nanoscópico de oro ya no es dorado. Una nanopartícula de oro puede ser roja, naranja, purpura o hasta verdosa dependiendo de su tamaño.5 Fig. 2. Diferentes objetos con su tamaño característico. Los objetos cuyo tamaño estará comprendido entre 1 y 100 nm son con los que trabaja actualmente la nanotecnología. Como hemos visto, la nanociencia ha estado presente desde tiempos antiguos hasta la actualidad, y poco a poco se ha ido descubriendo cuales son los límites de lo posible en esta ciencia emergente, que va definiéndose día con día con nuevos y sorprendentes hallazgos. Este trabajo continuo de comprensión y desarrollo, se realiza de manera constante en institutos de investigación y universidades alrededor del mundo, con el fin de lograr un mejor entendimiento y poder aplicar los conocimientos adquiridos, para mejorar la calidad de vida de la humanidad. Historia de la nanotecnología Fue alrededor del año 450 a.C., cuando surgió la filosofía de la escuela atomista. Este era un concepto donde se mencionaba que los átomos eran un bloque Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 básico e indivisible, que componen la materia y el universo. Posteriormente Democrito y Leucipo propusieron la primer teoría atómica llamada “Discontinuidad de la Materia” la cual consistía en que la materia podía ser dividida indeterminadamente hasta obtener pequeñas partículas indivisibles, a estas partículas les llamaron “Átomos”, los cuales constituyen la materia. A partir de esta primer teoría se abrió camino para nuevos modelos atómicos como lo son: el modelo de Dalton (1800), el de Thomson (1897), el modelo atómico de Rutherford (1908), este último ganador del premio nobel, el modelo de Bohr (1913) y el actual modelo de Schrödinger, estos encaminaron el estudio del átomo hasta lo que sabemos hoy en día. “Richard Feynman un hombre con visión” A pesar de que el concepto sobre nanotecnología no es algo fijo y cerrado, sino que se construye poco a poco conforme se efectuan nuevos experimentos, su origen sí parece estar claro para todos, viéndolo desde cualquier ángulo, el nacimiento de esta ciencia resulta indiscutiblemente ligada a Richard Feynman, científico nacido en Nueva York en el año 1918, trabajó en muy diversos temas, destacando los resultados en electrodinámica cuántica, por los que fue galardonado con el premio nobel de física en 1965. Feynman6 hablaba de la posibilidad de crear materiales desde una nueva perspectiva, basada en la manipulación y el control de los objetos tan pequeños como los propios átomos y dijo: “No me gusta considerar la pregunta final de si en el futuro, podremos colocar los átomos como queramos, ¿cuáles serían las propiedades de los materiales si pudiéramos colocarlos de alguna forma favorable? No puedo saber exactamente qué pasaría, pero no tengo la menor duda de que si controlamos la colocación de objetos a una pequeña escala, tendríamos acceso a un amplio rango de propiedades que los materiales pueden presentar y podríamos hacer una gran cantidad de cosas” finalizó. Esta idea que parecía de ciencia-ficción, estaba avalada por el hecho de que, esta manipulación de átomos no contradecía ninguna ley física, por lo tanto no había problema alguno para que pudiera llevarse a cabo. 15 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. El nuevo nombre de la ciencia de lo pequeño El concepto “Nanotecnología”, fue creado en el año de 1974 por el Prof. Norio Taniguchi (figura 3), de la Universidad de Ciencias de Tokio, que decia: “La nanotecnología consiste en el procedimiento de separación, consolidación y deformación de materiales átomo por átomo o molécula por molécula”. 7 Durante este año la nanotecnología comenzó a crecer con fuerza y condujo a los científicos más optimistas a trabajar con empeño en distintos temas. La idea de que en algún sentido se podría tocar los átomos y las moléculas, surgió en la década de los 80, cuando estudiosos apoyados por la teoría propuesta por el Dr. K. Eric Drexler, consiguieron manipular los átomos y las moléculas. Lo cual causó gran controversia de opiniones en la época y dio motivos para que la justicia interviniera, por el temor de que sea usado con intenciones bélicas o ilícitas. Fig. 3. Prof. Norio Taniguchi. Eric Drexler: El primer impulso en tierra firme.7 Drexler, un académico del Massachussets Institute of Technology (MIT), enfatizó su trabajo en el ensamblaje molecular imaginando pequeños robots, construidos a escala microscópica, capaces de manipular y colocar átomos en un lugar adecuado dentro de la estructura atómica del material, con la finalidad de construir moléculas únicas, precisas y muy particulares. 16 Pese a la innovación que Drexler ofreció en sus conceptos, los científicos de la época trataron con escepticismo el tema y al igual que sucedió con la escuela atomista griega y el emotivo discurso de Feynman, la idea parecía sacada de alguna película, especialmente para Richard E. Smalley, quien ganara el Premio Nobel de Química en 1996 por el descubrimiento de los fullerenos. Smalley mencionaba diversos problemas con la idea de fabricar o manipular átomo por átomo para construir un objeto, principalmente debido a lo que llamaba dedos gordos (fat fingers) y dedos pegajosos (sticky fingers), que impedirían dicha manipulación, a lo que Drexler respondía que eso era un problema de ingeniería y no un problema fundamental que impidiera llevar a cabo la idea. Aun así, Eric Drexler logra publicar el primer libro sobre nanotecnología en 1986 titulado Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, también se ve involucrado en el primer simposio de nanotecnología organizado en el Massachusetts Institute of Technology en 1987.8 En el siguiente año, se crea y se lleva a cabo el primer curso universitario de nanotecnología en la Universidad de Standford donde también estuvo involucrado el Dr. Eric Drexler. El curso inició con 50 estudiantes y duró solo 10 semanas.8 Descubrimiento del C60 En 1985 fue la primera vez que se encontró el Fullereno o C60, el cual cuenta con excelentes características físicas, químicas, matemáticas y estéticas y es la tercera forma molecular más estable del carbono. El descubrimiento de la existencia de una molécula con forma de balón de fútbol, que contenía 60 átomos de carbono (figura 4), fue el resultado de investigaciones sobre la naturaleza de la materia en el espacio sideral.9 Este descubrimiento dio nacimiento a estudios sobre la trasmisión de la luz a través del polvo interestelar, las pequeñas partículas de materia que llenan el espacio entre estrellas y galaxias y la extensión óptica, que ocurre cuando la luz de una estrella lejana atraviesa el cosmos, llega a la Tierra y se reduce la intensidad de la radiación. El fullereno C60 conocido también como Buckminsterfullereno, en honor al arquitecto Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. un tubo, con enlaces al final de ella para cerrar sus extremos, dependiendo de su grado de enrollamiento y como se conforma la lámina original, se pueden dar distintos diámetros y geometría interna de tal forma que podemos encontrar múltiples aplicaciones ya sean eléctricas, mecánicas o térmicas. Al estudiarse se encontraron nanotubos monocapa (figura 6) o de pared simple (SWNT) y los multicapa o de pared múltiple (MWNT). Fig. 4 C60 o fullereno. Richard Buckminster Fuller,9 por la similitud con las estructuras que diseñaba. Los 90´s pilar de la nanotecnología Poco antes de comenzar esta década, la compañía IBM, logró una demostración impresionante donde consiguieron escribir el logotipo de la empresa a escala atómica, utilizando 35 átomos de xenón (figura 5), una diminuta lámina de metal cristalino y un Microscopio de Tunelamiento (STM), el cual toma imágenes de superficies a nivel atómico y no solo puede ser usado con vacío, sino también en agua, aire y líquidos o gases presentes en el ambiente a una temperatura que alcanza casi el cero Kelvin hasta cientos de grados Celsius.10 Fig. 5. Logo IBM realizado con xenón sobre níquel.11 Nanotubos de carbono En 1991 se descubre una de las estructuras más interesantes y con gran potencial de aplicación: los Nanotubos de carbono, descubiertos por Sumio Iijima, aunque se cree que la primera evidencia de la naturaleza tubular de algunos filamentos de carbono se publicó en 1952 en el Journal of Physical Chemistry.12 Podemos imaginar a los nanotubos como una lámina de grafito enrollada para formar Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 Fig. 6. Nanotubo de carbono de pared simple. 13 En 1993 se da el primer informe sobre nanociencia realizado por la Casa Blanca. El libro Engines of Creation, se envió a la administración de la Universidad de Rice y estimuló la creación del primer centro de nanotecnología.14 Fue hasta 1994 cuando la University of Southern California (USC) realizó el primer curso basado en un libro de texto el cual tenía por nombre Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation, impartido por el Profesor Ari Requicha, un profesor-investigador portugués que impulsó el crecimiento de la nanotecnología molecular en la USC. En esta década se presenciaron algunos eventos destacables como lo fue el esparcimiento de nuevos centros y grupos de investigación nanotecnológica fuera de Estados Unidos. Se entrega el primer premio Feynman, el cual busca motivar a los investigadores a que sus trabajos se vean orientados hacia el avance y desarrollo de la nanotecnología molecular. En el año 1997 se crea la primera empresa dedicada a desarrollar materiales nanoestructurados e integrarlos en nuevos productos de áreas diversas como la industria automotriz, aeroespacial, marítima, 17 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. de salud y alimentos. Esta compañía continúa hasta hoy sus operaciones y se ha dividido en tres secciones independientes: Zyvex Technologies, Zyvex Labs y Zyvex Instruments. También se lograron grandes avances en tecnologías de computación y simulación virtual, telefonía, internet, así como también en el giro biológico y químico.15 En reconocimiento a los avances en el estudio de la nanoescala, el National Science and Technology Council (NSTC) de la Casa Blanca creó en 1998 la Interagency Working Group on Nanoscience, Engineering and Technology (IWGN). En enero del año 2000, el presidente William J. Clinton dio un discurso al IWGN y habló sobre el mundo a la nanoescala y su gran importancia para la ciencia y tecnología. En febrero del 2000, el presidente dio a conocer la inversión por $497 millones de dólares en el presupuesto del año fiscal 2001 para crear la multi-agency National Nanotechnology Initiative (NNI), que tenía como fin formar una coalición de amplia base en el mundo académico a nivel privado y público, para trabajar juntos y ampliar los límites de la nanociencia y nanotecnología.16 El avance del entendimiento de la nanotecnología ha ido creciendo exponencialmente, en el 2014 se celebró el 40 aniversario del nacimiento de la palabra “Nanotecnología”. Se han realizado muchos descubrimientos a lo largo de este tiempo, pero como podemos ver, aún existen muchas áreas que explorar. Hoy en día no podemos saber el comportamiento de todos los materiales a escala nanométrica, por lo tanto, no podríamos predecir con exactitud donde estaremos en los próximos 40 años, teniendo tanto por conocer. Nanotecnología: La Siguiente revolución Industrial La nanotecnología ha revolucionado la manera de ver el mundo y la forma de hacer las cosas. Ha ingresado nuevas palabras y definiciones en nuestro lenguaje. Desde la primera definición oficial en el año 1999, establecida por la Fundación Nacional de Ciencia (NSF),17 hasta la definición más reciente publicada en el 2010 por la Organización Internacional de Estandarización (ISO) la cual dice: 1. Comprensión y control de la materia y los procesos a escala nanométrica, por lo general; aunque no 18 exclusivamente, por debajo de 100 nanómetros de una o más dimensiones, donde la aparición de fenómenos dependientes del tamaño por lo general permite nuevas aplicaciones. 2. Utilizando las propiedades de los materiales a nanoescala que difieren de las propiedades de los átomos individuales, moléculas y materia a granel o “bulk”, para crear materiales novedosos, dispositivos y sistemas que explotan estas nuevas propiedades. La comprensión de las palabras relacionadas a nanotecnología: Nanoescala, Nanociencia, Nanopartícula, Nanoingeniería, Nanodispositivos, Nanomateriales han ido creando un nuevo léxico. En el área de la investigación los artículos indexados sobre nanotecnología han ido en aumento a partir del año 2000, como se puede observar en la figura 8, lo cual es una consecuencia debido a que entre el año 1991 y 1998 en Estados Unidos; punta de lanza en nanotecnología, se creó el primer programa enfocado a Nanopartículas y la creación de la asociación llamada “Partnerships in Nanotechnology”. Fig. 8. Gráfico de los artículos indexados en los últimos 14 años. En este mismo año en Estado Unidos, se crearon las directrices sobre la investigación de la nanotecnología compiladas en un documento oficial por el Consejo Nacional de Tecnología llamado “Nanotechnology Research Directions” (NSTC).18 Derivado a esto y a la creciente necesidad de nuevo conocimiento especializado y multidisciplinario, paulatinamente se han creado nuevos programas educativos desde niveles básicos como preparatoria hasta grados de doctorado, donde actualmente Asia y América son los que llevan la delantera pero sin dejar Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. atrás a Europa. En países como Japón se han creado institutos de investigación con especialización solo en nanotecnología (figura 9) La nanotecnología es un nuevo mundo, pero no es enteramente una nueva área de aplicación. Los científicos se han inspirado en el comportamiento de la naturaleza ya que está la utiliza continuamente, por ejemplo la habilidad de los Geckos de trepar las paredes utilizando cabellos nanométricos adhesivos, que actúan en conjunto para sostenerlos en el techo o paredes.19 En las hojas de la flor de loto, se pueden ver como su superficie tiene un recubrimiento hidrofóbico que le ayuda a disminuir la humedad, y así podemos dar un sinfín de ejemplos.20 La Nanociencia en base al estudio de la naturaleza ha desarrollado, diseñado y manipulado nuevos materiales y ha creado nuevas aplicaciones en las diferentes áreas. sus propiedades sin incremento significativo en peso, grosor o rigidez. Por dar un ejemplo muy general están las telas del tipo “Nanowhiskers”, las cuales hacen telas resistentes al agua (figura 10) y anti-manchas (self-cleaners),23 también existen prendas con nanopartículas de plata que tienen efectos bactericidas, previniendo la aparición de enfermedades dermatológicas.24 Fig. 10. Superficies hidrofóbicas en textiles para ropa. Fig. 9. Estudios en Nanotecnología por continente.21 Por ejemplo una de las áreas más desarrolladas es la Medicina, el uso de la nanotecnología en el campo de la medicina ofrece posibilidades sorprendentes. Muchas aplicaciones ya están en uso mientras otras siguen en etapa de prueba. Actualmente se está implementado el uso del “Drug Delivery” el cual con ayuda de un dispositivo llamado “Nanocarrier”, que es ingerido por el paciente, viaja por el torrente sanguíneo liberando el medicamento de forma selectiva y eficiente minimizando los efectos secundarios.22 La combinación de estas dos áreas de la nanotecnología cambiara la manera en que detectamos y tratamos el daño al cuerpo humano y enfermedades en el futuro. En el área Textil la elaboración de telas decoradas con nanopartículas o nanofibras permite mejorar Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 NEMS (Nanoelectro Mechanical Systems) Los Sistemas Nanoelectromecánicos tienen la posibilidad de controlar, detectar y activar los dispositivos a microescala y pueden funcionar en conjunto para generar cambios a la macroescala. Existen proyectos a nivel mundial, en los cuales buscan hacer circuitos electrónicos flexibles, incrementar la densidad de memoria de los microchips, mientras que en otros se busca mejorar la velocidad de transmisión de datos entre circuitos integrados o mejorar el enfriamiento de estos dispositivos. La posibilidad de incrementar las capacidades de dispositivos electrónicos, al mismo tiempo en que reducimos su peso y su consumo energético hacen que los NEMS sean el siguiente paso para la “Silicon Revolution”.25 En la industria alimenticia ha impactado, como la comida es: cultivada, procesada y empaquetada. Las compañías están desarrollando nanomateriales que no solo cambiaran el sabor de la comida, sino también en como los nutrientes son adsorbidos en nuestro cuerpo. Además, recipientes de basura con nanopartículas de plata que matan cualquier bacteria, minimizando el riesgo a la salud. Investigadores de Technische Universität München han desarrollado un método para hacer sensores en superficies plásticas 19 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. flexibles que tiene como aplicación medir el tiempo de caducidad del producto. Se están desarrollando pesticidas que solo son liberados en los estómagos de los insectos para minimizar los efectos de la contaminación en plantas. Probablemente uno de los más ambiciosos es la conexión de sensores y dispensadores usados en campos de cultivos que detectan cuando una planta necesita de nutrientes e inmediatamente sean suministrados.26 En el área energética con el apoyo de nanoestructuras y nanopartículas, se ha desarrollado dispositivos fotovoltaicos (celdas solares) más eficientes que las típicas o materiales absorbentes de luz para las mismas (figura 11). Existen diferentes tipos de celdas por ejemplo: celdas solares de nanocristales inorgánicos en medio continuo, con este tipo de celdas se superan los problemas reportados de baja eficiencia de conversión. También podemos encontrar celdas solares sensibilizadas con nanopartículas de PbSe en las cuales se ha encontrado de manera experimental que se puede utilizar los electrones calientes “hot-electrons” que se disipan en forma de calor para generar energía eléctrica.27 de tratamiento que podrían permitir la utilización económica de las fuentes de agua no convencionales para ampliar el suministro de agua. Tabla I Se presentan algunas de las aplicaciones de la nanotecnología.28 Producto Cómo funciona Combinan polímeros y nanopartículas Nanoesponjas de vidrio que se pueden estampar p a r a l a en superficies como las telas para cap taci ón d e absorber agua. Instituto Tecnológico agua de lluvia de Massachusetts, (EUA) Las nanopartículas magnéticas de Nano óxido para óxido de hierro suspendidas en agua la remoción de se unen al arsénico, que luego se arsénico quita con un imán. Universidad de Rice (EE. UU.) Combinación de polímeros y nanopartículas que atrae iones Membranas de agua y repele sales disueltas. desalinizadoras Universidad de California, Los Ángeles y NanoH2O Membrana hecha de polímeros con Membranas de poros de entre 0.1 y 10nm. Saehan nanofiltración Industries. Corea Dispositivo de filtración semejante a una pajita (popote), hecha con Tubo con nanotubos de carbono colocados nanomalla sobre un material poroso y flexible. Seldon Laboratories (EUA) Filtro mundial Filtro pesticidas Fig. 11. Módulos de celdas solares en residencias La nanotecnología en tratamientos de agua El agua es la sustancia más esencial para la vida en la tierra y un recurso muy valioso para la civilización humana. El acceso confiable a agua limpia es considerado una de las metas humanitarias más básicas, y sigue siendo un importante reto mundial. La nanotecnología ofrece oportunidades para desarrollar los sistemas de abastecimiento de agua de última generación, además de capacidades 20 Filtro que usa una lámina de nanofibra hecha a base de polímeros, resinas, cerámica y otros materiales, capaz de eliminar contaminantes. KX Industries (EUA) Filtro que emplea nanopartículas de plata para la adsorción y degradación de tres pesticidas comúnmente de hallados en fuentes de abastecimiento de agua de la India. Instituto Indio de Tecnología de Chennai y Eureka Forbes Limited ( India) Tendencias Cuando Feynman citó aquellas palabras e imagino cosas radicales pero físicamente posibles, se empezó a transformar el mundo, la nanotecnología salió del laboratorio para convertirse en una realidad que está revolucionando al mundo. En la actualidad, podemos encontrar un sinfín de aplicaciones y está al alcance de cualquier bolsillo, con una tendencia a expandir su dominio en cada una de las áreas de la vida cotidiana. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �La nanotecnología a 40 años de su aparición: Logros y tendencias / Brenda Janett Alonso Gutiérrez, et al. Fig. 12. Se muestran tendencias de trabajos y ganancias generadas por el sector nanotecnología. En la figura 12 se presentan las proyecciones hacia el 2020,29 donde se puede observar como el interés por la nueva ciencia y su aplicación, está moviendo la educación, el empleo, la ciencia. Esta ante nuestros ojos una nueva revolución, pero a diferencia de lo sucedido en la revolución industrial con el uso desmedido del carbón y sus repercusiones ambientales, la Nanorevolución, llegó de una manera eficiente y amigable con el planeta. AGRADECIMIENTOS A los alumnos, Gildardo Javier Ziga Carbarín, Eduardo E. Carranza Bernal por su participación parcial en el presente trabajo. Al Dr. Leonardo Chávez Guerrero por la dirección y revisión del artículo, durante la clase de Fundamentos de la nanotecnología, en el semestre Agosto-Diciembre de 2014. REFERENCIAS 1. http://www.madrimasd.org/revista/revista35/ tribuna/tribuna1.asp 2. John Mongillo, Nanotechnology 101, Greenwood Press 2007. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 3. http://blogs.creamoselfuturo.com/nanotecnologia/2006/10/03/richard-p-feynman-nobelde-fisica-1965/ 4. International Standards Organization (ISO), TC 229: Nanotechnologies (2010) 5. http://www.oei.es/salactsi/udnano.pdf José Ángel Martín Gago nanociencia y nanotecnología entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro fundación española para la ciencia y la tecnología, 2009. 6. 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Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 23 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión Ever Benjamín Huerta LeijaA, Ernesto Vázquez MartínezB, Gina María Idarraga OspinaB A B Posgrado Ingeniería Eléctrica FIME-UANL Profesor Investigador FIME-UANL evazquezmtz@gmail.com, gidarraga@gmail.com, ever_hl89@hotmail.com RESUMEN En este artículo se describen los principales algoritmos de localización de falla en líneas de transmisión que utilizan mediciones de voltaje y corriente de un solo terminal de la línea, se desarrollan las ecuaciones generales de cada algoritmo y se hace un énfasis en los problemas de aplicación que ocasionan errores en la determinación del punto de falla, se analiza el grado de precisión de los algoritmos utilizando un sistema de potencia de dos máquinas simulado en MATLAB, finalmente, se propone una mejora en el algoritmo de reactancia mediante la estimación de algunas mediciones eléctricas en la terminal remota de la línea de trasmisión aumentando la precisión del algoritmo. PALABRAS CLAVES Localización de falla, resistencia de falla, equivalente Thevenin, línea de transmisión. ABSTRACT The principal single-ended fault location algorithms for transmission lines are described in this paper, the general equations of each algorithm are developed and errors in the estimation of fault location are exposed; an analysis of the accuracy of the algorithms is performed using a two machines power system simulated in MATLAB. A new approach of Reactance algorithm is proposed, the accuracy of the algorithm increases by estimation of electrical measurements at the remote end of the line. KEYWORDS Fault location, fault resistance, Thevenin equivalent, transmission lines. INTRODUCCIÓN La energía eléctrica hoy en día es una de las principales y más importantes fuente de energía, muchas de nuestras actividades diarias no se llevarían a cabo sin este tipo de energía, el constante aumento en la población y la industrialización han hecho que la demanda de energía aumente considerablemente por lo que se tiene que satisfacer los requerimientos de energía, lo que ha ocasionado un crecimiento en el sistema eléctrico. El proceso de distribución de energía eléctrica comienza desde el punto de generación hasta el punto de consumo que puede ser del tipo industrial, residencial o comercial, por lo general el punto de 24 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. generación está alejado de las zonas de consumo debido a esto se tiene que transmitir la energía por grandes distancias; esto trae como consecuencia que se incrementen los niveles de tensión para disminuir las pérdidas en las líneas de transmisión; las grandes distancias recorridas por las líneas y las condiciones de las áreas por donde pasan, la hacen susceptibles a fallas por lo que es muy importante tener un sistema de protección confiable. Al ocurrir una falla en una línea de transmisión los sistemas de protección deben operar de manera rápida para liberar la falla y evitar así severos daños a los equipos o personal de campo. La determinación precisa del punto donde ocurrió la falla es crítico, ya que de ello depende el tiempo de reparación por parte del personal de mantenimiento, si la ubicación de la falla no es bien estimada, esto se reflejara en un tiempo mayor en que la línea este fuera de servicio, debido al tiempo invertido por el personal para ubicar el punto de falla. Esto es crítico cuando la línea está ubicada en terreno de difícil acceso (montañas, pantanos, etc.). Así mismo el tiempo que la línea este fuera de servicio puede afectar la estabilidad del sistema de potencia si se presentan incrementos en la demanda durante este tiempo.1 La mayoría de los algoritmos de localización determinan la ubicación de la falla como la impedancia de la línea de transmisión entre la protección y el punto de falla, utilizando los fasores de voltaje y corriente de secuencia positiva, estos algoritmos se dividen en dos tipos: Algoritmos de un solo terminal, estos algoritmos solo utilizan la información de un extremo de la línea y no requieren información del extremo opuesto. Estos algoritmos tiene un error en la localización de la falla entre un 10 y un 40% de la longitud de la línea.2 Algoritmos de dos o más terminales, estos algoritmos requieren la información del extremo opuesto de la línea protegida lo que aumenta su precisión respecto a los de un solo terminal. Estos algoritmos requieren de facilidades de comunicación para intercambiar información entre las terminales de la línea. El error de este tipo de algoritmos es menor al 5%.3 Existen otras técnicas de localización de falla que además de utilizar los fasores de secuencia Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 positiva utilizan otro tipo de información. En 4,5 se hace uso del fenómeno de onda viajera en el cual se consideran las ondas de voltaje y corriente viajando prácticamente a la velocidad de la luz desde el punto de falla hasta las terminales de la línea; estos métodos son considerados muy exactos, sin embargo para su aplicación requieren altas frecuencias de muestreo y el uso de TC y TP ópticos por su mayor ancho de banda. En 6,7 se hace uso de las componentes de alta frecuencia de voltaje y corriente generados por las fallas, que viajan entre la falla y las terminales de la línea; estos métodos son una buena alternativa en comparación a los basados en ondas viajeras, sin embargo son sensibles al ruido, por lo que requieren del uso de filtros sintonizadores para la medición de las componentes de alta frecuencia. En este trabajo se hace énfasis en los algoritmos de localización de fallas de un solo terminal, cuáles son los problemas que provocan errores en la determinación del punto de falla y por último se propone una mejora del algoritmo de reactancia mediante la estimación de algunas mediciones eléctricas del extremo remoto de la línea de transmisión fallada. ALGORITMOS DE LOCALIZACIÓN DE FALLA DE UN SOLO TERMINAL Este tipo de algoritmos hacen uso de los fasores de voltaje y corriente de un solo terminal de la línea protegida, su principal ventaja es que no requieren comunicación con el extremo remoto de la línea por lo que los hacen los más utilizados cuando no se cuenta con la capacidad de comunicación; el problema de estos algoritmos es que se desconoce la magnitud de la corriente de falla del extremo remoto lo que provoca errores en la estimación del punto de falla. Estos errores son debido principalmente a la resistencia de falla y a los ángulos de las impedancias equivalentes a ambos extremos de las líneas. Los algoritmos se diferencian entre sí según la forma en que compensan el error producido por la resistencia de falla al momento de calcular la distancia a la falla. En la figura 1 se presenta el diagrama unifilar de una línea de transmisión corta con una impedancia total ZL=RL+jXL (se desprecia el efecto capacitivo), 25 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. conectada entre dos sistemas representados por sus equivalentes Thevenin (EA, ZA, EB, ZB), donde ocurre una falla en el punto F, con un valor de resistencia de falla Rf. La impedancia a la falla desde la terminal A es mZL, donde la distancia a la falla se representa por m, que es una magnitud normalizada con respecto a la longitud de la línea, donde 0<m<1, tal que si m=0 la falla esta al inicio de la línea y si m=1 la falla ocurre al final de la línea. Considerando que el localizador de falla está en la terminal A, de la figura 1 se deduce: Algoritmo de reactancia8,9 El algoritmo de reactancia se basa en la determinación de la componente imaginaria de la impedancia medida en condiciones de cortocircuito. Partiendo de (1): Tomando la componente imaginaria de (2): (1) Donde son el voltaje y la corriente en la terminal “A” de la línea, es la corriente total de falla, que es la suma de las corrientes de falla desde ambas terminales de la línea, , y m es la distancia a la falla. Así el cálculo de m depende del voltaje y la corriente local (terminal A) y del valor de la corriente total de falla, . De lo anterior se concluye que el término representa el error en la estimación del punto de falla; en el caso de una falla sólida, donde Rf=0, el error de estimación sería nulo. Sin embargo, el valor Rf siempre está presente, y representa el valor de la resistencia de arco para una falla entre fases o la suma del valor de la resistencia de arco más la resistividad del terreno para una falla a tierra. A continuación se describen los algoritmos de Reactancia,8,9 Takagi,10 Novosel11 y Phadke12 que no requieren conocer las impedancias equivalentes de los extremos de la línea pero realizan ciertas consideraciones para reducir el error debido a que no se conoce la información de lado opuesto de la línea de transmisión. Algunos de estos algoritmos se utilizan en los relevadores comerciales, e.g. los relevadores GE utilizan el algoritmo de Takagi para la localización de fallas.11 (2) (3) (4) Haciendo la aproximación de que en (4) la Rf es muy pequeña o cero, la expresión de la distancia a la falla queda: (5) donde son el voltaje y la corriente medidos por el localizador, que se forman de acuerdo al tipo de falla según la tabla I. En la tabla I se define como: (6) donde son las impedancias de la línea de secuencia cero y positiva respectivamente. El error provocado por la corriente de falla está dado por: (7) Tabla I. Voltajes y corrientes medidos por el localizador de falla. Tipo de falla at bt ct ab,abc,abt bc,abc,bct ca,abc,cat Fig.1 Sistema unifilar de un sistema fallado, con modelo de línea corta. 26 abct Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. El error es nulo en 2 escenarios, primero si Rf=0 y segundo si están en fase, esto quiere decir que no hay generación en el extremo remoto de la línea o cuando el desfasaje de las fuentes de generación es cero (δ=0) y el sistema es homogéneo (las impedancias del sistema tienen ángulos iguales); no obstante este escenario es poco factible que ocurra en la práctica. Algoritmo de Takagi10 El algoritmo de Takagi trata de eliminar el error del algoritmo de reactancia multiplicando el término del voltaje en la falla por una magnitud tal, que el resultado sea real. En la figura 2 se muestran los circuitos equivalentes de prefalla y falla respectivamente para la línea descrita en la figura 1. De la figura 2 se tiene: (8) Sea , de donde: (9) Multiplicando (1) por el conjugado complejo de (9), se tiene: (10) De (9) y (10) se obtiene: (11) Tomando la parte imaginaria de (11) se elimina el término que contiene a Rf: (12) De donde: (13) (14) Takagi hace la aproximación α=0 y resulta: (15) La suposición de α=0 hace que el factor de distribución de corriente (KA) queda como número real lo que equivale a suponer que el sistema es homogéneo, introduciendo un error en la estimación del punto de falla cuando el sistema no lo es. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 Fig. 2. Circuitos equivalentes de prefalla (a) y de falla (b) para un cortocircuito trifásico en el sistema de la figura 1. Algoritmo de Novosel11 El algoritmo de Novosel, constituye una versión mejorada del algoritmo de Takagi en que no se requiere conocer las impedancias de las fuentes, tampoco supone que el sistema es homogéneo, la suposición se basa en que las redes de secuencia positiva y negativa son homogéneas más no la de secuencia cero. En el algoritmo de Novosel se considera que el factor de distribución de corriente de secuencia negativa es un número real, y se obtienen ecuaciones en que el factor de distribución de corriente de secuencia cero no afecta la exactitud del estimado de la localización de la falla cuando ésta involucra tierra. Además, la exactitud del algoritmo no se ve influenciada por la magnitud del factor de distribución de la corriente de secuencia negativa. Esto ocasiona que se tenga una ecuación para cada tipo de falla. 27 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. Falla monofásica a tierra En este tipo de falla las redes de secuencia quedan conectadas en serie (16) y la corriente medida por el localizador de falla en la fase ‘a’ es: (17) El voltaje medido por el localizador es: (18) Suponiendo que la red es homogénea, es decir el ángulo de K1=0 resulta: (19) Descomponiendo (19) en sus partes real e imaginaria se obtienen dos ecuaciones con dos incógnitas m y k, resolviendo el sistema de ecuaciones para eliminar k se obtiene la distancia a la falla, quedando: (20) En (20) se utiliza la corriente de secuencia positiva de tal forma se desprecia el desbalance existente en la línea en el estado estable. Falla bifásica a tierra Siguiendo un procedimiento similar con la excepción de que la en la falla bifásica las redes de secuencia quedan en paralelo, la expresión de la posición de la falla queda como: (21) Falla bifásica En (22) se indica la posición de la falla para una falla bifásica. En este caso las redes de secuencia positiva y negativa se conectan en paralelo. (22) 28 Falla trifásica En el caso de la falla trifásica solo se utiliza la red de secuencia positiva, de acuerdo al algoritmo de Novosel se pueden utilizar las señales de cualquiera de las tres fases y la posición de la falla está dada por: (23) Algoritmo de Phadke12 En este algoritmo el voltaje medido por el localizador de falla es representado por: (24) es la corriente en el lado “A” de la fase es la corriente de secuencia cero en el dónde “a” y lado“A”. Representando la corriente de falla en función de la componente de secuencia positiva y del factor de distribución de corriente correspondiente: (25) Entonces, sustituyendo (25) en (24) se obtiene: (26) Descomponiendo (26) en sus partes real e imaginaria se obtienen dos ecuaciones con dos incógnitas m y k, resolviendo el sistema de ecuaciones para eliminar k se obtiene la posición de la falla: (27) Esta expresión ha sido definida como algoritmo de Phadke de corriente total de falla. MODIFICACIÓN DEL ALGORITMO DE REACTANCIA El algoritmo de reactancia trata de determinar la componente imaginaria de la impedancia de secuencia positiva medida en condiciones de cortocircuito, para hacer una comparación con la impedancia de la línea y de esta manera determinar la posición de la falla. Este algoritmo es preciso cuando no hay fuentes en el otro extremo de la línea o los ángulos de los voltajes son Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. iguales en ambos lados, sin embargo estos escenarios son pocos factibles que ocurran en la práctica y tiene como consecuencia que este algoritmo pierda precisión en la localización de la falla. Mediante la estimación de mediciones tales como corriente y voltaje del otro extremo de la línea es posible aumentar la precisión del algoritmo de reactancia. En la figura 3 se indican las mediciones locales disponibles por el localizador (lado 1) y las mediciones que se pretenden estimar en el lado remoto de la línea (lado 2). Fig. 3. Mediciones utilizadas en el algoritmo de reactancia modificado. A partir de I1 y de P1 se puede estimar P2 como: (28) donde el signo depende de la dirección de la potencia antes de ocurrir la falla. De igual forma la magnitud de V2 se puede estimar como: (29) donde ∆V es: (30) Adicionalmente, a partir de la ecuación de transferencia de potencia en una línea de transmisión se puede determinar el ángulo (δ2) de V2, como: (31) Suponiendo una tasa de transferencia relativamente baja es decir cos (θ1)=cos(θ2), de la ecuación de potencia de carga obtenemos la magnitud de la I2. (32) y de la diferencia angular del ángulo del factor de potencia obtenemos ángulo (α2) de I2. (33) Partiendo de (1) y resolviendo para m queda (34) Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 definiendo donde: Sustituyendo (34) en (33) (35) (36) (37) Tomando solo la parte imaginaria de (36) la ecuación para determinar el punto de falla es: (38) Además de las mediciones locales de voltaje y corriente , en (38) se necesita conocer el valor de KA, que depende de la corriente de falla (IF), de donde se desconoce la corriente del lado remoto , con las consideraciones vistas anteriormente, se puede hacer una aproximación de la corriente que tomándola en cuenta puede reducir el error en la estimación del punto de falla. EVALUACIÓN DE ALGORITMOS Sistema de prueba En la figura 4 se muestra el sistema de potencia utilizado para analizar el desempeño de los algoritmos de localización de falla, el cual consta de 2 generadores de 60 Hz unidos por una línea de transmisión de 400 kV con una longitud de 200 km. La determinación del punto de falla se realiza con respecto al terminal A. Los datos del sistema se resumen en la tabla II. Descripción de casos de prueba El desempeño de los algoritmos de localización de falla descritos así como la modificación al algoritmo de reactancia se realiza para dos tipos de falla. Primero se simulará una falla monofásica variando la ubicación de la falla entre un 20 % y 60% de la Fig. 4 Sistema utilizado para la evaluación de los algoritmos. 29 �Algoritmos de localización de fallas en líneas de transmisión / Ever Benjamín Huerta Leija, et al. Tabla II. Datos del sistema. Longitud R1 R0 L1 L0 C1 C0 R1 L1 Línea 200 km 0.031311 ohm/km 0.31486 ohm/km 0.0010443 H/km 0.0032994 H/km 1.11522x10-08 F/km 7.34092x10-09 F/km Generadores 0.8929 ohm 0.01658 H longitud de la línea, con una resistencia constante de falla de 10 Ω y una diferencia angular constante entre las fuentes de 30°; en este caso el terminal remoto está definido como un bus infinito. En segunda instancia se simulará una falla monofásica al 50 % de la línea variando la resistencia de falla desde 0 hasta 10 Ω y una diferencia angular entre las fuentes de 30°. El sistema de prueba y la implementación de los algoritmos de localización de falla se realizaron en Simulink/Matlab. RESULTADOS En las tablas III y IV se presenta un resumen de los resultados de localización de falla obtenidos por los algoritmos de Reactancia, Takagi, Novosel, Phadke y Reactancia modificado para dos escenarios, el primero es la variación de la posición de la falla en la línea (tabla III), y el segundo es la variación de la resistencia de falla (tabla IV). En ambos escenarios se observa que el algoritmo de reactancia es el que presenta el mayor error en la estimación del punto de falla (32.5% en promedio en ambos escenarios); por otra parte, los algoritmos de Takagi, Novosel y Phadke tienen un menor error en la estimación del lugar de falla, de estos tres algoritmos, el de Phadke es el que presenta el menor error en promedio (18.5%). En lo que respecta al algoritmo propuesto de Reactancia modificado, el error de estimación es de 6.45%, lo que representa una mejora del 39% respecto al algoritmo de Reactancia original. 30 Tabla III. Resultados para una falla monofásica Rf=10 Ω y δ=30° Distancia 20% (40 km) 40% (80 km) 60% (120 km) m Reactancia Takagi Novosel Phadke Reactancia modificado 33.74 55.52 36.58 36.58 46.56 53.72 93.62 64.34 64.34 86.94 64.9 126.44 89.76 89.76 127.14 Tablas IV. Resultados para una falla monofásica en m=0.5 (100 km) y δ=30° Rf m (Ω) Reactancia Takagi Novosel Phadke Reactancia modificado 0 72.28 129.26 72.95 84.18 10 60.44 110.78 77.38 77.38 5 66.2 119.6 80.8 80.8 98.16 102.56 107.02 CONCLUSIONES En este artículo se describen los algoritmos de localización de fallas que utilizan información de un solo terminal de la línea de transmisión fallada y se desarrollaron las ecuaciones generales de cada algoritmo. Estos algoritmos tienen problemas de precisión debido a la presencia de R f y al desconocimiento de la información del extremo opuesto de la línea de transmisión. Se analizó el grado de precisión de los algoritmos y finalmente se propuso una modificación del algoritmo de reactancia, mediante la estimación de algunas mediciones del extremo opuesto de la línea de transmisión. Los resultados muestran un aumento en la precisión del algoritmo de reactancia. REFERENCIAS 1. M.M Saha; J. Izykowski ; E. 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Esta función está hecha para Maxima, el sistema de álgebra computacional publicado bajo la Licencia Pública General de GNU. Se compara contra alternativas similares mostrando ventajas como: la posibilidad de ingresar funciones periódicas segmentadas; permite utilizar información sobre la simetría de la función; despliega la serie de manera clásica o compleja, además permite obtener las constantes de la serie integrando término por término con el objetivo de obtener la expansión en aquellos casos en los que al menos uno de sus coeficientes es indefinido. Las series de Fourier son indispensables, tanto en matemáticas puras como en las aplicadas. El código desarrollado para este trabajo, tiene el potencial de facilitar significativamente el uso de esta valiosa herramienta. PALABRAS CLAVE Series de Fourier, álgebra computacional y enseñanza de las matemáticas en ingeniería. ABSTRACT The Fourier() function for symbolic calculation of series is proposed. This function is made for Maxima, a computer algebra system released under the GNU General Public License. It is compared against similar alternatives, showing advantages such as: possibility of entering segmented periodic functions; allows the use of information about the symmetry of function; display series in a classical or complex manner. It also allows to obtain the constants of the series by integration term by term aiming to obtain the series in cases where at least one of its coefficients is undefined. Fourier series are indispensable in both, pure and applied mathematics. The code developed for this work, has the potential to provide significant aid using this valuable tool. KEYWORDS Fourier series, computer algebra and mathematical education in engineering. INTRODUCCIÓN Una función periódica es aquella cuyos valores se repiten a intervalos constantes de la variable independiente. Al valor del intervalo se le denomina 32 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. período. Funciones trigonométricas elementales como seno y coseno son ejemplos. Diversos fenómenos naturales, como las ondas, pueden ser representados como funciones periódicas. En términos matemáticos, una función periódica f(t) es aquella que cumple la siguiente propiedad: donde t es la variable independiente y T es la constante que representa el período de la función. En las funciones trigonométricas mencionadas, T es igual a 2π. Se utiliza t, en vez de x, ya que la variable independiente suele ser el tiempo. Una serie de Fourier es la suma de una infinidad de funciones ortogonales, usualmente senos y cosenos, que se utiliza para representar cualquier función periódica que cumpla las condiciones de Dirichlet. Se definen estas condiciones para un período de la siguiente manera: 1) La función debe tener un número finito de discontinuidades; 2) El número de máximos y mínimos debe ser finito; 3) La integral del valor absoluto debe ser finita. La forma típica de estas series es la siguiente: donde w= 2π/T. Las constantes de la serie se calculan de la siguiente manera: Esta deducción supone que f(t) esta definida sobre el intervalo t0<t≤t0+T. Las series de Fourier se utilizan en el análisis de fenómenos periódicos. En general pueden ser empleadas para solucionar ecuaciones diferenciales en derivadas parciales, como la de calor, por citar un ejemplo. El cálculo de cada una de las constantes de la serie de Fourier puede ser un proceso que implique la solución de muchas integrales; al menos tantas como el número de segmentos que tenga la función. Es común que los cursos de series de Fourier que se imparten en facultades de ingeniería, se centren en Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 la forma de simplificar los cálculos; se enfocan en el tipo de simetría de f(t) y dejan «para otra materia» su aplicación en problemas clásicos de la ingeniería. Existen en el mercado opciones computacionales que pueden ayudar tanto a quienes aprenden así como a quienes aplican estos cálculos. Los programas Maple® y Mathematica®, que se orientan al cálculo simbólico, pueden ser utilizados para la solución de integrales. En estos programas se utilizan funciones para calcular directamente la expansión en serie de Fourier de una función periódica. Una opción a estos programas comerciales por los que se debe pagar licencia, es Maxima, que es un programa orientado al cálculo simbólico, gratuito y de código abierto, lo cual fomenta que la comunidad de usuarios extienda su funcionalidad continuamente. Para encontrar expansiones en series de Fourier, este programa ofrece fourie, que es un paquete (conjunto de archivos de código) que «carga» varias funciones para trabajar con estas series, pero que presenta las siguientes limitaciones: 1. No trabaja con funciones segmentadas; 2. La función periódica debe estar definida sobre el intervalo ; 3. No permite el aprovechamiento de simetrías; 4. No ofrece solución para cuando alguno de los coeficientes resulte indefinido; 5. No ofrece ninguna facilidad para crear gráficas de la serie de Fourier. En este trabajo se presenta la función Fourier(), elaborada especialmente para suprimir las faltas anteriores. Este logro es de utilidad, no solo para quienes están aprendiendo series de Fourier, sino para todo aquel que necesite de esta herramienta para realizar su labor. La función es comparada contra las alternativas que ofrecen Maple y Mathematica, así como contra fourie. Además de un catálogo de simetrías mas amplio, Fourier() tiene la ventaja de ofrecer la integración de los coeficientes de la serie uno por uno, lo que sirve en aquellas situaciones en las que al menos un coeficiente es indefinido. Este trabajo complementa al de Madrigal et al.1, donde se describe como utilizar Maxima para realizar transformadas de Laplace. La teoría del presente artículo fue tomada de textos típicamente empleados para el estudio de las series de Fourier.2–5 33 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. BREVE DESCRIPCIÓN DE MAXIMA Maxima es descendiente del sistema Macsyma, programa realizado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Muchos sistemas posteriores, tales como Maple y Mathematica están inspirados en él. La rama Maxima de Macsyma fue mantenida por William Schelter desde 1982 hasta su muerte en 2001. En 1998 él obtuvo permiso para liberar el código fuente bajo la licencia pública general (GPL, por sus siglas en inglés) de GNU. Gracias a su esfuerzo y habilidad, Maxima fue posible. Hay más información en http://maxima.sourceforge.net/es/. Maxima está disponible en Windows, Linux y MacOS X. En la página citada, se detallan las instrucciones para descargar e instalar Maxima y hay diversos manuales para el uso de este programa. Este software es de línea de comandos. Por ejemplo, si se desea obtener la integral de x2dx, se escribe lo siguiente: (%i1) integrate(x**2,x); (%o1) En la línea (%i1), se escribe la operación mientras que en la siguiente, (%o1), Maxima regresa el resultado. INSTALACIÓN Y FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE FOURIER() La función Fourier() ha sido probada en Windows, Linux y Mac OS, utilizando xMaxima y wxMaxima; interfaces gráficas que facilitan su uso. En estos dos últimos, funciona en el modo de consola. Para utilizar esta función en una sesión de Maxima, se debe cargar el archivo fs.mac de la siguiente manera: (%i1) load(“/directorio/que/contiene/fs.mac”)$ El archivo fs.mac, al que por conveniencia se referirá como paquete fs, se debe localizar en el directorio indicado. Para conseguir este paquete, se debe enviar un correo a la dirección sergio.madrigal. espinoza@gmail.com con el asunto: Función Fourier(). Para escribir este trabajo, se decidió utilizar wxMaxima, ya que esta es la interfaz gráfica más pulida; permite crear gráficas dentro de las líneas de instrucciones y exportar la sesión a L ATEX. El paquete fs proporciona la función Fourier(). 34 La entrada de la función, debe ser una sucesión cuyo primer valor es la variable independiente (t, x, etc.). Los demás valores representan la función periódica. Suponga que se tiene la siguiente función: (1) con T=2π. Para encontrar la expansión en serie de Fourier de f(t), se escribe en la línea de instrucciones lo siguiente: Se describe a continuación la interpretación de los resultados: T: El período de la función. w: La rapidez angular. : Constantes de la serie de Fourier. fs(t, nmax): Expansión en serie de Fourier de f(t), con nmax términos. Note que la función supone que T es la distancia entre el segundo y el último término de la sucesión ingresada a Fourier(). La función Fourier() supone que f(t) no exhibe simetría, entre otras cosas. Al momento de su desarrollo, se debía elegir entre varias funciones, cada una que representara uno o varios conjuntos de opciones, o una sola función que hiciera el trabajo y que tuviera varias opciones. Se decidió por esto último para simplificar la sucesión correspondiente a la entrada de la función, las opciones son establecidas desde fuera mediante indicadores globales (global flags). A continuación se detallan las opciones de Fourier(); los indicadores globales asociados a estas con ejemplos. Gráficas El indicador global asociado a las gráficas es fsplot. Sus posibles valores son: Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. none: Opción por omisión. Indica que no se desea ningún gráfico. normal: Esta opción se debe utilizar si se desea un gráfico de la serie de Fourier independiente de la interfaz de Maxima que se esta empleando. Se recomienda su uso en modo de consola o con la interfaz xMaxima. wx: Se recomienda esta opción si se trabaja con la interfaz wxMaxima. El resultado será una gráfica incrustada en la línea de resultados. Otro indicador global asociado a las gráficas es maxConst, cuyo valor por omisión es 10. Esto implica que la gráfica de la serie de Fourier utilizará 10 términos de la suma. Si se desea cambiar este valor a 50, por decir algo, se debe ingresar maxConst:50 a la línea de instrucciones de Maxima. Suponga que se desea la gráfica asociada a la expansión de f(x)=x para x [0,π] con 100 términos de la suma. Se debe escribir lo siguiente: El aviso “plot2d:expression evaluables to non numeric values somewhere in plotting range” se produce al graficar funciones segmentadas (la línea roja) no debe causar preocupación. Us: Es la opción por omisión. Implica que la función periódica no exhibe simetría (Unsymmetric). Even: Para funciones periódicas con simetría par. Odd: Impar. HW: Media onda. EQW: Cuarto de onda par. OQW: Cuarto de onda impar. La información sobre simetría puede ser utilizada para simplificar la sucesión que se ingresa a Fourier(). Suponga que se tiene la siguiente función periódica con T=4π: Puesto que esta es una función periódica con simetría de cuarto de onda impar, basta especificar a Fourier() el tercer segmento, que va de cero a π. Simetrías Mediante el indicador global sym, se puede especificar a Fourier() el tipo de simetría que exhibe la serie. Sus posibles valores son: La información sobre la simetría simplifica hasta en cuatro veces la entrada de Fourier(). La expansión en serie de Fourier de f(t) se aproxima bastante bien con tres términos de la suma. Cuando se utilizan las simetrías HW, EQW y OQW, la constante n puede ser sustituida por k para k= 1, 2, . . .. Esta es una práctica usual en cursos sobre la materia; se acostumbra escribir a(2k−1) y b(2k−1) en lugar de a(k) y b(k), respectivamente. Fig. 1. Gráfica resultante de la instrucción (%i3). Fig. 2. Gráfica resultante de la instrucción (%i6). Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 35 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. Cuando el valor de sym sea diferente al valor por omisión, la función periódica debe ser especificada partiendo desde cero. Siempre es posible especificar una función simétrica de esta forma. Si la simetría es par, impar o de media onda, el segmento que se debe especificar es el que va de cero a T/2. Si la simetría es de cuarto de onda, el segmento que se necesita especificar es el que va de cero a T/4. Forma de la serie de Fourier El indicador global fsf se utiliza para especificar la forma de la serie de Fourier. Sus posibles valores son: Classic: Forma clásica de la serie de Fourier. La función periódica es representada como la suma ponderada de senos y cosenos. Complex: Forma compleja. Suponga que se desea encontrar la forma compleja de la expansión en serie de Fourier de f(t)=t2 para 0<t≤π con T=π. Esta expansión debe ser encontrada con los valores por omisión de los indicadores globales. Cada vez que el paquete fs es cargado, los indicadores globales toman sus valores por omisión. Por tanto: Si se indica graficar la serie, lo que se observa es el gráfico de la expansión clásica en lugar de la compleja. Integración término por término En algunas ocasiones, no sera posible obtener las constantes de la serie de Fourier como un «término enésimo». Esto ocurre cuando al menos una de las 36 constantes es indeterminada. Este es un problema que tiene una solución sencilla, pero que consume más tiempo computacional. Se debe integrar cada término para cada valor de n. Para activar esta opción se debe utilizar el indicador fsv. El valor por omisión de éste es false. Si se desea integrar término por término se debe escribir fsv:true. Para comprender mejor esta situación, se utilizará la siguiente identidad trigonométrica: Esta identidad puede ser deducida con análisis trigonométrico elemental. Sin embargo, es posible utilizar series de Fourier para demostrarla. Se procede como sigue: Observe que a(n) = 0 para n=1,3,4,5, . . .. La única excepción es a(2) = 1/2. Esto dificulta la solución de la integral asociada a esta constante; es la razón por la cual se necesita integrar cada término. Cabe aclarar que estas líneas de código no constituyen una demostración per se; su propósito es dar una idea de como sería dicha demostración utilizando series de Fourier. COMPARACIONES En la tabla I se detallan las principales características de Maple, Mathematica y Maxima. La característica multiplataforma, implica que el programa está disponible para Windows, Macintosh y Linux. En la tabla II se describen las características principales de cuatro paquetes, asociados a los programas anteriores, para el cálculo simbólico de series de Fourier. Mathematica es el único programa que no necesita añadidos para trabajar con series de Fourier, ya Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. Tabla I. Comparación entre sistemas de cómputo algebraico. Tabla II. Comparación entre diferentes paquetes. que tiene esta capacidad incorporada y ofrece seis funciones para trabajar. También ofrece funciones para realizar la transformada de Fourier, pero esas funciones no forman parte de este recuento. El paquete fourie de Maxima ofrece 16 funciones para el trabajo con series de Fourier, sin considerar la transformada. El paquete fs ofrece solo la función Fourier(). Sin embargo, con esta función y sus opciones se puede realizar prácticamente todo el trabajo. Todos los paquetes ofrecen la capacidad de trabajar con la forma senoidal y cosenoidal con excepción del paquete fs. Este es un tema para trabajos futuros. El paquete fourie de Maxima es el único que carece de soporte para trabajar con la forma compleja de la serie de Fourier. FourierSeries y fs son los únicos que permiten trabajar con funciones segmentadas. Esta es una gran ventaja sobre otras alternativas, ya que la mayoría de las funciones periódicas con las que se trabaja son de este tipo. Con la función Fourier(), es posible utilizar información sobre la simetría de la función para simplificar la captura de la misma. Es la única función que ofrece esta facilidad. Esto puede reducir la dificultad de la captura hasta en cuatro veces. Por último, pero no menos importante, Fourier() es la única función que permite integrar las constantes Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 una por una. Esta función será indispensable en aquellos casos en los que al menos un segmento tenga una o más constantes indefinidas. CONCLUSIONES Se propuso una función para el cálculo simbólico de series de Fourier. La función trabaja en Maxima, el programa de álgebra computacional publicado bajo la licencia GNU GPL. Con ejemplos se mostró el funcionamiento básico de esta función y sus posibilidades. Se comparó el desempeño de la función desarrollada en este trabajo contra alternativas similares. Sus principales ventajas son: la posibilidad de trabajar con funciones segmentadas; el uso de información sobre la simetría de la función para facilitar su captura y la integración término por término de los coeficientes. Una ventaja implícita de esta función es que aquí se ofrece sin tener que pagar licencias ya que al igual que Maxima es gratuita. REFERENCIAS 1. S. D. Madrigal Espinoza, R. Cantú Cuellar, and F. E. Treviño Treviño. Transformadas de Laplace con Maxima. In VIII Congreso de Ingeniería Industrial y de Sistemas, Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, Septiembre 2013. ISBN: en trámite. 37 �Series de Fourier con Maxima y la función Fourier () / Sergio David Madrigal Espinoza, et al. 2. Dennis G. Zill. Ecuaciones diferenciales, con aplicaciones de modelado. Thomson, Seneca 53, Col. Polanco, México, D. F., C. P. 11560, 6 edition, 2000. 3. Murray R. Spiegel. Transformadas de Laplace. McGraw Hill de México, México, D. F., 1991. 4. Earl D. 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Torres Hernández, Alejandro Altamirano Torres Departamento de Materiales, Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco yagheto@gmail.com, aat@correo.azc.uam.mx RESUMEN En este estudio se presenta la extracción de quitina a partir de exoesqueletos de camarón blanco (Litopenaeus vannamei) por tratamiento químico para la eliminación de proteínas y minerales presentes en los mismos; una vez obtenida se caracteriza por medio de Espectroscopia Infrarroja (IR), Difracción de Rayos X (DRX) y Análisis Térmico (TGA), así como su morfología por Microscopía Óptica (MO) y Electrónica de Barrido (MEB). Se plantea su incorporación como material de refuerzo para la fabricación de un material compuesto considerado un biopolímero dada la naturaleza de sus componentes. PALABRAS CLAVE Quitina, camarones, exoesqueletos, morfología, caracterización. ABSTRACT This study presents the extraction of chitin from white shrimp exoskeletons (Litopenaeus vannamei) by chemical treatment, for remove proteins and minerals in them. Once obtained is characterized by infrared spectroscopy (IR), X-Ray Diffraction (DRX), and thermal analysis (TGA) and its morphology by light microscopy and scanning electron microscopy (SEM). Its incorporation as a filler for the manufacture of a composite is proposed. KEYWORDS Chitin, shrimp, exoskeletons, morphology, characterization INTRODUCCIÓN La quitina es un polisacárido natural de gran importancia, se identificó por primera vez en 1884, es el segundo polímero natural más abundante solo después de la celulosa. En la actualidad la principal fuente de obtención de esta sustancia son los crustáceos (cangrejo, camarón, langosta, etc.), dependiendo de su origen la quitina puede encontrarse en dos polimorfismos, llamados α y β que pueden ser diferenciados por infrarrojo, y en estado sólido por espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) o Difracción de Rayos X (DRX). Una tercera forma la quitina  también ha sido encontrada. Pero análisis detallados muestran que es solo una variación de la quitina-α de acuerdo con Rinaudo y Majeti.1,2 El nombre Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 39 �Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso... / Yaret G. Torres Hernández, et al. Fig. 1. Molécula de quitina.6 sistemático de la quitina es β(1-4)-2-acetamido2-desoxi-D-glucosa y su estructura química es la siguiente (ver figura 1): Se le han encontrado numerosas aplicaciones en diferentes campos como: agricultura, cosmetología, y la industria alimenticia; la actividad industrial de procesado de los productos de la pesca, especialmente de crustáceos genera una gran cantidad de residuos que suponen un grave problema medioambiental. Los residuos del procesado del marisco contienen en general un 14-35% de quitina asociada con proteínas de acuerdo con estudios publicados;3,4 y dado su gran volumen, unido a su lenta capacidad de degradación, estimula la investigación de los posibles usos de esta sustancia. EXTRACCIÓN DE LA QUITINA Se recolecta una cantidad considerable (aprox. 4 kg) de desechos de camarón blanco (Litopenaeus vannamei) para ser tratados de la siguiente manera: Fig. 2. Exoesqueletos de camarón lavados y secados. 40 Fig. 3. Polvo de camarón y medio de molienda. se separan los caparazones (exoesqueleto sin cabeza y sin patas, como se muestra en la figura 2), se lavan con agua corriente para posteriormente ser secados en una estufa modelo HDP-334, a 80 °C durante 3 hrs., para después someterlos a un proceso de molienda en un mortero de alta alúmina buscando obtener un polvo fino (ver figura 3). Para controlar el tamaño de partícula se utiliza un tamiz, en este caso con un tamaño de malla número 32. Desmineralización Una vez obtenido el polvo se coloca en un vaso de precipitado conteniendo una solución de HCl 0.6N en una relación 1:11 sólido-líquido, a una temperatura de 30 °C durante 3 horas. El producto obtenido se filtra y se realizan lavados con agua destilada hasta alcanzar la neutralidad del medio (ver figura 4). Fig. 4. Tratamiento químico de los polvos de camarón. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso... / Yaret G. Torres Hernández, et al. Desproteinización El producto obtenido se pone en una solución de NaOH al 1 % a una temperatura de 28 °C durante 24 horas, con agitación constante para asegurar una completa desproteinización. El producto se purifica filtrando y realizando lavados con agua destilada hasta lograr la eliminación del exceso de base; finalmente se seca en la estufa a 80°C durante 3 horas. CARACTERIZACIÓN DE LA QUITINA Espectroscopia Infrarroja La quitina fue identificada mediante Espectroscopia Infrarroja mediante un Espectrofotómetro VARIAN 3600 FT- IR. La región analizada fue la de 4000400 cm-1; la metodología utilizada para obtener los espectros fue formar una pastilla mezclando la muestra con KBr en una relación en peso de 1:100 en una prensa manual. Difracción de Rayos X El análisis fue realizado en un Difractómetro automático Philips modelo X’Pert, los parámetros de análisis para la quitina fueron 2θ de 5 a 40°, pasos de 0.015° a temperatura ambiente (25ºC). Tabla I. Bandas de absorción de los grupos funcionales presentes en la quitina. Región (cm-1) Tensión 2,880 C-H 3,450 1,660-1,560 1,070-1,020 N-H C=O C-O Fig. 5. Espectro IR obtenido experimentalmente. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 Análisis Termogravimétrico (TGA) El Análisis Térmico se llevo a cabo en un equipo DSC/DTA SDT Q600 (TA Instruments), la metodología utilizada para realizar el análisis TGA se basó en la norma ASTM E- 1131-03, en modo dinámico. Se tomó una masa de 2.46700 ± 0,001 mg de muestra, se utilizó un intervalo de temperatura desde 30 hasta 600°C, con una velocidad de calentamiento de 5 grados/min y un flujo de nitrógeno de 20 ml/min. Microscopía Electrónica de Barrido El análisis cuantitativo de elementos tanto en el exoesqueleto de camarón como en la quitina se realizó en un Microscopio Electrónico de Barrido XL30 ESEM Phillips en alto vacío. Microscopía Óptica Las diferentes muestras fueron observadas en un Estéreo Microscopio marca Nikon, equipado con cámara digital marca Pixelink, modelo PLS621CU, para la obtención de información acerca de la morfología de las escamas de quitina. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Espectroscopia infrarroja El espectro obtenido (ver figura 5) nos confirma que el compuesto obtenido es quitina, al identificarse vibraciones de estiramiento correspondientes al grupo N-H que presentan frecuencias moderadamente intensas en la región 3450 y 3250 cm-1. Los grupos funcionales de amida y carbonilo se observan en dos bandas intensas en la región de 1660-1560 cm-1, además el espectro presenta un pequeño pico en el intervalo de 2885 cm-1 que corresponde a las vibraciones de tensión del enlace C-H, que generalmente indica la presencia de uno o más grupos alcanos, y por último se observan vibraciones de tensión del grupo C-O-C entre 1070 y 1020 cm-1. En la tabla I se reportan los resultados, mismos que coinciden con los reportados en la literatura.3,4 Difracción de rayos X El difractograma de la quitina extraída experimentalmente de los exoesqueletos de camarón 41 �Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso... / Yaret G. Torres Hernández, et al. Fig. 6. Difractograma de la quitina extraída del polvo de camarón. blanco (ver figura 6), muestra cinco reflexiones cristalinas a 10º, 15.6º, 21.1º, 23.7º, y 33º lo cual es consistente con los valores reportados por otros autores.4,5 Análisis termogravimétrico En el análisis realizado a la quitina, se pueden observar tres eventos térmicos como se ilustra en la figura 7, que se explican de la siguiente manera: el primero es la pérdida de humedad del material del 8% aproximadamente, entre Tambiente y 200°C; el segundo entre 200 y 389°C con una pérdida del 46 %, se relaciona con la despolimerización del material, descomponiéndose en productos volátiles de bajo peso molecular y carbono. Por último el tercer evento con un pérdida del 5 %, es la pirolisis por la descomposición de los grupos aminas entre 390 y 600°C y lo cual es consistente con la literatura.6,10 Fig. 7. Curva obtenida para el TGA de la quitina. 42 Fig. 8. Medición del tamaño de partícula. Microscopía óptica Para determinar el tamaño de partícula, se toma una muestra de diferentes tamaños y luego se sumaron los valores parciales como se observa en la figura 8 para obtener un promedio, las mediciones se realizaron mediante el programa Image Pro-Plus, versión 4.5, obteniéndose un valor promedio de 397.283m. Microscopía electrónica de barrido En la figura 9 se aprecia la superficie del exoesqueleto de camarón, el cuál contiene carbonatos de calcio y magnesio principalmente. Lo cual es confirmado con ayuda de un Análisis por Energía dispersiva de Rayos X, que muestra la presencia de elementos como el calcio, silicio, azufre, fosforo y magnesio (figura 10). Fig. 9. Superficie del exoesqueleto de camarón a 1000X. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso... / Yaret G. Torres Hernández, et al. Fig. 10. Resultados del EDS del exoesqueleto de camarón. Posteriormente se analizaron por Microscopía Electrónica de Barrido y EDS las partículas de quitina, las cuales presentan una superficie rugosa e irregular pero carente de porosidad como se observa en la figura 11. Fig. 11. Morfología que presentan las partículas de quitina. En la figura 12 se muestra el análisis realizado a la quitina, donde se observa que los elementos presentes en el exoesqueleto han sido eliminados tras el tratamiento químico realizado, lo que confirma la obtención de quitina. Actualmente se trabaja en el estudio de la quitina como material de refuerzo en una matriz biopolimérica, y se ha observado que incrementa las propiedades mecánicas de la misma, lo que resulta en un doble beneficio, por un lado la eliminación del problema medioambiental y por otro su aprovechamiento como material de refuerzo en la fabricación de un material compuesto. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 Fig. 12. Resultados del EDS de la muestra de quitina. CONCLUSIONES La extracción de quitina a partir de desechos de camarón por el tratamiento químico realizado fue exitosa, lo que se comprueba con los diferentes análisis realizados. La forma y tamaño de partícula de la quitina obtenida nos permite su incorporación en una matriz biopolimérica, comportándose como un material reforzante. El material compuesto fabricado tendrá diversas aplicaciones potenciales como puede ser en el sector automotriz e incluso en el sector médico. AGRADECIMIENTOS Se agradece al Área de Ciencia de Materiales y de Química de la UAM-Azcapotzalco por el apoyo para la realización del desarrollo experimental de este trabajo y por brindar las facilidades para la utilización de sus equipos. Así mismo al Dr. Eduardo Terres del IMP por su tiempo y apoyo para realizar la Microscopia de Barrido. REFERENCIAS 1. Rinaudo, M., Chitin and chitosan: Properties and application, Progress in Polymer Science, 2006. vol.31, pp. 603-632 2. Majeti N.V., Ravi Kumar, A review of chitin and chitosan applications, Reactive & Functional Polymers, 2000,vol. 46, pp. 1–27. 3. Belandria J.C, Morillo N.J., Recuperación de quitina a partir de los residuos sólidos generados 43 �Síntesis y caracterización de quitina a partir de exoesqueletos de camarón para su uso... / Yaret G. Torres Hernández, et al. 4. 5. 6. 7. 44 del procesamiento industrial de crustáceos, Revista Cubana de Química, 2008, vol. XX. Morales R., Azamar, J. A., Obtención de quitosán a partir de quitina extraída de desechos de camarón (exoesqueleto) y su aplicación como biopelículas de recubrimiento, Memorias del XVI Verano de la investigación científica de la UJAT, ISBN 968-9024-10-8, 2006, pp.91-96. Entsar S. A., Khaled S.A., Maher Z., Extraction and characterization of chitin and chitosan from local source, Bioresource Technology, 2008, vol. 99, pp.1359-1367. Rosas,P.A.,<http://www.monografias.com/ trabajos75/estudio-adsorcion-cr-carbon-cubiertoquitosan/estudio-adsorcion-cr-carbon-cubiertoquitosan2.shtm>. S. Entsar, S. A. Khaled, M. Z. Elsabee, Extraction and characterization of chitin and chitosan from local sources, Bioresource Technology, 2008, vol. 99, pp. 1359-1367. 8. F. A. Al Sagheer, S. Muslim, M. Z. Elsabee, Extraction and characterization from marine sources in Arabian Gulf, Carbohydrate Polymers, 2009, vol. 77, pp. 410-419. 9. R. Morales Gómez, J. A., Azamar Barrios, Obtención de quitosán a partir de quitina extraída de desechos de camarón (exoesqueleto) y su aplicación como biopelículas de recubrimiento, Memorias del XVI Verano de la investigación científica de la UJAT, ISBN 968-9024-10-8, 2006, pp. 91-96. 10.J. C. Belandria, N. J. Morillo, Recuperación de quitina a partir de los residuos sólidos generados del procesamiento industrial de crustáceos, Revista Cubana de Química, 2008. vol. XX, No.3, pp. 17-25. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Vol. XVIII, No. 66 �Eventos y reconocimientos OBITUARIO El pasado 4 de noviembre, falleció el Ing. Nicolás Treviño Navarro, quien fuera director de la FIME de 1962 a 1967, siendo el primer egresado de la propia facultad. Durante su gestión se fundó la Escuela de Graduados de la FIME. También fue rector iterino de la universidad del 23 de febrero al 1 de diciembre de 1967, tiempo en el que se creó la Preparatoria 8, las plazas de nuevo ingreso a preparatorias, escuelas y facultades de la Universidad. Fue también Secretario Ejecutivo del Patronato de laboratorios y talleres de la Universidad, Secretario Particular de la Presidencia Municipal de la Ciudad de Monterrey, y en su calidad de exrector, participó en la Comisión de Estudio de la Ley Orgánica de la UANL en 1971. Fue miembro de la junta de gobierno desde este año hasta 1980. El Ing. Treviño Navarro nació en Vanegas, San Luis Potosí, el 5 de diciembre de 1932. Inició sus estudios profesionales en la Escuela de Matemáticas de la UNL, pero decidió continuar la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista en la FIME, en la que obtuvo el Premio al Saber. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 PRESENTACIÓN DE LA REFORMA ENERGÉTICA El pasado 6 de octubre acudió a la FIME, el Lic. David Penchyna Grub, Presidente de la Comisión de Energía del Senado de la República, para presentar a la comunidad universitaria el alcance y desafíos de la Reforma Energética en la sociedad, y en especial el papel de la universidad. En esta reunión estuvieron presentes el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, M.E.C. Rogelio Garza Rivera, Secretario General de la UANL; Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de FIME; y la Senadora, Lic. Ivonne Álvarez García. El rector manifestó que la universidad está a la altura del reto, a través de la descripción de la capacidad académica de la UANL. Dr Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la FIME (izq.); Lic. David Penchyna Grub, Presidente de la Comisión de Energía del Senado de la República; Lic. Ivonne Álvarez García, Senadora; Dr. Jesús Ancer Rodrìguez, Rector de la UANL; M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL; y el Dr. Juan Manuel Alcocer González, Secretario Académico de la UANL. 45 �Eventos y reconocimientos 67 ANIVERSARIO DE LA FIME En la semana del 18 al 26 de octubre, la FIME efectuó una serie de actividades con motivo de su 67 Aniversario. La celebración inició con el ya tradicional “Desayuno de la Fraternidad”, en el que además de los discursos en que se suele hacer remembranza de la vida de la FIME, en esta ocasión se distinguió especialmente a la Srita. María de Jesús González Rivera, por sus 50 de años de actividad como secretaria en la facultad, más de 20 en la dirección de la FIME. El Ing. José Hernández Moreno, durante una conferencia previa a su presentación, con el Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la FIME. La Srita. María de Jesús González Rivera con los exdirectores de la FIME; M.C: José Antonio González Treviño, M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, M.C. Esteban Báez Villarreal, y con el director de la FIME, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo. Entre las conferencias y eventos del XXI Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología, celebrado en la semana de aniversario, tuvo lugar la conferencia del Ing. José Hernández Moreno con el titulo “Cosechando estrellas: la historia de un astronauta mexicano”. El Ing. Hernández fue uno de los astronautas que participó como especialista en la misión STS-128, del transbordador espacial “Discovery” en 2009. Durante su presentación manifestó su origen mexicano y escribió su experiencia personal para llegar a ser astronauta. Concluyó su presentación con una invitación a la perseverancia y su deseo de continuar una relación con la UANL, en particular con la FIME. Otra de las actividades realizadas fue el foro “El impacto de la reforma energética en el sector industrial”, en donde participaron el Dr. Jaime Parada Ávila, Director General del Instituto de Innovación y Transferencia de Tecnología de 46 NL; Dr. Salvador Valtierra Gallardo, Director de Innovación Nemak; Dr. Salvador Aceves, Líder de proyectos del Departamento de Energía de los Estados Unidos, Lawrence Livermore Nationals Laboratories; Ing. Oscar Sansores Castro, Gerente de Desarrollo de Negocios Voltrak; Ing. Luis Antonio Ordaz Ledezma, Subgerente Comercial de la División Golfo-Norte de la CFE; y el Lic. Ernesto Marcos Iga, Director de Servicios Legales de Whirlpool. Panelistas del foro “El impacto de la reforma energética en el sector industrial”. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Eventos y reconocimientos COLOQUIO DE MATEMÁTICAS Se llevó a cabo en la FIME, del 9 al 11 de diciembre, el “Primer Coloquio de Matemáticas para la Formación de Ingenieros del Siglo XXI”. en el que se presentaron experiencias de colaboración entre México y Francia, con la finalidad de redefinir las competencias matemáticas que un ingeniero debe adquirir durante su formación universitaria, tomando en cuenta contenidos académicos y métodos pedagógicos para la enseñanza de las matemáticas dentro de las escuelas de ingeniería de México y Francia. Entre los participantes se encontraban representantes de Canadá y de otras universidades de México. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 Catherine Pilon de la Universidad de Sherbrooke. 47 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL * Enero - Diciembre 2014 Herman Castañeda Cuevas, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Control robusto por modos deslizantes de orden superior aplicado a vehículos aéreos no tripulados”, 17 de enero. Jurado: Dr. Jesús de León Morales (asesor), Dr. Alberto Cavazos González, Dr. Marco Tulio Mata Jiménez, Dr. Ernesto Olguín Díaz, Dr. Vicente Parra Vega. Luis Humberto Rodríguez Alfaro, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Control activo tolerante a fallas para sistemas Hamiltonianos convergentes”, 17 de enero. Jurado: Dr. Efraín Alcorta García (asesor), Dr. Cornelio Posadas Castillo, Dr. Juan Ángel Rodríguez Alfaro, Dr. Gerardo René Espinosa Pérez, Dr. David Lara Alabazares. Francisco Aurelio Pérez González, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Oxidación a alta temperatura y bajo diferentes ambientes de una superaleación base níquel”, 28 de enero. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Dr. Nelson Garza Montes de Oca, Dr. Octavio Covarrubias Alvarado, Dr. Juan Genesca Llogueras, Dr. Demófilo Maldonado Cortes. César Martínez Torres, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Fault Tolerant Control By Flatness Aproach”, 25 de marzo. Jurado: Dr. Hebertt Sira Ramírez, Dr. Efraín Alcorta García (asesor FIMEUANL), Dr. Didier Theilliol, Dr. Franck Cazaurang (asesor Universidad de Burdeos, Francia), Dr. Loïc Lavigne. Miguel Fernando Delgado Pámanes, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Soldabilidad de aceros IF y HSLA galvanizados para aplicaciones * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. 48 automotrices”, 29 de mayo. Jurado: Dra. Martha Patricia Guerrero Mata (asesora), Dr. Luis Adolfo Leduc Lezama, Dr. Rafael Colás Ortiz, Dr. Sergio Haro Rodríguez, Dr. Omar García Rincón. José Eulalio Contreras de León, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Influencia de la inserción de nano-óxidos cerámicos sobre la microestructura y propiedades de una porcelana triaxial”, 2 de junio. Jurado: Dr. Edén Amaral Rodríguez Castellanos (asesor), Dr. Josué Amílcar Aguilar Martínez, Dra. Ana María Arato Tovar, Dr. Juan Jacobo Ruiz Valdés, Dr. Eduardo Cárdenas Alemán. Adriana Magdalena Huízar Félix, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de las propiedades magnéticas y microestructura de nanocompósitos de nanopartículas metálicas y óxido de grafeno reducido térmicamente”, 5 de junio. Jurado: Dra. Selene Sepúlveda Guzmán (asesora), Dr. Domingo I. García Gutiérrez, Dr. Marco Antonio Garza Navarro, Dr. Juan Francisco Luna Martínez, Dra. Sagrario Martínez Montemayor. Guillermo González Ibarra, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de la maquinabilidad de 2 superaleaciones Inconel 617 y 718”, 6 de junio. Jurado: Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo (asesora), Dra. Guadalupe M. Hernández Muñoz, Dra. Maribel de la Garza Garza, Dr. Sergio Haro Rodríguez, Dra. Ireri A. Sustaita Torres. Jesús Alejandro Sandoval Robles, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de la evaluación de la textura de aceros eléctricos grado experimental”, 27 de junio. Jurado: Dra. Martha Patricia Guerrero Mata (asesora), Dra. Adriana Salas Zamarripa, Dr. Luis Adolfo Leduc Lezama, Dr. Yvan Houbaert, Dr. Omar García Rincón. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Eventos y reconocimientos Lina Melva de León Covián, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Síntesis y Caracterización de Nano partículas semiconductoras de PbSe y PbSexSi1-x y su aplicación en dispositivos fotovoltaicos”, 3 de septiembre. Jurado: Dr. Domingo Ixcóatl García Gutiérrez (asesor), Dr. Marco Antonio Garza Navarro, Dr. Sadasivan Shaji, Dr. Francisco Servando Aguirre Tostado, Dr. Eduardo Martínez Guerra. Oliver Avalos Rosales, “Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, Tesis: “Secuenciación en máquinas paralelas no relacionadas con tiempos de preparación y tareas de mantenimiento”, 12 de septiembre. Jurado: Dra. Ada M. Álvarez Socarrás (asesora), Dra. Iris Abril Martínez Salazar, Dra. Yasmín A. Ríos Solís, Dr. Francisco Ángel-Bello Acosta, Dr. Carlos Andrés Romano. Yaneth Bedolla Gil, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de las propiedades mecánicas tribológicas y electroquímicas de aleaciones Co, Cr, Mo, C con adiciones en Boro”, 12 de septiembre. Jurado: Dr. Marco Antonio Ludovic Hernández Rodríguez (asesor), Dr. Arturo Juárez Hernández, Dr. Rafael Mercado Solís, Dr. Felipe Arturo Reyes, Dr. Manuel de Jesús Castro Román. Rodolfo Morales Ibarra, “Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Carbon fiber recovery using subcritical and supercritical fluids for chemical recycling of thermoset composite materials”, 9 de octubre. Jurado: Dr. Antonio Francisco García Loera (asesor), Dr. Juan A. Aguilar Garib, Dr. Edgar Reyes Melo, Dr. Motonobu Goto, Dr. Mitsuru Sasaki. Julián Rodríguez Hernández, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Desgaste erosivo en cajas de corazones usadas en la industria automotriz”, 27 de octubre. Jurado: Dr. Alberto Javier Pérez Unzueta (asesor), Dr. Rafael Colás Ortiz, Dra. Dora Irma Martínez Delgado, Dr. Salvador Valtierra Gallardo, Dr. Andrés Rodríguez Jasso. Oscar Arreola Soria, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: ”Coordinación de relevadores de sobrecorriente con curvas de tiempo no convencionales en sistemas eléctricos Industriales”, 7 de noviembre. Jurado: Dr. Arturo Conde Enríquez (asesor), Dr. Luis Alonso Trujillo Guajardo, Dr. Francisco Sellschopp Sánchez, Dr. Víctor Manuel Cabrera Morelos, Dr. Gerardo Maximiliano Méndez. El Cuerpo Académico Consolidado “Síntesis y Caracterización de Nanoestructuras” extiende una invitación para particpar en su Segundo Simposio a celebrarse en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica el 30 de abril de 2015 Informes: Dr. Domingo García Gutiérrez (domingo.garciagt@uanl.edu.mx) Dra. Selene Sepúlveda Gúzman (selene.sepulvedagz@uanl.edu.mx) Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 49 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Octubre - Diciembre 2014 Diego Armando González Medina, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Modificación superficial de aleaciones de aluminio mediante impacto cíclico para la modificación de las propiedades mecánicas y tribológicas”, 2 de octubre. Mayra Iveth Llamas Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Comportamiento elástico y morfológico de composites propileno / grafeno”, 3 de octubre. Juan Jesús Salguero Trujillo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 3 de octubre. Minerva Mayela Orta Lozano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 6 de octubre. Rubén Anrelyd Fernández-Ahuja Ríos, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 6 de octubre. Alejandro Darwich Garza, Maestría enAdministración Industrial y de Negocios con Orientación en Finanzas, (Por materias), 9 de octubre. Juan Eduardo Pantoja Herrera, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con Orientación en Vidrio. Tesis: “Caracterización del lubricante utilizado en el proceso de prensado de vidrio calizo provisto en moldes mediante el método de carbón shot”, 10 de octubre. * Información proporcionada por la Coordinación de Titulación de Posgrado. 50 Daniel Valdez Muñoz, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con Orientación en Vidrio. Tesis: “Transferencia de calor en moldes para productos de vidrio”, 10 de octubre. Luis Antonio Mercado Cerda, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Orientación en Control Automático. Tesis: “Control of a tibio-femoral virtual joint by means of hybrid EEG-EMG Scheme”, 10 de octubre. Luis Ángel Villaseñor Benítez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 13 de octubre. Víctor Hu go Garz a Reyes , M aes trí a en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 16 de octubre. Eduardo Alberto Cobos Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 20 de octubre. Diego Jesús Robledo Sepúlveda, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 20 de octubre. Josué Zavala Vázquez, Maestría en Ingeniería con Orientación en Eléctrica, (Por materias), 23 de octubre. José Ángel Elizondo Alanís, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con Orientación en Vidrio. Tesis: “Estudio de las propiedades mecánicas de vidrios sodo-cálcicos en función de variaciones en su microestructura”, 24 de octubre. Francisco Gustavo Serna Colunga, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con Orientación Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL en Vidrio. Tesis: “Análisis de la transferencia de calor en hornos regenerativos para vidrios sódico cálcicos”, 24 de octubre. Gerardo Javier Frutos González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 24 de octubre. María de Jesús Trejo Coello, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 28 de octubre. Yaaresi Arlen Valero Torres, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 30 de octubre. Juan Manuel Salas Trejo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 30 de octubre. Mario Alberto Acosta Rivera Hernández, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: La tercerización del transporte terrestre en una empresa de servicio”, 7 de noviembre. Manuel René Treviño Aranda, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación Logística Global, (Por materias), 7 de noviembre. Juan Enrique Quintanilla González, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Diseño y Análisis. Proyecto: “Cinematografía esbelta: optimando el proceso de hacer cine”, 10 de noviembre. Raymundo Chávez Hernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “ Modelado en frío”, 14 de noviembre. José Lagunes Beyrut, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad. Proyecto: “Propuesta de programa de mejora de servicios y administración para aumentar utilidades,” 18 de noviembre. Joel González Ibarra, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y operaciones. Proyecto: “Control de I n ve ntar i o s y red ucc ión de c os tos de almacenamiento por mal manejo de materiales”, 20 de noviembre. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 Mario Francisco González Sánchez, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con Orientación en Dinámica de Vuelo. Proyecto: “Modelado, Análisis y Control de cuadrirrotores: un enfoque de control clásico”, 20 de noviembre. Álvaro Tamez Cortes, Maestría en Ingeniería Eléctrica, (Por materias), 21 de noviembre. Luis Armando Lince Quintanilla, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “Medición Nivel de Servir a través de la orden perfecta”, 21 de noviembre. Elsa Reneé Guerrero Silva, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Nanoidentación y caracterización microestructural de una aleación de aluminio 2024 procesada por unión por laminación acumulada”, 21 de noviembre. Tomás Gerardo Cavazos Solís, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con Orientación en Vidrio. Tesis: “Aumento de la vida útil de la moldura para vidrio”, 21 de noviembre. David Elizondo Lozano, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Aspectos físicos y factores que determinan la calidad superficial con maquinado de compositós de matriz polimérica reforzados con fibras”, 24 de noviembre. Marco Antonio Delgado López, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz. Tesis: “Efecto del tratamiento térmico en la difracción de rayos x en las aleaciones vaciadas de aluminio utilizadas en la industria automotriz”, 24 de noviembre. Mauricio González Villarreal, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Optimización de las propiedades mecánicas de compósitos de resina poliéster reforzadas con fibra de vidrio y cargas de carbonato de calcio”, 26 de noviembre. Gonzalo Viezca Rodríguez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y operaciones, (Por materias), 26 de noviembre. René Rhi Sepúlveda, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 27 de noviembre. 51 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Saraí Villalpando Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Efecto de la temperatura y tiempo en la disolución de las fases y carburos en dos aleaciones WASPALOY”, 27 de noviembre. Ciro Manuel García Hernández, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “La participación del departamento de embarques en la creación de un producto con valor para el cliente”, 1 de diciembre. Irma Verónica Carreón Cavazos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Finanzas, (Por materias), 1 de diciembre. Luis Ángel Barboza González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales. Tesis: “Efectos de la precipitación en anillos rolados de Incoloy 909 durante el proceso de forja”, 1 de diciembre. Laura Nelly de León Nava, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 2 de diciembre. Oscar Abraham Torres San Miguel, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Detectores de acabado de línea para alambre magneto”, 5 de diciembre. Miguel Ángel Lambert Borrell, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Fabricación de cables irradiados para la industria aeroespacial”, 5 de diciembre. José Carlos de la Rosa Salazar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “Seguridad Integral”, 5 de diciembre. Raymundo Humberto Avendaño Villarreal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad (Por materias), 8 de diciembre. Santos Alonso Rodríguez Saucedo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto:“Diseño de un sistema de control de inventarios de materia prima para un nivel de servicio determinado”, 8 de diciembre. 52 Adrián Amaya Valtierra, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura, (Por materias), 9 de diciembre. R o g e l i o M a l t os M a rt í n e z , M a e s t r í a e n Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto:“Desarrollo de Prototipo de Cable Media Tensión para certificación con norma internacional IEC60502-2”, 9 de diciembre. Alan Azael Cortez Martínez, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Producción de conductores eléctricos recubiertos con fibra de vidrio utilizando hornos de inducción”, 9 de diciembre. Ramiro Juan Manuel Carreón Navarrete, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales. Proyecto: “UBICEL, la tecnología al alcance de todos”, 9 de diciembre. Miguel Francisco Arratia Obregón, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Mejora en línea de pintura planta Brembo México”, 9 de diciembre. José Guadalupe Oyervides Cavazos, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Metodología de Fabricación de Cable XHHWLS en línea convencional de extrusión”, 9 de diciembre. Adrián Mauricio García Corral, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Diseño de un controlador para un robot de un proceso de soldadura eléctrica”, 9 de diciembre. Iván Gonzalo Reyes Valente, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura. Proyecto: “Polietileno de alta densidad en la industria manufacturera”, 10 de diciembre. Francisco Javier Salinas Rodríguez, Maestría en Ingeniería de la Información con Orientación en Informática, (Por materias), 10 de diciembre. Yuliana Tristán Zamarripa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 10 de diciembre. Verónica Magdalena Reyes Carranza, Maestría en Ingeniería de la Información con Orientación en Informática, (Por materias), 10 de diciembre. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL José Luis López Sánchez, Maestría en Ingeniería de la Información con Orientación en Informática, (Por materias), 10 de diciembre. Selene Josefina Esquivel Cantú, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “Análisis de Abastecimiento considerando impacto financiero y riesgo en el suministro. Caso: Tecnológico de Monterrey”, 10 de diciembre. Francisco Javier Vázquez Treviño, Maestría en Ingeniería con Orientación en Manufactura, (Por materias), 11 de diciembre. Luis Alberto Zataráin Morúa, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Potencia. Tesis: “Estudios de flujos difusos en sistemas eléctricos de potencia”, 12 de diciembre. Juan Carlos Ramírez Saucedo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Especialidad en Potencia, Tesis: “Análisis de modos de oscilación y amortiguameniento en sistemas Eléctricos”, 12 de diciembre. Roberto Daniel Penilla Segura, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 Dirección y Operaciones. Proyecto: “Desarrollo de un plan de distribución como estrategia competitiva en una empresa automotriz”, 12 de diciembre. Patricia Vargas Martínez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con Orientación en Dirección y Operaciones. Proyecto: “Incremento en el porcentaje de entregas a tiempo a través de la mejora del nivel de inventario”, 12 de diciembre. Fernando Flores Mata, Maestría en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura con Especialidad en Diseño de Productos. Tesis: “Optimización del sistema configurador de producto para la industria de la manufactura de ventanas, puertas y cancelería”, 17 de diciembre. Giovanna Yarelly Pompa Maciel, Maestría en Ingeniería Aeronáutica con Orientación en Materiales. Tesis: “Caracterización electroquímica de aluminio anodizado para la i ndu stria aeronáutica”, 17 de diciembre. Yonathan Armando Loredo Sáenz, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con Orientación en Energías Térmica y Renovable, Tesis: “Caracterización termo hidráulica del área de transferencia de calor en superficies extendidas mediante simulación numérica”, 18 de diciembre. 53 �Acuse de recibo Revista del Tecnológico de Monterrey Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics Esta revista del Tecnológico de Monterrey es publicada por Grupo Medios S.A. de C.V. podría considerarse como una publicación de carácter interno que informa sobre el quehacer de la institución, se aprecia desde el mensaje editorial, pero cuyo contenido es interesante para público relacionado con el ambiente de educación y formación profesional. El número de diciembre resulta atractivo por su interés hacia los egresados, se presenta el tema de la supervivencia laboral y la vocación con material que invita a reflexionar sobre las llamadas competencias y en un punto no muy alejado, sobre el futuro de las generaciones, con algunos ejemplos. Hay más información en la página del Tecnológico de Monterrey (www.itesm.mx) en la sección de Revistas del Tecnológico de Monterrey y se puede solicitar por suscripción a revistatec@ itesm.mx . La revista Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, es una publicación quincenal, en idioma inglés de Wiley Periodicals (ISSN 08876266), que divulga los aspectos más relevantes en la física de polímeros y temas relacionados, está dirigida principalmente a la comunidad científica. En el número 1, volumen 52 de enero 2014, destaca entre los artículos de revisión, uno que trata a los electrolitos de copolímero en bloque como materiales candidatos para su aplicación en baterías de litio recargables. La revusta tembién ofrece artículos en extenso, tal es el caso de “Efecto de la longitud y diámetro de nanotubos de carbono de pared múltiple en las propiedades mecánicas y eléctricas de compósitos de policarbonato”. Para mayor información acerca de esta publicación puede consultar la página web: www.polymerphysics.org JAAG 54 JGPC Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Ingeniero Mecánico y Maestro en Metalurgia por el Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctorado en Ingeniería de Materiales por la UANL (1991). Premio de Investigación UANL en 1991, 2001, 2003 y 2012. Premio TECNOS en el 2000. Es Profesor Investigador de la FIME-UANL, miembro del SNI nivel I y de la Academia Mexicana de Ciencias. Alonso Gutiérrez, Brenda Janett Es Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones egresado en 2002. Maestría en Administración egresado en 2006 Altamirano Torres, Alejandro Ingeniero Metalurgista y Maestro en Ciencias e Ingeniería por la Universidad Autónoma Metropolitana – Azcapotzalco. Profesor – Investigador del Área de Ciencia de Materiales, UAM – Azc. Coordinador de laboratorios de docencia del Departamento de Materiales, así como Jefe del Área de Ciencia de Materiales en la misma universidad. Cabrera Gómez, Jesús Ingeniero Mecánico, Máster en Ingeniería de Mantenimiento, Doctor en Ciencias Técnicas. Es profesor de cursos relacionados con la ingeniería de las vibraciones, el diagnóstico de máquinas y la confiabilidad operacional. Es Presidente del Comité Académico de la Maestría en Ingeniería y Gerencia de Mantenimiento. Díaz Concepción, Armando Graduado de Ingeniero Mecánico en 1986, Profesor auxiliar. Con más de 22 años de experiencia profesional, se ha desempeñado como Jefe de Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 Mantenimiento en diferentes empresas y atendiendo varias ramas de la ingeniería. Acreedor de diferentes premios nacionales, como el de la Academia de Ciencias de Cuba, e internacionales, autor de una amplia gama de artículos en libros y revistas. Recibió su título de Máster en Ciencias en el año 2008. González Dueñez, Valeria Paola Profesor de tiempo completo en la UANL para licenciatura y posgrado. Es miembro del SNI. Pertenece al Cuerpo Académico Vinculación con el Sector Económico, Comercio Exterior, Mercadotecnia y Sustentabilidad. Actualmente es Jefe de Carrera de Ingeniero en Tecnología de Software. Huerta Leija, Ever Benjamín Recibió el grado de Ingeniero Mecánico Electricista por la Universidad Autónoma de Nuevo León en 2011. Actualmente es pasante de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Desde 2014 es Coordinador de Instalaciones Electromecánicas en la empresa Escala APP. Sus áreas de investigación son la protección de sistemas eléctricos de potencia. Idárraga Ospina, Gina María Recibió el grado de Ingeniero Eléctrico por la Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia en 2002 y el grado de Doctor por la Universidad Nacional de San Juan, Argentina en 2007. Desde 2008 es profesora investigadora de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Sus áreas de interés son el modelado y simulación de elementos del sistema eléctrico de potencia, análisis de transitorios electromagnéticos, procesamiento digital de señales usando transformada Wavelet. 55 �Colaboradores Madrigal Espinoza, Sergio David Ingeniero Industrial con especialidad en Calidad y Productividad, por el Instituto Tecnológico de Culiacán, Maestro y Doctor en Ciencias con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, por la División de Estudios de Posgrado de la FIME, UANL. Es Profesor de tiempo completo en esta institución desde 2011. estudios de Doctorado en Metalurgia y Materiales en el Instituto Politécnico Nacional-ESIQIE. López Meléndez, Arnulfo Ingeniero Mecánico Electricista egresado en 2014. Actualmente cursando la Maestría en Ciencias con orientación en Nanotecnología en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Vázquez Martínez, Ernesto Recibió los grados de Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones, Maestría en Ciencias y Doctor en Ingeniería Eléctrica por la Universidad Autónoma de Nuevo León en 1988, 1991 y 1994 respectivamente. Desde 1996 es profesor investigador de la Universidad Autónoma de Nuevo León. En 2000 y 2011 hizo estancias de investigación en la Universidad de Manitoba y la Universidad de Alberta respectivamente. Sus áreas de investigación son la protección de sistemas eléctricos de potencia y aplicación de técnicas de inteligencia artificial en sistemas de potencia. Es Nivel 1 del Sistema Nacional de Investigadores, y es miembro de la Academia de Ingeniería de México. Lázaro López, David Abraham Estudiante de la maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Nanotecnología. Rodríguez Liñan, Carolina Yazmin Ingeniero en Electrónica y Automatización egresada en el año 2013 de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Actualmente estudiante de la maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Nanotecnología. Romero García, Julio Abril Ingeniero Mecánico, trabaja en la Subdirección de Ingeniería de la Empresa Cubana de Aviación S.A, donde desarrolla trabajos de control, análisis, evaluación y pronóstico para elevar los niveles de confiabilidad de los componentes y sistemas asociados a la técnica de aviación. Colabora en temas de investigación con el Centro de Estudios en Ingeniería de Mantenimiento (CEIM). Torres Hernández, Yaret Gabriela Ingeniera Química y Maestra en Ciencias e Ingeniería de Materiales por la Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco. Actualmente cursa 56 Treviño Treviño, Francisco Edmundo Licenciado en Economía por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Maestro en Administración con especialidad en Finanzas por FACPYA UANL y Doctor en Filosofía con especialidad en Administración de la División de Estudios de Posgrado del CEDEEM Facpya, UANL. Profesor de tiempo completo exclusivo en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica desde 2010. Viego Ariet, Néstor Asesor Técnico de Aviación, Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, trabaja en la Empresa Cubana de Aviación S.A, en el Grupo de Confiabilidad y Diagnóstico, donde desarrolla trabajos de control, análisis, evaluación y pronóstico para elevar los niveles de confiabilidad de los componentes y sistemas asociados a la técnica de aviación. Colabora en temas de investigación con el Centro de Estudios en Ingeniería de Mantenimiento (CEIM). Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 57 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Revisores Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. 58 Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 �excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año XVIII, No. 66 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. 59 �60 Ingenierías, Enero-Marzo 2015, Año. XVIII, No. 66 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2015 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 18 Número Número de la revista 66 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2015, Año 18, No 66, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2015 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020829 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Confiabilidad operacional Equivalente Thevenin Industria Aeronáutica Línea de transmisión Nanotecnología Richard Feynman https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20788/Ingenierias_2014_Ano_17_No_65_Octubre-Diciembre.pdf 0a143a33e3ae6902b8bd47f3b345595c PDF Text Text ��65 Contenido Octubre-Diciembre de 2014, Año XVII, No. 65 2 3 6 15 27 38 52 64 67 70 71 73 74 Directorio Editorial 2014: Año Internacional de la cristalografía José Reyes Gasga Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos y métodos de programación entera Roger Z. Ríos Mercado, J. Fabián López Pérez Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power system applications G. S. Antonova y los miembros del IEEE PES PSRC Working Group Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era digital: Una aproximación coneccionista Guadalupe E. Morales Martínez, Ernesto O. López Ramírez, Claudia Jaquelina González Trujillo, María Isolde Hedlefs Aguilar Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible microbianas Nora A. García-Gómez, Domingo I. García-Gutiérrez, Salomé M. De la Parra-Arciniega y Eduardo M. Sánchez Cervantes Real time coordination of directional overcurrent relays by ACO Meng Yen Shih, Arturo Conde Enríquez Eventos y reconocimientos Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Acuse de recibo Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 3 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVII, N° 65, octubrediciembre 2014. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de octubre de 2014. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2014 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Dr. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Ing. Dagoberto Salas Zendejo Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / M.C. Gabriel Martínez Alonso, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 �Editorial: 2014: Año Internacional de la Cristalografía José Reyes Gasga Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Física jreyes@fisica.unam.mx El 2014 es el Año Internacional de la Cristalografía, seguramente es importante, podríamos decir, como para que se le dedique un año de celebración, pero por si la relevancia de la celebración no fuera obvia, valdría la pena repasar algunos antecedentes que explican el entusiasmo de los investigadores en esta área. La cristalografía es la ciencia que estudia la geometría de los cristales y la relación que guardan sus partes con el resto del cristal. Los cristales se encuentran en todas partes, desde las piedras preciosas hasta la sal de cocina. Actualmente la cristalografía juega un papel importante en la física, la química, la biología, las matemáticas, la geología, la mineralogía, y la medicina. Por ejemplo, en física, la geometría que presenta un cristal está relacionada con sus propiedades. Los materiales están formados por átomos arreglados en forma geométrica y sus propiedades y respuestas al medio ambiente dependen del tipo o tipos de átomos que lo conforman y del arreglo que presentan. Las ecuaciones necesarias para representar matemáticamente las propiedades de los cristales tienen que ver con esos arreglos. Si la propiedad se presenta de forma similar en todas las direcciones, se dice que ésta es isotrópica y basta una sola ecuación para representarla, pero como ocurre con frecuencia, si la propiedad no presenta esta característica entonces el material es anisotrópico y se requieren más ecuaciones. Por lo tanto, las propiedades cristalográficas de los cristales indican el número de ecuaciones necesarias para describir sus propiedades. El descubrimiento del uso de los rayos x para el estudio del arreglo atómico de la materia significó el inicio de la cristalografía moderna. El origen de este estudio es uno de los eventos que propiciaron la designación del 2014 como el Año Internacional de la Cristalografía, lo que puede ser mejor entendido con un repaso breve de los eventos particulares que marcaron ese momento. En el siglo XIX el británico William Crookes estudió el efecto de la corriente eléctrica en ciertos gases usando un tubo de vacío en donde existían unos electrodos para aplicar la corriente. Estos tubos fueron conocidos como “tubos de Hittorff-Crookes”. El físico alemán Wilhem Conrad Rontgen descubrió los rayos x en 1895 cuando experimentaba con un tubo de Hittorff-Crookes e hizo incidir el haz de electrones sobre una placa de platino-cianuro de bario y observó un débil resplandor que desaparecía/aparecía cuando apagaba/encendía el tubo. Observó también que esta radiación velaba las placas fotográficas y atravesaba objetos sólidos, excepto el hueso humano. Es famosa la imagen de la mano de su esposa mostrando los huesos que la componen. Rontgen llamo a esta radiación como “radiación desconocida” o “radiación x”, lo que derivó en “rayos x”. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 5 �2014: Año Internacional de la Cristalografía / José Reyes Gasga. Actualmente sabemos que los rayos x son radiación electromagnética con longitudes de onda en el rango de los 10 a 0.01 nanómetros y con frecuencias entre 50 y 5000 veces la frecuencia de la luz. Los rayos x son la base de la radiografía, tan usada en la medicina moderna. Pero el que ahora conozcamos la naturaleza y características de los rayos x no fue una cosa sencilla ni se realizó de la noche a la mañana. Tuvieron que pasar muchos años antes de que esto sucediera. Cuando Rontgen dio a conocer el descubrimiento de los rayos x, los físicos, químicos, biólogos y médicos de inicio del siglo XX se interesaron en descubrir su naturaleza, propiedades y aplicaciones, se tuvo que trabajar un cuarto de siglo para conocer su naturaleza y propiedades y medio siglo para conocer sus aplicaciones. Para conocer su origen y naturaleza fue necesario que se desarrollara la física cuántica y el estudio atómico de los materiales; y fueron varios los premios nobel otorgados por los estudios realizados en el campo de los rayos x. Rontgen recibió el premio Nobel en 1901 por el descubrimiento de los rayos x. Durante los 1920s, los avances de la teoría cuántica sirvieron para caracterizar más precisamente la interacción de los rayos x con los átomos de los materiales. También se inició el uso de las series de Fourier para representar la distribución de electrones en las redes cristalinas. En 1935 el físico británico Arthur Patterson descubrió la forma de describir estructuras cristalinas a partir de datos experimentales. En 1957 Dorothy Hodgkin determinó la estructura de la vitamina B12, y los rayos x adquirieron gran relevancia en el campo de la química orgánica. En 1962 se otorgan los premios Nobel a Max Perutz y John Kendrew por los estudios de las proteínas y a Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins por el descubrimiento de la doble hélice del ADN. Entre 1960 y 1980 cobra gran relevancia el estudio de la biología molecular y la cristalografía de proteínas y moléculas. Sin embargo la lista anterior no está completa. 1914 marca el nacimiento de la cristalografía mediante rayos x gracias al descubrimiento de su difracción en sólidos cristalinos realizado por el físico alemán Max Von Laue en 1912 y su formulación matemática a través de la ley de Bragg realizada por los físicos británicos William Henry Bragg (padre) y William Laurence Bragg (hijo) en 1913. El trabajo de Von Laue, los Bragg y muchos más indicaron que el análisis cristalográfico de los cristales se facilita enormemente cuando se utilizan técnicas basadas en la difracción. Este fenómeno de la difracción lo podemos describir de forma simplificada como la desviación de un haz, ya sea de luz, de electrones o de rayos x, en la proximidad de un cuerpo sólido. De esta manera, si colocamos una pantalla o un detector, observaremos la interferencia de estos rayos en una dirección dada. Ésta es la base de la ley de Bragg. Para que se observe el fenómeno de la difracción en los cristales, la radiación debe tener longitudes de onda comparables con la distancia entre los átomos que conforman la materia, es decir de unas décimas de nanómetro. La longitud de onda de los rayos x es similar a las distancias interatómicas en sólidos. Por lo tanto, la difracción de rayos x es una de las herramientas más útiles en el campo de la cristalografía. 6 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 �2014: Año Internacional de la Cristalografía / José Reyes Gasga. Max Von Laue recibió el premio Nobel de física en 1914 por el descubrimiento de la difracción de rayos x por cristales y en 1915 a William Henry Bragg y William Laurence Bragg por sus servicios en el análisis de estructuras cristalinas mediante rayos x, los cuales se usan actualmente en el estudio estructural de materiales en la física, química, biología, geología y medicina. Ésta es la razón por la que se considera que 2014 marca el centenario del nacimiento de la cristalografía por rayos x y enfatiza su importancia en el estudio de los materiales y su uso en la vida humana. Por lo tanto, la Asamblea General de las Naciones Unidas proclamó al 2014 como el “Año Internacional de la Cristalografía” en su asamblea del 4 de julio de 2012, y encargó a la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) liderar y coordinar en colaboración con la Unión Internacional de Cristalografía (IUCr) la implementación de actividades conmemorativas y de divulgación del año internacional de la cristalografía. La inauguración del año internacional de la cristalografía fue realizada el 20 de enero del 2014 en la sede de la UNESCO, ubicada en la Place de Fonteroy, Paris, Francia. En este evento se reunieron la directora general de la UNESCO, Irina Bokova, y el presidente de la IUCr, Gautam R. Desiraju. El secretario general de la Organización de las Naciones Unidas, Ban Kim-Moon, dirigió un mensaje por videoconferencia en esta ocasión. Varios países se han unido para festejar la conmemoración del Año Internacional de la Cristalografía. Por citar algunos ejemplos; Corea e Italia han emitido timbres, Australia emitió una serie de monedas, y Marruecos emitió una medalla conmemorativa. En México, los eventos conmemorativos del Año Internacional de la Cristalografía incluyen cursos, conferencias, talleres y exposiciones, que se han realizado principalmente en la Universidad de Sonora, organizadas por el Dr. Ricardo Rodríguez Mijangos. No cabe duda que la cristalografía de rayos x ha permitido un avance enorme en el estudio estructural de los materiales. Debido a su importancia, las sociedades de cristalografía de varios países, incluido México, decidieron conformar la IUCr. Al festejar el 2014 como el Año del Centenario de la Cristalografía se da un reconocimiento muy importante en el trabajo realizado en el campo de los rayos x y otros haces energéticos para el estudio cristalográfico de los materiales. Además del reconocimiento a quienes trabajan y continúan trabajando en esta ciencia, se le da difusión a través de sus aplicaciones que bien pueden ser de conocimiento general, pero cuyos creadores no gozan de reconocimiento social. Una celebración de esta naturaleza promueve tal reconocimiento, así como la inquietud de las nuevas generaciones para trabajar y convertirse en los pilares de los desarrollos científicos del futuro. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 7 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos y métodos de programación entera Roger Z. Ríos Mercado, J. Fabián López Pérez FIME – UANL, FACPYA - UANL roger@yalma.fime.uanl.mx RESUMEN En este trabajo se presenta un método de solución basado en técnicas de programación entera mixta y generación de cortes, para un problema de diseño de territorios comerciales. El problema de distribución abordado consiste en determinar una partición de un conjunto de unidades geográficas en grupos o territorios, sujeta a diversas restricciones, tales como balanceo territorial, compacidad, conectividad, asignación desunida y similaridad con planes existentes. Dada su complejidad, se propuso una técnica novedosa basada en ramificación-y-acotamiento así como generación de cortes para resolverlo. El método está mejorado por varias estrategias algorítmicas. La valoración empírica del procedimiento propuesto muestra un excelente desempeño al encontrar soluciones óptimas o casi óptimas a gran escala en condiciones reales durante pocos minutos de cómputo. PALABRAS CLAVE Investigación de operaciones, diseño de territorios, programación lineal entera mixta, desigualdades válidas, ramificación y acotamiento. ABSTRACT In this work, a solution method based on mixed-integer programming and cut generation for a commercial territory design problem is presented. The districting problem consists of determining a partition of a set of geographic units into clusters or territories, subject to planning requirements such as multiple territory balancing, compactness, connectivity, disjoint assignment, and similarity with existing plan. A mixed-integer linear programming model is introduced for this problem. The problem is NP-hard, that is, very hard to solve. Given its complexity, a novel technique based on branch-and-bound and cut generation is proposed for solving the problem. The method is enhanced by several algorithmic strategies. The empirical assessment of the proposed procedure shows an excellent performance by finding optimal and near-optimal solutions to very large-scale real-world instances within a few minutes of computational effort. KEYWORDS Operations research, territory design, mixed-integer linear integer programming, valid inequalities, branch and bound. 6 Artículo basado el trabajo “Planificación inteligente de territorios comerciales incluyendo requerimientos de realineación y asignación disjunta” Premio de Investigación UANL 2014 en el área de Ciencias Exactas. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, J. Fabián López INTRODUCCIÓN El agrupamiento de pequeñas áreas geográficas en zonas más grandes (clusters) de acuerdo a criterios establecidos se denomina en la literatura especializada como diseño de territorios o distritos. En la Investigación de Operaciones el primer trabajo publicado para el problema de diseño y planificación de territorios puede ser referenciado a Forrest1 y Hess et al,2 en 1964 y 1965, respectivamente. Dependiendo del contexto del problema de aplicación, el concepto de “diseño territorial” se puede utilizar como una equivalencia al concepto de “distritación” que tanto se conoce en el ámbito de la demografía geopolítica. La investigación en el área de “distritación” es verdaderamente multidisciplinaria ya que incluye muchos campos tales como la geografía, la ciencia política, la administración pública y por supuesto la investigación de operaciones. Sin embargo, todos los problemas de esta àrea tienen en común la tarea de subdividir la región bajo estudio para el diseño y planificación de un cierto número de territorios, considerando diversos aspectos de capacidad. De hecho, los problemas de diseño territorial emergen de distintos tipos de aplicaciones del mundo real. Por mencionar algunos se pueden citar las aplicaciones de distritación política o electoral,3-4 el diseño de territorios para maximizar el aprovechamiento de la fuerza de ventas,5-9 la distritación escolar,10 y por supuesto el diseño territorial comercial,11-17 que es la aplicación de interés en el presente trabajo. El lector podrá encontrar una amplia discusión de trabajos de diseño territorial en Duque et al.18 y Kalcsics et al.19 La mayoría de los servicios públicos incluyendo hospitales, escuelas, transporte urbano, correo postal, entre otros, se administran sobre supuestos de límites territoriales. Se pueden mencionar aspectos económicos o demográficos que deben ser tomados en consideración para el diseño y planificación de territorios equilibrados que luego se traducen en aspectos de eficiencia económica y nivel de servicio. Como ejemplo de lo anterior, si se supone que cada uno de los territorios obtenidos en un plan óptimo es administrado solamente por un recurso, tiene sentido entonces la aplicación de criterios de balanceo para la cantidad de clientes, el volumen de ventas, las comisiones otorgadas, los recorridos en tránsito y las jornadas de trabajo asignados a cada responsable Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 territorial. Finalmente, es importante considerar ciertas restricciones físicas como parte de la definición geográfica del problema, tales como la contigüidad y la compacidad que deben tener los territorios obtenidos como resultado del diseño óptimo. El presente desarrollo se aplicó para el diseño y planificación de los territorios de venta y atención comercial en la red metropolitana de distribución de bebidas embotelladas (Embotelladora ARCA) en la ciudad de Monterrey, NL. Esta distribución consiste en la entrega y recolección física de producto desde los centros de distribución hacia los clientes finales, autoservicios, tiendas de conveniencia, supermercados, restaurantes y tiendas de abarrotes. El 90% del modelo de distribución de esta empresa se basa en un modelo de preventa terciada, esto es, se levanta el pedido hoy y se entrega al día siguiente. Cada ruta atiende un rango de 70 a 85 clientes por día. De este conjunto de clientes a ser atendidos por cada ruta de reparto, estadísticamente se conoce que hasta un 40% de dichos clientes requiere ser atendido dentro de cierta ventana de servicio (restricciones de horario). Además, la embotelladora opera rutas fijas de distribución a lo largo de todo el año, independientemente de la curva de estacionalidad. Es fácil identificar que potencialmente existen fuentes de inequidad en las cargas de trabajo de cada ruta a lo largo del año, ya que el proceso de diseño y planificación de rutas se define en forma manual y empírica, lo que limita la posibilidad de operar con mejores esquemas que logren generar beneficios económicos por reducción de costos. Todo lo anterior ocasiona un gasto innecesario y justifica el requerimiento de este proyecto cuyo desarrollo, obedece a una necesidad real y general que se presenta en este tipo de industria. La enorme demanda de un producto muy atomizado y de uso cotidiano; da como resultado que la red de distribución esté formada por un número considerable de puntos de venta. Por tanto, las entidades geográficas a agrupar y planificar son del orden de varias decenas de miles de elementos. La industria en general ha encontrado que dividir estos puntos en pequeños territorios, diseñados bajo criterios económicos y geográficos bien definidos, hace posible la administración de este enorme número de entidades económicas. Así entonces, los camiones repartidores son asignados para atender a 7 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. uno o varios grupos (distritos, territorios) y sus rutas se diseñan considerando sólo los clientes ubicados en cada territorio. Los objetos que se busca agrupar son los puntos de venta pero, dado su enorme número, se ha hecho un primer agrupamiento a fin de reducir la escala del problema y simplificar su solución. Así entonces, todos los puntos de venta ubicados en una misma manzana geográfica se consideran como uno solo. De forma que, el objeto básico a planificar para el diseño de los territorios será entonces el conjunto de las manzanas geográficas de la ciudad de Monterrey (aproximadamente 34 mil manzanas). Con cada punto de venta se asocian varias medidas de desempeño (variables de actividad) y estas mismas tasas de rendimiento se asocian con cada manzana geográfica definida. Para cada manzana física, las medidas de desempeño serán simplemente la suma aritmética de las medidas correspondientes de los puntos de venta que la conforman. El entregable del proyecto es un modelo matemático (software) diseñado para resolver de manera eficiente y efectiva problemas de diseño y planificación de territorios. El software está diseñado para poder realizar análisis geo-espaciales de información de mercado de manera combinatoria a través del empleo de variables demográficas y socioeconómicas. Se busca impactar económicamente en la rentabilidad operativa y en el servicio dedicado a la distribución secundaria de la embotelladora. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA El problema para el diseño y planificación óptima de territorios se puede definir como el proceso para agrupar áreas básicas, es decir manzanas geográficas, en grupos o clusters geográficos de mayor tamaño. Estos nuevos clusters se denominan territorios. El planteamiento del problema incluye que cada manzana básica puede estar asignada a un solo territorio. El número de los territorios “p” que se requieren obtener es conocido y está determinado como un parámetro del modelo. Por otra parte, se requieren cubrir los criterios de compacidad y de contigüidad para los territorios propuestos en el plan óptimo. El atributo de contigüidad se puede definir como el efecto deseado de asegurar que un territorio no esté deformado geográficamente, lo que se traduce en que las manzanas geográficas que 8 conforman un territorio tengan que estar conectadas entre sí. Es fácil entender, que para obtener territorios contiguos, la información geográfica de las fronteras (o vecindades) de cada manzana, debe ser explícitamente alimentada al modelo matemático. Los territorios compactos generalmente tienen una operación geográficamente concentrada, lo cual permite disminuir los tiempos muertos por trayecto y por tanto, incrementar el tiempo disponible para mejorar el nivel de servicio. En las aplicaciones de diseño territorial del mundo real, las variables de balanceo que principalmente han sido utilizadas, están asociadas de manera directa a la actividad de venta en sí misma. La definición del problema incluye tres variables de actividad para cada manzana básica, las cuales son: (i) cantidad de clientes, (ii) volumen de ventas y (iii) jornada de trabajo. La jornada de trabajo se define como el tiempo que cada punto de venta (cliente) requiere, esto incluye tiempo de traslado, entrega de mercancía, recolección de envases y limpieza de exhibidores. Dicha variable de actividad está subordinada al tipo de servicio ejecutado en el punto de venta, lo cual a su vez depende de las características de cada cliente, así como de su localización geográfica. La variable de actividad de un territorio se define como la suma aritmética de la variable de actividad del total de las manzanas básicas que conforman dicho territorio. El diseño óptimo, busca que todos los territorios construidos estén apropiadamente equilibrados. De hecho, en este procedimiento de balanceo, se consideran cada una de las tres variables de actividad de manera individual y simultánea. Las manzanas básicas son entes geográficos con una ubicación específica dentro de una región. Los territorios formados toman en cuenta esta ubicación natural y es requisito que el territorio se forme únicamente con manzanas que colindan entre ellas, habiendo una razón muy simple para esto. Si para llegar a algún punto de venta (manzana) es necesario que el camión atraviese por puntos de venta que no pertenecen a su distrito, la reacción de los clientes, al verlo en sus alrededores, será pedirle abasto de mercancía. El repartidor no traerá más abasto que el calculado para su programación, por lo que el servicio tendría que negarse, lo cual traería como resultado que el cliente perciba una mala atención por parte de su proveedor, deteriorando la imagen Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. de la empresa y constituyendo una fuente potencial de daño económico. La definición del problema incluye algunos diseños de territorios prescritos y/o prohibidos. Eso significa que pueden existir algunas manzanas básicas que por definición deban estar asignadas a un territorio específico. Del mismo modo, habría el caso contrario en donde ciertas manzanas básicas no pudieran estar asignadas conjuntamente a un territorio específico. Todas estas características pueden aprovecharse fácilmente, para que el modelo considere como parte de la definición del problema algunos territorios que puedan parcialmente estar predeterminados desde el principio del proceso de planeación como resultado de experiencias o planes anteriores. Esto significa que el modelo puede tomar en consideración ciertos territorios ya existentes y a partir de ahí asignar el resto de las manzanas básicas a dichos territorios preconstruidos. De manera especial, estas características del modelo se pueden también aplicar para considerar los obstáculos geográficos, como son ríos y montañas. Se puede entonces generalizar aquí que el problema de diseño territorial es común a todas aquellas aplicaciones del mundo real en las que se opere con un grupo de recursos escasos y que éstos requieran ser asignados para subdividir un área geográfica de trabajo extensa en subregiones de responsabilidad equilibradas. El objetivo, es encontrar el mejor agrupamiento por medio del cual puedan satisfacerse las restricciones impuestas y al mismo tiempo lograr la formación de grupos (distritos) balanceados con respecto a ciertos parámetros de venta y distribución establecidos. El problema se puede resumir como sigue: agrupar un conjunto V de manzanas básicas (con tres atributos de actividad en cada manzana) en un número limitado de p territorios que satisfagan los criterios para cada actividad, compacidad, contigüidad y similitud con el plan anterior. El problema se modela como un problema de programación real entera mixta, cuyos detalles pueden encontrarse en el trabajo de Ríos et al.20 MÉTODO DE SOLUCIÓN PROPUESTO Considerese el modelo AM desplegado en las expresiones (1)-(8), donde V denota el conjunto de unidades básicas (UBs); Vc, el conjunto de centros territoriales; A, el conjunto de atributos de las UBs; Fi, el conjunto de UBs pre-especificadas asociadas al Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 centro territorial i del plan existente; dij, la distancia entre unidades i y j en V; H, el conjunto que contiene todos los pares de manzanas que deben ser asignadas a territorios diferentes; wia, el valor de la actividad aA (número de clientes, demanda de producto y carga de trabajo) en el nodo i; τa, el parámetro de tolerancia de la actividad a; μa, tamaño promedio del terriorio a, dado por ; Ni, el conjunto de nodos que son adyacentes al nodo i. Las variables binarias de decisión se definen como xij = 1 si la UB j se asigna al territorio con centro en i; =0, de otro modo. Modelo (AM) Una de las dificultades principales en la resolución de este modelo es el número exponencial de restricciones de conectividad en (5), lo cual implica que es prácticamente imposible escribirlas explícitamente. Por lo tanto, consideramos en su lugar el modelo relajado (AMR) de (AM), el cual consiste básicamente de relajar estas restricciones de conectividad (5) del Modelo AM. Modelo (AMR) La idea fundamental de esta propuesta (ecuaciones 9 a 15) es resolver el modelo AMR como un programa entero mixto, y luego verificar si la solución obtenida satisface las restricciones de conectividad. Si 9 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. las satisface, la solución obtenida para el AMR resuelve también el AM. Si no, se determina cuáles restricciones de conectividad no se satisfacen, agregando al modelo AMR una serie de restricciones violadas. El procedimiento se repite iterativamente hasta que la solución obtenida es totalmente conexa, lo cual implica una solución óptima al modelo AM. Esto se garantiza porque el problema de separación que identifica las restricciones o cortes que no se satisfacen se resuelve de forma exacta. Una panorámica general del método se despliega en la figura 1. Función method Input: Una instancia del problema TDP Output: Una solución factible X al TDP 1 Resolver modelo AMR para obtener X; 2 Identificar conjunto C de restricciones de conectividad del modelo AM que no satisface X; 3 Si |C|>0, agregar estas restricciones al modelo AMR y volver al Paso 1; 4 Return X; end method Fig. 1. Pseudo-código del método de solución. En el Paso 1, se usa un método de ramificación y acotamiento dado que no se está relajando la condición de integralidad de las variables binarias. Esta técnica es motivada por el hecho de que el modelo AMR puede resolverse óptimamente por métodos actuales de ramificación y acotamiento relativamente rápidos para instancias grandes. Por ejemplo, el modelo AMR puede resolverse en aproximadamente 30 s de CPU en una PC en instancias de 5000 nodos. Además, el identificar y generar las restricciones o cortes violados en el Paso 2 puede efectuarse muy eficientemente en tiempo polinomial, de tal forma que el procedimiento de solución visto globalmente parece atractivo, siempre y cuando el número de iteraciones requeridas para converger y alcanzar optimalidad no sea muy grande. El algoritmo encuentra una solución al modelo AM. Existen varios puntos importantes en materia de investigación de particular interés, tales como el comportamiento empírico del método propuesto en términos del número de iteraciones/cortes requeridos para converger al óptimo. Además, el hecho de que se está suponiendo un conjunto dado de centros, lleva a investigar si se puede explotar este hecho para desarrollar varias estrategias algorítmicas de 10 solución que permitan acelerar la convergencia del método. Estrategias algorítmicas para acelerar convergencia 1. Fijar variables: Eliminación de asignaciones de manzanas relativamente lejanas. 2. Fijar variables: Pre-asignación de manzanas relativamente cercanas. 3. Fortalecer las restricciones de conectividad. 4. Encontrar desigualdades violadas. Estas estrategias se plantean en detalle en un trabajo anterior.20 TRABAJO EXPERIMENTAL El tema central consiste en investigar el costobeneficio de las estrategias implementadas y el mostrar su valoración científica y práctica. El modelo fue implementado en el optimizador de programas enteros mixtos X-PRESS de FICOTM (Fair Isaac, antes conocido como Dash Optimization). El método fue ejecutado en una PC con 2 procesadores Intel Core a una velocidad de 1.4 GHz bajo el sistema operativo Win X64. Para evaluar el método propuesto, se utilizaron algunas instancias reales de 5000 y 10000 nodos y 50 territorios. En todos los experimentos se utilizó τa = 0.10 para toda a  A y un intervalo de optimalidad relativa de 0.01% como criterio de paro. La tabla I muestra el efecto de cómo se reduce el tamaño del problema bajo diferentes parámetros. Las primeras dos columnas reflejan el tamaño de la instancia original en términos de sus números de UBs, de territorios y de variables binarias (NBV). La tercera y cuarta columna despliegan los valores de los parámetros β y γ empleados en cada ejecución, respectivamente. La quinta columna (RNVB) muestra el número de variables binarias después de la reducción. La última columna muestra la reducción relativa lograda con respecto al tamaño original dada por: 100 × (NBV − RNBV)/NBV Como puede apreciarse, el número de variables binarias en el problema reducido crece a medida que β crece y γ decrece. Nótese que el caso β = 50.0 y γ = 0.0 implica que no se aplica ninguna reducción. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. Tabla I. Efecto de reducción del problema. Tamaño (n, p) (5000,50) NVB (np) β γ 250,000 3.0 0.50 3.0 0.10 3.0 3.0 4.0 4.0 4.0 4.0 8.0 8.0 8.0 8.0 (10000,50) 500,000 50.0 0.00 13,542 94.6 0.50 4.0 4.0 8.0 8.0 8.0 8.0 50.0 9,702 95.0 96.1 0.25 14,612 94.1 0.00 19,400 92.2 0.10 0.50 0.25 0.10 0.00 17,545 20,484 30,365 36,253 39,755 0.00 250,000 0.25 21,227 0.10 4.0 12,428 0.00 0.50 0.25 0.10 0.00 0.50 0.25 0.10 0.00 0.00 91.8 0.0 25,027 95.0 29,609 35,352 39,244 41,531 60,810 72,214 79,693 500,000 95.8 94.0 96.0 94.1 92.9 92.1 91.7 87.8 85.5 84.1 0.0 Resumiendo, la estrategia adoptada es la de disminuir el espacio de soluciones factibles (para hacer el problema más tratable) para abordar un problema reducido que puede resolverse más eficientemente sin una pérdida significativa de optimalidad, para poder evaluar el costo-beneficio entre calidad de solución y tiempo de cómputo para diferentes valores de β y γ. Ahora se emplea el método aquí propuesto a instancias de 5000 UBs con 50 territorios. En este experimento se fija γ = 0.0, es decir, no se aplica la estrategia de conectividad forzada. La tabla II muestra los resultados obtenidos, las primeras dos columnas indican los valores de β y γ utilizados. La tercera y cuarta muestran el número de iteraciones (NI) y tiempo de CPU (s). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 4.0 0.50 0.25 0.00 0.50 0.25 0.10 8.0 0.00 0.50 0.25 0.10 85.5 84.1 γ 0.10 87.8 97.1 19,968 3.0 93.0 14,615 30,202 β 97.1 95.8 3.0 4.0 7,191 (5) 10,501 0.50 3.0 Reducción 0.25 3.0 3.0 RNVB Tabla II. Resultados para la instancia (5000, 50). 50.0 0.00 0.00 NI 25 Tiempo 5β 38 118 50 186 46 44 60 48 54 48 63 37 61 54 158 146 262 223 264 330 457 305 576 1930 BestSol IOR (%) 62.5056 0.0214 62.5027 62.4972 62.4978 62.5011 62.4986 62.4972 62.4957 62.5101 62.5002 62.4976 62.4956 62.4922 0.0168 0.0080 0.0089 0.0142 0.0102 0.0080 0.0056 0.0286 0.0128 0.0086 0.0054 0.0000 La quinta columna despliega el valor de la mejor solución factible encontrada (BestSol) y la última columna muestra el intervalo de optimalidad relativa (IOR) entre esta solución y la solución óptima (que corresponde a la fila β = 50.0 y γ = 0 cuando no se aplica ninguna reducción). Como puede verse en la tabla, la calidad de los resultados es excelente, reportando desviaciones del óptimo menores a un 0.03% en menos de 6 minutos en todos los casos. Nótese que la estrategia mostrada en la primera fila (correspondiente al caso β = 3.0 y γ = 0.50) tomó menos de un minuto, arrojando una solución que está a menos de 0.02% del óptimo global. La solución óptima (última fila) se obtuvo en poco más de 30 minutos de CPU. En resumen, esta tabla muestra que con las estrategias adoptadas es posible encontrar soluciones casi óptimas reduciendo el tiempo de cómputo a unos cuantos segundos. A continuación, se ilustra el desempeño interno del método como función del tiempo a través de las iteraciones del algoritmo propuesto. Las figuras 2 y 3 muestran los resultados para dos casos diferentes con valores (β, γ, δ) de (3.0, 0.25, 50.0) y (3.0, 0.25, 25.0), respectivamente. En cada figura se grafican las siguientes medidas: (i) número de UBs desconexas, (ii) número of territorios desconexos, (iii) número de cortes agregados, y (iv) valor de la función objetivo como función de las iteraciones, las cuales se muestran en el eje horizontal. Las medidas (i)-(iii) se toman en el eje vertical izquierdo y la medida (iv) en el eje vertical derecho. 11 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. Fig. 2. Desempeño del algoritmo para la instancia (10000, 50) con β = 3.0, γ= 0.25, δ = 50.0. Como puede apreciarse en la figura 2, las primeras dos ejecuciones con alto valor del parámetro δ tienen un comportamiento similar. El número de UBs desconexas, de territorios deconexos y de cortes agregados al modelo decrecen con el número de iteraciones. Algo similar ocurre con el valor de la función objetivo pero en sentido opuesto. En los otros dos casos (figura 3) con valor bajo de δ, se presenta un comportamiento diferente. Particularmente, el valor de la función objetivo se mueve lentamente conforme avanza el tiempo. En efecto, esta es la razón por la cual se obtienen valores bajos en esta función. De ambos modos, es importante señalar que la metodología aquí desarrollada presenta un modelo entero que asegura asignaciones enteras en cada iteración y es importante verificar que tan Fig. 3. Desempeño del algoritmo para la instancia (10000,50) con β = 3.0, γ= 0.25, δ = 25.0 rápido evoluciona la heurística implementada para el modelo entero de asignación y converge a soluciones con un alto grado de conectividad. La figura 4 despliega la solución gráfica de la instancia de 5000 UBs, 50 territorios con tolerancia de 0.05. La leyenda en el costado del grafo indica el número de UBs contenidas en cada territorio, el cual se identifica por un código de color diferente. CONCLUSIÓN El algoritmo computacional propuesto se enfoca en resolver con eficiencia problemas de diseño territorial de alta dificultad matemática (NP-duro) para instancias de gran escala. Los resultados son satisfactorios en la parte Fig. 4. Resultado geográfico de un diseño territorial óptimo de la ciudad de Monterrey con 5000 UBs. 12 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Planificando sistemas territoriales comerciales en gran escala mediante modelos... / Roger Z. Ríos Mercado, et al. computacional y económica. La metodología puede ser extendida para dar tratamiento a diversas variables de actividad simultáneamente, con lo que se pueden incorporar diferentes reglas de negocio y criterios de planificación. La aplicación directa de la propuesta tecnológica para la operación de una compañía embotelladora, se traduce en una mayor eficiencia en el aprovechamiento del equipo de transporte y en general en la disminuciòn del costo operativo de la distribución secundaria. El sistema propuesto considera las restricciones de ventana de horario de los clientes para el óptimo diseño territorial, reduciendo los trayectos muertos y se asegura la atención de una mayor cantidad de clientes en un menor tiempo y con el menor uso de recursos. AGRADECIMIENTOS Este trabajo de investigación ha sido financiado por el CONACYT (apoyos CB05-01-48499-Y y CB11-01-166397) y por el PAICYT de la UANL (apoyos CE012-09, CS470-10, IT511-10, CE72811, HU769-11). REFERENCIAS 1. Forrest E. Apportionment by computer. American Behavioral Scientist, 8:23–35, 1964. 2. Hess S.W., Weaver J.B., Siegfeldt H.J., Whelan J.N. y Zitlau P.A. Nonpartisan political redistricting by computer. Operations Research, 13(6):998–1006, 1965. 3. Browdy, M.H. Simulated annealing: An improved computer model for political redistricting. Yale Law and Policy Review, 8:163–179, 1990. 4. Hess S.W., Weaver J. B., Siegfeldt H. J., Whelan J. N. y Zitlau P. A. Nonpartisan political redistricting by computer. 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This set of PTP parameters and options allows IEEE 1588-based time synchronization to be used in mission critical power system protection, control, automation, and data communication applications utilizing Ethernet communications architecture. KEYWORDS IEEE 1588, PTP, protective relaying, smart grids, time distribution. RESUMEN Este trabajo proporciona un resúmen del estándar IEEE C37.238-2011, el cual especifica un subconjunto de parámetros PTP y opciones que proporciones disponibilidad global de tiempo, interoperabilidad del aparato, y manejo de fallas. Este conjunto de parámetros PTP y opciones permiten que la sincronización de tiempo basada en el IEEE 1588 sea utilizada en las aplicaciones de protección, control, automatización y comunicación de datos del sistema de poder crítico a la misión, utilizando arquitectura de comunicaciones Ethernet. PALABRAS CLAVE IEEE 1588, PTP, protective relaying, smart grids, time distribution. Artículo presentado en el XI Simposio Iberoamericano Sobre Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia, UANL (2013) 101–109 reproducido con permiso del editor y los autores. INTRODUCTION Until relatively recently the time synchronization of electronic devices in power systems has been realized via dedicated wiring used for distribution of IRIG-B or 1PPS signals. IRIG-B has the accuracy for the newest substation application technologies: however it requires dedicated cabling to distribute the timing signals, which while providing a simple and reliable connection, imposes limitations on scalability, and increases deployment and maintenance costs. 1PPS is an even simpler method of distributing time which relies on precise time pulses every second distributed over dedicated wiring. These pulses however do not carry time-of-day information. Modern intelligent electronic devices (IEDs) capable of Ethernet communications presented an opportunity for the introduction of new methods Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 15 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. of time synchronization based on network protocols, such as Network Time Protocol (NTP) or Simple Network Time Protocol (SNTP); however, these protocols do not meet the required accuracy for all power system applications. IEEE 1588 is another network-based time synchronization protocol that meets the submicrosecond accuracy requirements for the most demanding substation applications such as IEC 61850-9-2 Process Bus or IEEE C37.118.1-2011 Synchrophasors; however it needed a PTP profile customized for power system applications which is now available with the IEEE C37.238-2011 Standard. IEEE 1588 and PTP Profiles I EEE St an da rd fo r a P re ci s io n Cl ock Sy nchr oni zat ion Protoc ol for Net worked Measurement and Control System was initially released in 2002 and revised in 2008, the IEEE Std. 1588-2008.1 The standard describes a protocol for distributing time with submicrosecond time accuracy over various communication technologies, such as Ethernet, UDP/IP, DeviceNet, etc. The key advantages of this standard are that timing can be distributed over the same network as application data, and time accuracies generally not achievable by other time distribution protocols become possible. PTP Profiles The IEEE Std 1588-2008 standard specifies many new features of the Precision Time Protocol (PTP), mandatory and optional, including conceptually new devices (transparent clocks), new message formats, etc. Development of this version was driven by five main industries: test and measurement, telecom, industrial automation, power and military. As a result, it was impossible to specify a single set of interoperable functions, as requirements for these industries differ significantly. To address this challenge a concept of PTP profile was introduced, as a clearly defined subset of protocol features, the use of which will meet specific industry requirements. Two default profiles are defined in the Annex J of the IEEE 15882008.1 Industries were encouraged to define their own PTP profiles to address specific requirements 16 of their applications. Currently active PTP profile developments are briefly described below. The PTP profile specified in IEEE Std. 802.1AS2011 is for time-sensitive applications in bridged Local Area Networks.2 It was developed by the 802.1 AVB (Audio/Video Bridging) Task Group of the IEEE 802 standards body which is responsible for Bridging,3 Ethernet,4 and Wi-Fi,5, 6 among others. The initial applications include professional A/V studios and “live sound”, home theatre, and automotive infotainment systems. The profile defines a Simple Network Management Protocol (SNMP) Management Information Database (MIB) for configuration, status and control. PTP profiles for telecom industry are being developed under ITU-T Study Group 15 Question 13. An approach was chosen to develop multiple profiles and devices to address specific application services. These services fall into two classes: • Frequency-only services–required to support the wander requirements of PDH or SONET/ SDH transport and support the synchronization needs of frequency division duplex (FDD) cellular communications systems. ITU-T Recommendation7 contains the telecom profile for frequency based services. • Frequency, time and phase-based services– required to support the synchronization needs of time division duplex (TDD) cellular communications systems, enhanced multimedia broadcast/ multicast service (MBMS), Long Term Evolution (LTE) Advanced services and other applications required high precisión time or phase-based synchronization.8 Other industries have also developed or are developing PTP profiles. PTP profile for test and measurement industry was developed by LAN eXtensions for Instrumentation (LXI) consortium.9 Society of Motion Pictures and Television Engineers (SMPTE) currently is developing a PTP profile.10 The Internet Engineering Task Force (IETF) community in TICTOC (Timing over IP Connection and Transfer Of Clock) Working Group, is currently not developing a PTP profile.11 It works on an SNMP MIB for generic PTP, security issues related to packetbased timing, and on transport of PTP over Multiprotocol Label Switching (MPLS). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. PTP Power Profile The primary need for developing a specialized PTP profile for power system applications is based on the specific substation network architectures, data exchange mechanisms, and performance of time distribution service required for power system applications. The profile is optimized for operation on isolated Ethernet networks with strict segregation of functions and a small number of dedicated grandmaster-capable clocks. Such networks are typical for power substation environment and are normally engineered (pre-configured) with static master/slave assignments, etc. It is important to note that these networks have to operate continuously (24/7) and need to exhibit deterministic (preprogrammed) failure behavior (scenarios include formation of operational islands, change of a grandmaster, etc). The performance of a time distribution service and required time accuracy depend on power application needs and vary from 100 ms (for substation monitoring), 1 ms (for IED event recording) to 1 s (for synchrophasor measurements and IEC 61850 sampled values service). The accuracy requirements for time synchronization messages are defined in IEC 61850-5 standard.12 Since all of these applications require performance which can be supported by synchronization at the 1 s level of accuracy (corresponding to ~0:02 degree error at power line frequency), the Working Group chose that level of performance for IEEE C37.238. Therefore a single time distribution service based on IEEE C37.238 can meet the requirements for all local and wide-area power system applications. Sections below describe timing requirements for two applications: IEC 61850 process bus and synchrophasors. The process bus can operate with local or relative time synchronization with the ability to create operation islands, while synchrophasors applications require synchronization to the global time. Timing Requirements for IEC 61850 Process Bus IEC 61850 introduces the concept known as “process bus” to substation automation systems. Although not necessarily implemented as a Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 physically separate communication network, process bus concept introduces the possibility of connecting process equipment, such as switchgear and sensors, directly via a digital interface to the rest of the system. Instantaneous current and voltage measurements are transmitted using the IEC 618509-2 “Sampled Values” (SV) service. At the point of use individual measurement samples must be synchronized to each other. The easiest way to achieve sample synchronization is to digitize all mutually dependent signals (complete protection zone) within the same device (“merging unit”). Unfortunately this concept does not scale (has difficulties addressing large substations). Multiple merging units can further be synchronized to each other by using 1 PPS pulses, IRIG-B or PTP based technologies. IEEE C37.238 fulfills the requirements of IEC 61850-5 for all synchronization classes. It is expected to replace point-to-point and other solutions which also fulfill these requirements since it does not require additional wiring. A concept of how to deploy a synchronization network based on IEEE C37.238 is suggested in IEC 61850-90-4. 13 The handling of redundant paths is described in IEC 62439-3 Annex A.14 The advantages of the PTP power profile include Layer 2 transmission, message priority, GrandmasterID TLV etc. and are described in this document. Timing Requirements for Synchrophasors Phasors are used to represent periodic signals in power system and other signal analysis. Synchrophasors are phasors that are synchronized to Coordinated Universal Time (UTC) or International Atomic Time (TAI) using a precise reference such as GPS or IEEE 1588. The standard IEEE C37.118.12011 15 defines synchrophasors for power systems and describes their estimation from power signals using a phasor measurement unit (PMU). Synchrophasors measured using a common time reference can be compared directly for power system analysis. PMUs thus allow measuring power system signals over a wide area and using the measurements directly for real time and off line analysis. 17 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. The C37.118.1 standard defines a cosine at the nominal frequency synchronized to UTC as synchrophasor time reference. Thus if the power signal is exactly at the nominal frequency and has a positive maximum at the UTC second rollover, the phase angle will be 0 degrees. Since the phase angle is determined by the time reference, any deviation time will result in a phase angle displacement. For example, with a 60 Hz power signal, a 50 s time deviation will displace the phase angle measurement by 1.08 degrees. This standard also describes measurement requirements and validation methods for assuring the measurement. Accuracy for synchrophasor measurements is determined by Total Vector Error (TVE) which compares the true and estimated phasor values. Both magnitude and phase angle are included in the TVE calculation. 1% TVE is the basic required accuracy (at steady state). A phase angle error of 0.57 degrees gives a 1% TVE. This translates to a time error of ±26 s for 60 Hz system and ±31 s for 50 Hz system. Since this is the maximum error that is allowed, the timing input must be much more accurate than this. The more accurate the time reference is, the more accurate the PMU measurements; and an accurate source of time can also allow reduction in cost of the PMU. It has been generally agreed that since ±1 s time accuracy is readily achievable, that this is a reasonable target accuracy for PMU timing inputs. Whereas IEEE C37.118.1 calls for synchrophasor timestamps from a timescale using leap-seconds, the IEC deprecates this, calling instead for the use of a timescale without leap-seconds. Though the epoch chosen (start of 1984) is different from PTP (start of 1970, TAI), the offset is an easily-handled constant by IEDs using IEEE 1588 clock sources (not so by IEDs using IRIG clock sources). This change avoids future problems due to satellite clocks, IEDs, data formats and applications software incorrectly handling leap-second events. PTP power profile achieves the above goals by relying on Layer 2 Ethernet transport mapping, selecting the peer-to-peer delay measurements to improve and bound the convergence time on grandmaster change and establishing the overall steady-state synchronization requirement of 1 s 18 worst-case time error over 16 network hops. The IEEE C37.238 Standard Profile for the Use of IEEE 1588 Precision Time Protocol in Power System Applications was developed by the Working Group (WG) H7 of the Power System Relaying Committee (PSRC) jointly with WG C7 of the Power System Substation Committee, both belonging to the IEEE Power and Energy Society (PES) in coordination with IEC Technical Committee 57 Working Group 10. IEEE C37.238 PARAMETERS IEEE 1588-2008 Clause 19 introduced the concept of a PTP profile, as a clearly defined subset of PTP protocol features, the use of which will meet specific industry requirements. Following this guidance, IEEE C37.238-2011 standard specifies PTP power profile that consists of IEEE 1588-2008 parameters and additional profilespecific parameters. Comparison between PTP power profile, and the peer-to-peer default PTP profile, specified in IEEE 1588-2008 Annex J.4, is given in table I. These parameters and IEEE C37.238 selections are discussed in more details in the subsequent sections. IEEE 1588-2008 parameters included into IEEE C37.238 PTP Power Profile are: Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. • 1 s intervals for PTP messages • Multicast communications and Layer 2 mapping • Peer-to-peer path delay measurement • One-step and two-step clocks • Default Best Master Clock Algorithm, and • Local Time Type Length Value (TLV) extension Profile-specific parameters include: • Pdelay option for slave-only clocks • IEEE 802˙1Q tags • IEEE C37 238 TLV • IEEE C37.238 MIB • Steady-state performance requirements • Mappings for IEEE C37.118 and IEC 61850 protocols • IRIG-B replacement mode IEEE 1588 Parameters IEEE C37.238 specifies the following IEEE 1588-2008 parameters. Sync and Announce messages interval values IEEE 1588-2008 specifies a message-based Precision Time Protocol (PTP). PTP messages can be divided into 3 categories based on their function, as messages for: • Distributing time (Sync, Follow Up messages) • Selecting the best clock (Announce messages) • Measuring path delay (Pdelay messages) The IEEE 1588 allows for a wide range of message intervals, to accommodate the large variety of applications the standard is expected to support. However, to guarantee interoperability and simplify device configuration IEEE C37.238 sets each of the message interval to once per second (see table II), support for other intervals is not required. This selection is based on WG philosophy to use mandatory and fixed choices whenever possible. In addition the IEEE C37.238 profile sets the announce timeout interval to 2 s for preferred grandmaster clocks and 3 s for other devices. This provides faster grandmaster recovery using the Best Master Clock algorithm. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 Communication model and transpor t mapping PTP messages can be carried over different underlying communication protocols. IEEE 15882008 specifies transport mapping to UPD/IP, Layer 2 / Ethernet, DeviceNet, etc. A given PTP profile should specify transport mapping, type of addressing (e.g.multicast or unicast) and addresses used. The IEEE C37.238 standard specified the use of multicast messages and IEEE 802.3/Ethernet transport mapping, specified in Annex F of IEEE 1588-2008. In addition, it requires the use of IEEE 802.1Q tags, described in section 2.2 on profilespecific parameters. Path delay measurement mechanism The IEEE 1588 standard includes two different methods to measure message delays in the network, so that the effects can be corrected in the clocks. With End to end delay measurements, masters and slaves exchange messages to measure the delay between them. Alternatively in the peer delay measurement method, messages are exchanged between adjacent devices on the network to calibrate the link delay between them. In the peer delay mechanism each network element corrects for the delay of inbound sync messages using the previously measured link delay. In IEEE C37.238 only the peer-to-peer delay mechanism is used. The advantage of this approach is that all link delays are premeasured as a background task by network elements. Therefore, if the Sync messages abruptly change paths, due to the failure of a network element, then the message delay of the new path is already measured, and is immediately 19 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. corrected. This is achieved by devices exchanging peer delay messages on network ports that are otherwise blocked by Spanning Tree protocols. In addition, network loading on the grandmaster is reduced since it does not have to respond to Pdelay Req messages from every slave. The peer-to-peer delay mechanism requires both devices on a link to exchange Pdelay Req and Pdelay Resp messages in both directions. Further, requests and responses must be correlated. Because of the desire to accommodate simpler slave protocol logic, the IEEE C37.238 standard gives the slave-only devices the option of not executing peer delay measurements. This is further explained in section 2.2. Clock types: One-step and two-step The IEEE 1588-2008 standard specifies two types of clocks: onestep and two-step clocks. The main difference between them is that one-step clocks update Sync messages that carry grandmaster’s time on-the-fly, by overwriting the “approximate” timestamp with the actual precise time of when the Sync message is egressing the clock and is hitting the communication media, while twostep clocks require an additional message called Follow up to transmit this precise time, One-step clock require special hardware assistance to update Sync messages on-the-fly. The IEEE C37.238 standard specifies the use of both one-step and two-step clocks. It also recommends the use of one-step clocks, as it results in less network traffic and potentially simpler implementations. The use of two-step clocks is also supported because of their early availability and use. Expanding use of PTP has driven continued development and presently both one-step and twostep clock chips are commercially available. All peer-to-peer transparent clocks accurately measure the residence time that is the time that Sync messages spend inside an Ethernet switch (transparent clock), as well as the communication link delay between devices. One-step transparent clocks provide residence time value in the correctionField of the Sync message, while two-step transparent clocks put this value in the correctionField of the Follow Up message. A similar process applies for Pdelay 20 Resp and Pdelay Follow Up messages that are used to measure communication link delay. If a two-step transparent clock is connected to a one-step clock, it should operate as defined in subclasses 11.5.2.2 and C.3.6 of the IEEE 1588.1 When it receives a Sync message from onestep clock with the twoStepFlag set to False, it should set the twoStepFlag to True and send an updated Sync message. As it will not receive a Follow Up message from the one-step clock, the clock should generate a new Follow Up message with the correctionField information. PTP fields sequenceId and domainNumber should be copied from the Sync message to the new Follow Up message. As specified in subclass 11.2 of the IEEE 15881 a slave clock should use the sum of the CorrectionField values in the Sync and Follow Up messages to compensate for delays in communication links and Ethernet switches. Best master clock algorithm IEEE 1588-2008 supports automatic selection of the best master clock in the system, upon initial setup and any reconfiguration / changes. It specifies default Best Master Clock Algorithm (BMCA) that uses Announce messages to select the best Fig. 1. Conversion between one-step and two-step clock. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. master. ClockClass, ClockAccuracy, and clock’s MAC address can be used for selecting the best clock. Configurable Priority fields are provided for controlled best master selections. IEEE C37.238 standard specifies the use of default best master selection algorithm with one addition: only preferred grandmaster clocks shall advertise themselves as potential grandmasters by sending Announce messages. This is selected to reduce network traffic and network convergence time during grandmaster selection. It is expected that substation networks would have 2 or 3 preferred grandmaster clocks for redundancy; other devices should be slave-only. Local time TLV IEEE 1588-2008 specifies Type Length Value (TLV) mechanism for protocol extensions, if needed. It also defines a number of IEEE 1588 TLVs that can be used by industry-specific PTP profiles. One of these TLVs is ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR TLV specified in the IEEE 1588 section 16.3. The TLV allows the grandmaster clock to send time zone related settings to slave devices. It is a requirement for IEEE C37.238-compliant grandmaster clocks to add an ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR TLV to its Announce messages. A node (for example an IED) requires additional information if it needs to relate its own local time to UTC time. This TLV has a current Offset data field and therefore can provide the data required to convert the UTC-based time information into local time the requirement to include this TLV ensures that all applications migrating their time synchronization solution from IRIG-B to IEEE C37.238 can rely on receiving this information when switching to IEEE C37.238. The ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR TLV also supports indicating a time jump (e.g. an upcoming daylight savings time change event). A grandmaster clock is allowed to send multiple ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR TLVs (although additional TLVs have to be added after the two mandatory TLVs, i.e. after the first ALTERNATE TIME OFFSET INDICATOR TLV Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 and the IEEE C37 238 TLV which is also mandatory is described in section 2.2). A posible scenario for this is a network environment that spans more than one time zone. Profile-Specific Parameters IEEE C37.238 standard includes the following profile-specific parameters. Pdelay option for slave-only clocks IEEE C37.238 standard supports simple slaveonly devices, e.g. fault recorders, etc. To maintain simple implementations for such slave-only devices, Pdelay measurement on the last communication link to these devices is optional. This means that the delay of the last link in the path between the master and slave is not required to be compensated when setting the time at the slave. Often this error in the overall path delay calculation is aceptable for the length of this link and the accuracy desired. For example, the delay in a CAT 5 UTP or silica glass fiber optic network cable is approximately 5 ns/m, and therefore the error introduced by a 5 m long cable is only 25 ns. (IRIG-based timing systems do not automatically compensate for cable delays.) IEEE 802.1Q tags The IEEE C37.238 standard requires that all messages comply with the IEEE 802.1Q protocol which inserts a tag into each frame; these tags have two fields of interest: • The frame’s priority (3 bits) • The frame’s VLAN membership (12 bits) The main reason is to include the priority field that enables mission-critical traffic (like substation protection messages) to have priority over less critical traffic (like file transfers), when competing for the same switch port. The VLAN field enables applications to be separated so that the cables to each application’s IEDs only carry messages intended for these application’s IEDs (thereby enhancing the messages’ security and dependability). Note that this does not preclude distribution to all IEDs if it is required by the applications. 21 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. The WG felt that some, but not all, installations would require the use of these IEEE 802.1Q tags. The guiding philosophy that “all options must be justified” (and no justification surfaced) then drove the decision to mandate the use of this IEEE 802.1Q protocol. Default values of the parameters in the IEEE 802.1Q tags were selected to be the same as those in IEC 61850-9-2 specification: the default priority is equal to 4 and the default VLAN ID (VID) is equal to 0 (priority only frames). VLANs can offer the following benefits: • Blocking security threats • Improved message dependability (from the reduction of traffic) • Message confidentiality (IEDs cannot monitor messages from other applications) • Allowing several IEEE 1588 time-distribution systems on the same network, e.g. IE EE 8 02 .1 AS and IEEE C37.238 (to simultaneously support audio/video networked applications) A plurality of IEEE C37.238 systems (each IED receives multiple sources, for extra dependability). Note that the use of VLANs is not a panacea for the droppedpackets and latency-jitter arising from network congestion (it only helps); good traffic engineering is still needed. For more information on VLANs refer to.3 Note also that as with many other performance features, no assumptions should be made regarding the ability of switches under consideration to support the ingress and egress of IEEE 802.1Q-tagged traffic (some switches always remove tags from the frames egressing “edge” ports). By default, all devices are expected to accept IEEE C37.238 messages that have had their IEEE 802.1Q tags removed, and tagged IEEE C37.238 messages with their configured VID value. IEEE C37 238 TLV IEEE C37.238 standard specifies mandatory profile-specific IEEE C37 238 TLV It contains • GrandmasterID • GrandmasterTimeInaccuracy • NetworkTimeInaccuracy 22 IEEE C37.238 slave clocks may find themselves in the position of serving time (timestamped data) to other applications. In doing so, slaves must be able to accompany their data with precise indication about their clock quality and the exact identity of the grandmaster clock to which the slave is synchronized at that time. Under stationary conditions any given IEEE C37.238 time distribution network can have only one grandmaster. However, during transient conditions (such as fragmentation and rejoining of islanded network segments caused by unexpected network failure) it is possible that the data from different slaves may reach their destination before IEEE C37.238 has time to re-elect the new grandmaster. Power system applications using such data must be able to identify that the data supplied by different slaves is not synchronized with each other and to correctly react to this situation. Both IEEE 1588 and therefore IEEE C37.238 have a unique 8-octet field called clockIdentity. This field is sufficient to uniquely identify the applicable grandmaster clock. Unfortunately, message payload limitations of several power grid applications; most notably the IEC 61850-9-2 SMV data exchange make it necessary to transmit this information using a single octet field. To enable such applications the IEEE C37.238 mandatory TLV includes a 2-octet field named GrandmasterID. On any given network GrandmasterID must be unique and is normally assigned (set) during configuration. Most significant octet of the GrandmasterID is reserved and must be set to 0. Other values are illegal and indicate GrandmasterID field is not configured. The dynamic indication of the received clock quality can be deduced from the TimeInacuracy parameters. IEEE 1588 has 8-bit clockAccuracy parameter to communicate clock quality, however this parameter is often set once in clock hardware and does not change depending on current conditions. It also has predefined allowed values with large steps, thus its resolution is insufficient. IEEE C37.238 TimeInaccuracy is defined as a device’s estimate of current worst-case time error (its magnitude) between time that the device provides and traceable time. There is GrandmasterTimeInaccuracy, provided by grandmaster-capable Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. devices, and optional NetworkTimeInaccuracy, provided by the time distribution network. The NetworkTimeInaccuracy is a compound field that allows accumulation of time errors provided by each network device. This allows capable network devices (transparent clocks) to report their current worst-case time error, so that the slave devices can account for the time error introduced by the network. Note that if network devices are not capable of adding their current worst- case time error, they can add their maximum time error of 50ns, as specified in IEEE C37.238 Annex B, To estimate the current quality of the received clock, slave devices can add received GrandmasterTimeInaccuracy and Network- TimeInaccuracy, if provided. Note that for network engineering purposes the IEEE C37.238 standard also provides Engineered- TimeInaccuracy, which contains the worst NetworkTimeInaccuracy from a given device to all preferred grandmasters. All these parameters are 32-bit unsigned integers in nanoseconds that allows for a range of 0 to approximately 4.29 s, with one nanosecond resolution. In addition to distributing GrandmasterID and TimeInaccuracy parameters, the IEEE C37.238 TLV provides a mechanism for PTP Power Profile Identification. IEEE C37.238 MIB For system-wide configuration and status monitoring of the devices over a communication network, the IEEE C37.238 standard specifies the IEEE C37.238 MIB for use by SNMP. The MIB is required only for grandmaster-capable devices. It includes objects for boundary / ordinary clocks and transparent clock objects that are aligned with IEEE 1588-2008 datasets, plus profile-specific parameters. Among profile- specific parameters are GranmasterID, TimeInaccuracy, discussed earlier, as well as OffsetFromMaster- Limit, which should be set to the max allowed time error for a given application, for example it could be set to 1us. In addition, the MIB includes SNMP events (traps) that report a change of grandmaster, that another PTP profile is detected, that offset from master exceeded configured OffsetFromMasterLimit, etc. Note that local configuration and status monitoring could be Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 added and supported by implementations, if it is required by the application(s). Steady-state performance The IEEE C37.238 standard defines steady-state performance requirements for the time distribution service to the end devices. Requirements for the end devices are application-specific and are not specified. Annex B of the IEEE C37.238 standard states that a time shall be distributed over 16 network hops with 1 s time accuracy at the input to the end device. The time reference source can contribute less than 0.2 s to the total time error, and network devices (transparent clocks) can contribute up to 50 ns each. The steady-state performance is defined for network loads at 80% of the wire-speed. IEEE C37.238 time distribution network is shown on figura 2. In addition, to support quality of time distribution service during grandmaster change, the IEEE C37.238 standard specifies holdover drift for grandmaster-capable devices to be within 2 s for up to 5 s at a constant temperature. Mapping into IEEE C37.118.1/2 and IEC 61850 The IEEE C37.238 standard’s Annex C suggests the mapping of IEEE C37.238 parameters into IEC 61850 family of standards (IEC 61850-7-2 IED timestamping, IEC 61850-8-1 GOOSE messages and IEEE 61850-9-2 SMV) and IEEE C37.118.1/22011 synchrophasor formats. It suggests the mapping of the time error estimate and traceability to a recognized standard time source. This information is required for both IEEE C37.118.1/2 and IEC 61850 applications, thus a guidance is provided to facilitate the use of IEEE C37.238 for these applications. IRIG-B replacement IEEE C37.238 standard provides an informative Annex C to suggest how slave-only IEDs could decipher the IEEE C37.238 figure 2. IEEE C37.238 steady-state performance requirements messages into any of the timescales in common use; namely PTP, UTC, and local time (with DST when in use); plus how to correctly handle leap-second events. This is because many s5acks by others. 23 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. Fig. 2. IEEE C37.238 steady-state performance requirements. Loss of timing due to antenna not receiving signals E.g. from growth of trees and buildings, or from antenna or cable failures. Wrong time E.g. from GPS network faults or from malicious signal spoofing. Some mitigation technologies to consider include a backup antenna, alternate timing sources (e.g. GLONASS4, WWVB5), a local high-stability oscillator (a tradeoff between cost and outageduration tolerance), and terrestrial based distribution methods based on SONET or IEEE C37.238 / PTP systems in the future. Although these concerns are real, presently many hundreds of thousands of GPS receivers are in use in the power and telecom industries with outstanding reliability and availability. GPS and other GNSS systems including GLONASS and Galileo will likely be, for the foreseeable future, the most reliable and cost-effective means to provide accurate time and frequency distribution to geographically-diverse locations. Network Security The use of a network protocol (Ethernet) obviously makes the IEEE C37.238 time-distribution 24 more susceptible to disruptions than would be expected in the traditional IRIG-B installations. There are two approaches for guaranteeing the integrity of traffic on Ethernet networks: • Cipher security • Circuit isolation IEEE C37.238 does not provide a cipher security algorithm since none is provided by the IEEE 1588 standard. (IEEE 1588- 2008 does provide an informative Annex K with an “experimental” protocol, but this has not been considered useful.) The second approach is the one recommended by the IEC security standard IEC 62351-6, which in clause 4.1 states: “For applications. . . requiring 4 ms response times, multicast configurations and low CPU overhead, encryption is not recommended. Instead, the communication path selection process (e.g. the fact that GOOSE and SV are supposed to be restricted to a logical substation LAN) shall be used to provide confidentiality for information exchanges.” The requirement for IEEE C37.238 messages to be IEEE 802.1Q compliant enables this approach. The network switches must of course have their ports configured securely (e.g. using SNMPv3) and appropriately (the correct VLAN assignments to the ports’ blocking, and passing, VLAN lists). EEE C37.238 time-distribution networks can therefore be secured using IEC 62351-6. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. Timescales The purpose of IEEE C37.238 is for IEDs to provide timestamps for events; however the PTP timescale use differs from the timescales in general use by substation IEDs; for this reason the IEEE C37.238 standard provides guidance for the conversions to these timescale in informative Annex C. The PTP timescale was created around the start of the current millennium by the IEEE 1588 Working Group when it was found that there was no standard timescale (from an approved standards organization) with a defined epoch (start). (A common view that TAI has a defined epoch is incorrect.) The WG chose their PTP epoch to be the start of 1970 on the TAI timescale. (This was 8.000082 seconds before the start of 1970 on the UTC timescale.) To support applications requiring UTC time (the majority of power applications presently use UTC time), the PTP messages contain a “currentUtcOffset” field whose value is the number of seconds by which TAI is ahead of UTC. (This changed from 34 to 35 seconds at the start of July 2012.) Though both IEEE C37.118 and IEC 61850-7-2 specify that their timestamps’ epoch shall be the start of 1970 on the UTC timescale, in practice all implementations use an epoch 82 _s later (when the UTC second rollover was aligned with the TAI second rollover), allowing the simple conversions: IEEE C37.118 “SOC” = PTP Time (s)“currentUtcOffset” IEC 61850 “SecondsSinceEpoch” = PTP Time (s){“currentUtcOffset” with IEC 61850 “LeapSecondsKnown” field = “True” For syncrophasor IEDs, IEC 61850-90-5 specifies the transport of syncrophasor messages using both the IEC 61850-8-1 protocol (for events, e.g. GOOSE) and the IEC 61850-9-2 protocol (for streaming data, e.g. SV), with the recommendation that for both cases TAI be used for all timestamps. The demonstrated difficulty (e.g. satellite clock hiccups) of correctly handling leap-second events, plus the timestamp ambiguities arising from seconds being repeated, has motivated many groups to deprecate the use of UTC for timestamps (handling the conversions only when presentations in UTC (or local time) are required on HMI displays). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 For IEC 61850 this can be handled by setting: IEC 61850 “LeapSecondsKnown” = “False” with IEC 61850 “SecondsSinceEpoch” = PTP Time (s). Future Support for Wireless Links The communication of precise time over wireless links is an area of interest for a future version of IEEE C37.238, and is under study. Unlike modern Ethernet links, which are full duplex and maintain a consistent bit rate and link delay over time, wireless network links provide no such guarantees. Indeed, retransmissions, frame aggregation (MAC or PHY) and bit rate variability can result in orders of magnitude worse jitter which is are not comprehended in the current version of IEEE 1588, making interoperable submicrosecond accuracy difficult. One promising option under investigation for IEEE 802.11 links5 is a recent amendment to the wireless standard that defines measurement of transmit/receive times and wireless link delays that are independent of the sources of perturbation listed above. It’s called the TIMINGMSMT primitive and is defined in IEEE 802.11v.6 It should be possible to satisfy the requirements of IEEE C37.238 over wireless links using this approach, but few measurements from devices that implement IEEE 802.11v TIMINGMSMT have been published at this time. Also, this time measurement approach must be harmonized with Ethernet PTP measurements and synchronization. It is promising that an audio-video profile of IEEE 1588 specified in IEEE 802.1AS2 has demonstrated the feasibility of such harmonization. CONCLUSIONS The IEEE C37.238-2011 standard specifies the PTP power profile for power system applications. The profile is optimized for use in specific power substation network architectures and meets timing requirements of the most strenuous power system applications. 25 �Standard profile for use of IEEE std. 1588-2008 precision time protocol (PTP) in power... / G. S. Antonova, et al. ACKNOWLEDGMENT The Working Group would like to thank all contributors who made the generation of the PTP power profile and this paper possible: Members and Guests of the IEEE PES PSRC Working Group H7, IEEE PES Substation Working Group C7, IEC TC57 WG 10, IEC TC38 WG37, IEEE PSRC Working Groups H11 and H19, and the whole power and timing communities for their dedication, guidance and support. REFERENCES 1. 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Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era digital: Una aproximación conexionista Guadalupe E. Morales MartínezA, Ernesto O. López RamírezA, María Isolde Hedlefs AguilarB, Claudia Jaquelina González TrujilloC, Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Psicología, Laboratorio de Ciencia Cognitiva B Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Doctorado en Ingeniería con acentuación en computación y mecatrónica C Universidad de Monterrey Departamento de Educación elopez42@att.net.mx A RESUMEN Se implementó una red neural simulada capaz de identificar cuando un estudiante integra o no en su memoria a largo plazo el nuevo conocimiento a aprender, lo cual es útil para identificar a los estudiantes que tienen retención de corto plazo y que logran pasar el examen, pero que no adquieren competencias de largo plazo. Dicho sistema computacional evalúa en estudiantes los tiempos de reconocimiento de palabras centrales a un curso. Si el estudiante integró en su memoria a largo plazo el esquema de conocimiento que sustenta el conocimiento entonces el sistema reconocerá por sus tiempos de respuesta que así fue. Se argumenta que esta forma cognitiva de evaluar el aprendizaje en línea permite avanzar sobre un estancamiento notable de evaluar el aprendizaje en línea en la actualidad. PALABRAS CLAVE Redes semánticas, facilitación semántica, conexionismo, aprendizaje en línea. Artículo basado el trabajo “Nuevas direcciones empíricas en la investigación e innovación de tecnología educativa para la evaluación del aprendizaje en línea: una aproximación conexionista”, Premio de Investigación UANL 2 0 1 4, e n e l á r e a d e Humanidades. ABSTRACT A neural net was implemented to discriminate students who integrated knew knowledge in long term memory from those who did not by just considering word recognition latencies to concepts schematically related by a course. This is helpful to identify students that only retain information in short term memory to successfully pass an exam but do not acquire long term competencies. It is argued that by considering this learning assessment approach over formal elearning settings, significant delay to innovate learning assessment in virtual learning platforms can be overcome since nowadays online learning assessment is reduced to reproduce or adapt old testing methods. KEYWORDS Semantic nets, semantic priming, connectionism, e-learning. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 27 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. INTRODUCCIÓN El tiempo en el que se dan los cambios de producción de nuevo conocimiento y su difusión en la educación sobrepasan con mucho el paso al que las instituciones educativas pueden cambiar su infraestructura para adaptarse a las nuevas demandas educativas. Es aquí, en términos educativos, que las Tecnologías de la Información y Comunicación (TICs) han mostrado ser una excelente alternativa cuando es necesario responder a las nuevas demandas de cambio de difusión y enseñanza de la era digital de información actual. En particular, desde la introducción de los primeros sistemas de instrucción asistida por computadora (PLATO, TICCIT, Instrucción inteligente, aprendizaje guiado, etc.1) hasta las nuevas plataformas de aprendizaje virtual como Learning Space, Blackboard, Moodle, etc. (que favorecen la conectividad, la sociabilización, el aprendizaje colaborativo y cooperativo, etc.2-4) han existido grandes avances en cuanto se refiere al uso de tecnología educativa para facilitar la instrucción y el aprendizaje. El diseño de interfaces (de alta usabilidad) que permiten el uso de multimedia,5 acceso a bases digitales, web semántica,6 realidad aumentada,7-8 son con mucho un buen ejemplo de como la instrucción y el aprendizaje han sido redefinidos en favor de un nuevo sistema educativo más competitivo. Sin embargo, cuando viene el caso de evaluar el aprendizaje en línea usando esta tecnología educativa existe un retraso sumamente notable, sobre todo en cuanto a la innovación se refiere. Al parecer la tecnología es usada para reproducir sistemas de evaluación estándar como lo son exámenes, productos o actividades de aprendizaje (algunos casi de corte Aristotélico). La diferencia existente entre el desarrollo de sistemas de instrucción y los sistemas de evaluación del aprendizaje en línea es simplemente enorme para no ser notado. Un sistema educativo tecnológico moderno no puede estar simplemente diseñado para reproducir, recomponer o adaptar el pasado al contexto de aprendizaje del aula escolar del siglo XXI de un nativo digital. Nueva investigación y desarrollo está en demanda para atacar este retraso espectacular. En particular, aquí se argumenta que si bien modelos de cognición humana han jugado un papel relevante desde inicios de los 80s, moldeando diseños e 28 implementación de modelos de Interacción Humano Computadora (HIC)9-11 estos lo han hecho enfocados en fomentar el aprendizaje facilitando la instrucción pero olvidando la innovación en la evaluación del aprendizaje en línea12. Esto es así debido a que existe un desconocimiento significativo del potencial de los nuevos avances en ciencia de la computación y del estudio de la cognición humana en cuanto a desarrollar e innovar la evaluación del aprendizaje. De esta forma el programa de investigación y desarrollo que se describe a continuación pretende señalar una nueva línea empírica a través de un primer prototipo de evaluación de aprendizaje en línea que conjunta áreas de ciencias de la computación (redes neurales), medición de la organización de información en la memoria a largo plazo de los estudiantes (paradigmas experimentales de facilitación semántica) y modelos actuales de representación del conocimiento (esquemata emergente, redes semánticas naturales). El objetivo final es llegar a un proyecto de transferencia tecnológica dentro del contexto de la tecnología educativa de las universidades virtuales de nuestro país. VISUALIZANDO DE OTRA FORMA EL CONOCIMIENTO EN LA MEMORIA HUMANA Marzano y colegas,13-14 señalan que la evaluación tradicional del desempeño académico no permite determinar si se desarrolla una integración del conocimiento que se adquiere a largo plazo ya que muchos estudiantes son capaces de generar estrategias de aprendizaje que les permiten ir avanzando a través de los grados escolares sin que esto implique un aprendizaje significativo a largo plazo. Una estrategia de éxito típica es la de retener información en la memoria de trabajo de la persona por días e incluso semanas hasta lograr pasar un examen o simplemente hasta que este conocimiento ya no les sea de utilidad para su éxito escolar.15-17 En particular las evaluaciones estandarizadas han mostrado tener valor predictivo sobre el futuro desempeño académico de los estudiantes. Se asume que este éxito académico se debe al conocimiento adquirido pero en realidad puede ser debido a que solo miden la estrategia de éxito ya que las pruebas tradicionales solo miden que es lo que las personas no saben pero no lo que si saben. Lo Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. Fig. 1. La probabilidad de co-ocurrencia entre dos conceptos a través de grupos de definición se da usando una forma de cálculo bayesiano. que es peor aún y cuando las personas integran de forma significativa información a largo plazo, estas parecen solo retener el esquema general que sustenta dicho nuevo conocimiento y no la información específica que empodera a dicho esquema.18-19 Es claro que para conocer exactamente si en realidad un nuevo esquema es integrado en MLP y cuál es la información que perdura en el genera una nueva demanda de nuevas formas de evaluar lo que realmente se integra en nuestra memoria a largo plazo cuando se integra nuevo conocimiento. En su fase inicial la presente investigación propuso una idea inicial para responder a esta demanda. En particular se usó una técnica de representación mental denominada Redes Semánticas Naturales (RSN;20-21) para obtener definiciones conceptuales relacionadas a un esquema de conocimientos las cuales se usaron para implementar un modelo conexionista (redes neurales) que era capaz de simular el comportamiento del esquema mental y el efecto que este tiene en la organización del conocimiento contenido por el esquema. Esta primera aproximación se denominó Semantic Analyzer of Schemata Organization (SASO;22). La figura 1 muestra como en la técnica SASO se usa primero la técnica de RSN para obtener definiciones conceptuales de conceptos de un esquema de conocimiento (conceptos objetivo) usando otros conceptos unitarios (definidores). Aquí, valores de relevancia semántica (valor M) para cada definidor son obtenidos de los mismos participantes. Cada grupo SAM se constituye de los 10 definidores de mayor peso para cada concepto objetivo. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 Fig. 2. Un análisis de escalamiento multidimensional sobre la matriz de pesos SASO muestra una organización conceptual sistemática del esquema de cuarto analizado por el presente proyecto. Pesos de conectividad semántica (Wij) entre conceptos definidores son obtenidos calculando la co-ocurrencia de pares de conceptos (Xi y Xj) a través de las definiciones obtenidas de los participantes. Cuando un análisis de escalamiento multidimensional es aplicado a una matriz de pesos de asociación SASO entre conceptos (usando Wij como índice de distancia semántica) se puede observar que los conceptos parecen mantener una distancia semántica entre ellos dependiendo de su relevancia al esquema. Por ejemplo, en el caso del esquema mental de un CUARTO en donde se obtuvieron definiciones conceptuales a instancias 29 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. Fig. 3. Resultados de 2 simulaciones computacionales conexionistas SASO. Se observa que emergen esquemas relacionados a el cuarto de RESTAURANT y EDIFICIO cuando se activan los conceptos MESERO (**) y CUARTO (**) respectivamente. de este esquema como RECAMARA o COCINA, la matriz SASO muestra una organización conceptual como la ilustrada en la figura 2. Aquí, la organización conceptual resultante parece reflejar organización conceptual por semejanza o cercanía semántica.22 Dicha matriz de valores SASO fue usada de forma sistemática en una gran variedad de ocasiones por una maquina conexionista (red neural) Boltzman para emular el comportamiento esquemático que subyace a la organización de conocimiento.23 Por ejemplo, en el caso del esquema de CUARTO antes mencionado, la figura 3 muestra una pantalla de resultados de simulaciones Boltzman ilustrada para un esquema conteniendo 141 definidores. El valor a la izquierda de cada definidor representa su valor de entrada (nodo neural), mientras que el valor de la derecha representa su salida. El valor 30 de 100 para el valor de entrada se representa con doble asterisco (**). Nótese que en la pantalla de la derecha el concepto activado fue CUARTO. Interesante a este respecto es que aún y cuando CUARTO es el definidor más alto para el concepto de EDIFICIO, el grupo de definición conceptual de CUARTO no se activó. En vez de esto, un patrón categórico no muy bien definido fue obtenido. Si en vez de activar el nodo CUARTO se activa el nodo LADRILLO entonces los grupos conceptuales de EDIFICIO son activados (CUARTO, VENTANA, CONSTRUCCIÓN, PUERTA, LARGO, etc.). Dichas simulaciones permitieron escoger pares de conceptos que estuvieran relacionados por el esquema y no por una relación asociativa o categórica. Estos pares como se observa a continuación son de relevancia para determinar la validez psicológica del esquema en cuestión. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. Fig. 4. Secuencia de eventos en experimentos de reconocimiento de palabras con tareas de decisión lexical para observar si existe facilitación semántica. USANDO LA TÉCNICA SASO PARA EVALUAR EL APRENDIZAJE Parte de la investigación que sustenta el presente documento señala que es posible demostrar experimentalmente que el efecto que tiene el comportamiento del esquema simulado sobre la organización de la información tiene validez psicológica. En particular, se ha sugerido que usando una técnica cognitiva experimental denominada facilitación semántica24 es posible determinar si un esquema de conocimiento existe en un estudiante si y solo si este ha sido integrado en su memoria a largo plazo. En un estudio típico de facilitación semántica se trata de observar si la relación semántica que un concepto (facilitador) guarda con otro concepto (objetivo) afecta el reconocimiento de este último. La figura 4 describe la secuencia de un ensayo experimental en este tipo de estudios. Si el estímulo objetivo guarda un relación semántica con el facilitador entonces este será reconocido más rápido (facilitación semántica) o más lentamente (interferencia semántica).25 La tarea del participante es decidir si la palabra objetivo está bien escrita (por ejemplo ENFERMERA), o mal escrita (ENHERMERA), dado lo anterior a este tipo de tareas se les denomina de decisión lexical. Diferentes tiempos de reconocimiento se han atribuido a diferentes relaciones semánticas entre conceptos en la memoria humana (relación asociativa: MANTEQUILLA-PAN; categórica: AVE-CANARIO; etc.;24). Una serie de estudios realizados por casi un espacio de 20 años han mostrado consistentemente que pares de palabras seleccionadas por su relación de esquema en la simulación SASO (e.j. ESCRITORIO-EDIFICIO) tienden a tener tiempos de reconocimiento específicos identificando al esquema en cuestión cuando esta está organizando información en el lexicón humano a largo plazo. Este efecto de reconocimiento de palabras que guardan una relación semántica de esquema fue nombrado “facilitación esquemática” y ha sido difundido académicamente por la presente línea de investigación en una diversidad de ocasiones.12, 22, 26-28 En particular en una de las investigaciones realizadas29 se encontró evidencia inicial de que al Fig. 5. Definiciones conceptuales de 10 conceptos centrales al esquema de moral que se analiza. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 31 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. inicio de un curso cuando los estudiantes todavía no aprenden su contenido no es posible encontrar el efecto de facilitación esquemática entre los conceptos centrales del curso, pero si es posible encontrar este efecto al final del curso solo en los estudiantes que sacaron buenas notas. Por ejemplo, en otros estudios de la presente investigación30-31 se llevaron a cabo estudios SASO donde inicialmente se realizó un análisis de redes semánticas naturales sobre 10 conceptos centrales a un curso de desarrollo moral a un grupo de 39 estudiantes (22 hombres y 17 mujeres) de primer y segundo año de preparatoria (entre 16 y 18 años) en un colegio particular de clase media a alta de Monterrey. Este análisis se realizó después del curso. El análisis de RSN arrojó 10 grupos SAM con sus respectivos índices de riqueza de información (J) y densidad semántica (G). Estos son descritos en la figura 5. La pantalla de simulación conexionista Boltzman mostró que al activarse el concepto de “padres” también se activa al máximo el concepto de “policía”. Sin embargo, aún y cuando el concepto “disciplina” está fuertemente asociado a “policía”, este no se activó. Mostrando la existencia de un esquema moral. En general la activación del concepto “policía” ocurrió cada vez que se activó un concepto relacionado a un esquema de desarrollo moral denominado estado heterónimo de desarrollo moral en donde un concepto de autoridad externa al individuo rige normas de conducta moral, esto en oposición al estado de desarrollo moral Autónomo Fig. 6. Solamente el grupo experimental mostro efecto de facilitación esquemática después del curso.31 32 en donde normas de desarrollo moral se rigen por normas internas del individuo. Ahora bien, después de varias simulaciones se obtuvieron pares de palabras fuertemente relacionadas por dicho esquema y se usaron para comparar sus tiempos de reconocimiento antes y después del curso de desarrollo moral en un estudio de facilitación semántica en dos nuevas muestras de estudiantes. Una muestra tomo el curso (experimental) y otra no (control). Como se observa en la figura 6 el efecto de facilitación esquemática es lo suficientemente sensible para detectar el registro que deja la adquisición de nuevo conocimiento en la memoria a largo plazo (lexicón). IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA COMPUTACIONAL DETECTOR DE FACILITACIÓN ESQUEMÁTICA En una tercera etapa de investigación12 implementaron una red neural capaz de identificar cuando un estudiante integra o no en su memoria a largo plazo el nuevo conocimiento a aprender. Dicho sistema computacional evalúa los tiempos de reconocimiento por parte de estudiantes de palabras centrales a un curso. Para lograr esto primero se entrena una red neural (aprendizaje supervisado) a discriminar cuales tiempos de reconocimiento de palabras de un esquema (obtenidos a través de estudios de facilitación semántica tipo SASO) se relacionan a estudiantes que si integran información en su memoria a largo plazo (facilitación esquemática). La figura 7 muestra la idea general de la tarea que la red neural considerada debe tener. En su etapa de entrenamiento a la red neural se le presentan pares de palabras de un estudio de facilitación semántica con sus correspondientes tiempos de reacción (tiempos para pares de palabras asociativas, categóricas, esquemáticas y no relacionadas) y de qué tipo de éxito escolar (facilitación esquemática: Si/No) se trata la instancia. En su etapa de prueba se le presentan solamente la información de tiempos de reconocimiento de pares de palabras de nuevos estudiantes. En el 99% de las 5000 pruebas el sistema acierta en discriminar aquellos alumnos que no integran de los que si integran información en la memoria a largo plazo. Al parecer el efecto de facilitación esquemática es lo suficientemente útil para esta tarea de clasificación. Por otra parte, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. Fig. 7. Se ilustra el concepto de una red neural que tiene como propósito clasificar si se adquiere un esquema basado en la presentación de pares de conceptos y un tiempo de reacción relacionado a dichos pares. lo que más distingue al comportamiento de una red neural de entre varias cosas es su capacidad de identificar y clasificar patrones de comportamiento dentro de la presentación masiva de estímulos. La aproximación SASO hasta aquí señalada pretende introducir una adición innovadora a las plataformas de aprendizaje virtual y presencial para evaluación del aprendizaje de cursos. En particular, esta intención se traduce en el diseño y usabilidad de una interface computacional innovadora de evaluación de aprendizaje en el área de la tecnología Fig. 8. Pantalla principal del sistema evaluador SASO (versión 3). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 educativa. La figura 8 muestra la pantalla inicial que se presenta al activar el sistema. El sistema que se propone está ya en su tercera versión y los prototipos hasta ahora desarrollados han dependido de etapas experimentales del presente estudio. La primera versión pública (libre de costo) se presentara en Agosto del año que viene. Nótese de la pantalla de la interface que el sistema está dividido en dos grandes secciones. Por una parte el menú señala la posibilidad de recibir instrucción sobre un tema específico. También, en el menú se señalan dos opciones para la evaluación de aprendizaje. La figura 9 muestra la idea de uso por parte de un estudiante de la interface en cuestión. La intención del presente proyecto no es la de definir un sistema instruccional en particular. Avances remarcables se han llevado a cabo en este sentido 2, 5, 10 dado el uso de medios de multimedia que facilitan, inducen y favorecen la organización del conocimiento por adquirir. Más bien la contribución del presente proyecto se centra en el problema de la evaluación en línea que este a la par de estos avances. Los menús de la interface mostrados en la figura 9 son capturas reales de la pantalla y estos 33 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. Fig. 9. Se ilustra la tarea que un estudiante tiene que realizar al aprender un tema determinado (a). El sistema detecta el tema seleccionado y no permite la presentación de contenidos hasta que no se tome el estudio de facilitación semántica que contiene el esquema del tema seleccionado. Al terminar, el usuario debe tomar otra vez el estudio de facilitación semántica. muestran en la figura 9b las opciones de evaluación que la aproximación SASO ofrece a un usuario. En particular la figura 10 muestra la pantalla de la interface cuando se necesita un reporte completo sobre los índices de organización conceptual del estudiante que ha intentado aprender un tema. El panel superior derecho de la figura 10b muestra los Fig. 10. Reporte SASO de la organización conceptual que se adquiere durante una sesión de aprendizaje sobre el tema de Piaget. 34 conceptos de relevancia con los que el estudiante después de su aprendizaje empata con los conceptos semánticamente relevantes de un grupo de expertos (maestro). Nótese que el menú también señala la opción “clasificación RSN”. Esta opción solo reporta si la red neural experta detecta si existió en el estudiante un efecto de facilitación esquemática. En dado caso que el estudiante ya presentara dicho efecto antes del estudio, entonces la red neural reporta si ambos efectos son diferentes. En aras de evitar redundancia no se desglosan dichas opciones. Cuando se selecciona la opción de visualización se obtiene una pantalla como la ilustrada en la figura 11. Como ya se ha descrito anteriormente la matriz SASO contiene pesos de asociación entre conceptos calculados por la co-ocurrencia conceptual a través de grupos de definidores SAM en la técnica de redes semánticas naturales. Dichas matrices muestran diferencias de conectividad después de un aprendizaje determinado y la selección de la opción “Graficar Superficie” permite una inspección visual de la distribución de conectividad tal y como se ilustra en la figura 12. La matriz puede ser rotada en 3D por un sistema automático o manualmente con el cursor. Los rangos de valor de asociación entre conceptos pueden ser vistos en 2 o 3 colores. En la figura 12 los valores de la diagonal representan fuerte conectividad entre los conceptos dentro de un grupo SAM mientras que los demás picos de valor señalan comunalidad, esto es, co-ocurrencia conceptual entre grupos SAM. Por su parte, la figura 13 muestra la posibilidad de usar 6 métodos Cluster diferentes así como la consideración de 5 diferentes unidades de distancia Fig. 11. Al activar la opción de visualización es posible trabajar con una matriz SASO que se accede a través de la opción “obtener datos”. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. el sistema que se presenta provee información fuera del alcance de los métodos tradicionales de evaluación. Le permite ahondar en la misma memoria del estudiante. Fig. 12. Visualización de la distribución de pesos de conectividad conceptual en una matriz SASO. conceptual para dar así al menos 25 diferentes formas de visualizar la organización conceptual resultante de un aprendizaje. Ahora bien, dicha flexibilidad de análisis es significativa si y solo si el usuario tiene la capacidad de entender que es lo que dichos métodos de visualización significan en el dominio de la representación mental. Esto demanda en si un nuevo tipo de profesor en el aula escolar. Uno con competencia de la teoría cognitiva de la representación mental. Para dicho profesor, CONCLUSIÓN Los estudios de ciencia cognitiva del aprendizaje conducidos por la presente investigación sugieren que es posible identificar cambios de organización conceptual dado un aprendizaje tal y como se sugiere en la literatura a través de técnicas de redes semánticas. Dichos cambios de organización se deben a una forma diferente de significar un evento que se implícita en el nuevo esquema que se adquiere. Por ejemplo, nuevos patrones de asociación conceptual (comunalidad) emergen para dejar huellas mnemónicas a largo plazo en el lexicón humano. Estos nuevos patrones de organización impactan en una dimensión de tiempo de forma estocástica en la vida cognitiva conceptual de una persona cuando aprende un tema nuevo. Una vez activado un esquema en nuestra memoria, una red neural simulada es capaz de hacer uso de dicho comportamiento para obtener información que permite distinguir a alguien que ha integrado nuevo conocimiento de quien no lo ha hecho. En el Fig. 13. Dendograma de posibles métodos Cluster mostrando distancia conceptual en el esquema de la teoría de Piaget. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 35 �Recuperando el paso en la evaluación del aprendizaje en línea en la era... / Guadalupe E. Morales Martínez, et al. momento, todavía no se considera que dicho sistema computacional como una herramienta que pueda sustituir otras formas estándares de evaluación del aprendizaje en línea. Sin embargo, conforme la investigación científica empodere los resultados observados, lo más viable en un futuro es actualizar o sustituir dichas formas estándar de evaluación por sistemas que realmente hagan uso de la ciencia computacional vigente y de avances de la ciencia cognitiva del aprendizaje modernos tal y como se mostró en la presente línea de investigación. REFERENCIAS 1. Steinberg, E. R (1991). Computer Assisted Instruction: A synthesis of Theory, Practice and Technology. Hillsdale, New Jersey: Lawrence Erlbaum Associates, Publishers 2. Hale, K. S., Stanney, K. M. (2014). Handbook of virtual environments: Design, implementation and applications. USA. Taylor & Francis: CRC Press. 3 Keppell, M., Souter, K., Riddle, M. (2012). Physical and Virtual learning spaces in higher education. 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SánchezA* A B Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica eduardo.sanchezcv@uanl.edu.mx RESUMEN Con la intención de contribuir al desarrollo de nuevas tecnologías para la energía alternativa, en este trabajo se expone un estudio sobre el desarrollo de redes de nanofibras duales, cuya composición y metodología de formación son estrategias fundamentales para el desarrollo de biopelículas exoelectrogénicas sobre su superficie, lo que favorece el proceso de bioconversión de un sustrato químico a electricidad. Las nanofibras duales favorecen los procesos de transferencia de carga, siendo la nanofibra de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/ C(semi-grafito) la más efectiva. Debido a esto, este tipo de materiales son prometedores para su aplicación como electrodos en dispositivos para el almacenamiento y conversión de energía, de manera particular en celdas de combustible microbianas. PALABRAS CLAVE Nanofibras duales, ánodos, bioelectricidad, celdas de combustible microbianas. ABSTRACT In an effort to contribute to the development and advancement of new technologies in the area of alternative sources of energy, in the present contribution a study on the development of dual nanofibres networks, whose composition and synthesis methodology is fundamental in the growth of exoelectrogenic biofilms on their surface, which favors the bioconversion of a chemical substrate into electricity, is presented. The dual nanofibres promote the electrical charge transfer processes, being the TiO2(ruthile)-C(semi-graphite)/ C(semi-graphite) nanofibres the most effective in this regard. Thus, this type of materials are promising for their application as electrodes in devices for charge storage or energy conversion, particularly in microbian fuel cells. KEYWORDS Dual nanofibres, amode, bioelectricity, microbian fuel cells. 38 Artículo basado el trabajo “Producción de bioelectricidad utilizando fibras duales de TiO2/carbón como electrodo en la celda de combustible microbiana” Premio de Investigación UANL 2014 en el área de Ingeniería y Tecnología. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. INTRODUCCIÓN Problema Energético mundial En la actualidad más de 7 mil millones de personas habitamos nuestro planeta, y para el 2050 se estima que habrá 9.4 mil millones de personas.1 Lo que implica que este consumo energético se incrementara de 524 cuatrillones de BTUs (unidades térmicas) en el 2010 a 630 cuatrillones de BTUs en el 2020, hasta llegar a casi 820 cuatrillones de BTUs en el 2040. El acelerado desarrollo industrial y económico mundial se ha sostenido gracias a los combustibles fósiles, sin embargo en un futuro muy cercano estaremos sufriendo las graves consecuencias de la sobreexplotación de fuentes de energía no renovables y los problemas de contaminación que derivan de su uso, resultando insostenible nuestro desarrollo de esta manera por tiempo indefinido. Para cubrir las demandas en materia de energía de nuestra sociedad, será necesario desarrollar tecnologías alternas que nos permitan obtener beneficios energéticos sin comprometer la calidad de nuestro futuro. México y el desarrollo de energía sustentable Las energías renovables son indispensables para asegurar la sustentabilidad y el cuidado del medio ambiente, así como una mayor independencia energética del país. Es por esto que los temas de investigación y desarrollo en el área de fuentes alternas de energía son de vital importancia para el desarrollo del país, ya que nos permitirán ir mitigando esa falta de capacidad técnica que actualmente se tiene, para poder lograr un mayor aprovechamiento de las fuentes alternas en la generación de energía. Interesados en participar en el desarrollo energético nuestro grupo de investigación pretende impulsar la obtención de energía sustentable a través de la del desarrollo de materiales novedosos que nos permitan obtener energía a través del uso de celdas de combustible microbianas. ¿Qué son las cel das de combusti ble microbianas (MFC´s)? Las celdas de combustible microbianas (MFC, por sus siglas en inglés) son dispositivos electroquímicos, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 los cuales convierten la materia orgánica en energía, en forma de electricidad o hidrógeno y para este propósito utilizan microorganismos como catalizadores.2 Generalmente el proceso de generación de electricidad está acompañado de la biodegradación de un compuesto orgánico o de aguas de desecho,3 por lo que de esta manera el uso de estos dispositivos pueden resolver dos problemas, el relacionado con la obtención de energía limpia y el del manejo sustentable de residuos. ¿Cómo funciona una MFC? Una celda de combustible microbiana está compuesta por dos cámaras, una anódica y otra catódica, divididas entre sí, por una membrana de intercambio protónico. En la figura 1 se presenta un diagrama de una MFC común. Típicamente la cámara anódica es mantenida en condiciones anaerobias, mientras que la cámara catódica debe estar expuesta al aire. Los microorganismos exoelectrógenos oxidan la materia orgánica produciendo energía celular mediante moléculas de adenosín trifosfato (ATP) y electrones que viajan a través de una serie de enzimas respiratorias y logran salir de la célula. Enseguida estos electrones son transferidos hacia el ánodo y posteriormente fluyen hacia el cátodo como resultado del potencial electroquímico que se genera entre el proceso de respiración enzimático y el aceptor de electrones. El flujo de electrones de la cámara anódica a la cámara catódica se lleva a cabo a través de una conexión eléctrica externa. Para conservar la electroneutralidad del sistema, la transferencia de electrones del ánodo al cátodo debe ir acompañada Fig. 1. Celda de combustible microbiana.5 39 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. de un número igual de protones entre estos dos electrodos a través de la membrana de intercambio protónico. Por último la combinación de protones con oxígeno en la cámara catódica produce agua.4 Los electrones y los protones son excretados por los microorganismos gracias a un proceso metabólico desasimilativo de la oxidación de los sustratos orgánicos.6 Una vez que se han liberado los electrones en la cámara anódica estos deben ser transferidos hacia el electrodo anódico, por lo que en este caso el electrodo juega el papel de un aceptor de electrones extracelular. ¿Por qué utilizar una MFC? Las MFC´s ofrecen la posibilidad de extraer alrededor del 90% de los electrones de los compuestos orgánicos y pueden ser auto-sostenibles y autoregenerables. Posteriormente, los microorganismos liberan los electrones de sus células y los transfieren a los electrodos (ánodo) de la celda. El desarrollo de sistemas que involucran bacterias para producir electricidad representan métodos innovadores para la producción de bioenergía. Son tecnologías económicas y sencillas, debido a que cualquier materia orgánica biodegradable se puede utilizar en una MFC. Si la materia orgánica representa un riesgo ambiental, con esta novedosa tecnología es posible oxidarla a una especie inocua; de esta forma no solo resolvemos el problema energético, sino también el del manejo sustentable de residuos.7 Los retos de las MFC´s Como se ha mencionado, la tecnología de las MFC es aún muy reciente, incluso la ciencia del mecanismo de transferencia electrónica del microorganismo al electrodo está en etapa de investigación.8 El motivo principal por el cual estos dispositivos no son una realidad comercial en la actualidad, se debe a sus bajos rendimientos de potencia y esto está en función de la tasa de transferencia de electrones de los microorganismos al ánodo, la resistencia del circuito y la transferencia de masa de protones en el líquido, entre otros factores.9 Uno de los mayores retos a superar para mejorar el rendimiento de estos dispositivos electroquímicos radica en la naturaleza del electrodo anódico, debido a que tiene un rol fundamental en la transferencia electrónica dentro 40 de la MFC. Las características del electrodo como su composición y morfología impactan en la formación de la biopelícula, la transferencia electrónica, la resistencia del sistema y la velocidad de reacción en la superficie del electrodo. La importancia del ánodo en el desempeño de las MFC´s Como se ha discutido con anterioridad, de manera particular el ánodo se relaciona con el crecimiento de las biopelículas sobre su superficie y determina el potencial redox final de los microorganismos debido al flujo de electrones, por lo que es un elemento muy importante en las MFC, debido a su participación directa en el proceso de conversión biocatalítica de un sustrato en electricidad. El electrodo anódico participa particularmente en el metabolismo de los microorganismos debido a que al incrementar la corriente de la MFC, se produce un decremento en el potencial del ánodo y de esta manera los microorganismos se ven forzados a entregar los electrones provenientes de la oxidación de sustratos reducidos.10 Por lo tanto se sabe que el ánodo influye en el metabolismo oxidativo del sustrato. El material del cual está constituido el ánodo y su estructura puede afectar directamente el desarrollo de los microorganismos, la oxidación del sustrato y la transferencia de electrones, por la resistencia interna que limita el desempeño de una MFC.11 Se ha reportado que el material anódico debe presentar una alta conductividad eléctrica, debe contar con una gran área superficial, una buena compatibilidad biológica y debe ser estable químicamente frente a la solución de la cámara anódica.12 Por lo que es muy importante la selección y el desarrollo de los materiales y su morfología. Composición química de los ánodos en MFC El desempeño del ánodo está íntimamente ligado con su composición química, por lo que es un aspecto importante a considerar. Algunos materiales como el TiO2 cuentan con propiedades eléctricas interesantes, debido a que los sitios vacantes de oxígeno que se encuentran en su estructura cristalina, le permiten actuar como un semiconductor eléctrico; además es químicamente estable y biocompatible, lo que permite su aplicación Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. en distintos dispositivos electroquímicos como celdas solares y baterías de ion litio. Por otra parte, se ha empleado la combinación de TiO2/PANI como ánodo en MFC, y se encontró que este material tiene la capacidad de albergar una célualas de E. coli. Con este último acontecimiento queda demostrado que la combinación de TiO2 con PANI resulta un excelente anfitrión para el desarrollo de biopelículas exoelectrogénicas; se conoce que la superficie rugosa del material anódico favorece el desarrollo de pilis y estos contribuyen a la transferencia electrónica extracelular hacia la superficie del ánodo durante la reacción electroquímica, produciendo 1495 mW/m2.13 Por otra parte, el carbón en algunas de sus diferentes formas ha sido ampliamente utilizado como electrodo,14 debido a su alta versatilidad, precio económico y fácil manejo, además de sus interesantes características eléctricas y morfológicas. Se han desarrollado nanofibras carbonáceas a partir de poliacrilonitrilo (PAN) electrohilado, obteniendo materiales con una conductividad eléctrica de 840 Scm-1; se ha reportado que las altas temperaturas de carbonización mejoran el contacto entre las fibras de la red y favorecen la grafitización.15 En los últimos años, el sistema de TiO2-Carbón ha sido el centro de atención de muchas investigaciones, debido a su potencial aplicación como sensor de gas, electrodo en baterías de ion litio, en celdas de combustible, entre otros. La combinación de titanio con carbón, también mejora la conductividad eléctrica del material anódico en una MFC, esto se probó con Li4Ti5O12 con grafeno en una batería de ion litio debido a que el carbón provee al TiO2 un camino para la transferencia de electrones.16 En dispositivos fotocatalíticos también se ha demostrado que los materiales carbonáceos aumentan la eficiencia del TiO2 debido a que actúa como una trampa de electrones y promueve la separación electrónhueco, minimizando la recombinación de cargas y mejorando la conductividad del TiO2. 17 Otro tipo de materiales que han llamado la atención recientemente son los polímeros conductores; la polianilina (PANI) es uno de ellos y tiene potenciales aplicaciones, por ser altamente estable, de fácil preparación, y con propiedades redox comparadas con otros polímeros conductores.18 Las sorprendentes propiedades electrónicas de PANI, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 como la conductividad eléctrica, el bajo potencial de ionización y la alta afinidad electrónica están asociadas con los electrones  que se conjugan en el sistema alternándose entre los enlaces dobles y triples de la cadena polimérica principal.19 Se ha demostrado que PANI tiene la capacidad de aumenta la porosidad de los materiales carbonáceos, debido a que la anilina reacciona con los grupos oxígeno de la superficie del carbono, produciendo importantes cambios en la porosidad del material, de tal manera que adiciones de 6% de PANI pueden producir un aumento en la capacitancia de alrededor de 20% del carbón activado (125 a 148 F/g).20 La presencia de nanotubos de carbón a las películas de PANI obtenidas por oxidación química, produce un incremento en el área superficial del electrodo (50.2 m2g-1); así mismo, esta combinación de materiales mejora la capacidad para la transferencia de carga, lo cual conlleva a un incremento considerable en la actividad electroquímica en la reacción anódica en una MFC.21 Morfología de los ánodos en MFC La morfología del ánodo es otro factor clave a considerar, pues ésta es capaz de eficientizar el flujo de electrones en una MFC. Se ha encontrado que la optimización de estructuras porosas en el electrodo con altas áreas superficiales específicas incrementa la densidad de potencia en las celdas, puesto que soportará una mayor cantidad de microorganismos exoelectrogénicos. 22 En los últimos años los materiales nanoestructurados unidimensionales como las nanofibras, han atraído una gran atención por las geometrías que los distinguen, especialmente su alta relación longitud/ diámetro o área superficial/volumen y sus novedosas propiedades físicas y químicas responsables de sus potenciales aplicaciones como electrodos en una amplia variedad de dispositivos diseñados para la conversión y almacenamiento de energía.23,24 Arquitectura & propiedades funcionales de las nanofibras Cuando las fibras electrohiladas se disponen de manera aleatoria sobre el sustrato colector metálico forman redes tridimensionales con efecto coalescente, y estos puntos de contacto entre 41 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. ellas proveen un camino para la transferencia electrónica en nanofibras de carbono; por lo tanto están directamente relacionados con el aumento o disminución de la conductividad. 25 Además, nuestro grupo de investigación considera que los diseños específicos de nanofibras duales podrían contribuir a mejorar estos puntos de interconexión coalescentes que acabamos de mencionar y esto cobraría aún mayor importancia si las nanofibras individuales que conforman las nanofibras duales tuvieran diferente composición química y distintas propiedades eléctricas, entonces se aumentaría el contacto entre ambas. Se ha demostrado que se pueden obtener nanofibras duales al hacer una modificación a la técnica de electrospinning.26 Las nanofibras duales obtenidas se distinguen por presentar algunas ventajas que han sido probadas en fotocatálisis como: Una máxima exposición de ambas nanofibras en la superficie reduciendo la recombinación de pares electrón-hueco e incrementando la eficiencia cuántica del sistema; altas áreas superficiales; y presentan una morfología que favorece la recuperación del material.27 Estas características también podrían favorecer en gran medida las aplicaciones como ánódo, en MFC´s, al aumentar los puntos de contacto entre ellas, y por lo tanto la conductividad.28 Por lo expuesto anteriormente, nuestro grupo de investigación se interesó en desarrollar materiales anódicos que optimicen el desarrollo de biopelículas exoelectrogénicas sobre su superficie, para eficientizar la conversión de energía de un sustrato bioconvertible en electricidad, al favorecer el flujo electrónico en una MFC, y entonces obtener resultados que reditúen en conocimiento científico de interés para el desarrollo de nuestra sociedad. METODOLOGÍA Síntesis de nanofibras duales electrohiladas de TiO2/C Las nanofibras duales (d-NF) se obtuvieron por la técnica de electrospinning de bicomponente, cuyas condiciones se han reportado en trabajos previos.25 Dos soluciones precursoras distintas (A y B) se expulsaron simultáneamente a través de un spinneret integrado por dos agujas confinadas en una geometría “side-by-side” (figura 2). 42 La solución precursora (A) para las fibras de TiO2PVP-PANI se preparó mezclando una solución polimérica compuesta por PVP:PANI (1:4 molar), disuelta en DMF, y Ti(OiPr)4 disuelta en ácido acético y etanol. Por último, la solución resultante se agitó antes ser electrohilada. La solución precursora (B), para fibras de PAN, se disolvió PAN en DMF a 8 % w/w.26 la caída doble de las soluciones A y B, se expulsaron directamente hacia la placa colectora de aluminio, posteriormente las nanofibras electrohiladas se expusieron al aire a temperatura ambiente y una humedad relativa de 40-60 % para promover la hidrólisis del Ti(OiPr)4. El proceso térmico se llevó a cabo en un horno tubular (Mini -Mite ™). Las nanofibras se calentaron (3°C/min ) desde 20°C a 280°C en aire durante 1 h, posteriormente se calcinaron (5ºC/min) a 425oC durante 1 h con el fin de obtener la fase cristalina de TiO2. Por último, las nanofibras se carbonizaron a 1000ºC durante 1 h, en N2. Caracterización de los materiales La estabilidad térmica de las nanofibras electrohiladas, se determinó con un analizador térmico simultáneo de TGA y DTA (STA6000 PerkinElmer, Inc.) hasta 980°C (15°C/min), en N2. También se utilizó un calorímetro de barrido diferencial (Diamond DSC PerkinElmer, Inc.) con -Al2O3 como referencia, se calentó de temperatura ambiente hasta 500oC (15°C/min), en N 2. La identificación de fases y la determinación de la estructura cristalina se llevó a cabo utilizando un difractómetro de rayos X en polvo (D5000 Siemens) a temperatura ambiente, CuK (=1.5418Å), a 35 kV y 25 A. La intensidad se midió entre 20º y 80º por 1 h. Un primer análisis morfológico y elemental de las nanofibras electrohiladas se realizó con un microscopio electrónico de barrido con emisión de campo, FESEM (FEI NovaNanoSEM200, FEI Company) equipado con un detector EDXS (EDAX). Un estudio detallado sobre la morfología, así como la composición de las nanofibras y sus características estructurales se llevaron a cabo en un microscopio electrónico de transmisión (FEI TEM Titan G2 80300, FEI Company) y un detector EDXS (EDAX). La estabilidad electroquímica de las nanofibras se evaluó mediante voltametría cíclica en un Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. potenciostato/galvanostato (VMP3, Biologic Science Instrument) y un electrodo de referencia de Ag/AgCl en KCl 3 M. El comportamiento electroquímico de las nanofibras se obtuvo mediante espectroscopia de impedancia, en un potenciostato/galvanostato (VMP3, Biologic Science Instrument) con software EC-Lab 10.18 y ZSimWin 3.21. Electrodo de trabajo (EW), Electrodo Auxiliar (EA) de platino y Electrodo de Referencia (ER) de Ag/AgCl en KCl 3 M y K2SO4 0.5 M como electrolito soporte. Las mediciones de corriente se llevaron a cabo en una fuente de voltaje picoamperimetrica (Modelo 6487, Keithley Instruments); aplicando un voltaje desde 0 a 200 V, a temperatura ambiente. Diseño y ensamble de una media celda de combustible microbiana Cultivo y electroactivación de las células de Eschericha coli K-12: Las células de E. coli K-12 (Bio-Rad, S.A.) liofilizadas se activaron anaeróbicamente en una incubadora (1575 ShelLab ®) a 37°C y 200 rpm por 24 h en un medio de cultivo Luria Beltrani, LB a pH 7. Posteriormente las células se inocularon al 20% en un medio de cultivo fresco “Medio Estándar” (MS) compuesto por 10 g/L de glucosa anhidra, 5 g/L de extracto de levadura,10 g/L de NaHCO3, 5 g/L de NaH2PO4, y pH de 7. El cultivo obtenido hasta esta etapa será “E. coli K-12 cultivo original”, este cultivo fue sometido a un proceso de tres electroactivaciones aplicando 0.035 V, 0.045 V y 0.05 V por 15 segundos con un potenciostato/galvanostato (VMP3, Biologic Science Instrument). Para cada electroactivación se montó una celda de doble cámara, separada por un puente salino de KI saturado en medio sólido. En la cámara anódica se colocó el cultivo original suspendido en MS y se utilizó una malla de platino (BAS Bioanalytical Systems Inc.) como electrodo de trabajo (EW); esta cámara se mantuvo en anaerobiosis con N2 cromatográfico estéril. En la cámara catódica se utilizó un electrodo de Cu en espiral de referencia y electrodo auxiliar; el electrolito utilizado fue KCl 0.1 M. Todo se esterilizó previamente y se trabajó bajo condiciones de asepsia. Entre cada electroactivación se inocularon las células electroactivadas al 10 % en un medio fresco MS y el cultivo resultante se mantuvo anaeróbicamente en incubación (311DS, Labnet International Inc.) a Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 33°C por 24 h; posteriormente se centrifugó a una velocidad de 2000 rpm, y una temperatura de 4°C por 15 min, para formar un pellet de inóculo para la posterior electroactivación. Este procedimiento se reprodujo hasta la tercera electroactivación, en donde se obtuvieron las células electroactivadas con 0.05 V a la que llamaremos “E. coli K-12 electroactivada”. Desarrollo de la biopelícula sobre las nanofibras duales: Las nanofibras duales se sumergieron en una suspensión celular de E. coli K-12 electroactivada en un medio estándar. Se mantuvo el sistema anaerobio y en incubación estática a 37°C por 15 días, el medio se remplazó cada 24 h por un medio estándar fresco, para asegurar la viabilidad de las células y el desarrollo de la biopelícula sobre el sustrato. Desempeño de las nanofibras como ánodo en una MFC Para evaluar el desempeño las nanofibras duales de TiO2-Carbón/Carbón como ánodo en una celda de combustible microbiana, se utilizó un sistema de media celda de combustible con tres electrodos. El electrodo de trabajo (EW) se compuso de las nanofibras duales de TiO2-Carbón/Carbón soportando una biopelícula de la bacteria Escherichia coli K12 (Biorad) electroactivada, tercera generación; se utilizó también un electrodo de Ag/AgCl en una solución de KCl 3 M como electrodo de referencia (ER) y un alambre de Pt en forma de espiral como electrodo auxiliar (EA). La solución anódica consistió de una solución de glucosa 11 mM como fuente de carbono en un buffer de fosfatos 50 mM. Además, se añadió azul de metileno en una concentración de 23.7 mM, como intermediario electrónico. Los experimentos se llevaron a cabo con un potenciostato/galvanostato (VMP3, Biologic Science Instrument) y se realizaron mediciones cronoamperométricas aplicando un potencial de 0.2V (vs Ag/AgCl) sobre el electrodo de trabajo, y se midió la señal de corriente generada. Todas las operaciones experimentales se llevaron anaeróbicamente, a una temperatura de 25°C. RESULTADOS En esta sección de resultados se analiza rigurosamente la obtención y el comportamiento de las nanofibras duales de Ti(OiPr)4-PANI-PVP/ 43 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. Fig. 2. Spinnerets diseñados para la obtención de nanofibras sencillas, duales y coaxiales. a) spinneret sencillo; b) spinneret dual. PAN, la información de los otros materiales es complementaria y contribuye con el sustento de los resultados del material principal. Las nanofibras duales de Ti(OiPr)4-PANI-PVP/PAN se representan de esta manera para indicar que es el material tal como fue electrohilado, una vez sometido a un proceso térmico particular nos referiremos a este de manera general como TiO2-Carbón/Carbón. Al hacer modificaciones en los spinnerets utilizados en el equipo de electrospinning, se electrohilaron redes de nanofibras con diferentes arquitecturas. Como se muestra en la figura 2 con los dos spinnerets utilizados se lograron obtener redes compuestas por nanofibras sencillas y duales al aplicar una diferencia de potencial entre los electrodos del equipo de electrospinning de 20 y 25 kV respectivamente. En la figura 3 se muestran los resultados del análisis morfológico obtenido por SEM de las redes Fig. 3. Micrografías obtenidas por FESEM de las nanofibras tal y como fueron electrohiladas. a) nanofibras sencillas de Ti(OiPr)4-PVP; b) nanofibras sencillas de Ti(OiPr)4-PANI-PVP; c) y d) nanofibras duales de Ti(OiPr)4-PANI-PVP/PAN. 44 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. de nanofibras electrohiladas (as-electrospun), estas imágenes confirman la presencia de nanoestructuras tipo fibras que se interconectaron y producto de estas interconexiones formaron una red no tejida “mat non-woven”. Las figuras 2c y 2d corresponden a la nanofibra dual, en la cual una de las nanofibras individuales se electrohiló a partir de la solución precursora A, mientras que la otra nanofibra individual se electrohiló de manera simultánea a partir de la solución precursora B. Lo anterior indica que los chorros paralelos de las dos soluciones viajaron juntos hacia la placa colectora para formar la red no tejida de nanofibras duales durante el proceso de electrospinning. Las fibras individuales que conforman la nanofibra dual presentan diferencias morfológicas, debido a que una de ellas presenta rugosidad. En la figura 4, se presentan las micrografías para las nanofibras carbonizadas, en ellas podemos observar que se conservó la uniformidad en las fibras y no se apreciaron inestabilidades axisimétricas29 en sus morfologías. Después del proceso de carbonización los diámetros disminuyeron notablemente; las nanofibras sencillas TiO2-C(PVP) cambiaron de 210 nm a 90 nm, las nanofibras sencillas TiO2C(PANI+PVP) cambiaron de 200 nm a 110 nm y las nanofibras duales TiO2-C(PANI+PVP)/C(PAN) cambiaron de 500 nm a 120 nm. A partir de ahora todos los resultados expuestos para las nanofibras sencillas serán referidos únicamente a las nanofibras sencillas que contienen PANI, por lo que las nanofibras serán solamente representadas como TiO2-C, mientras las duales como TiO2-C/C. Se realizó un análisis morfológico y cristalográfico a las nanofibras duales de TiO2-C/C calcinadas hasta 1000°C durante 3 h en atmósfera inerte por TEM en bright field. Al incrementar la temperatura Fig. 4. Micrografías de las nanofibras carbonizadas obtenidas por FESEM. a) nanofibras sencillas de TiO 2-C(PVP); b) nanofibras sencillas de TiO2-C(PANI)-C(PVP); c) nanofibras duales de TiO 2-C(PANI+PVP)/C(PAN). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 45 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. Fig. 5.Imágenes de fragmentos de las fibras individuales que conforman las nanofibras duales de TiO 2(rutilo)-C(semi-grafito)/ C(semi-grafito) calcinadas a 1000°C por 3h en atmósfera inerte. a) y b) nanofibra individual de TiO 2 embebida en una matriz de carbón. c) nanofibra individual de carbón; d) patrón de SAED de la nanofibra individual de TiO2. pudimos observar mediante HRTEM que las estructuras carbonáceas de las nanofibras individuales provenientes de PAN incrementaron el ordenamiento de sus átomos, tal y como se muestra en la figura 5b. Por otra parte la nanofibra individual policristalina también sufrió cambios; al realizar estudios de SAED pudimos corroborar en el patrón de difracción que se muestra en la figura 5d la presencia puntos correspondientes a TiO2 en su fase rutilo puro con estructura tetragonal, mediante la identificación de las distancias interplanares relacionadas con las familias de planos {110}, {200}, {111}, {211} y {220} (JCPDS # 21-1276). Al observar la imagen de la figura 5a pudimos constatar la presencia de cristales embebidos en una matriz de carbón, en estas nuevas estructuras la matriz de carbón proveniente de PANI y PVP presenta cierto ordenamiento atómico, y esta evidencia se presenta en la imagen de la figura 5b. De manera general podemos afirmar que el ordenamiento de las estructuras carbonáceas se ve favorecido al incrementar la temperatura de calcinado. Sin embargo, el ordenamiento atómico no fue lo suficientemente alto como el de las estructuras grafíticas, debido a que no aparecieron puntos de difracción en el patrón de SAED. Para la obtención de nanoestructuras de carbón con ordenamiento grafítico es necesario calentar la muestra hasta alrededor de 3000 oC en vacío; sin embargo, bajo estas condiciones el resto de los componentes de las nanofibras duales puede presentar inestabilidades. Los cambios en la composición del material se analizaron por EDXS y los resultados se muestran en la figura 6 en donde es posible apreciar la micrografía adquirida mediante HAADF-STEM de las nanofibras duales, la línea roja indica la región de la muestra que se estudió durante el análisis de 46 Fig. 6. Micrografía HAADF-STEM de nanofibras dual de TiO2(anatasa&rutilo)-C/C calcinada hasta 550°C; Incerto: Perfil de escaneo lineal de EDXS mostrando la variación en composición a través de la línea roja sobre la muestra de la imagen HAADF-STEM. escaneo lineal; mientras tanto, el espectro obtenido se muestra en en el incerto. El espectro resultante señala que una de las nanofibras, específicamente aquella cuya morfología es policristalina, presenta señales claras de la presencia de Ti y O, sugiriendo así un alto contenido de TiO2, mientras la otra nanofibra muestra solamente una clara señal de carbón, lo que a su vez sugiere un alto contenido de carbón en su composición. Los detalles cristalográficos fueron corroborados por DRX. Los patrones obtenidos se muestran en la figura 7 y los resultados presentados desatacan la importancia del proceso de hidrólisis de Ti(OiPr)4 antes del procesamiento térmico, para promover la cristalización posterior del TiO2. En la figura 6 es Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. Fig. 7. Patrones de difracción de rayos X de nanofibras duales obtenidas por un proceso de electrospinning y calentadas a diferentes temperaturas. a) a 425°C sin tratamiento previo de hidrólisis; b) a 425°C; c) a 550°C; d) a 700°C y e) a 1000°C con tratamiento de hidrólisis. posible apreciar los patrones de difracción de Rayos X tanto para las nanofibras duales no hidrolizadas e hidrolizadas; estas últimas al ser calentadas hasta 425°C en atmósfera de aire presentaron las reflexiones características del TiO2 en su fase anatasa ((JCPDS # 21-1272). Posterior al desarrollo de los cristales de anatasa, las nanofibras duales se trataron térmicamente hasta tres diferentes temperaturas en atmósfera de nitrógeno. Al calentar hasta 550 oC se pudieron observar reflexiones que corresponden a la fase rutilo de TiO2 (JCPDS # 21-1276), así mismo se presentaron reflexiones de la fase anatasa (JCPDS # 21-1272). Sin embargo las nanofibras duales carbonizadas hasta 700 oC y 1000 oC solo mostraron reflexiones características de una fase pura de TiO2 rutilo (JCPDS # 21-1276), corroborando lo observado por SAED. En la etapa de calcinado en atmósfera inerte, además de obtener estructuras carbonáceas Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 (provenientes en su mayoría del PAN) como parte de la composición de las nanofibras, conduce también a la transición de fase del polimorfo anatasa del TiO2 a su polimorfo rutilo, mismo proceso que transcurre de manera irreversible. A medida que la temperatura de carbonización se incrementó, las reflexiones del TiO2 en su fase anatasa, se desaparecieron, y por consiguiente aparecieron las reflexiones de la fase rutilo. La transición completa de fase se logró hasta los 700°C en las nanofibras duales, mismas que contenían carbón en sus estructuras. El carbón proveniente de los polímeros precursores cuenta con una estructura molecular extremadamente orientada30 pero no lo suficiente como para difractar. En la figura 8 se muestran las gráficas de Nyquist representando la impedancia de los cuatro sistemas estudiados al aplicar un potencial catódico de perturbación de -0.1V. Para elucidar los procesos que se llevan a cabo en las redes de nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)-C(amorfo), duales de TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/C(amorfo), y duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(grafito) además de los diagramas de Nyquist, nos apoyamos en los diagramas de Bode correspondientes. Fig. 8. Gráfico de Nyquist representando la impedancia para varios sistemas electroquímicos con EW: las redes de nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)-C(amorfo), duales de TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/C(amorfo), TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semigrafito) y TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(Grafítico); EA: Pt(s); y ER: Ag/AgCl en KCl 3 M y un electrolito soporte de K2SO4 0.5 M. Bajo un potencial de -0.1V. 47 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. A través de un proceso de simulación de datos (Software ZSimpWin 3.21) y mediante el ajuste de los datos de los diagramas de Nyquist para impedancia se estimaron los circuitos equivalentes para describir el comportamiento electrónico de las redes de nanofibras. El comportamiento electroquímico de las nanofibras sencillas de C(semi-grafito) puede ser representado por el circuito equivalente Rs(RctQdl)Qps, donde Rs es la resistencia interna y Rct es la resistencia a la transferencia de carga. Los elementos de fase constante Q son usados para establecer una relación con la alta área superficial, donde Qdl es interpretado como la capacitancia de la doble capa y Qps como un elemento pseudocapacitivo. Para las nanofibras sencillas TiO2(rutilo)-C(amorfo) y las duales TiO2(anatasa&rutilo)C(amorfo)/C(amorfo) se usó un mismo circuito equivalente R s (R ct Q dl ). El valor de R ct calculado para las nanofibras sencillas de C(semi-grafito) es tan solo de 19 , un valor bajo comparado con la resistencia a la transferencia de carga de 7800 para las nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)-C(amorfo), confirmando que en este último material hay una baja cantidad de cargas eléctricas disponibles en el TiO2. La presencia de altas cantidades de C(amorfo) en las nanofibras duales TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/C(amorfo) reduce el valor de Rct hasta 1490 , sugiriendo de esta forma que las cargas eléctricas son provistas por el carbón. El modelo más adecuado de circuito equivalente que puede representar el comportamiento electroquímico de las nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito) es el Rs(Qdl(RctW))Qps, éste presenta un elemento de difusión representado por el elemento de impedancia Warburg (W) para considerar los posibles eventos faradáicos que se pueden presentar debido a la mayor conductividad de las estructuras carbonáceas semi-grafíticas. La resistencia a la transferencia de carga en estos materiales fue de 3.1, lo que indica una Buena contribución de las estructuras semi-grafíticas en la disponibilidad de portadores de carga electrónicos. Lo anterior mejora la promoción de las especies electroactivas en la interfase entre el electrolito y la superficie de las nanofibras duales TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito). Aquí se resalta la reducción en el valor de la Rct en las nanofibras que contienen Csg en su estructura, destacando que las nanofibras duales, aquellas que contienen TiO2 son las que permiten una mayor difusión de los portadores de carga. 48 Los datos de conductividad obtenidos a partir de la prueba de dos puntas nos indican que las redes de nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito) presentaron un valor de conductividad de 4.75x10-2 S a temperatura ambiente, valor superior a 4.2x10-8 S y 3.5x10-8 S obtenidos para las nanofibras sencillas de TiO2(rutilo)-C(amorfo) y duales de TiO2(anatasa&rutilo)-C(amorfo)/ C(amorfo), respectivamente. Es ampliamente conocido que en los materiales de tamaño nanométrico ocurre una conducción eléctrica anómala cuya relevancia se pone de manifiesto en el desempeño de los dispositivos para el almacenamiento y conversión de energía.31,32 Lo anterior nos guía en la razón por la cual las redes de nanofibras de TiO2(rutilo)-C (semi-grafito)/C (semi-grafito) presentaron la menor de las impedancias, esto no solo por el hecho de que sus estructuras carbonáceas estuvieran parcialmente ordenadas, sino también por su tamaño nanométrico. Otro aspecto interesante de estos resultados es el hecho de que estas redes de nanofibras contenían en su composición la fase rutilo del TiO2. La presencia de esta fase cristalina en contacto con estructuras de carbón semi-grafíticas contribuyeron a la obtención de estos resultados.33 En la figura 9 es posible apreciar la formación de la biopelícula de E. coli K12 electroactivadas de la tercera generación, sobre las redes de nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito); de esta manera queda demostrado que estas redes de bicomponente con arquitectura dual tiene la capacidad para el crecimiento de biopelículas con una alta densidad celular sobre su superficie. Así mismo se manifestó la biocompatibilidad de estos nuevos materiales con estas células bacterianas. La curva de densidad de corriente obtenida del ánodo probado en una media celda de combustible microbiana se muestra en la figura 10. La máxima densidad de corriente obtenida fue de 8 A/m3 después de un periodo de aclimatación de 4.5 h. Realizar un análisis comparativo de nuestro resultado con los obtenidos por otros investigadores resulta complicado debido a que la eficiencia depende de muchos factores. Sin embargo, podemos mencionar que el valor de densidad de corriente obtenido es superior a lo reportado por Lanas, V. and Logan, B.E., quienes lograron una densidad de corriente máxima de 4 A/m2 utilizando fibra de grafito como Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Nuevos materiales anódicos para la generación de bioelectricidad en celdas de combustible / Nora Aleyda García-Gómez, et al. Fig. 9. Micrografías obtenidas por SEM de la biopelícula de E. coli K12 electroactivada, 3ra. Generación, sobre redes de nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito). Fig. 10. Curva cronoamperométrica de la generación biocatalítica de corriente usando nanofibras duales de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito) como ánodo. ánodo.34 Los resultados presentados en este trabajo representan el primer estudio en el que se aplica una red de nanofibras duales de TiO2(rutile)-C(semigraphitic) /C (semi-graphitic), como electrodo anódico para una MFC. CONCLUSIONES Con una modificación al spinneret convencional, que involucra el cambiar de una punta capilar metálica plana a dos puntas paralelas unidas tipo “side-by-side” es posible obtener nanofibras duales, que a su vez están conformadas por nanofibras sencillas, cuya composición individual es diferente entre ellas. Esta configuración de nanofibras duales de bicomponente asegura un buen contacto entre las nanofibras individuales de TiO2-Carbón y las nanofibras de carbón, ambas obtenidas en un solo paso de síntesis y de manera in-situ, lo cual conlleva Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 a una optimización del tiempo en el proceso. Las nanofibras duales favorecen los procesos de transferencia de carga, sobre las nanofibras sencillas; siendo la nanofibra de TiO2(rutilo)-C(semi-grafito)/C(semi-grafito) la más efectiva para ese propósito; además de ser biocompatibles, estos materiales tienen la capacidad para ser empleados como sustrato del desarrollo de biopelículas de E. coli K12 sobre su superficie y producen una densidad de corriente de 8 A/m2 al ser utilizados como ánodo en una media celda de combustible microbiana. Por lo anterior, es posible que este tipo de materiales, como las nanofibras duales de TiO2 y carbón sean prometedoras para su aplicación como ánodos en celdas de combustible microbianas, no solo por su morfología nanométrica unidimensional, sino porque se favorece el flujo de los electrones entre los dos materiales a esas dimensiones. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, a la Secretaría de Educación Pública y a la Secretaría de Energía por los proyectos SEP-CONACyT 151587 y SENER-CONACyT 150111. Así mismo se reconoce el apoyo de la Universidad Autónoma de Nuevo León por medio del Programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica. NAGG agradece el apoyo a CONACyT por la beca otorgada. REFERENCIAS 1. Lewis NS y Nocera DG. Powering the planet: chemical challenges in solar energy utilization. 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Bioresource Technology. 2013, 148, 379–85. 51 �Real time coordination of directional overcurrent relays by ACO Meng Yen Shih, Arturo Conde Enríquez UANL-FIME con_de@yahoo.com RESUMEN La coordinación de relevadores direccionales de sobrecorriente se estudia comúnmente en base a una topología fija en un sistema eléctrico de potencia interconectado dada su complejidad y no linealidad, la coordinación se formula como un problema de optimización. Los sistemas de distribución suelen sufrir consecuencias debido a los cambios dinámicos de topología de red y la operación de elementos. Dichos cambios son entradas y salidas de generadores, líneas y cargas. Las consecuencias son la reducción de sensibilidad y selectividad de relevadores. El objetivo principal de este trabajo es el coordinar los relevadores de sobrecorriente en tiempo real. El objetivo secundario es presentar la formulación de un algoritmo de colonia de hormiga y una comparación de la misma con el algoritmo genético. Los objetivos fueron cumplidos a través del desarrollo de un algoritmo en tiempo real que ha funcionado en conjunto con los algoritmos de optimización. PALABRAS CLAVE Relé de coordinación de sobrecorriente, dinàmica de sistemas de potencia, dinàmica de topologías de red, algoritmo genético, algoritmo de colonia de hormigas. ABSTRACT The coordination of directional overcurrent relays is most commonly studied based on a fixed network topology within a mesh power system. Due to its complexity and nonlinearity, the coordination is formulated as an optimization problem. Distribution systems often suffer consequences due to the dynamic changes of network topology and operation of elements. Such changes are inputs and outputs of generators, lines and loads. The consequences are reduction of sensitivity and selectivity of relays. The principal objective of this paper is to coordinate the directional overcurrent relays on a real time basis. The secondary objective is to present the formulation of ant colony algorithm and a comparison of it with the genetic algorithm. The objectives were accomplished through the development of a real time algorithm which worked alongside with the optimization algorithms. KEYWORDS Overcurrent relay coordination, power system dynamics, dynamic network topologies, genetic algorithm, ant colony algorithm. 52 Artículo basado el trabajo “Real time coordination of overcurrent relays by means of optimization algorithm”, Premio a la Mejor Tesis de Maestría UANL 2014 en el área de Ingeniería y Tecnología y Arquitectura. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. INTRODUCCIÓN The fundamental objective of a protective relay is to detect and isolate the faulted element as soon as possible, so that the impact to the rest of the system is minimized, leaving intact as many non-faulted elements as possible. As different protections are used in different voltage levels of the power system, the directional overcurrent relays (DOCRs) are widely implemented in the sub-transmission and distribution systems due to their competing costs. The purpose of coordinating the DOCRs is to encounter settings that minimize the operation time for faults within the protective zone, while at the same time offering pre-specified timed backup for relays that are in the adjacent zones. Two settings (degrees of freedom) were considered: “dial” which is also known as timedial setting and “k” which is the security factor that multiplies with the load current in order to obtain the pickup current setting. Although DOCRs have nonlinear characteristic curves (nonlinear function), the coordination is carried out as a linear problem. This is because the coordination of a pair of relays is performed based on one point, which is the maximum coordination current of the pair of relays. Therefore, the relays guarantee coordination at this point; however, there may be a loss of coordination for faults that are located far from this point. Over the past decades, manual coordination of DOCRs has been the most common practice performed by protection experts. However, due to its complexity and nonlinearity, manual coordination has been formulated as an optimization problem. Several optimization methods have been proposed to attack this problem. Coordination of DOCRs in the frame of deterministic optimization theory using linear programming (LP) was an approach first reported in 1988. The problem was presented as a linear function in which dials were computed for given values of pickup currents.1 LP was then studied more for this problem due to its simplicity.2, 3 Heuristic methods, such as the genetic algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO) 4 of the artificial intelligence (AI) family have quickly gained popularity in solving coordination problems.5-8 GA has been frequently reported in different literatures due to its simplicity, robustness and easy implementation. This algorithm is based Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 on the evolutionary ideas of natural selection of genes which consist of selection, reproduction and mutation. In this case, the problem was presented as a nonlinear function in which both the dial and the pickup current parameters were computed. Recently, hybrid methods have also arisen in solving coordination problem. Their main attractions are the reduction of search space, execution time and the number of iterations required in encountering the solution. The hybrid GA and mixed PSO are newly developed methods that are combined with LP, in which their search space are drastically reduced by encoding only the pickup currents as input variable strings, leaving the dials as task for LP to solve.9, 10 In other words, these hybrid methods solve coordination problems by the linearization of the relay function. Although DOCRs are the simplest and cheapest, they are the most difficult to apply and the fastest to need re-setting as system changes. Coincidentally, they are mostly implemented in the distribution network, which is the most dynamic part of the whole power system. Consequently, these dynamic changes affect their sensitivity and selectivity, which cause inappropriate operations. However, due to the fact that DOCRs need to meet the fundamental requirements of sensitivity, selectivity, reliability and speed,11 coordination on a real time basis is proposed in this paper. Coordination of DOCRs considering different network topologies has been reported in different occasions.9, 12, 13 A set of relay settings are encountered which will satisfy the coordination constraints of different cases of the network topology. On the other hand, the real time coordination proposed in this paper is not to find a set of relay settings that will satisfy the coordination constraints of different cases of the network topology, but to re-coordinate all DOCRs for every change of network topology. The advantages by doing so are minimum relay operation time, increment of sensitivity, and the ability to withstand another unknown contingency. Moreover, the idea is to coordinate DOCRs online, which as a result enhances in meeting the fundamental requirements mentioned above. The developed real time algorithm first updates data from the latest changes of the system, and then 53 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. computes load flow and fault analysis in order to obtain input data for the optimization algorithms. In this paper, ant colony optimization (ACO) and GA were selected to work hand in hand with the real time algorithm. ACO has lately been used for the study of reactive power flow planning,14 power flow economic dispatch,15 and power generation scheduling.16 ACO has reported to be a powerful tool in solving complex problems in different areas.17 The advantage of this algorithm compared to GA is the role of global memory played by pheromone matrix, which leads to better and faster solution convergence. Hence, the idea to formulate the coordination problem using ACO is original. GA, which is widely known in the coordination area, is used as the comparison reference. In addition, GA is improved and selected due to its simplicity, robustness and easy implementation. F O R M U L AT I O N O F T H E R E A L T I M E COORDINATION As presented in the previous section, the coordination of DOCRs on a real time basis enhances meeting the fundamental requirements of sensitivity, selectivity, reliability and speed.11 Therefore, the real time coordination algorithm and the formulation of coordination problem are presented sequentially. Real time coordination The flow diagram of real time coordination of DOCRs is presented in figure 1. Fig. 1. Real time coordination flow diagram. 54 The real time algorithm is a very important segment of this paper, as presented in figure 1. It consists of collecting data of the latest elements and network changes, from which input data for posterior relay coordination are computed. The online update hardware system is assumed to have already been manufactured; the hardware requires only the installation of an appropriate real time algorithm. The GA and the ACO presented in figure 1 are for comparison purpose only. The detailed description of the algorithm is as follows: first, the system’s data is updated according to elements and network changes. Then, the Ybus is constructed or modified from the obtained data using the Incident method and the inverse of Inspection method. Next, both lists of “Relay Names” and “Coordination Pairs” are generated automatically. After that, the load flow analysis is run using the Newton Raphson or another method. Then, the Zbus is constructed or modified by the Block construction method and Partial Inversion Motto. Finally, fault analysis is run using Thevenin’s method or Symmetrical Components.18 When all of the above are done, the algorithm will have defined the coordination pairs and computed the maximum load currents and fault currents (3-ph principal, 3-ph backup, 2-ph backup, 1-ph) of each relay for the optimization algorithms of the original network topology. However, to ensure that relay settings obtained from the posterior coordination algorithm are suitable for at least one element output without coordination loss, the maximum load and fault currents must be computed according to the different n-1 contingency topologies. All elements are taken out one at a time and the simulation is carried out over and over again for the different n-1 contingency topologies. Only the maximum load and fault currents are stored as data for coordination use. Finally, this algorithm performs a sensitivity filtration before passing the data to the optimization algorithms which coordinate the overcurrent relays. This step ensures that all coordination pairs can be coordinated. The coordination pairs that do not satisfy the requirement of sensitivity analysis will be omitted from the coordination process. In this way, the optimization algorithms will not spend extra time on trying to find settings for these insensitive pairs of relays, which have no settings that will suit them. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. Formulation of Coordination Problem Objective Function: The purpose of formulating the coordination of DOCRs as an optimization problem is to minimize the principal and backup operation time of relays while maintaining selectivity. It is of great importance to establish a good objective function that evaluates the fitness of the settings because this is the key to encounter optimum solutions using optimization algorithms. The fitness is given in (1): Ipickup is the relay pickup current found within its maximum Ipickupmax and minimum Ipickupmin range. (1) (5) where h1, h2 and h3 are factors that increase or decrease the influence of each sub-objective function and will do for any other system, NCP is the number of coordination pairs, tprimarya is the primary operation time of relay a, tbackupb is the backup operation time of relay b, and ECTIL is the CTI error of L-th coordination pair. Where t is the relay operation time, Isc3φmax is the maximum 3-ph short circuit current, Ipickup is the pickup current, dial is the relay dial setting, and A,B,n are constants of the IEEE standard. The IEEE constants of DOCRs are shown in table I. These are the conventional curves: moderate inverse (MI), very inverse (VI) and extremely inverse (EI). The IEEE VI curve is used in this paper, but other curves such as the IEC standard can be used as well. Primary and Backup Relay Constraints: To coordinate the relays, there must be a time difference between the primary and backup relay. This time difference is called coordination time interval (CTI). In this way, whenever the primary relay fails to extinct a fault, the backup relay enters and tries to extinct the fault after a pre-specified delay. It is normally between 0.2 and 0.5 seconds, but 0.3 seconds is used in this paper. The coordination constraint for every coordination pair is given in (2): (2) where CTIL is the CTI of the L-th coordination pair, tprimay is the primary operation time, tbackup is the backup operation time. There is also a range for each relay setting, from which feasible solutions are encountered. This is given in (3) and (4): (3) (4) where dial is the relay dial setting found within its maximum dialmax and minimum dialmin range. And Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 Relay Characteristic Curve: The relays function according to the relay characteristic curve (inverse time curve). This inverse time curve operates with less time as fault magnitude raises and more time as fault magnitude drops. IEEE standard norm C37.112-1996 is used in this paper and is given in (5): Table I. IEEE Relay Parameters. Norm IEEE Curve type A B n Moderate 0.0515 inverse 0.114 0.02 Extremely 28.2 inverse 0.491 2 0.1267 2 V e r inverse y 19.61 IMPROVED GENETIC ALGORITHM The GA is a simple and robust algorithm that has gained popularity over the past decades. It performs a heuristic search based on evolutionary ideas of natural selection of genes. A population of search space containing sets of feasible solutions (chromosomes) is created. Decision variables (dial, k) are encoded as genes into the chromosome strings. Then, genes are evaluated, penalized, ranked and selected according to their fitness value of the objective function. After that, principles of genetic evolution (crossover, mutation) are applied, and the 55 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. new population is formed. The whole process is repeated until the stopping criterion is met. The population size indicates how many chromosomes are in the population (in one generation). If there are too few chromosomes, the algorithm will have few possibilities to perform crossover and only a small part of the search space is explored. On the other hand, if there are too many chromosomes, the algorithm will explore more variety of feasible solutions, but the execution time is excessively increased. The population is as shown in (6): (6) where NC is the number of chromosomes and NR number of relays. The population size is the number of chromosomes multiplied by the number of relays times two (NC,NR*2). Although chromosomes can be encoded as binary strings, both dial and k parameters are encoded as continuous integer strings in this paper. Because GA is a well known algorithm in the coordination area, penalization, ranking and genetic operators such as selection, reproduction, mutation are not presented. Steps of Protection Coordination using Genetic Algorithm Detailed steps of the GA performed in this paper are presented as followed: Randomly generate the initial population of n chromosomes, in which each gene is a possible solution to the problem. Genes must be found within the specified ranges introduced in (3) and (4). Compute the primary and backup time of each relay according to each chromosome. Evaluate the fitness f(x) of each chromosome x in the population. Creating a new population in each iteration: Selection: select parent chromosomes from the population according to their fitness by performing roulette wheel, rank and elitism. Reproduction: use a crossover probability to 56 crossover the parents to form a new child or children. Perform non-uniform crossover. Mutation: use a mutation percentage to mutate the genes of the chromosomes. Perform non-uniform mutation at the first stages of the algorithm, then perform intelligent mutation at the posterior stages. New Population: place the results of reproduction, mutation (new children) and elitism in the new population. Execute the algorithm again using the new population. Terminate the algorithm if stopping criteria is met, otherwise, repeat steps 2 to 5. The improvement of GA here is the addition of intelligent mutation. This is performed at posterior stages of the algorithm. It consists of detecting coordination pairs that are not coordinated, and mutating only the settings of those relays leaving the coordinated pairs untouched. As intelligent mutation was incorporated into the algorithm, numerous chromosomes and iterations are no longer necessary. This was a very successful improvement of this particular coordination problem because the objective function results in all coordination pairs being coordinated most of the time. The solution reported here may not be the global optimum, but it is excusable because coordination is performed on a real time basis. ANT COLONY OPTIMIZATION The ACO algorithm is part of the swarm intelligence computing, it is a meta-heuristic optimization aiming to search for an optimal path in a graph, based on the behavior of ants seeking a path between their home colony and food source. Real ants are capable of finding the shortest path between their home colony and the food source using only information of chemical deposits called pheromone trails. Ants walk on pheromone trails deposited previously be other ants, while at the same time depositing pheromone trails on the ground for future ants to follow. The pheromone trails are volatile over time. When an ant comes across more than one pheromone trail, it selects the most intense trail to follow according to the transition rule. The intensity of a pheromone trail deposited on a route Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. depends on the number of ants traveled on it and the amount of food found through it. This biological behavior inspired the ACO algorithm, in which a set of artificial ant agents adopt the behavior of real ants in solving a problem by exchanging information via pheromones deposited on a graph. Nomenclature Ant agents are a number of artificial ants that build solutions to an optimization problem and exchange information on their quality through a communication scheme that is reminiscent of the one adopted by real ants.17 The AS-graph (search space) is a matrix that contains discrete settings (states) of the control variables (stages).14 In other words, this graph or matrix contains the set of feasible solutions to the optimization problem, which will be explored by the ant agents. Another matrix, called the pheromone matrix, is created to represent the attractiveness of each discrete setting. The Pheromone matrix is a matrix that contains information about the chemical pheromone deposited by ants. The matrix shows the pheromone intensity of each discrete setting, therefore describing the attractiveness of every possible route to the solution. The more intense a setting is, the more probability it has to be chosen by an ant agent as part of the solution. The Transition rule is the probabilistic and stochastic mechanism that ant agents use to evaluate the pheromone intensity in order to decide which point is the most attractive to visit next. The Pheromone update is the process in which pheromone intensities are increased or decreased according to the evaluated results, regardless of whether the settings lead to good or bad solutions. This is achieved by decreasing the pheromone values through pheromone evaporation and increasing the pheromone levels by depositing more pheromone if it is a set of good solution. The algorithm is started with many sets of solutions (states); together, all the states form the ASgraph search space. This AS-graph is held constant throughout the whole searching process; therefore it does not change from iteration to iteration. On the Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 other hand, pheromone matrix is a representation of attractiveness of each discrete setting (edge) that does change not only in all iterations but in every ant tour. The settings that fit well will consequently lead the ant agents to deposit more and more pheromone until all ants converge on this route (set of settings). In this way, the optimal solution is found. The whole process is repeated until the stopping criterion is met. The AS-graph size indicates how many states are in the AS-graph. If there are too few states, the algorithm will have fewer possibilities to obtain the optimal solution to the problem, and only a small part of the search space is explored. On the other hand, if there are too many states, the algorithm increases the possibility to encounter the optimal solution, but it drastically slow down the whole process. Formulation of Ant Colony Optimization 1) AS-graph: The size of the AS-graph is a (m,n*NR) matrix where m represents number of states, n number of stages and NR number of relays. For example if a system has 5 relays with 2 degrees of freedom (dial and k), then the size of the AS-graph for 20 states will be (20, 10). There will be a total of 200 discrete settings of relays. As more degrees of freedom are added to the AS-graph, the size of AS-graph increases. The AS-graph is as shown in (7): (7) In order to create the AS-graph matrix, necessary data such as upper and lower limits and steps of the control variables are needed. For example if a system has 2 relays with 2 degrees of freedom (dial,k) which the range of dial is [0.5, 1.4] in steps of 0.1 and the range of k is [1.4, 1.6] in steps of 0.05, then the ASgraph is a (10, 4) matrix. Note that there are 10 values in the range of dial setting including upper and lower limits, but there are only 5 values in the range of k setting including upper and lower limits. Under this circumstance, complete the rest of the matrix of the k settings by repeating the upper limit of k. This is to have a sequential order. 57 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. Pheromone Matrix: The pheromone matrix γ(m,n) is constructed according to the size of AS-graph, where m is the number of states and n is the number of stages. This matrix is initialized as shown in (8): (8) where τ_max is the maximum pheromone trail and is given in (9): (9) where fgbest is the global best solution (best over all the past iterations) and α is an empirical value that best suits in the range [0.88, 0.99] [11]. In the case of initializing the pheromone matrix, f_gbest is an initial estimation of the best solution. In this paper, pheromone matrix was first constructed with all equal edges as presented in (8). However, as in the construction of the AS-graph, the smallest settings of relays occupy the first rows of the AS-graph. These settings are the ideal settings for coordination due to the reason that they will result minimum operation time. Hence, after the pheromone matrix is constructed, the pheromones of the first rows of this matrix are increased. This was done to help the algorithm find the best time operation settings in less time, so one decide how many rows to change and in what amount. One shall not change too many rows and the changes should not be large because this will significantly affect the performance of the exploration of ants. Transition Rule: When ant-j is at the r-state of the (i-1)-stage, it will choose the s-state of the (i)-stage as the next visit according to the transition rule shown in (10): (10) where is a memory tabu list of ant- j that defines the set of points still to be visited when it is at point r. The pheromone of the next possible visit of (i)-stage currently under evaluation is γ(r,s) and ∑lγ(r,l) is the pheromone sum of the entire column of the (i)-stage under evaluation. 58 Pheromone Update: Local pheromone update: The pheromone trail on each edge of the ant-j tour is updated immediately as the ant-j agent finishes its tour. This is given in the (11): (11) (12) where α is the persistence of the pheromone trail within the range 0<α<1, (1-α) represent the pheromone trail evaporation and ∆γ k(r,s) is the amount of pheromone that ant-j puts on edge (r,s). The desirability of the edge (r,s) is represented by ∆γj, such as a shorter distance, a better performance, and in this case a smaller operation time. The objective function evaluation of the settings of ant-j tour is represented by f and Q is a positive constant. It is observed from (12) that as constant Q increases, the amount of pheromone deposited by an ant decreases. Here Q was chosen to be 100. Global pheromone update: After all ant agents have completed their tours in the iteration, the primary and backup operation times are computed. The objective function is evaluated for each ant tour and all pheromone edges (r,s) of the best ant tour (the ant tour with best fitness value) are updated according to (13): (13) where fbest is the best solution of this iteration, R is a positive constant and is the location list of the best ant tour that records the state of each stage when ant-j moves from one stage to another. It is observed from (13) that as constant R increases, the amount of pheromone deposited by an ant increases. Here R was chosen to be 5. In this work, the global pheromone update was not performed as described in the previous paragraph. This was because updating only the best ant tour leads to premature convergence. Therefore, the global pheromone update was performed by updating a percentage of the best ant tours. For example, 30% of the ant tours that ranked the best were updated. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. Empirical tests have shown that the ACO converges faster when both Q and R are arbitrarily large numbers and almost equal to one another. Studies in the literatures might use Q=R=1,000,000 for other problems, but such large constant is not very suitable to use here because the algorithm converges around 30 iterations, leaving many coordination pairs uncoordinated. This is the reason for choosing Q=100 and R=5. They were chosen empirically but can work for any network. Intelligent Exploration: Intelligent exploration of the AS-graph consists of exploring the setting (dial) of specific relays after a pre-specified amount of iterations. This was programmed to help coordinating all coordination pairs. The dial setting was chosen because it has more influence on the relay operation time. First, the coordination pairs that are not coordinated are detected. Then, a pair is selected to start with. Next, the setting of this specific relay (primary) is obtained from the best ant tour and is used as the upper limit. Afterwards, (13) is applied again but with the modification as given in (14). (14) where ran1 is a random number selected from the interval [1:r]. Pheromone is then deposited on this edge. Note that r represent the upper limit (state) and s represent the specific relay (stage). Depositing pheromone on this specific edge will lead the ant agents to explore the corresponding setting from the AS-graph. And because it has an upper limit, the newly explored edge will correspond to a smaller setting in the AS-graph, leading to a reduction of primary operation time. The setting of the specific relay (backup) is obtained from the best ant tour of the same coordination pair that was selected previously, and it is used as the lower limit. Then (13) is applied again but with the modification as given in (15). Depositing pheromone on this specific edge will lead the ant agents to explore the corresponding setting from the AS-graph. Because it has a lower limit, the newly explored edge will correspond to a bigger setting in the AS-graph, leading to an increment of backup operation time. If all coordination pairs were coordinated then coordination pairs that have a greater CTI than the pre-specified are detected and reduced. A coordination pair is chosen to start with and the settings of both relays (primary and backup) are obtained from the best ant tour and used as the upper limit. Then, (13) is applied again, this time, for both the primary and backup relay. By doing so, pheromone trails are deposited on these specific edges (both primary and backup). This leads ant agents to explore the corresponding settings from the AS-graph. And because they have upper limit, the newly explored edges will correspond to a smaller setting in the AS-graph, leading to a reduction of both primary and backup operation time. Test system The IEEE 14-bus test system was chosen as shown in figure 2. The system consists of 32 phase relays and they are located as shown in figure 2. The voltages were selected to be 34.5 kV for buses at high voltage side of transformers and 22 kV for buses at low voltage side of transformers. All relays are considered to have very inverse time characteristic curve as was presented in table I. (15) where ran2 is a random number selected from the interval [r:end of state]. The Pheromone is then deposited on this edge. Note that r represent the lower limit (state) and s represent the specific relay (stage). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 Fig. 2. IEEE 14 bus test system. 59 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. In this present work, coordination of phase relays will be studied and ground relays will be omitted. As ground protection is an easier problem, the study here will concentrate on the complicated coordination of phase relays. The relay names are not assigned as a number, as was done conventionally, but are instead generated automatically by the real time algorithm as a string of numbers. These relay names (string of numbers) consist of 3 digits. The first digit is the name of the nearby bus, the second digit is the name of the remote bus and the third digit represents the number of parallel lines between two buses. For example, the relays between buses 1 and 2 that are near bus 1 are assigned as [1 2 1] and [1 2 2], while the relays that are near bus 2 are assigned as [2 1 1] and [2 1 2] respectively. The two lines between buses 1 and 2 have the same impedance value. Therefore the relays [1 2 1], [1 2 2], [2 1 1] and [2 1 2] sense the same amount of maximum load currents of 815 A, but due to the n-1 contingency analysis described in section II-A, the maximum load currents of these relays are 1,849 A. The current values are based on minimum load operation. The CTI is proposed to be 0.3 seconds. Both dial and k are considered continuous in GA, their range are [0.5:2.0] and [1.4:1.6] respectively. However, dial and k are considered as discrete values in ACO, their range and step are [0.5:2.0], [1.4:1.6] and 0.05, 0.01 respectively. Other parameters of the ACO are Q = 100, R = 5. The only stopping criterion is to stop when the algorithms have reached the maximum iteration of 1,000. Although each algorithm has its own stopping criteria, they were disabled in order to be comparable between them. The GA is simulated with 500 chromosomes and the ACO is simulated with 500 ant agents. The fault currents are calculated with the remote end opened. This was done due to two considerations: to obtain the maximum fault current that the relay senses and the very small probability for the remote end relay to malfunction. Note that as the operation of the elements or the network topology changes, load flow and fault analysis must be computed again through real time algorithm. RESULTS AND DISCUSSIONS Fixed Network Simulation The main network is simulated using both the GA and the ACO with the corresponding parameters presented in previous section. There are a total of 39 relay coordination pairs after the sensitivity filter. Both algorithms were simulated 10 times. The convergence of each algorithm was averaged using the best fitness of each iteration of the 10 simulations. This is presented in figure 3 for comparison. The averaged number of violations of coordination constraints, averaged fitness convergence and averaged time of both the GA and the ACO are 0.1, 10.611, 5507 seconds and 0, 7.994, 441 seconds respectively. From these results, it is concluded that ACO has fewer violations of coordination constraint, better convergence and faster performance than GA. Note that in ACO, all coordination pairs are coordinated for the 10 simulations. On the contrary, some of the 10 GA simulations do not have all coordination pairs coordinated. The averaged relay settings and operation time, as well as CTI and sensitivity of the 10 averaged GA and ACO simulations are presented in table II. Table II. Averaged relay settings, operation time, cti and sensitivity of both Ga and aco for main network topology at maximum load. Fig. 3. Averaged fitness convergence of the main network topology of both GA and ACO in ten simulations operating at maximum load. 60 Algorithm Dial k GA ACO 1.1324 0.9875 1.4952 1.5004 Blackp Time 3.1425 2.3968 Primary Time 1.1817 1.0383 CTI Sensitivity 1.9650 1.3581 3.12005 3.12624 Although it is observed from table II that the averaged dial is near 1, there are many relays that use the minimum dial value, which leads to faster operation time. Some relays use a dial near minimum, and the rest use bigger dials due to the necessity for Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. coordination. All relays use small k which leads to greater sensitivity. This observation goes for both the GA and the ACO. Real Time Coordination The results presented in section VI-A are computed based on the maximum load currents. Now suppose that there is a decrement of load flow to minimum due to a seasonal change. The relays of the system can have faster operation time and better sensitivity if they are computed again using real time algorithm (to obtain the latest fault and load currents) and the coordination algorithms are run again. There are a total of 48 relay coordination pairs after the sensitivity filter as the load decreased. Both algorithms were simulated 10 times. The convergence of each algorithm was averaged using the best fitness of each iteration of the 10 simulations. This is presented in figure 4 for comparison. The averaged number of violations of coordination constraints, averaged fitness convergence and averaged time of both the GA and the ACO are 1.4, 11.748, 5825 seconds and 0, 6.968, 438 seconds respectively. From these results, it is concluded that the ACO has fewer violations of coordination constraints, better convergence and faster performance than GA. Note that in the ACO all coordination pairs are coordinated for the 10 simulations. On the contrary, some of the 10 GA simulations do not have all coordination pairs coordinated. Fig. 4. Averaged fitness convergence of the main network topology of both GA and ACO in ten simulations operating at minimum load. The relay operation time of the newly coordinated original system due to season change is shown in table III. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 Table III. Averaged relay settings, operation time, cti and sensitivity of both ga and aco for main network topology at minimum load. Algorithm Dial k Blackp Time Primary Time CTI Sensitivity GA ACO 1.1336 1.1165 1.4909 1.4434 2.7546 2.1331 0.8511 0.7973 1.9266 1.3357 4.03250 4.17205 A better comparison between the GA and the ACO algorithms and the averaged relay operation results before and after seasonal change is presented in a chart form as presented in figure 5. The “NV” represents the amount of not coordinated pairs, or in other words the amount of violations of coordination constraints, “tp” and “tb” represent primary and backup time, “CTI” is the coordination time interval, “sen” represents the sensitivity, and “dial” is the time dial and “k” is the security factor that multiplies the load current. From figure 5 it is observed that the NV is zero for the maximum and minimum loads using ACO, while it is 0.1 for the GA at maximum load and 1.4 at minimum load. The increase in the averaged NV for the GA at the minimum load is because the number of coordination pairs increased as the load current decreased, leading the GA being incapable to satisfy all the coordination constraints using only 500 individuals. However, due to the need of fast execution time for the purpose of real time coordination, the amount of individuals must not be increased if a serious consideration is not taken into account. Fig. 5. Comparison chart of the averaged values of both GA and ACO operating the main network topology at maximum and minimum load. The tp and tb of both the GA and the ACO algorithms operating at the minimum load is smaller than operating at the maximum load. This proves the idea of obtaining better relay operation time performance using real time coordination. The tp and 61 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. tb of the ACO are smaller than those of the GA. The CTIs of the ACO are smaller than those of GA. It is a very remarkable improvement of sensitivity when the system is executed by the real time algorithm at the minimum load operation. There was a small increase of dial using the ACO when the system is operating at the minimum load. This is reasonable because the dial is the major factor that affects the operation time. When load current decreases the relay operation time decreases (faster operation) as well, so the dial increases to maintain coordination. On the contrary, if the load current increases, the dial decreases. There was a small decrease of k using the ACO when the system is operating at the minimum load. This decrement of k leads to increment of sensitivity. Modified Network Simulation Suppose now that the main network topology suffered the following change when it was operating at the minimum load: an outage of distribution line [1 2 2] due to maintenance. As contingency analysis was taken into account in the load flow and fault simulation in the real time algorithm, the outage of line [1 2 2] did not cause inappropriate operation of the nearby relays which would have lead to severe loss of selectivity. All relays maintained coordinated for this change of network topology. If the n-1 contingency analysis was not taken into account, same relays would have loss selectivity for this change of topology. Now if another element is out of service, the actual relay settings will no longer maintain selectivity. Hence, in order to let all relays maintain coordinated for another outage (expected or unexpected), the new topology must be simulated again from real time algorithm to coordination. There are 41 coordination pairs for the new system due to network change. The averaged number of violation of coordination constraints, averaged fitness convergence and averaged time of both GA and ACO are 0.8, 11.637, 4028 seconds and 0, 7.694, Table IV. Averaged relay settings, operation time, cti and sensitivity of both Ga and aco for modified network topology at minimum load. Algorithm Dial k Blackp Time Primary Time CTI Sensitivity GA ACO 1.1468 1.0340 1.4909 1.4982 3.2725 2.4744 1.1006 0.9577 2.2031 1.5167 3.77672 3.75726 62 377 seconds respectively. The relay operation time of the modified network is shown in table IV. A comparison between table III and IV and the averaged relay operation results before and after network change at minimum load is presented in chart form as shown in figure 6. Fig. 6. Comparison chart of the averaged values of both GA and ACO operating the modified network topology at minimum load. There are zero NV for ACO algorithm. The NV reduced for GA because the number of coordination pairs reduced, leading to less coordination constraints. The increments of both GA and ACO such as tp, tb, and the decrements such as sensitivity, dial are due to the outage of line [1 2 2] that caused the increment of load current for the remaining DOCRs. CONCLUSION In this paper, the idea of real time coordination is presented by formulating the coordination problem using the ACO. The main contribution of this research work is introducing the brilliant idea of real time (online) coordination. In other words, the aim is to find as quickly as possible a set of solution that will guarantee the sensitivity and selectivity of relays not only for the current topology, but tolerating an n-1 contingency on a real time basis. The implementation of the proposed algorithm can be performed in various ways, such as considering discrete or continuous relay settings. Also the update can be performed every change of season (less frequently) or every change of demand (more frequently). REFERENCES 1. A. J. Urdaneta, R. Nadira, and L. G. Perez, Optimal coordination of directional overcurrent Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 �Real Time Coordination of Directional Overcurrent Relays by ACO / Meng Yen Shih, et al. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. relays in interconnected power systems, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 3, No. 3, pp. 903-911, July.1988. A. J. Urdaneta, H. Restrepo, S. Marquez, and J. Sanchez Coordination of directional overcurrent relay timimg using linear programming, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 11, No.1, pp. 122-129, January 1996. B. Chattopadhyay, M. S. Sachdev, T. S. Sidhu An on-line relay coordination algorithm for adaptive protection using linear programming technique, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 11, No.1, pp. 165-173, January 1996. Mohamed M. Mansour, Said F. Mekhamer, and Nehad El-Sherif El-Kharbawe, A modified particle swarm optimizer for the coordination of directional overcurrent relays, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 22, No.3, pp. 1400-1410, July 2007. Reza Mohammadi, Hossein Askarian Abyaneh, Farzad Razavi, Majid Al-Dabbagh, Seyed H. H. Sadeghi, Optimal relays coordination efficient method in interconnected power systems, journal of Electrical Engineering, vol. 61, No. 2, pp. 7583, 2010. Manohar Singh, B. K. Panigrahi, Optimal overcurrent relay coordination in distribution system, IEEE, 2011. Dharmendra Kumar Singh and S. Gupta, Optimal coordination of directional overcurrent relays: A genetic algorithm approach, IEEE Students’ Conference on Electrical, Electronics and Computer Science, 2012. Dusit Uthitsunthorn and Thanatchai Kulworawanichpong, Optimal overcurrent relay coordination using genetic algorithms, International Conference on Advances in Energy Engineering, 2010. Abbas Saberi Noghabi, Javad Sadeh, and Habib Rajabi Mashhadi, Considering different network topologies in optimal overcurrent relay coordination using a hybrid GA, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 24, No.4, pp. 1857-1863, Octuber 2009. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Vol. XVII, No. 65 10.A. Motie Girjandi, M. Pourfallah, Optimal coordination of overcurrent relays by mixed genetic and particle swarm optimization algorithm and comparison of both, International Conference on Signal, Image Processing and Applications, vol. 21, 2011 IACSIT Press, Singapore. 11.J. Lewis Blackburn, and Thomas J. Domin, Protective relaying, principles and applications, 3rd edition, 2006. 12.A. J. Urdaneta, L. G. Perez, and H. Restrepo, Optimal coordination of directional overcurrent relays considering dynamic changes in the network topology, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 12, No. 4, pp. 1458-1464, October.1997. 13.Abbas Saberi Noghabi, Javad Sadeh, and Habib Rajabi Mashhadi, Optimal coordination of directional overcurrent relays considering different network topologies using interval linear programming, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 25, No.3, pp. 1348-1345, July 2010. 14.Kwang Y. Lee, and John G. Vlachogiannis, Optimization of power systems based on ant colony system algorithms: an overview, ISAP, 2005. 15.Yun-He Hou, Yao-Wu Wu, Li-Juan Lu, XinYin Xiong Generalized ant colony optimization for economic dispatch of power systems, IEEE, 2002. 16.Shyh-Jier Huang, Enhancement of hydroelectric generation scheduling using ant colony system based optimization approaches, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 16, No. 3, September 2001. 17.Marco Dorigo, Mauro Birattari, and Thomas Stutzle, Ant colony optimization: artificial ants as a computational intelligence technique, IEEE Computational Intelligence Magazine, November 2006. 18.Hadi Saadat, Power system analysis, McGrawHill, ISBN 0-07-561634-3, 1999. 63 �Eventos y reconocimientos OBITUARIO El pasado 30 de julio falleció, a la edad de 65 años, el Ing. Lorenzo Vela Peña, quien fuera alumno, maestro y posteriormente (1978-1984), director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. También fue Secretario General de la UANL (19851991), Secretario de Educación del Estado de Nuevo León (1991-1992); Director General del Instituto de Capacitación y Educación para el Trabajo, Secretario de Desarrollo Económico (1995-1999); Coordinador General de Universidades Tecnológicas de Nuevo León (1997-1999); Director de la Dirección General de Educación Técnica Industrial DGETI (2001-2006); Coordinador General de las Oficinas de Servicios Federales de Apoyo a la Educación OSFAE (2006-2007). Su cargo más reciente fue el de Rector de la Universidad Tecnológica General Mariano Escobedo. El Ing. Vela fue jugador del equipo de futbol americano de la FIME y posteriormente el entrenador de los Osos de FIME, y en 2011 se le otorgó la presea Caballero Tigre como reconocimiento a su labor en beneficio del futbol americano. 64 PRIMEROS 100 DÍAS DE ADMINISTRACIÓN El pasado 8 de agosto se llevó a cabo una reunión en la que el director de la FIME, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, compartió con alumnos y maestros algunos de los logros más inmediatos de la administración a su cargo, enfatizando los 36 compromisos que se han cumplido los primeros 100 días. En esta reunión estuvo presente el Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, quien además expresó un mensaje de reconocimiento. Lo acompañaron el Ing. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL y exdirector de la FIME; el Dr. Juan Manuel Alcocer, Secretario Académico de la UANL; así como el Ing. José Antonio González Treviño y el MC. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza, exdirectores de la FIME. El Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, atendiendo a los estudiantes en sus primeros 100 días al frente de la administración de la FIME. ADQUISICIÓN DE AERONAVE FIME-EIAO El pasado 8 de agosto, en acto presidido por el Rector, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, y en el que se contó con la presencia del Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de FIME; el maestro Fernando Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �Eventos y reconocimientos Rodríguez Gutiérrez, Director de la EIAO; y el Ing. Sergio Gutiérrez Peña, Presidente de la Federación Mexicana de Pilotos y Propietarios de Aeronaves, se entregó un Jet Dassault Falcon-20 que permitirá realizar prácticas a los estudiantes de las carreras de Técnico en Mantenimiento Aeronáutico, que se imparte en la Escuela Industrial y Preparatoria Técnica “Álvaro Obregón” (EIAO), y la de Ingeniero en Aeronáutica, de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME). La aeronave, adquirida con el apoyo de la Fundación UANL, estará a cargo del Centro de Formación, Capacitación y Adiestramiento Aeronáutico “F-111” de la EIAO, autorizado por la Dirección General de Aeronáutica Civil. Autoridades, profesores y alumnos junto al Jet Dassault Falcon-20 de la FIME-EIAO. PREMIOS DE INVESTIGACIÓN UANL 2014 El pasado 18 de agosto se entregó el Premio de Investigación 2014 durante la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario. Entre los merecedores de dicho reconocimiento se encuentra el Dr. Roger Z. Ríos Mercado, de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, con el trabajo en el área de Ciencias Exactas, “Planificación inteligente de territorios comerciales incluyendo requerimientos de realineación y asignación disjunta” con la colaboración del Dr. Jesús Fabián López Pérez de la Facultad de Contaduría Pública y Administración. Además, se galardonó en el área de Ingeniería y Tecnología al trabajo titulado: “Producción de bioelectricidad utilizando nanofibras duales de TiO2/ Carbón como electrodo en la celda de combustible microbiana” a la M.C. Nora Aleyda García Gómez y el Dr. Eduardo Sánchez Cervantes de la Facultad de Ciencias Químicas, así como el Dr. Domingo Ixcóatl García Gutiérrez de la FIME. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 Otro trabajo premiado fue “Nuevas direcciones empíricas en la investigación e innovación de tecnología educativa para la evaluación del aprendizaje en línea: una aproximación conexionista”, en el área de Humanidades, realizado por el Dr. Ernesto Octavio López Ramírez, la Dra. Guadalupe Elizabeth Morales y Claudia Jaquelina González Trujillo, de la Facultad de Psicología, con la colaboración de la Dra. María Isolde Hedlefs Aguilar y Argenis Paul Moreno Meza, de la FIME. Ganadores del Premio de Investigación UANL 2014 con el director de la FIME, Dr. Jaime A. Castillo Elizondo (centro), a la izquierda: Dr. Jesús Fabián López Pérez y Dr. Roger Ríos Mercado; a la derecha: Ing. Nora Aleyda García Gómez y Dr. Domingo García Gutiérrez. MEJOR TESIS DE LICENCIATURA Y MAESTRÍA UANL 2014 En la Sesión Solemne del H. Consejo Universitario celebrada el 18 de agosto, se entregaron los premios a las mejores tesis de licenciatura y maestría. En el área de Ingeniería y Tecnología y Arquitectura, el Ganadores del Premio a la Mejor Tesis de Licenciatura, desde la izquierda: Dr. Virgilio González Glz., Profesor de la FIME y asesor de la tesis: Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector; Dr. Jaime A. Castillo Elizondo director de la FIME; Ing. Lucía Guadalupe de la Cruz, Premiada; MC. Juan Ángel Garza Garza. 65 �Eventos y reconocimientos premio a la Mejor Tésis de Licenciatura correspondió al trabajo “Modificación superficial de TiO2,con agentes de acoplamiento del tipo silano y su aplicación en PA6”, realizado por la estudiante Lucía Guadalupe de la Cruz asesorada por el Dr. Virgilio Ángel González González, y el de la Mejor Tesis de Maestría fue para el trabajo “Real time coordination of overcurrent relays by means of optimization algorithm” realizado por el Ing. Meng Yen Shih y asesorado por el Dr. Arturo Conde Enríquez. Ing. Meng Yen Shih, ganador del Premio a la Mejor Tesis de Maestría. CENTRO DE ENTRENAMIENTO AIRBUS El pasado 11 de septiembre se llevó a cabo la instalación del Centro de Entrenamiento de AIRBUS, el cual surge de la cooperación entre la UANL y VivaAerobus, para la capacitación de Autoridades presentes en el anuncio del Centro de Entrenamiento Airbus. 66 pilotos y personal de mantenimiento en América Latina. El anuncio dado en el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) estuvo a cargo del Dr. Jaime A. Castillo Elizondo, director de la FIME, con la presencia del Dr. Jesús Ancer Rodríguez, rector de la UANL, el Ing. Rogelio Garza Rivera, Secretario General de la UANL, así como directivos de VivaAerobus en América Latina y Caribe, encabezados por su presidente, el Ing. Rafael Alonso, y el alcalde de Apodaca, lugar en el que se instalará el centro, C.P. Raymundo Flores Elizondo. MEDALLA AL MÉRITO “DIEGO DE MONTEMAYOR” En Sesión Solemne del Ayuntamiento de Monterrey celebrada el pasado 20 de septiembre, se entregó la medalla al mérito “Diego de Montemayor”, máximo galardón que el gobierno de la Ciudad otorga a un ciudadano. Los reconocidos fueron el rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, rector de la UANL, por su dedicación al trabajo académico; el Dr. Alejandro Rodríguez Miechelsen, por su trayectoria profesional y liderazgo; y de manera póstuma al Ing. Lorenzo Treviño Zambrano, cuya labor empresarial definió al moderno entorno comercial regiomontano. Las medallas fueron entregadas por la Lic. Margarita Arellanes Cervantes, alcaldesa de esta ciudad. Desde la izquierda: Dr. Alejandro Rodríguez Miechelsen, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Lic. Margarita Arellanes Cervantes, Ing. Jorge Zambrano Treviño. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Julio - Septiembre 2014 Raúl Quiñones Pacheco, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 4 de julio de 2014. Marcel Esaú Mendez Benavides, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 4 de julio de 2014. Wilbert Alejandro Robles Vázquez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 4 de julio de 2014. Fernando Manuel Rodríguez Solórzano, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 4 de julio de 2014. Alejandro Rodríguez Palma, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Sistema primero llega - primero para enlaces ferroviarios”, 7 de julio de 2014. Dora Elia Cantú Linares, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Estudio de concepto de producto”, 11 de julio de 2014. Brenda Aidé Peña Cantú, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Inferencia de parámetros en líneas celulares de cáncer”, 11 de julio de 2014. Vianca Guadalupe González Rivera, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Fundición MR”, 15 de julio de 2014. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 A lfred o San to s Vi l la r real , M a es t ría e n Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Estudio para determinar el tiempo de ciclo y balanceo de línea en planta de producción de cabezas formadas en frío”, 16 de julio de 2014. Jorge Christopher Garza Sepúlveda, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Análisis multicriterio de puntos de inflexión de precio en el mercado de divisas”, 17 de julio de 2014. Raúl Ángel Uresti Ambriz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Impacto de la inseguridad en la economía de México”, 17 de julio de 2014. Jorge Luis Gutiérrez Platas, Maestría en Administración industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Plan de Negocios Electro Proveedora Gutiérrez”, 21 de julio de 2014. Jazmín Paulina de la Cruz Treviño, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Variaciones de pérdida de tornillería en inventarios generales”, 21 de julio de 2014. Franc is co Ven egas Amar a, Ma es t rí a en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “5’s en laboratorios de FIME”, 24 de Juilio de 2014. Eugenio Gutiérrez Padilla, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con orientación en Vidrio, “Formulación de vidrios sodo-cálcicos con bajo contenido de óxido de magnesio y estudio de propiedades físicas para su aplicación en procesos 67 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL de prensa y soplo-prensa”, 30 de julio de 2014. Celia Cantú Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 1 de agosto de 2014. Francisco Rojas Cabrera, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 1 de agosto de 2014. Hugo Alberto Colín Reyna, Especialización en telecomunicaciones y control, (Por materias), 6 de agosto de 2014. Laura Elena Garza Caballero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Ambiente de trabajo, compromiso e impacto en una institución de educación superior”, 11 de agosto de 2014. Ricardo Montemayor Garza, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Integridad de inventarios”, 11 de agosto de 2014. Carlos Alberto Dorbecker Valdés, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, “Distorsión Geométrica en Procesos de Maquinado vinculado al desgaste de herramientas”, 12 de agosto de 2014. Roberto Ulises Arredondo Alcalde, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 13 de agosto de 2014. Florencio Humberto Fitch Osuna, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 14 de agosto de 2014. Alejandro Javier Guerra Lozano, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis, “Sistema Inteligente para la programación de la producción de una planta manufacturera: El caso Planta Textil de Reciente Creación”, 14 de agosto de 2014. Daniel Rivera Rivera, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Transformación de planta de Tradicional a Clase Mundial”, 15 de agosto de 2014. Emilio González Leal, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Disminución del impacto del desabasto de una materia prima mediante el desarrollo de un 68 proveedor”, 18 de agosto de 2014. Enrique Farías Rentería, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 20 de agosto de 2014. Fernando Augusto Carranza Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Autónoma, “Reflexión de luz en guías de onda con estructuras confinantes en el núcleo”, 22 de agosto de 2014. Edna Abigail Figueroa Olazarán, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis, “Mejora en la administración del inventario MRO utilizando análisis multicriterio”, 22 de agosto de 2014. Leopoldo Israel Flores Pérez, Maestría en Ciencias y Tecnología Cerámica con orientación en Vidrio, “Estudio del Proceso de acondicionamiento térmico del vidrio sodocálcico para la planeación óptima de la producción”, 3 de septiembre de 2014. Norma Alicia Velázquez Ayala, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, “Certificación ILU”, 4 de septiembre de 2014. María de Jesús Palacios González, Maestría en Ingeniería, con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 5 de septiembre de 2014. , Aarón Celestino Peña, Maestría en Administración Industrial y de Negocios , con orientación en Producción y Calidad, “Aplicación de Lean Manufacturing en un Producto”, 5 de septiembre de 2014. Carlos Alberto Onofre Barrón, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Orientación en Control Automático, “Modelo de Canal y fuente de información para un sistema de control vehicular que utilizará tecnología RFID”, 12 de septiembre de 2014. Ernesto González Flores, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, “Reciclado de llantas”, 17 de septiembre de 2014. José Javie r Barri os Lun a, Ma es tr ía en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Producción y Calidad, “Kaizen líneas de producción SMD”, 17 de septiembre de 2014. Adriana Osuna Arrieta, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Automotriz, “Método experimental para la determinación de la difusión de Carbono en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Aceros de baja aleación en rangos industriales de composición”, 19 de septiembre de 2014. Ricardo Jesús Ibarra Ramírez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, “Mejora de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 servicio con las aulas inteligentes”, 29 de septiembre de 2014. René Antonio Jalomo Durán, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 30 de septiembre de 2014. 69 �Acuse de recibo Construcción y Tecnología en Concreto CERO gradoscelsius La revista Construcción y Tecnología en Concreto (ISSN 01877895) es una publicación del Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C, en la que se presentan artículos sobre tecnología, arquitectura, urbanismo y sustentabilidad en el ámbito de urbanización y construcción. La revista cuenta con su versión electrónica a la que se puede acceder por medio de su código QR que está impreso en el índice, dando acceso a novedades exclusivas en el portal. La edición número 51, del mes de agosto, presenta en su articulo principal “Un gigante de concreto” la construcción de la torre mas alta del estado de Nuevo León hablando sobre temas tales como su diseño, tecnología y la inversión económica que representa dicha obra, ubicada en Valle Oriente. Para mayor información se puede visitar la página http://www.imcyc.com/revistacyt/. Esta revista es la publicación mensual de la asociación Nacional de Distribuidores de la Refrigeración y Aire Acondicionado (ANDIRA), y se enfoca en el mantenimiento y capacitación de diversos sistemas de calefacción, ventilación y refrigeración. La revista comprende variados de los temas ya mencionados dando especial realce a las innovaciones tecnológicas, incluyendo reseñas de eventos y productos. Como ej emplo, el a rtí cul o “Tor re s d e enfriamiento” trata del mantenimiento preventivo y correctivo de dichos sistemas, incluyendo un resumen de los diferentes tipos de torres de acuerdo a los tipos de aire, así como varios procedimientos y casos para corregir problemas. El contenido de esta revista puede consultarse en la página oficial de la revista, www.0grados. com.mx, la cual cuenta también con material adicional por escrito y contenidos multimedia. Bertha Idalia González Reyes Eduardo Mauricio Cantú Lizcano 70 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �Colaboradores Conde Enríquez, Arturo Recibió su título en Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Veracruzana, en Veracruz, México, en 1993, así como la Maestría y el Doctorado en Ingeniería Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, en Nuevo León, México, en 1996 y 2002, respectivamente. Actualmente es profesor de la Universidad Autónoma de Nuevo León y es miembro del Sistema Nacional de Investigadores de México, México. De la Parra Arciniega, Salomé M. Es Ingeniero Químico (1990) y Maestra en Ciencias en Química Inorgánica (2000) por la Universidad Nacional Autónoma de México. Realizó su Doctorado en Ciencias con especialidad en Ingeniería Cerámica en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Actualmente es profesora en la misma facultad. Galina S. Antonova Ha estado con el Lentonics Group of GE Digital Energy por 10 años, donde es responsable del diseño de tarjetas Ethernet para multiplexores JungleMux SONET/ SDH. En los últimos 4 años, se involucró en el desarrollo de los estándares IEEE y se hace miembro Canadiense del IEC TC57 WG10. Galina recibe su título de Maestría (1993) y el Doctorado (1997) en Comunicaciones Informáticas del State University of Telecommunications, en San Petersburgo, Rusia. García Gómez, Nora Aleyda Egresada de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL como Licenciada en química industrial; realizo una maestría en biotecnología con opción en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 ciencia y biotecnología de enzimas en la Facultad de Ciencias Químicas, UAdeC, en Saltillo, Coahuila, se encuentra realizando su Doctorado en Ciencias, Química de los materiales en la FCQ de la UANL. García Gutiérrez, Domingo Ixcóatl Ingeniero Físico Industrial del ITESM campus Monterrey (2001). Maestría en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2004) y Doctorado en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2006), ambos por la Universidad de Texas en Austin. Posteriormente trabajó en el laboratorio de caracterización de procesos del consorcio de investigación y desarrollo de la industria de los semiconductores, SEMATECH, en Austin, Texas (2006-2010). Actualmente es profesor-investigador titular A de la FIME-UANL, miembro del SIN en su nivel 1, cuenta con el reconocimiento de perfil deseable por parte de PROMEP. González Trujillo, Claudia Jaquelina Obtuvo su doctorado en la Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma de Nuevo León. En el momento ella imparte cátedra en la Universidad de Monterrey y está interesada en el modelamiento cognitivo del esquema moral. Hedlefs Aguilar, María Isolde Obtuvo su Licenciatura en la Facultad de Psicología (2007), Maestría en Ciencias con Opción en Cognición y Educación (2009) y Doctorado en Filosofía con Especialidad en Psicología (2011), en la Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es profesora de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, miembro del 71 �Colaboradores Sistema Nacional de Investigadores. López Pérez, J. Fabián Ingeniero Administrador de Sistemas desde 1987 por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Maestría en Ingeniería Industrial por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey; y con Maestría en Administración de Sistemas de Manufactura en APICS, EUA en 1991. Doctorado en Administración por la Facultad de Contaduría Pública y Administración del Programa de Doctorado en Filosofía con especialidad en Administración, UANL en 2004. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores. López Ramírez, Ernesto Octavio Obtuvo su doctorado en la University of WisconsinMadison, en el área de la cognición humana. Es Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (Nivel II), así como profesor e investigador en la Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Sus intereses de investigación se relacionan al modelamiento cognitivo de la memoria humana, redes neurales, psicofísica de la memoria, tecnología educativa, emoción y aprendizaje. Morales Martínez, Guadalupe Elizabeth Obtuvo su doctorado en la Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (Nivel I), así como profesor e investigador en la Facultad de Psicología de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Sus intereses de investigación se relacionan al modelamiento cognitivo de la emoción humana, redes neurales, tecnología educativa, emoción y el estudio de los déficits del reconocimiento facial emocional en el Síndrome de Down. Reyes Gasga, José Obtuvo la licenciatura en Física (1983) y la Maestría en Física de Materiales (1986) de la Facultad de Ciencias, UNAM. Obtuvo el doctorado en 72 Ciencia de Materiales del CISECE en 1988. Fue Vicepresidente (1995-1997) y de Presidente (19971999) de la Asociación Mexicana de Microscopía, y ha formado parte del la Mesa Directiva de la Sociedad Mexicana de Cristalografía, la Academia Mexicana de Materiales y del Comité Interamericano de Sociedades de Microscopía Electrónica (CIASEM). Su reciente aportación científica la ha hecho en el tema de la cristalografía del esmalte dental humano. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, nivel III. Ríos Mercado, Roger Z. Licenciado en Matemáticas de la UANL. Doctor y Maestro en Ciencias en Investigación de Operaciones e Ingeniería Industrial de la Universidad de Texas en Austin. Actualmente es Profesor Titular de la FIME-UANL. Es miembro del SNI Nivel II, de la Academia Mexicana de Ciencias y del Cuerpo Académico consolidado de Ingeniería de Sistemas. Más información en: < http://yalma.fime.uanl. mx/~roger/ >. Sánchez Cervantes, Eduardo M. Licenciado en Ciencias Químicas por el ITESM y Doctor en Ciencias Químicas con orientación en Química del Estado Sólido por la Universidad Estatal de Arizona (USA). Actualmente es Profesor de Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y obtuvo el premio de Investigación UANL-Ingeniería en 2007 y el premio de Investigación UANL-Ciencias Exactas en 2007, 2008 y 2011. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel I. Yen Shih, Meng Recibió su título en Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Chetumal (ITCH) en el 2010, y cursa actualmente la Maestría en Ingeniería Eléctrica. Su enfoque de investigación es sobre la protección de sistemas de poder. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 73 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado, así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Revisores Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la fecha de su muerte. 74 Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas contenidas en un manuscrito bajo consideración, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 �excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año XVII, No. 65 El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. 75 �76 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2014, Año. XVII, No. 65 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2014 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 17 Número Número de la revista 65 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2014, Año 17, No 65, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2014 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020828 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Ánodos Bioelectricidad Facilitación semántica Nanofibras duales Redes semánticas https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20787/Ingenierias_2014_Ano_17_No_64_Julio-Septiembre.pdf 76b69fd699681119a81debd6830774c1 PDF Text Text ��64 Contenido Julio-Septiembre de 2014, Año XVII, No. 64 2 3 6 12 20 31 38 55 60 62 63 65 66 Directorio Editorial Internacionalización y trabajo colaborativo Jaime A. Castillo Elizondo Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial en celdas de combustible Rubí a. Hernández Carrillo, Lorena L. Garza Tovar, Luis C. Torres González, Eduardo M. Sánchez Cervantes Propiedades dieléctricas de maíz mexicano Richard Torrealba Meléndez, María Elena Sosa Morales, José Luis Olvera Cervantes, Alonso Corona Chávez Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable Michelle Guzmán Nieto, Diego Francisco Ledezma Ramírez, Pablo Ernesto Tapia González Transmisión de luz en guías de onda con estructuras intrínsecas al núcleo Norma Patricia Puente Ramírez, Fernando Carranza Hernández, Gustavo Rodríguez Morales Microwave ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products in standard and smart ovens Robert F. Schiffmann Eventos y reconocimientos Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Acuse de recibo Colaboradores Información para colaboradores Código de ética Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 3 �DIRECTORIO Ingenierías, Año XVII, N° 64, julioseptiembre 2014. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Teléfono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de julio de 2014. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2014 revistaingenierias@uanl.mx UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Ing. Jaime A. Castillo Elizondo Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable M.C. Cyntia Ocañas Galván Eduardo Mauricio Cantú Lizcano Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Héctor Javier Vélez Verduzco Tipografía y formación M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Adán Ávila Cabrera Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Ing. Dagoberto Salas Zendejo Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dra. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FACPYA-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL 4 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 �Editorial: Internacionalización y trabajo colaborativo Jaime A. Castillo Elizondo Director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL Jaime.Castilloe@uanl.mx Entre varias definiciones, suele hacerse referencia al trabajo colaborativo como las acciones que un grupo efectúa de modo intencional y coordinado para lograr objetivos comunes al grupo. Tomando separadamente la movilización de los recursos materiales, algo que entraña gran dificultad es la motivación y participación activa del capital humano, ya que éste debe estar involucrado de la manera más voluntaria posible, por lo que es muy importante que las políticas de una organización fortalezcan la lealtad, confianza, compromiso, comunicación y diversidad de talento de los miembros del grupo. La diversidad de talento lleva necesariamente a una de las características esenciales del trabajo colaborativo, la complementariedad. El trabajo colaborativo pone en acción el talento y capacidad de todos los que componen el grupo considerando aspectos sociales, psicológicos y personales. En ocasiones el trabajo colaborativo es interpretado como trabajo en grupo y es común que se entienda como la suma de la contribución individual de ciertas tareas sin ninguna interacción. Esto es impreciso, ya que solamente la colaboración interactiva y coordinada puede ser considerada como trabajo colaborativo. Una diferencia importante entre los grupos de trabajo y los colaborativos es que en los primeros sus miembros son homogéneos en cuanto a sus competencias, mientras que en los colaborativos son heterogéneos. Esto plantea de manera intrínseca una situación que en cuanto al liderazgo debe revisarse, ya que en un grupo homogéneo surge un líder, que bien podría ser aquel que tenga el mayor dominio de la competencia correspondiente, y en cambio en un grupo heterogéneo cada quien se considera a sí mismo líder en su competencia particular. Se podría suponer entonces que en el trabajo colaborativo el liderazgo proviene del grupo, sin embargo después de muchísimas generaciones, la civilización se ha desarrollado en cada época, independientemente de las ideologías y variantes de organización, bajo la guía de un líder y no bajo el liderazgo grupal. El 12 de septiembre de 1962, John F. Kennedy, entonces presidente de Estados Unidos de América, dio un discurso en el que expresó: “ … Elegimos ir a la luna en esta década y hacer otras cosas, no porque sean metas fáciles, sino porque son difíciles, porque ese desafío servirá para organizar y medir lo mejor de nuestras energías y habilidades, porque ese desafío es un desafío que estamos dispuestos a aceptar, uno que no queremos posponer …”. Ser el mejor implica estar en competencia, y en su momento ir a la luna era lo que pondría a Estados Unidos en la cabeza de la carrera espacial que estaba teniendo lugar. Se podrían sustituir las palabras “ir a la luna” por la meta que se quiera enfrentar para ser el mejor, y hacerlo antes de que lo haga alguien más. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 5 �Internacionalización y trabajo colaborativo / Jaime A. Castillo Elizondo. En este famoso discurso se reconocía la magnitud del reto, a la vez que se sugería un sentido de pertenencia, capacidad y corresponsabilidad al mencionar “nuestras energías y habilidades” especialmente cuando más tarde en el mismo discurso dice “… debemos hacer el trabajo”, con valor especial a la lealtad y compromiso, tal como el formato de trabajo colaborativo plantea. En ese mismo discurso Kennedy dijo “Soy yo quien está haciendo todo el trabajo, solo queremos que se queden tranquilos por un momento”, lo cual causó risas, pero dejó muy claro que aunque el compromiso es de todos, sólo hay un líder. Las organizaciones modernas se han impuesto como meta tener una participación activa en el ámbito internacional, con lo que se han acuñado términos como el de “clase mundial”, indicando que tal organización es comparable con cualquier otra en el mundo, se podría decir “internacional” sin que el significado sea afectado seriamente. Sin embargo habría que precisar en qué son comparables; si fuera una empresa, por ejemplo, podría ser en su servicio al cliente, en su atención al medio ambiente, o en el trato a sus empleados, por señalar algunas comparaciones que deben ser siempre favorables. Lo más común es que este término sea interpretado por el público como una referencia a la calidad de la organización. El hecho de que un organismo llegue a considerarse de clase mundial no lo convierte en un referente internacional, pues en el primer caso se intenta ser como las demás, mientras que en el segundo, quien marca el referente es aquel que dicta el modelo, y de hecho quienes se convierten en verdaderas referencias son seguidos por los demás. Al igual que con la clase mundial queda abierta la posibilidad de múltiples comparaciones también se da con la referencia internacional. ¿En qué se es referencia? No es posible que un organismo sea una referencia absoluta y se convierta en el modelo a seguir en todos los aspectos. El alcance internacional es obligatorio, de hecho, no hay manera de evitarlo, nuestros portales de Internet pueden ser vistos prácticamente en cualquier parte del mundo, ya que la apertura que brinda la informática genera una exposición pública que hace que de la misma manera que nos enteramos de asuntos que ocurren en otras partes del mundo, también en esos lugares llegan a enterarse de nuestros logros, especialmente a través de redes sociales. Dada esta cobertura, la meta de convertirse en un referente de nivel internacional, que he mencionado en múltiples ocasiones ante estudiantes, académicos y administrativos de la FIME, no es sencilla, en gran parte por los resultados que no son inmediatos y por lo tanto el trabajo se lleva a cabo durante períodos largos de consolidación que requieren la integración de programas que consideran la gestión responsable de la formación, del conocimiento y la cultura, con el necesario fortalecimiento de la planta académica y el desarrollo de sistemas de educación continua con intercambio, vinculación y cooperación académica con los sectores social y productivo. En la carrera espacial original había solamente dos participantes con una meta de la cual era fácil determinar su cumplimiento, en cambio ahora el número de instituciones educativas es enorme, y los criterios para definir la validez de un logro abarcan cada vez más aspectos, incluyendo el seguimiento de egresados, tutorías, planta docente, laboratorios y métodos de enseñanza y evaluación. 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 �Internacionalización y trabajo colaborativo / Jaime A. Castillo Elizondo. Cuando una sociedad, un país, una institución se imponen en su visión la de ser los más reconocidos, los mejores, ser los líderes en sus respectivas áreas, entonces el desafío es siempre grande porque siempre se tiene que hacer más que quienes llevan la delantera. Las exigencias que involucran componentes sociales con situaciones que son multicausales son normalmente complejas. La única manera de poder lograr esta meta es siguiendo una metodología que esté basada en el trabajo colaborativo, que como ya expliqué, es efectivo porque toma en cuenta la participación y talento de todos los posibles involucrados, aprovechando el potencial individual de cada uno de manera que al final el total es mayor que la suma de sus partes. Un buena estrategia toma en consideración los eventos que ocurren simultáneamente en el entorno y es congruente con las políticas y proyectos institucionales, en nuestro caso planteados dentro de la Visión 2020 de la FIME y de la UANL, que a su vez están acordes a políticas nacionales e internacionales. Ya se han hecho esfuerzos de internacionalización en que estudiantes de nuestra facultad han completado unidades de aprendizaje y han recibido grados de otros países dentro de convenios redactados con este mismo espíritu de colaboración, por lo que el trabajo a desarrollar es mucho más que un ejercicio para organizar y medir lo mejor de nuestras energías y habilidades; la organización está dada por un plan estratégico que facilita la gestión y ejecución de las acciones, con orientación a la responsabilidad social, mediante procesos innovadores alineados a las políticas y proyectos institucionales; y la medida estará dada por las actitudes, valores, conocimientos y competencias que se inculquen a los estudiantes durante su formación y que llevan a la comunidad en donde con su ejemplo se vuelven el referente de nivel internacional que buscamos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 7 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial en celdas de combustible Rubí A. Hernández Carrillo, Lorena L. Garza Tovar, Luis C. Torres González, Eduardo M. Sánchez-Cervantes Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas Lab. de Materiales 2: Almacenamiento y Conversión de Energía, eduardo.sanchez@uanl.edu.mx RESUMEN Las membranas de poli(2,5 – benzimidazol), dopadas con ácido forfórico fueron obtenidos mediante la su inmersión del polímero en baños de ácido y un líquido iónico conocido como dihidrógeno fosfato de 3-butil-1-etilbenzimidazolio en distintas proporciones. Mediante la espectroscopia de infrarrojo con transformada Fourier se detectó la interacción entre el grupo fosfato y el anillo imidazol del polímero en la muestra. Se observa que la adición de la mezcla de líquido iónico a una membrana de ABPBI mejora significativamente su estabilidad térmica y conductividad iónica, permitiendo obtener materiales que mantienen estabilidad hasta los 200 ºC, con conductividad superior a los 10 -4 S/cm. PALABRAS CLAVE Membranas de intercambio protónico, celdas de combustible, líquidos iónicos, benzimidazol. ABSTRACT The membranes of poly(2, 5- benzimidazole) doped with phosphoric acid were obtained by polymer immersion in baths containing H3PO4 and ionic liquid dihydrogen phosphate 3-butyl-1-ethylbenzimidazolium in different concentrations. The interaction among PO43+ and the imidazol ring of the polymer is studied using Fourier transform infrared spectroscopy detected within the sample. It is found that addition of a mixture of ionic liquid to ABPBI membrane improves significantly the thermal stability and ionic conductivity, which allows to produce materials that remain stable at temperatures up to 200 ºC, and conductivity over 10-4 S/cm. KEYWORDS Protonic exchange mebranes, fuel cells, ionic liquids, benzimidazole. 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial... / Rubí A. Hernández Carrillo, et al. INTRODUCCIÓN Hoy en día el cambio climático y sus consecuencias sobre nuestro planeta ha impulsado el desarrollo de fuentes alternas de energía con el fin de sustituir a los combustibles fósiles. Durante las últimas décadas las llamadas energías renovables son consideradas como alternativas viables para contribuir al futuro energético con bajo impacto ambiental, así mismo el creciente avance tecnológico ha promovido la investigación de métodos de producción, almacenamiento y conversión de energía de forma limpia y descentralizada. Una de las tecnologías que están en constante evolución son las celdas de combustible (CC); éstas son dispositivos electroquímicos que convierten la energía liberada de reacciones químicas directamente en energía eléctrica, de manera similar como lo hacen las baterías o pilas que usamos habitualmente, pero la diferencia principal es que las celdas de combustible mantienen un suministro constante de electricidad siempre que exista aporte de combustible, mientras que las baterías cesan su producción cuando se agotan los reactivos químicos que contienen.1 A grandes rasgos, las CC se conforman por dos electrodos, un ánodo y un cátodo, los cuales están separados por un electrolito (figura 1). Estos dispositivos son alimentados con hidrógeno por el lado anódico y oxígeno por el lado catódico. En el ánodo, el H2 se disocia en protones y electrones. Los protones son transportados a través del electrolito hacia el cátodo mientras que el electrón lo hace a través de un material conductor externo produciendo energía. Al final de su camino ambos, electrón y protón, se reúnen en el cátodo donde ocurre la reacción de reducción del oxígeno para formar agua. Así, este proceso produce agua tanto en fase vapor como líquida, corriente eléctrica y energía térmica la cual puede ser aprovechada en sistemas de cogeneración (figura 1). Entre los beneficios que presentan este tipo de dispositivos frente a otras fuentes de generación de energía se encuentra la alta eficiencia que pueden alcanzar (entre 50% y 85%). Además, su construcción puede realizarse de manera que provean el voltaje, la carga y la potencia deseada dependiendo de la aplicación para la cual fueron diseñadas.2 Finalmente, y a pesar de que admiten Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 Fig. 1. Funcionamiento de una celda de combustible. combustibles variados, con mayor o menor pureza, la emisión de gases contaminantes hacia la atmósfera es muy baja. Las celdas de combustible son en realidad una familia de tecnologías que pueden operar a diferentes temperaturas según sea el fin para el cual estarán destinadas. Por ello se puede hablar de celdas de combustible de alta temperatura, las cuales operan a temperaturas mayores a 200 °C y las de baja temperatura, cuya operación se debe llevar a cabo por debajo de los 100 °C (tabla I).3 Una diferencia derivada de la temperatura de operación es el tipo de electrolito que debe utilizarse en la celda, pues la efectividad del proceso electroquímico dependerá de la capacidad que tenga dicho componente para crear la conductividad necesaria para el transporte de iones. De esta gran gama de dispositivos, las celdas de combustible con membrana de intercambio de protónico (PEMFC) son las que ofrecen mejores perspectivas a futuro para su aplicación dentro del campo de la industria automotriz y la energía portable.4 Hoy en día, el electrolito más utilizado en celdas PEM consta de un polímero perfluorosulfonado conocido comercialmente como Nafion®; sin embargo, para que este material funcione adecuadamente necesita operar en condiciones de elevada humedad lo que limita la temperatura de operación de la celda a 100 °C, lo que trae consigo diversas problemáticas tales como el uso de catalizadores de Pt lo que incrementa el costo de manufactura del dispositivo.5 Además, al trabajar a estas temperaturas es necesario utilizar combustibles con alto grado de pureza a fin de evitar el posible envenenamiento de los electrodos 7 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial... / Rubí A. Hernández Carrillo, et al. Tabla I. Clasificación de las celdas de combustible. Tipo de celda de combustible Electrolito Temp (°C) Polímeros sólidos ácidos 60 a 100 Ánodo H2->2H++2eCátodo 1/2 O2+2H++2e-->H2O Solución acuosa KOH 90 a 250 Ánodo H2 +2(OH)-->2H2O+2eCátodo 1/2 O2+H2O+2e-->2(OH) Metanol directo (DMFC) Polímeros sólidos ácidos 60 a 100 Ácido Fosfórico (PAFC) H3PO4 175 a 200 Ánodo H2->2H++2eCátodo 1/2 O2+2H++2e-->H2O Carbonato Fundido (MCFC) Solución liquida de carbonato de Li y Na 600 a 750 Ánodo H2+CO32-->H2O+CO2+2eCátodo 1/2 O2+CO2+2e-->CO32- Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC) Alcalina (AFC) Óxido Sólido (SDFC) Óxidos 1000 refractarios Reacciones electroquimicas Aplicaciones portátiles Global: H2+ 1/2 O2 -> H2O Global: H2+1/2 O2->H2O Ánodo ROH+H2O->CO2+6H++6eCátodo..... 6H++1/2 O2+6e-->3H2O Naves espaciales Aplicaciones portátiles Ventajas *Uso Pt * Sencible a impurezas en el combustible *Fácil a lmacenamiento *Uso de Pt *Baja corriente *Permeabilidad de reactivos por membrana *Reacción catódica rápida Estaciones *Hasta 85% de fijas de media eficiencia capacidad *H2 impuro Global: H2+1/2 O2->H2O Global: H2+1/2 O2 +CO2->H2O+CO2 Ánodo Cátodo H2+O2-->H2O+2e1/2 O2+2e-->O2- con monóxido de carbono; debido a esto, el desarrollo de nuevos materiales capaces de conducir protones a mayor temperatura sin comprometer su estabilidad térmica y mecánica es uno de los grandes retos científicos en este campo de la investigación.6 La familia de los polibenzimidazoles constituye un grupo de materiales atractivos para ser aplicados como electrolitos poliméricos en PEMFC. De dichos compuestos, el ácido fosfórico poli(2,5benzimidazol) dopado (ABPBI) es el que presenta la estructura molecular más sencilla; por tal motivo ofrece una mayor concentración de grupos funcionales que favorecen la conductividad de protones a través de la membrana.7,8 Con la finalidad de hacer investigación de manera sustentable, poco a poco van emergiendo nuevos compuestos “amigables” con el medio ambiente. Un ejemplo de ello son los líquidos iónicos. El principal atractivo de estos materiales es que son sales liquidas en un amplio intervalo de temperaturas, incluyendo la temperatura ambiente, debido a que están formadas por iones asimétricos de gran tamaño.9 Deesventajas *Disminución de volumen *Baja temperatura Global: ROH+1/2 O2->CO2+2H2O Global: H2+1/2 O2 ->H2O 8 Aplicaciones *Muy baja tolerancia al CO2 en los reactivos *Uso de Pt *Baja corriente *Gran peso y tamaño Estaciones fijas a gran escala *Alta eficiencia *Variedad de combustibles *Alta corrosión *Componentes para alta temperatura Estaciones fijas a gran escala *Alta eficiencia * Baja corrosión *Variedad de combustibles *Componentes especiales para alta temperatura La elección adecuada de los iones determinará las propiedades fisicoquímicas del líquido iónico, con lo cual se puede diseñar el compuesto más apropiado para cierta aplicación. Así, estos líquidos iónicos muestran baja presión de vapor, por lo que se les considera disolventes no volátiles. Esta característica es la base del gran interés que suscitan estos compuestos en la “química verde” para reemplazar a los disolventes orgánicos convencionales. Otras de sus características es que presentan alta estabilidad térmica (>450 °C en algunos casos), elevada conductividad iónica (10-2-10-1 S/cm) y una amplia ventana de potencial (2-5 V), lo que los hace atractivos candidatos para aplicarse en diferentes dispositivos electroquímicos.10 Recientemente, la incorporación de líquidos iónicos en membranas poliméricas de PEMFC´s se esboza como una estrategia inteligente para incrementar la conductividad protónica y la resistencia termomecánica del polímero. Por todo lo anterior, nuestro grupo de investigación se planteó el desafío de desarrollar una membrana de intercambio protónico basada en ABPBI Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial... / Rubí A. Hernández Carrillo, et al. impregnado con ácido fosfórico y líquido iónico dihidrógenofosfato de 3-butil-1-etilbenzimidazolio con la finalidad de generar un material con mejores propiedades químicas, térmicas y de conductividad que las mostradas por Nafion®, de manera que puedan operar en celdas de combustible tipo PEM de alta temperatura. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para la obtención de las membranas, primero se realizó la síntesis del líquido iónico y del polímero ABPBI. Posteriormente, la inmersión de las membranas se llevó a cabo en baños de dopaje compuestos por H3PO4 y líquido iónico dihidrógenofosfato de 3-butil-1-etilbenzimidazolio (BuEtBim-H2PO4) en diferentes proporciones (tabla II). Una vez transcurrido el tiempo de inmersión (24 h), las membranas se caracterizaron estructural, térmica y electroquímicamente.11 Con el uso de la técnica de espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourrier o FTIR fue posible analizar los materiales preparados. En los espectros resultantes se observa la interacción entre el H3PO4 y el anillo de imidazol del polímero en la zona comprendida de 4000 a 2000 cm-1. En el rango entre 3000 y 2500 cm-1 se observa la aparición de una banda muy ancha debido a la formación del enlace N+-H, originada por la protonación de la imina en el ABPBI.12 Por otro lado, es posible asignar dos bandas principales debidas a la tensión O-H del ácido fosfórico y al grupo dihidrógeno fosfato del LI. La primera de ellas aparece alrededor de 2700 a 3000 cm-1 y se encuentra solapada con la tensión N+-H. La segunda banda está centrada en 2350 cm-1. Finalmente, las bandas atribuibles al ácido fosfórico libre aparecen alrededor de 1250 y 850 cm-1.13 La presencia de las bandas correspondientes a los grupos Tabla II. Proporción de H3PO4 y BuEtBimH2PO4 en los baños de dopaje. Muestra BuEtBimH2PO4 % H3PO4 mL 2 25 11.20 4 75 3.75 1 3 5 0 50 100 5 7.50 0 BuEtBimH2PO4 mL 0 3.75 7.50 11.25 15 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 Fig. 2. FTIR de las membranas después del dopaje. funcionales de los tres componentes del sistema nos habla de la afinidad que existe entre ellos al combinarse en la membrana (figura 2). La estabilidad térmica de nuestros materiales se probó mediante análisis termogravimétrico. El termograma revela que las membranas pierden humedad desde el principio del análisis hasta cerca de 150 °C; después de esta temperatura, el peso permanece prácticamente constante hasta los 400 °C. Cabe mencionar que la descomposición total del polímero ocurre a los 550 °C y, que en el caso de estas muestras en particular, la estabilidad termal estaba fuertemente ligada con la estabilidad del líquido iónico dihidrógenofosfato de 1-butil-3etilbenzimidazolio (figura 3). Por último, se analizó la conductividad protónica de las membranas para, de esa manera, evaluar el efecto de la adición del H3PO4 y líquido iónico a diferentes temperaturas; dicho análisis se realizó mediante la técnica de espectroscopia de impedancia utilizando un potenciostato con módulo analizador de impedancias Gamry PC4/750 A. Para el montaje de la celda la superficie de las membranas se recubrió con oro, con el fin de asegurar un buen contacto ohmico (mediante un rociador de metales Pelco VII); posteriormente, se presionaron entre dos electrodos de acero inoxidable conectados a las terminales del equipo. Las mediciones se realizaron dentro de un intervalo de frecuencias de 1 a 100,000 Hz 9 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial... / Rubí A. Hernández Carrillo, et al. ventaja de operar a temperaturas >100 °C. Otro dato importante que arroja este análisis es que por debajo de 100 °C predomina un mecanismo de conductividad tipo “salto”; esto es debido a que el trasporte protónico consiste en un ágil reagrupamiento de las uniones químicas en una cadena larga de moléculas de agua, de manera que los protones se trasladen de una molécula a otra, mediante la formación y ruptura de puentes de hidrógeno entre moléculas vecinas.14 La movilidad protónica por medio de este mecanismo es mucho más rápida y se ve favorecida por la presencia de humedad en la membrana. A temperaturas superiores a 100 °C cobra importancia Fig. 3. Análisis termogravimétricos de las membranas preparadas. utilizando una perturbación sinusoidal de 10 mV. Cabe mencionar que este análisis sólo se realizó en las muestras que presentaron mayor resistencia mecánica desde 30 hasta 150 °C. La interpretación de los resultados obtenidos se llevó a cabo mediante el ajuste de los datos experimentales con un modelo de circuitos equivalentes tipo Randless para ello se utilizó el software ZSimWin Vd3.30. Finalmente, la conductividad de las membranas se calculó a partir de la ecuación: Donde σ membrana es la conductividad de la membrana, l es el espesor, A es el área de la membrana y R representa la resistencia del material al paso de la corriente. Este dato se obtuvo a partir de la intersección de la impedancia real (Z´) cuando la imaginaria (Z´´) tiende a cero en el gráfico de Nyquist. Los resultados obtenidos muestran que la conductividad iónica de las membranas ABPBIH3PO4-LI se incrementó después de sumergirlas en los baños de dopaje. La conductividad más elevada se obtuvo por encima de los 100 °C en la muestra de polímero dopada con 50%LI-50%H3PO4, el valor resultante es mayor a 10-4 S/cm. Este resultado se considera aceptable para materiales poliméricos con aplicación como electrolito en CC y además tiene la 10 Fig. 4. Conductividad de las membranas dopadas en función de la temperatura y composición de los baños de dopaje. un mecanismo vehicular de conductividad, ya que la difusión de las cargas se da con mayor facilidad al incrementar la temperatura; por tanto, la movilidad de los protones se ve incrementada.15 (figura 4). CONCLUSIONES La adición de una mezcla de líquido iónico a una membrana de ABPBI mejora significativamente su estabilidad térmica y conductividad iónica, permitiendo obtener materiales estables hasta los 200 °C con conductividad superior a 10-4 S/cm. Aunque los resultados son gratamente prometedores, hay que seguir en la investigación con tal de que posteriormente puedan ser aplicados como electrolitos en celdas de combustible tipo PEM de alta temperatura. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Polímeros de benzimidazol como membranas de intercambio protónico y su uso potencial... / Rubí A. Hernández Carrillo, et al. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento a los proyectos SEP-CONACyT #151587 y SENERCONACyT 150111. Además se reconoce el apoyo de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México, bajo el programa PAICyT. REFERENCIAS 1. Hirschenhofer J.H., Stauffer D.B., Engleman R.R. y Klett M.G. Fuel Cell Handbook. 4° ed. Ed. Parsons Corporation Reading. 1998. 2. Cano Castillo Ulises. Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica. Boletín IIE. (sep-oct):208-215. 1999. 3. EG&G Services Parsons, Inc. Science Applications International Corporation. Fuel Cell Handbook. U.S. Departament of Energy Office of Fossil Energy National Energy Technology Laboratory. 5° ed. 2000. 4. Grubb Willard Thomas. The encyclopedia of eart. 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ISBN: 978-1-62100-477-6.2012. 10.Romero Salvador Arturo. Líquidos iónicos a temperatura ambiente: un nuevo medio para las reacciones químicas. Rev.R.Acad.Cienc.Exact. Fís.Nat. 102(1): 79-90. 2008. 11.Hernández-Carrillo R A, Suarez-Guevara J, Torres-González L C, Gómez-Romero P, Sánchez EM. Incorporation of benzimidazolium ionic liquid in proton exchange membranes ABPBI-H3PO4. Journal of Molecular Liquids, 181:115-120. 2013. 12.Bouchet R, Siebert E. Proton Conduction in Acid Doped Polybenzimidazole. Solid State Chemistry. 118(3-4): 287-299. 1999. 13.Guerra G, Choe S, Williams D J, Karasz F E, MacKnight W J. Fourier Transform Infrared Spectroscopy of Some Miscible P ol yb e n zi m i da z o l e / P ol y i m i de B l en d s . Macromolecules. 21(1):231-234. 1988. 14.Kreuer K. D., Paddison S. J., Spohr E., Schuster M. Transport in proton conductors for fuelcell applications: Simulations, elementary reactions, and phenomenology. 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La constante dieléctrica permaneció sin cambio dentro del rango de frecuencia estudiada, mientras que el factor de pérdida de la misma disminuyó. Las propiedades dieléctricas incrementaron con el aumento de temperatura. Mediante un diagrama de Argand, se analizó el comportamiento de las propiedades dieléctricas del maíz con respecto a los incrementos de temperatura y el contenido de humedad. El método propuesto podría implementarse para determinar la humedad del maíz dentro de los límites establecidos por la Norma Mexicana. PALABRAS CLAVE Propiedades dieléctricas, maíz, conductividad eléctrica. ABSTRACT Dielectric properties of three varieties of mexican corn ( white, blue and yellow) with different moisture content were determined and analyzed through Ultra- wideband (UWB) frequencies (3-10.6 GHz), using a free-space transmission method. Permittivity and electrical conductivity of corn were shown higher for increased moisture content. The dielectric constant remained unchanged within the range of the studied frequency, while its loss factor decreased. Dielectric properties increased with the rise of temperature. By means of an Argand diagram, the behavior of the corn´s dielectric properties was analyzed in relation to the rising of temperature and its moisture contents. The proposed method could be applied to determine moisture content of corn according to the limits established by Mexican Standards. KEYWORDS Dielectric properties, corn, electrical conductivity. 12 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. INTRODUCCIÓN El maíz (Zea mays L.) es un producto milenario cuyo cultivo se remonta a la época prehispánica y sigue siendo el cultivo de mayor presencia en México. Desde diferentes puntos de vista; alimentario, ganadero, económico y social, es uno de los productos más importantes del país.1 Adicionalmente, México es el país con más diversidad de maíces, concentrando especies nativas (criollas), mejoradas, silvestres (teozintle) y otro conjunto de gramíneas relacionadas que son especies del género Tripsacum, conocidos como maicillos. 2 Diferentes variedades de maíz mexicano han sido caracterizadas en cuanto a su composición química y calorimetría 3, y a su contenido de almidón,4,5 pero no han sido caracterizadas desde su punto de vista dieléctrico. Existen reportes de propiedades dieléctricas de maíces en el extranjero, donde han encontrado su relación con el contenido de humedad y densidad.6,7 Las propiedades dieléctricas determinan el acoplamiento y la distribución de la energía electromagnética durante la exposición de un material a microondas u ondas de radiofrecuencia. Las propiedades dieléctricas se ven afectadas por el contenido de humedad, la temperatura y la frecuencia.8 La permitividad (ε) es un valor complejo que describe las propiedades dieléctricas: ε = ε’ - j ε”, donde ε’ es la constante dieléctrica, que determina la capacidad del material de almacenar energía, y ε” es el factor de pérdida, que indica la capacidad de disipar energía en forma de calor como respuesta al campo eléctrico aplicado. La Norma Mexicana NMX-FF-034/1-SCFI2002 marca que el maíz blanco debe tener 14% de humedad para permitir el manejo, la conservación y el almacenamiento adecuado del grano, así como una densidad mínima de 74 kg/hl (equivalente a 0.74 g/cm 3). 9 La constante dieléctrica puede relacionarse a la humedad y conocer su valor de manera rápida en granos de maíz de acuerdo a su variedad o pigmentación. Por lo anterior, el objetivo de este estudio fue determinar y analizar las propiedades dieléctricas de tres variedades de maíz mexicano en el rango de banda ultra ancha (UWB) que comprende de 3 a 10.5 GHz 10. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 MATERIALES Y MÉTODOS EXPERIMENTALES Variedades de maíz Se utilizó maíz mexicano (Zea mays L.), en sus variedades: chato blanco, criollo azul y criollo amarillo adquiridos en Tonanzintla, Puebla (figura 1). Una parte de la muestra fue rociada con agua purificada para incrementar su contenido de humedad, manteniéndola en frascos cerrados durante 18 horas a temperatura ambiente. Las muestras humedecidas artificialmente simulan condiciones de mal almacenamiento o malas condiciones de secado de la muestra, las cuales estarían fuera de norma. Fig. 1. Muestras de maíz mexicano estudiadas: maíz chato blanco (izquierda), maíz criollo azul (centro) y maíz criollo amarillo. Determinación del contenido de humedad y de densidad del maíz La humedad se determinó por duplicado en estufa a 100 °C durante 24 h.11 La densidad del maíz (ρ) fue calculada por la relación ρ =m/V, donde m es la masa (g) y V el volumen ocupado por un lote de maíz (cm3), se considera la densidad aparente. Para ello, se colocaron granos de maíz en una probeta de 500 mL (V=500 mL=500 cm3) y se tomó el peso de los granos contenidos (g),12 la determinación se hizo por triplicado para cada maíz y para cada contenido de humedad. Medición de las propiedades dieléctricas de maíz La permitividad fue obtenida experimentalmente usando el método de transmisión en espacio libre. Este método consiste en obtener la función de transferencia de inserción mediante dos mediciones, las cuales se realizan en el dominio de la frecuencia en la banda ultra ancha (3.1 – 10.6 GHz) usando un analizador vectorial de redes (LeCroy, Estados 13 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. Unidos). Estas mediciones se efectuaron de la siguiente manera: primero se coloca un contenedor de baja permitividad (cartón), de 25 cm x 11cm x 5 cm, en medio de dos antenas de apertura tipo Vivaldi13 que operan en el rango de banda ultra ancha; una antena funciona como transmisor y la otra como receptor; la distancia de separación entre las antenas es de 20 cm (figura 2). Posteriormente se mide el coeficiente de transmisión con el contenedor vacío y finalmente se mide el coeficiente de transmisión con el contenedor lleno de la muestra de maíz (entre 1.1 y 1.3 Kg). Fig. 2. Esquema experimental para el método de transmisión en espacio libre. Las mediciones se llevaron a cabo en una cámara anecoica, la cual provee un ambiente de baja reflexión para una correcta medición. La función de transferencia de inserción se obtiene a través de la siguiente ecuación.14 (1) donde S21 es el coeficiente de reflexión medido con el contenedor lleno de maíz, es el coeficiente de reflexión medido con el contenedor vacío, f es la frecuencia (Hz). Una vez obtenida la función de transferencia de inserción, la permitividad (ε’) y el factor de pérdida (ε”) son obtenidas para materiales de baja perdida (ε”<< ε’) usando las siguientes ecuaciones.15 (2) (3) donde ∆ϕ es la fase de la función de inserción de transferencia H(f) (grados), ∆A es la atenuación en 14 transmisión debida a la presencia de la muestra (dB), λ0 es la longitud de onda en el espacio libre (m) y d es el espesor de la muestra (m) La constante dieléctrica (ε’) y el factor de pérdida (ε’’), de las tres variedades de maíz que se usaron en este trabajo, fueron obtenidas para un rango de frecuencia de 4.5 a 11 GHz, para las siguientes temperaturas: 24, 36 y 52 °C. Para realizar la medición a diferentes temperaturas, la caja con la muestra fue introducida en un horno de microondas (1650 W, LG, México) por algunos segundos, dependiendo de la temperatura objetivo. Después del calentamiento, la muestra fue homogeneizada y la temperatura verificada con un termopar. Se tomaron 5 réplicas para cada medición. La determinación de las propiedades dieléctricas a altas temperaturas es importante para conocer el comportamiento cuando se desee calentar las muestras con otros fines, como eliminación de plagas o mohos. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Contenido de humedad y densidad de las muestras de maíz Para cada tipo de maíz con su correspondiente contenido de humedad, se obtuvo el valor de la densidad. La densidad del maíz disminuyó con el contenido de humedad, según se muestra en la Tabla 1. La densidad aparente del maíz blanco fue mayor que la del maíz azul y el amarillo, debido a que el grano blanco es de menor tamaño. Los resultados de 0.679-0.795 g/cm3 para humedades entre 8 y 17% coinciden con lo reportado para maíz amarillo de Illinois, con valores de 0.72 a 0.79 g/cm3 con contenido de humedad entre 10.2 y 17.5%.6 Los granos de maíz sin humedecer cumplieron con la Tabla I. Contenido de humedad y densidad de las tres variedades de maíz estudiadas. Las muestras marcadas (*) fueron humedecidas. Variedad Blanco Azul Amarillo Humedad (%b.h.) Densidad (g/cm3) 14.5 ±0.03 * 0.740 ±0.001 8.0 ± 0.07 0.795 ±0.003 9.3 ±0.14 0.716 ±0.004 7.70 ±0.15 0.764 ±0.004 17.0 ±0.05 * 15.5 ±0.11 * 0.679 ±0.001 0.745 ±0.003 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. Norma Mexicana, 9 ya que tuvieron contenidos de humedad menores al 14% (blanco 8%, azul 9.3% y amarillo 7.7%). También cumplen con la humedad recomendada por el Codex Alimentarius, en donde se indica una humedad máxima del 15.5%.16 Efecto de la frecuencia, temperatura y porcentaje de humedad La constante dieléctrica y el factor de pérdida, se obtuvieron mediante las ecuaciones (2) y (3) respectivamente. La figura 3 muestra el efecto de la frecuencia sobre ε’ para las temperaturas de 24, 34 y 56 °C, con sus correspondientes contenidos de humedad para cada una de las variedades de maíz. La constante dieléctrica permaneció prácticamente sin cambio, para las tres variedades, en el rango de frecuencia estudiado (figura 3). Se puede observar que la permitividad para el maíz amarillo a la temperatura de 24 °C (figura 3c) es mayor que la determinada para las otras variedades (figuras 3a y b), lo que indica que el tipo de maíz sí tiene efecto sobre la permitividad. Por otro lado, ε’’ (figura 4) permanece casi constante en el rango de frecuencia de 5 a 9 GHz a la temperatura de 24 °C, pero decrece para todo el rango de frecuencia estudiado para las temperaturas de 34 y 56 °C. Por otro lado, ε’’ (figura 4) permanece casi constante en el rango de frecuencia de 5 a 9 GHz a las temperaturas de 24 y 36 °C, pero decrece para todo el rango de frecuencia estudiado para la temperatura de 56 °C. Tanto los valores de ε’ y ε’’ se incrementan a mayores temperaturas, esto coincide con lo reportado para las propiedades dieléctricas del maíz amarillo.6 ,7 El comportamiento de la constante dieléctrica permitiría establecer un criterio para determinar si una muestra de maíz bajo inspección se encuentra dentro de los niveles de porcentaje de humedad que establece la Norma Mexicana. El efecto de la temperatura sobre ε’ y ε’’ es presentado en las figuras 5 y 6. Para el caso de la pemitividad (figura 5) se observa un comportamiento creciente con respecto al incremento de la temperatura para los dos contenidos de humedad de las tres variedades de maíz. Mientras que para el factor de pérdida Figura. 3. Constante dieléctrica (ε’) de maíz (a) blanco con 8% de humedad, (b) azul con 9.3% de humedad y (c) amarillo con 7.7% de humedad, a diferentes temperaturas con respecto a la frecuencia. Figura. 4. Factor de pérdida (ε”) de maíz (a) blanco con 8% de humedad, (b) azul con 9.3% de humedad y (c) amarillo con 7.7% de humedad, a diferentes temperaturas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 15 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. Fig. 5. Constante dieléctrica (ε’) de maíz (a) blanco, (b) azul y (c) amarillo, a 5GHz con respecto al incremento de la temperatura. Figura. 6. Factor de pérdida (ε’’) de maíz (a) blanco, (b) azul y (c) amarillo, a 5 GHz con respecto al incremento de la temperatura. (figura 6) también se presenta un crecimiento con respecto a la temperatura, para contenidos de humedad altos ε’’ permanece constante principalmente en las temperaturas de 36 y 52 °C. El incremento de ε’ y ε’’ está relacionado a la cantidad de agua asociada a los granos y en general a materiales sólidos.17 Al aumentar la temperatura, se asume que los dipolos de las moléculas de agua tienen mayor libertad para girar y por lo tanto tiende a alinearse con el campo eléctrico. En este caso, la agitación térmica incrementa la contribución de las moléculas de agua en la polarización total del material. Este efecto en las moléculas de agua asociada al material produce el incremento en la permitividad y el factor de pérdida.18 Las rectas presentan una pendiente positiva; para el caso de ε’, la pendiente de esta recta se incrementa para altos contenidos de humedad, mientras que para el factor de pérdida, la pendiente disminuye. La tabla II muestra los valores de conductividad eléctrica para los tipos de maíz estudiados. Los valores oscilan entre 0.20 y 0.34 para los maíces a temperatura ambiente a 5 GHz, la conductividad incrementó 16 con la frecuencia, estando en el rango de 0.33 a 0.45 para la frecuencia de 10 GHz. La conductividad también incrementó con el aumento de temperatura en la muestra y con el aumento en el contenido de humedad. La conductividad eléctrica del maíz es muy baja debido a su bajo contenido de humedad, y coincide con los valores reportados para otros granos y semillas, como chícharo, lenteja, soya 19 y frijol de diferentes variedades. 20 Una forma muy útil de analizar los efectos producidos por el incremento en temperatura, porcentaje de humedad y densidad sobre propiedades dieléctricas del maíz, es usando la representación de la permitividad en un plano complejo. Esta representación es conocida también como diagrama Argand. En la figura 7 se puede observar el diagrama generado para el estudio de las propiedades dieléctricas del maíz, considerando las muestras de las tres variedades con diferentes temperaturas y porcentajes de humedad. Para este diagrama, tanto la constante dieléctrica como el factor de pérdida fueron divididos entre la densidad de las muestras, con el fin de integrar la contribución del aire en la muestra a granel. El diagrama fue Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. Tabla II. Conductividad eléctrica (S/m) de maíz blanco, azul y amarillo a diferentes temperaturas y humedades para algunas frecuencias. Las muestras marcadas (*) fueron humedecidas. 5 GHz 10 GHz Temperatura 24 °C 8% Maíz Blanco 0.20 9.30% 17% * 7.70% 15.50% * 0.22 0.33 0.23 0.34 0.29 0.23 0.32 24 °C 0.34 0.45 52 °C 0.35 0.50 36 °C Maíz Amarillo 14.50% * 36 °C 52 °C Maíz Azul 0.28 0.34 0.34 0.48 0.20 0.24 0.30 0.35 0.34 0.39 0.35 0.42 0.34 0.47 0.21 0.29 0.34 0.36 0.33 0.42 0.38 0.45 0.34 0.44 sensible, por lo que se puede establecer que la constante dieléctrica sea el primer indicador sobre contenidos de humedad en las muestras de maíz. La constante dieléctrica en las tres variedades de maíz estudiadas debe ser menor a 3.0 a temperatura ambiente (24°C) para garantizar que el grano cumpla con el contenido de humedad establecido por la Norma Mexicana 034 (14% de humedad para maíz blanco), o menor de 3.5 para cumplir con lo indicado por el Codex Alimentarius (15.5% máximo para cualquier tipo de maíz). Fig. 7. Diagrama de Argand para las tres variedades de maíz a las frecuencias de 5 GHz y 10 GHz. ( -maíz blanco - maíz negro y - maíz amarillo) generado para dos frecuencias: 5 GHz y 10 GHz. Para ambos casos, se observa un comportamiento lineal y creciente con el incremento de temperatura y del contenido de humedad. En este diagrama, se observa nuevamente que el parámetro más sensible a los cambios de temperatura y humedad es la constante dieléctrica para ambas frecuencias. Se observa también que la pendiente de la recta disminuyó cuando se incrementó la frecuencia, debido a que el factor de pérdida en frecuencias altas, no sufre cambios significativos con el incremento de la temperatura y el porcentaje de humedad. Este comportamiento coincide con lo reportado para las propiedades dieléctricas de harinas de garbanzo, chícharo, soya y lenteja a frecuencias de 918 a 1800 MHz.19 Con los resultados encontrados, se ha determinado que la constante dieléctrica es el parámetro más Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 CONCLUSIONES El método de transmisión en el espacio libre es una excelente técnica para obtener las propiedades dieléctricas del maíz mexicano (blanco, azul y amarillo); el método es sensible a los incrementos de temperatura y porcentajes de humedad. Las propiedades dieléctricas del maíz también dependen de la frecuencia. Mediante el diagrama de Argand se concluye que para las tres variedades de maíz se tiene una tendencia similar en sus propiedades dieléctricas. Finalmente, en este trabajo se propone como aplicación potencial determinar si el maíz tiene la humedad establecida por la Norma Mexicana a través del valor de la constante dieléctrica en el rango de banda ultra ancha, con recomendación en el uso a 5 GHz y a 24 °C. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al CONACYT por la beca para estudios de Doctorado de R. Torrealba Meléndez, así como el apoyo a través de los proyectos 168990 y 180061. 17 �Propiedades dieléctricas de maíz mexicano / Richard Torrealba Meléndez, et al. REFERENCIAS 1. SIAP. 2008. Servicio de Información Agropecuaria y Pesquera. Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (SAGARPA). Disponible en: http://www.siap. gob.mx/ 2. Biodiversidad Mexicana. 2012. Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad. Maíces. Disponible en: http:// www.biodiversidad.gob.mx/usos/maices/maiz. html 3. 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Se presenta en este trabajo un análisis experimental sobre la cuantificación del amortiguamiento por fricción seca en tales tipos de aislantes, estimando el amortiguamiento por medio de dos métodos, con el fin de entender el mecanismo de disipación de energía y emplear dicha información para mejorar el diseño de los aislantes vibratorios. PALABRAS CLAVE Amortiguamiento, histéresis, modelo Bouc-Wen, resortes de cable. ABSTRACT Mechanical vibrations normally produces adverse effects in structures, machinery and people; one of the most used methods of vibration control is vibration isolation. Amongst the different configurations of isolators, wire rope springs, also known as cable isolators are used for their high capacities of energy storage and dissipation, which is based on dry friction. As a result, they are used in extreme applications such aeronautical, military naval, and others involving high vibration and shock levels. An experimental analysis of the quantification of damping by dry friction is presented in this paper, estimating the damping by two methods, namely a low frequency sinusoidal input to obtain the hysteresis loops, then a broadband frequency excitation in order to estimate the modal damping. This will provide more insight in understanding the mechanism of energy dissipation and use this information to improve the design of vibration isolators. KEYWORDS Damping, hysteresis, Bouc-Wen model, spring cables. INTRODUCCIÓN Las vibraciones mecánicas son por lo general indeseables, ya que pueden causar fallas mecánicas, ruido excesivo, y problemas en personas, entre otros efectos. Para reducir estos efectos, el aislamiento vibratorio es el método más común y consiste en colocar un arreglo elástico y amortiguante para almacenar la energía vibratoria y disiparla. Existen diferentes tipos de aislantes como los 20 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. resortes metálicos, neopreno, resortes neumáticos, etc. Cuando se trata con vibraciones de corta duración y altas amplitudes denominados impactos, se requiere de aislantes capaces de almacenar y disipar grandes cantidades de energía, como lo son, por ejemplo, los amortiguadores de fricción seca. Existe un tipo especial de aislantes vibratorios de alto rendimiento capaces de almacenar y disipar grandes cantidades de energía por medio del principio de fricción seca, conocidos como resortes de cable. Se utilizan en ambientes de vibración extrema con aplicaciones militares, navales aeronáuticas, y aeroespaciales. Consisten en una serie de hebras de acero enrolladas alrededor de un núcleo metálico, dispuestas en una configuración helicoidal o en una configuración de tipo hoja. Sus propiedades están definidas por el diámetro, número y longitud de las hebras que componen al cable, así como la dirección en que se enrolla. Esta última característica es opuesta a la dirección en la que se teje el cable, lo cual provoca que al comprimir o tensionar el resorte exista un rozamiento entre las hebras causando amortiguamiento por fricción seca. Aunque en el plano práctico se cuenta con mucha información sobre el diseño y la manufactura de estos aislantes, el estudio del mecanismo de disipación de energía y su cuantificación no están propiamente caracterizados y esto dificulta la selección y optimización de los sistemas de aislamiento, particularmente en aplicaciones de vibración por impactos. Hasta este punto y al conocimiento de los autores, existen pocos trabajos dedicados al estudio del amortiguamiento de aislantes de fricción seca, como los resortes de cable, con aplicación al aislamiento de impacto. Este trabajo pretende esclarecer una pequeña porción del amplio campo de trabajo que aún existe dedicado a la cuantificación del amortiguamiento, en especial el amortiguamiento no lineal, sus efectos ante el problema de aislamiento de impacto y a la mejora de procedimientos de diseño de sistemas de aislamiento pasivo. ANTECEDENTES Una de las primeras aplicaciones de fricción seca en el aislamiento de impactos fue realizada por Mercer1 quien diseñó un aislante óptimo en base al principio de fricción ajustable, obteniendo Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 mejores resultados que en estudios previos donde se estudiaban polímeros, como fue el caso de los trabajos de Snowdon.2-5 Sin embargo, el análisis de aislamiento de vibraciones utilizando resortes de cable se remonta a unos años atrás, desde que Molyneux6 estudiaba el comportamiento de diferentes arreglos de resortes de baja rigidez con rangos de desplazamiento limitado, para el aislamiento de vibraciones mecánicas en aplicaciones aeronáuticas. Eshelman 7, 8 estudió la respuesta de diferentes configuraciones de aislantes de impacto como resortes helicoidales, líquidos, neumáticos, de anillo y amortiguadores de fricción demostrando sus altas capacidades en cuanto a disipación de energía. Cutchins y otros10 publicaron estudios sobre rigidez y amortiguamiento no lineal, de donde se derivó un modelo analítico para la descripción del lazo de histéresis comúnmente observado en sistemas de rigidez no lineal. Este estudio se enfoca en los resortes de cable y los autores notaron que las hebras del resorte de cable tendían a separarse al comprimirse, mientras que al tensionarse existe un mayor número de puntos de contacto y la resistencia al movimiento relativo se incrementa, provocando que la función fuerza-desplazamiento actúe de forma diferente en tensión que en compresión. Posteriormente Cutchins y otros 11 continuaron sus investigaciones donde buscaban desarrollar un modelo analítico semi-empírico, que pudiera describir en su totalidad el comportamiento de aislantes de impacto conformados por resortes helicoidales de cable bajo cargas axiales. A finales de 1993, Demetriades y otros12 también investigaron la respuesta de resortes de cable, pero esta vez bajo movimientos sísmicos donde derivaron un modelo analítico que se calibró mediante resultados experimentales. Para 2000 Popp y otros 13 realizaron una investigación teórica, citando estudios relevantes a la naturaleza discontinua de ambos fenómenos: impacto y fricción, resaltando con ejemplos cotidianos donde se observan y considerando la importancia de su estudio. En años más recientes, Leenen14 y posteriormente Schwanen15 presentaron la caracterización de resortes de fricción seca con el uso de un modelo modificado de Bouc-Wen, utilizado ampliamente para la descripción de sistemas histeréticos, considerado 21 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. también como un modelo matemático semi-físico. Otras aplicaciones de los resortes de cable se encuentran en la ingeniería civil, Georges y Vickery16-18 diseñaron y probaron experimentalmente un amortiguador de masa sintonizado utilizando resortes de cable, con un enfoque similar al de Wang y otros19 y realizaron pruebas sobre cientos de resortes de cable de acero dispuestos en una configuración paralela, para así crear un dispositivo contra colisiones entre barcos y puentes. Hogea y otros,20 así como Foss21 realizaron pruebas experimentales, en dirección axial, con resortes de cable para obtener datos sobre su rigidez dinámica y su amortiguamiento bajo cargas armónicas. Más recientemente, Ikmal 22 presentó un sistema de aislamiento de impacto de control activo, incorporando un modelo matemático con amortiguamiento de Coulomb, demostrando teórica y experimentalmente que si la fricción reduce notoriamente el desplazamiento máximo, se observa una transición brusca del cambio instantáneo de la aceleración cada vez que la fuerza de fricción cambia de dirección. Fundamentos teóricos En 1699 Guillaume Amontons realizó una serie de observaciones sobre el fenómeno de fricción, pero es hasta 1780 que Coulomb en su “Théorie des machines simples” deja asentados los fundamentos del modelo clásico de fricción, también llamado modelo de Coulomb,23 el cual puede verse resumido como: • La fuerza de fricción es independiente del área de contacto. • La fuerza de fricción es proporcional a la fuerza normal que se ejerce sobre la superficie. • La fuerza de fricción estática máxima depende de la duración del contacto. • La proporcionalidad existente entre la fuerza normal y la fuerza de fricción se denomina coeficiente de fricción μ y es constante para el caso del contacto metal-metal. • Cuando el área de contacto es significativamente grande y la fuerza normal es pequeña, la fuerza de fricción tiende a incrementarse con respecto a la velocidad. Para el caso contrario, es decir 22 donde el área de contacto es pequeña y la fuerza normal es grande la fuerza de fricción tiende a disminuir con respecto a la velocidad. • Existe un segundo término independiente de la fuerza normal y proporcional al área superficial, que resulta despreciable para la mayoría de los casos. De acuerdo a los puntos anteriores, la fuerza de fricción se describe matemáticamente de acuerdo a la ecuación 1: (1) Siendo Fn la fuerza normal a la superficie de contacto y μ el coeficiente de fricción. Cuando el sistema es dinámico la fuerza de fricción resulta independiente de la magnitud de la velocidad, aunque su signo determina la dirección de la fuerza de fricción.24-26 De acuerdo al diagrama de cuerpo libre, esquematizado en la figura 1, la ecuación de movimiento para un modelo dinámico de parámetros concentrados de un grado de libertad con amortiguador de Coulomb que se desplaza por la base es: Donde la función signo se define como: (2) (3) Y z representa el desplazamiento relativo: (4) Y u hace referencia al desplazamiento de la base. La función signo, como se describe en la ecuación (3), es una función discontinua que no tiene un valor definido para ż=0, por lo que la fuerza de fricción es indefinida cuando la velocidad tiende a cero. Para Fig. 1. Sistema de parámetros concentrados de un grado de libertad con amortiguador de Coulomb que se desplaza por la base. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. minimizar problemas numéricos derivados de dicho fenómeno, se utilizan aproximaciones del modelo de Coulomb.22 puede encontrarse un cierto número de modelos matemáticos, como la ecuación (8) que permiten simular dicho efecto.27 Modelo Stick-Slip Considerando la figura 1, el sistema esta inicialmente en reposo. Al aplicar una fuerza sobre la masa, la fuerza de fricción se opone al movimiento inminente. La dinámica puede comenzar únicamente si y solo si la fuerza aplicada es mayor que la fuerza de fricción, esto es: Donde g(zst) puede ser cualquier función que describe el efecto de Stribeck, las ecuaciones mostradas en la tabla I representan solo algunas de las funciones disponibles en la literatura (el subíndice st representa la velocidad de Stribeck). (5) Una vez que el movimiento comienza la fuerza de fricción Ff disminuye en magnitud aparentemente, y se dice que μ se traslada de su valor estático μs a su valor dinámico μk, siendo el segundo siempre menor al primero. (6) (7) Cuando la fuerza que se aplica es cíclica se encuentran intervalos de tiempo para los cuales la excitación F(t) es menor a la fuerza de fricción Ff, donde el sistema se detiene momentáneamente y el coeficiente de fricción aumenta de su valor dinámico a su valor estático. Para que el sistema pueda retomar su curso, la excitación F(t) debe superar nuevamente el valor de la fuerza de fricción Ff. Si la fuerza que se aplica es un impulso o se trata de una oscilación libre, también existen intervalos de tiempo donde las fuerzas debidas a la rigidez dinámica (kz) y la inercia ( ) se vuelven menores a Ff, provocando que el sistema se detenga momentáneamente. El sistema solo retoma su estado de movimiento si las fuerzas restauradoras tienen suficiente cantidad de movimiento para superar a la fuerza de fricción Ff, la cual ha aumentado instantáneamente de su valor dinámico a su valor estático. La inclusión de la variación del coeficiente de fricción seca en la ecuación dinámica (2) es lo que se conoce como modelo Stick-Slip.27-29 Cuando esta variación del coeficiente de fricción tiene lugar en superficies lubricadas, el fenómeno se conoce como efecto de Stribeck. En la literatura Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 (8) Tabla I. Funciones representativas para la descripción del efecto Stribeck. Función Exponencial (Tustin 1947) Expresión matemática Exponencial Generalizada (Bo & Pavelescu 1982) Laurentziano (Hess & Soom 1990) Gausiano (Armstrong & Hálouvry 1991) DESARROLLO EXPERIMENTAL El desarrollo experimental de este trabajo se desarrolló en el Laboratorio de Dinámica Estructural del Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica de la FIME. Las características del equipo utilizado para las diferentes configuraciones de montaje experimental se enlistan a continuación: • Excitador electrodinámico LDS; modelo: V408 10/32 HNF-CE. • Acelerómetro KISTLER; sensibilidad 10.77 mV/g; tipo: 8778A500M14. • Acelerómetro KISTLER; sensibilidad 10.47 mV/g; tipo: 8778A500M14. 23 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. • Cabeza de Impedancia PCB Piezontronics; sensibilidad 101.2 mV/g; tipo 288D01. • Amplificador LDS PA100E. • Tarjeta de adquisición de datos DATA PHYSICS QUATTRO. • Estación de Trabajo HP. • Software SignalCalc, ME’scope y MatLab. Las pruebas fueron realizadas en 5 resortes de cable con diferentes configuraciones, como se enlistan a continuación y se aprecia en la figura 2. a) Resorte de hoja Enidine CR4-400. b) Resorte Advanced Antivibration Components V10Z69-0937290. c) Resorte de hoja Enidine CR1-400. d) Resorte Helicoidal Advanced Antivibration Components WR280010D. e) Resorte Helicoidal Advanced Antivibration Components V10Z0-0625150. Se estudió la variación del amortiguamiento usando dos métodos distintos. El primer método implica la excitación de los resortes con una fuerza armónica sinusoide a baja frecuencia para encontrar la relación fuerza deformación en el proceso de tensión-compresión, es decir, medir los lazos de histéresis y estimar el amortiguamiento en función del área de los lazos a diferentes amplitudes. Para el primer método, las familias de lazos Fig. 2. Muestras de los resortes utilizados en la experimentación. 24 de histéresis se encontraron en base al montaje experimental presentado en la figura 3. En este caso, un extremo del resorte se fijó a una superficie inmóvil mientras que se aplicó la excitación al otro extremo mediante el actuador electrodinámico. Los resortes fueron comprimidos una cierta distancia inicial, mientras que se variaba el voltaje (Vrms) de la señal de excitación generada por el actuador a una frecuencia de 5Hz para los resortes V10269-0937290, CR1-400, CR4-400 y de 10Hz para los resortes WR280010D y V10Z0-0625150, ambas frecuencias fueron seleccionadas por ser suficientemente bajas para minimizar los efectos inerciales derivados del excitador electrodinámico. Fig. 3. Esquema del set y flujo de información para la obtención de la familia de lazos de histéresis. Se utilizó un transductor de impedancia mecánica 288D01 PCB PiezoTronics, para registrar los valores de fuerza y aceleración que experimentan las muestras al ser excitadas. Posteriormente, la señal de aceleración debió ser doblemente integrada numéricamente para extraer la información de la señal en forma de desplazamiento, con el objetivo de observar los lazos de histéresis. Los componentes de corriente directa (DC), relacionados con la constante de integración, en las señales de aceleración almacenadas causan generalmente distorsiones al integrar la señal. Para eliminar dicho efecto se utilizó un filtro de pasa alta y se realizó el proceso de integración en el software ME’Scope.16 El segundo método considera excitación por la base con una señal de banda ancha para medir la respuesta en frecuencia y estimar el amortiguamiento realizando un ajuste de curva en la zona de resonancia de la Función de Respuesta en Frecuencia (FRF). En Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. este caso, se sometió a una señal de aceleración aleatoria de banda ancha, mejor conocida como ruido blanco, variando la amplitud en un rango desde 0.5 hasta 4Vrms con incrementos de 0.5V generados en la salida del analizador con una carga estática constante. Posteriormente se incrementó el valor de la carga estática y se repitió el ciclo de variación de amplitud hasta alcanzar una carga máxima, determinada por la rigidez del resorte en cuestión que se presentan en la tabla II. La figura 4 muestra el esquema experimental usado en las mediciones. Tabla II. Magnitudes de la carga estática utilizadas para cada muestra a lo largo de las pruebas experimentales. Muestra V10269-0937290 Carga estática (kg) 0.766 0.435 0.345 0.69 CR4-400 0.369 0.345 0.1 CR1-400 WR280010D V10Z0-0625150 0.062 0.03 0.5857 0.3439 0.5857 0.3439 SignalCalc para obtener la función de respuesta en frecuencia (FRF) de cada prueba. En base a las FRF capturadas se determinó el amortiguamiento fraccional ζ, la frecuencia natural ωn y el factor de pérdida η de cada prueba mediante un algoritmo de ajuste de curva del diagrama de Nyquist. RESULTADOS La familia de lazos de histéresis de cada muestra puede apreciarse en las figuras 5-9. Cada curva representa el comportamiento del resorte al transcurrir un ciclo, com se muestra en la figura 5, el ciclo comienza en el extremo izquierdo del lazo, en este punto el resorte se encuentra comprimido una distancia 3.2 mm, al comenzar a descomprimirse el resorte comienza a suavizarse, es decir, la fuerza de reacción que ejercía comienza a disminuir hasta volverse nulo (punto (-2, 0)). Superando dicho punto, el resorte comienza a experimentar una fuerza de tensión y la fuerza de reacción comienza a incrementarse hasta llegar a su valor máximo dictado por el desplazamiento máximo que sufre, 2.9 mm; se observa que al tensionarse, existe un número mayor de puntos de contacto entre las hebras por lo que tiende a volverse más rígido. El movimiento se reanuda y el resorte comienza a liberar la tensión, y así mismo para el caso de la compresión, la fuerza de reacción comienza a decrecer hasta volverse nula para posteriormente comprimir el resorte, el cual, tiende a endurecerse hasta alcanzar su valor máximo, completando así el ciclo. El área que se enmarca entre los lazos es una medida de la cantidad de energía que se disipa durante el ciclo tensión-compresión. Fig. 4. Montaje experimental para la obtención de la FRF a partir de una excitación de ruido blanco. Se colocaron dos acelerómetros, uno en la base del resorte que colindaba con el excitador electrodinámico y otro en la placa superior del resorte, donde se registraron las historias en tiempo. Posteriormente la información fue procesada utilizando el software Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 Fig. 5. Familia de lazos de histéresis de la muestra V10269-0937290. 3Vrms; 2.5Vrms; 2Vrms; 1.5Vrms; 1Vrms. 25 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. Los resultados obtenidos se muestran en las figuras 10-14 presentan al amortiguamiento fraccional como una función del voltaje Vrms de la señal que alimentaba al excitador electrodinámico, obtenido por el método de respuesta en frecuencia. Fig. 6. Familia de lazos de histéresis de la muestra CR1400. 3Vrms; 2.5Vrms; 2Vrms; 1.5Vrms; 1Vrms. Fig. 10. Variación del amortiguamiento fraccional en función del voltaje Vrms de la señal de excitación de la muestra V10269-0937290. Carga estática 0.766kg; 0.435kg; 0.345kg; 0kg. Fig. 7. Familia de lazos de histéresis de la muestra CR4400. 3Vrms; 2.5Vrms; 2Vrms; 1.5Vrms; 1Vrms. Fig. 8. Familia de lazos de histéresis de la muestra V10Z700625150. 3Vrms; 2.5Vrms; 2Vrms; 1.5Vrms. Fig. 9. Familia de lazos de histéresis de la muestra WR280010D. 3Vrms; 2.5Vrms; 2Vrms; 1.5Vrms; 1Vrms. 26 Fig. 11. Variación del amortiguamiento fraccional en función del voltaje Vrms de la señal de excitación de la muestra CR1-400. Carga estática 0.62kg; 0.03kg; 0kg. Fig. 12. Variación del amortiguamiento fraccional en función del voltaje rms de la señal de excitación de la muestra CR4-400. Carga estática 0.69kg; 0.369kg; 0.345kg; 0.1kg; 0kg. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. Fig. 13. Variación del amortiguamiento fraccional en función del voltaje rms de la señal de excitación de la muestra V10Z0-0625150. Carga estática 0.6857kg; 0.3439kg; 0kg. Fig. 14. Variación del amortiguamiento fraccional en función del voltaje rms de la señal de excitación de la muestra WR280010D. Carga estática 0.5857kg; 0.3439kg; 0kg. DISCUSIÓN Los resultados del cálculo de amortiguamiento en base a los lazos de histéresis se muestran en la figura 15. Como se puede apreciar en las figuras 5-9, el área del lazo de histéresis depende de tres factores: el desplazamiento máximo, la fuerza de reacción máxima y la no linealidad de la curva. La relación que guarda el área del lazo de histéresis con la variación de dichos parámetros está dictada principalmente por la no linealidad de la curva. Para calcular la energía que se disipa, se calcula un factor de pérdida basado en la relación del área del lazo y el área máxima que el lazo podría tener, esto es: (9) Donde πFmax Dmax son el área de una elipse, el área máxima que se puede obtener. Retomando el ejemplo anterior, la figura 5, al incrementar el desplazamiento máximo y la fuerza de reacción máxima, tanto el Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 Fig. 15. Curva de amortiguamiento fraccional en función del voltaje Vrms de la señal de excitación de las diferentes muestras: CR4-400; V10269-0937290; CR1-400; V10Z700625150; WR280010D. área del lazo de histéresis, como el área que denota la cantidad máxima de energía que el sistema puede disipar tienden a incrementarse. Aunque ambas áreas tienden a aumentar, al incrementar la potencia de la señal que les excita, la proporción con la que aumenta su área no es la misma. Para el caso de la figura 6 el área del lazo de histéresis se desarrolla en una relación mucho menor al incremento del área máxima, y el amortiguamiento tiende a decrecer conforme los factores se aumentan. Mientras que las figuras 5, 7 y 8 muestran un comportamiento inverso, el área del lazo tiende a crecer en una proporción mayor al del área máxima, lo que produce que el amortiguamiento se eleve al incrementar dichos factores. Al comparar estos datos se denota que los resortes CR4-400 y WR280010D entran en discrepancias. Sin embargo, hay que recordar que para la obtención de los lazos de histéresis los amortiguadores fueron comprimidos una cierta distancia x, lo cual produce una condición de precarga, es decir, el resorte ejerce una fuerza de reacción diferente de cero. Se cree que si dicha fuerza es mayor a la fuerza de saturación al incrementar el voltaje de la señal de excitación el amortiguamiento decrece. Lo que se observa es, en realidad, la mitad de una curva simétrica. La saturación o el punto máximo de energía que el sistema disipa, está en relación directa con la no linealidad de las curvas y la proporción en la que incrementa una con respecto a la otra. De forma física lo que se observa es que existe un punto en el cual, al estirar o comprimir más el resorte, el rozamiento interno de las hebras disminuye. 27 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. Para el caso de los resultados de amortiguamiento en base a la medición de la respuesta en frecuencia, presentados en las figuras 10 a la 14, se observa claramente que el factor común entre las curvas es el incremento del amortiguamiento fraccional al elevar la amplitud del voltaje Vrms de la señal de excitación. Únicamente en el caso del resorte V10269-0937290 (figura 10) se aprecia que después de alcanzar un valor máximo, el amortiguamiento decrece de manera brusca al continuar incrementando el voltaje de la señal de excitación. Al incrementar el voltaje de la señal de excitación, la amplitud de la aceleración que emite el excitador electrodinámico aumenta, de forma que, una mayor cantidad de energía es transmitida hacia el amortiguador, el cual es capaz de disipar una cierta cantidad máxima de energía, tal y como ocurre en el caso del amortiguamiento viscoso. Retomando el concepto de amortiguamiento fraccional, se sabe que su valor está relacionado con una cantidad crítica o máxima: (10) De igual forma el amortiguamiento de Coulomb tiene un valor máximo de energía que puede disipar, dada por la carga estática máxima que el resorte soporta: (11) La fuerza máxima normal que interesa es la que perciben las hebras. Por su configuración la fuerza normal que resiente cada una depende del punto de contacto y de la distribución de la carga. Sin embargo, la fuerza de fricción máxima que resiente el sistema depende del número de puntos de contacto que existan; a mayor cantidad mayor será la fuerza requerida para iniciar el movimiento. Cuando el sistema se comprime, existe un número menor de puntos de contacto, las hebras tienden a separarse, 18, 19 y el sistema permite el deslizamiento de las mismas con mayor facilidad, por lo que al aumentar la energía añadida al sistema a través de una señal de excitación, el rozamiento entre las hebras aumenta. Sin embargo, existe un punto de saturación donde al añadir más energía, el movimiento interno de las hebras se inhibe, como se observa en la figura 10, cuando el amortiguamiento decrece a partir de 2 Vrms. 28 La variación de la carga estática no afecta significativamente ni la forma ni la magnitud de las curvas. Para los casos de los resortes V10Z69-0937290 y CR1-400 (figuras 10 y 11) el amortiguamiento varía alrededor del 15% de un punto a otro dentro de una misma amplitud de voltaje Vrms de la excitación. La configuración del resorte CR4-400 (figura 12) tiene una rigidez estática baja y no lineal por lo que resulta más sensible a la variación de la carga estática, dato que se refleja en una variación más pronunciada del amortiguamiento entre una curva a otra, mientras que no se ve afectada la forma de la curva, sino únicamente la magnitud de la variable. Nótese que al ser pequeña o nula la carga, el amortiguamiento tiende a ser muy reducido, por lo que debe existir una carga mínima, o bien, una amplitud de excitación mínima a partir de la cual el amortiguamiento comienza a ser efectivo. Al ser elementos no lineales, los amortiguadores de cable tienen una correlación entre la fuerza máxima o la carga estática máxima que soporta y la deformación del resorte. En efecto, si la fuerza de excitación es menor a la fuerza de fricción que actúa paralela a la superficie de contacto Ff, entonces no existe un rozamiento entre las hebras del cable del resorte y el amortiguamiento tiende a ser débil. Si se traza el amortiguamiento fraccional en función del voltaje de la señal de salida (figura 15), resulta que las curvas son extremadamente cercanas a lo que se obtuvo mediante el método de ajuste de curvas por el método de Función de Respuesta en Frecuencia. Aun así, las curvas no son equivalentes y en un sentido estricto no deben de compararse directamente, pues al excitar un sistema no lineal con una señal de ruido blanco los efectos no lineales del sistema tienden a aminorarse, mientras que al excitar el sistema con una señal sinusoidal, los efectos no lineales se vuelven más evidentes. CONCLUSIONES Se presentó en este artículo un análisis de los trabajos más relevantes en cuanto a aislantes de fricción seca y sus aplicaciones potenciales para el aislamiento de vibración por impacto, así como la teoría fundamental de amortiguamiento de Coulomb. En base a estos antecedentes, se estudió Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Estudio del amortiguamiento por fricción seca en aislantes antivibratorios de cable / Michelle Guzmán Nieto, et al. experimentalmente la respuesta de diferentes tipos de aislantes de cable a dos tipos de excitación para determinar el amortiguamiento. En este estudio se corroboró que el amortiguamiento en aislantes de fricción seca puede cuantificarse a partir de métodos clásicos como lo son el Diagrama de Nyquist y la medición de los lazos de histéresis. Los resultados de ambos montajes experimentales muestran valores y tendencias similares, aunque al comparar directamente los resultados de ambos métodos es erróneo, pues al excitar un cuerpo con una señal de ruido blanco los efectos no lineales no se aprecian en su totalidad. REFERENCIAS 1. Mercer, C.A. and Rees, P.L. (1971). An optimum shock isolator. Journal of Sound and Vibration. (Number 18). Vol. 4. Pages 511-520. 2. Snowdon, J.C. (1963). Transient response of nonlinear isolation mounting to pulselike displacements. The Journal of the Acoustical Society of America Vol. 35. (Number 3). Pages 389-396. 3. Snowdon, J.C. (1962). Incidence and prevention of damage due to mechanical shock. The Journal of the Acoustical Society of America Vol. 34. (Number 4). Pages 462-468. 4. Snowdon, J.C. (1961). Response of nonlinear shock mountings to transient foundation displacement. The Journal of the Acoustical Society of America Vol. 33. (Number 10). Pages 1295-1304. 5. Snowdon, J.C. 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En este trabajo, se presenta un estudio numérico de la transmisión y reflexión de luz en guías de onda rectangulares, considerando modulaciones del índice de refracción en el núcleo de la guía de onda, estructuras periódicas y quasiperiódicas conocidas como ThueMorse, Fibonacci. El método utilizado es el de la matriz de transferencia. Los resultados pueden ser aplicados a sistemas de transmisión de datos, filtros ópticos, sensores, moduladores y al diseño de láseres con ancho espectral deseado. PALABRAS CLAVE Guías de onda, Estructuras intrínsecas, Periódicas, Cuasi-periódicas, Fibonacci, Thue-Morse. ABSTRACT Currently, miniaturization, lightness and speed of data transmission have been considered fundamental topics in several research groups for its application to future communication systems. The technology based on planar wave guides is a promising way for transmission systems at 100 Gbits/s, due to its excellent optical characteristics, high reliability and reproducibility. In this paper, a numeric study of the transmission and reflection of light in planar wave guides is presented, considering refractive index modulation in the core of the planar waveguide, and also considering periodic and quasi-periodic structures known as Thue-Morse, Fibonacci. The method used is the transfermatrix method. The results can be applied to data transmission systems, optical filters, optical sensors, optical modulators and to the implementation of lasers with a desired spectral width. KEYWORDS Waveguide, intrinsic structure, Quasi periodic structure, periodic structure, Fibonacci, Thue-Morse. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 31 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. INTRODUCCIÓN En la ingeniería de telecomunicaciones es primordial el estudio de la propagación de ondas electromagnéticas entre diferentes medios, un caso común es el de una señal propagándose en el aire y después por algún medio dieléctrico, o material compuesto dieléctrico-metal y así propagarse, para ser finalmente detectada. En el caso óptico los sistemas de propagación son integrados en un chip dentro del cual se tienen diferentes medios dieléctricos y el control de la propagación de la luz en dichos medios es parte fundamental para lograr sistemas de alta eficiencia en cuanto a la razón señalruido y el bajo consumo energético. Los últimos años, diversos grupos de investigación han reportado a las guías de onda (rectangulares y cilíndricas) como el perfecto medio de propagación electromagnético, revolucionando el campo de la óptica integrada al convertirse en un dispositivo óptico pasivo imprescindible en la manipulación de luz,1 líneas de transmisión2 y sensado de variables termodinámicas o mecánicas.3 Guía de onda Una guía de onda es cualquier estructura física a través de la cual las ondas electromagnéticas se propagan o permanecen confinadas.4 El haz de luz debe cumplir con las siguientes condiciones: reflexión total interna y autoconsistencia para propagarse dentro de la guía de onda rectangular, con el fin de seguir alguna de las trayectorias delimitadas por sus paredes. En este trabajo se contempla la guía de onda rectangular envuelta por un revestimiento con índice de refracción menor que el del núcleo con el fin de Fig. 1. Guía de onda rectangular. 32 cumplir la reflexión total interna, se estudia el caso particular variaciones del índice de refracción, como se muestra en la figura 1. MARCO TEÓRICO El análisis de la transmisión de luz en guías de onda se realizó aplicando el Método de la Matriz de Transferencia. Este método parte de las ecuaciones de Maxwell para el cálculo de las magnitudes del campo magnético y eléctrico. Se parte asumiendo un medio isotrópico, homogéneo y no conductor, por lo que se tiene que: (1) donde H es el campo magnético, E es el campo eléctrico, D y B son la densidad de flujo eléctrico y magnético respectivamente D=εE y B=μH, mientras que ε es la permitividad eléctrica y μ es la permeabilidad magnética. Se obtienen dos ecuaciones con polarización Transversal Eléctrico (TE) y Transversal Magnético (TM). Para este trabajo es despreciable la polarización del campo TM debido a que se considera invariante con respecto a la componente perpendicular al campo debido a las dimensiones. El campo satisface la ecuación de Helmholtz unidimensional, dada por: (2) donde U es la amplitud compleja del campo para la polarización TE y kc=(ω√εμ)/c representa la constante de propagación. La solución general para la ecuación (2) se plantea de la forma: (3) donde R^((+)) y R^((-)) son ondas viajeras en direcciones opuestas que representan en este caso a la amplitud transmitida y reflejada del campo eléctrico, respectivamente. Si se considera un medio homogéneo con longitud l, es decir variando de z=0 a z+l e índice de refracción Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. n, las amplitudes de campo se pueden representar de la siguiente manera: y en forma matricial es llamada matriz de propagación de un medio homogéneo y queda como sigue: (4) y en términos de los campos eléctricos y magnéticos quedaría: propagación de ondas electromagnéticas en la interface de un medio n1 a un medio n2 están dadas por: (8) donde los subíndices 1 y 2 representan el medio analizado, considerando z=0 en la interface entre el medio 1 y el medio 2, y denotando en forma matricial las ecuaciones se tiene que: (5) (9) donde la amplitud del campo reflejado y transmitido en z+l, en función de la distancia z, que en forma matricial es: el par de subíndices de la Matriz M12 indican el cambio de interface del medio 1 al medio 2, los elementos de la matriz están dados por: (10) (6) y la matriz que relaciona las amplitudes que se propagan a través de un medio homogéneo está dada como: (7) Propagación del campo electromagnético a través de una interface Si se analizan dos medio homogéneos consecutivos en dirección z, con frontera en z=0. El primer medio con índice de refracción n1 y el segundo medio un n2, tal como se muestra en la figura 2. Con el fin de modelar la interface del medio homogéneo del que ha perdido la homogeneidad se conduce a las ecuaciones que describen la (11) Tomando en cuenta que ambos medios son dieléctricos y n=√(μ), (10) y (11) se pueden representar como: Partiendo de (8) y considerando solo las reflexiones por el medio 1, se obtienen los coeficientes de reflexión y transmisión, quedando: (12) (13) Fig. 2 Propagación de una onda plana a través de la interface entre dos medios con diferente índice de refracción. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 TRANSMITANCIA Y REFLECTANCIA La transmitancía (T) y reflectancía (R) se definen como la razón de flujo (o potencia) transmitido o reflejado.5 Si el ángulo de incidencia del haz de luz θ_i=0, T y R puede representarse con los coeficientes de transmisión y reflexión: R=|r|^2, T=|t|^2. 33 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. Con el objetivo de cumplir con la conservación de energía, el sistema propuesto debe cumplir: R+T=1. (14) Método de la matriz de transferencia Este método funciona a partir de multiplicaciones matriciales. Los productos se generan a partir de la matriz de propagación en un medio homogéneo (7) y la matriz de propagación en una interface (9) según corresponda. Cada multiplicación indica un cambio en las magnitudes reflejadas y transmitidas, obteniendo finalmente: (15) Donde N es el total de interfaces con medios homogéneos. La manipulación matricial (15) es considerada para el sistema multicapa, donde el cambio de interfaces es característico de las rejillas de Bragg, quedando como sigue: (16) que el cambio en el índice de refracción se refiere a la inclusión de rejillas de Bragg7,8 en el núcleo, como se observa en la figura 3. Fig. 3. Geometría con secuencia Fibonacci. Thue Morse La secuencia Thue-Morse (Allouche and Cosnard 2000) es una secuencia binaria (de una secuencia infinita de 0 y 1) iniciando con 0 y añadiendo sucesivamente el complemento booleano de la secuencia obtenida hasta el momento. Este procedimiento produce la siguiente secuencia: 01, 0110, 01101001, 0110100110010110 y así sucesivamente, en términos físicos 1 o A, corresponde a no variación del índice de refracción, mientras que 0 o B corresponde a rejillas de bragg, como se muestra en la figura 4. donde M12 y M21 tienen la estructura de la ecuación (9) yMlong1 y Mlong2 tienen la estructura de la ecuación (6). Para propósitos del presente trabajo, es considerada la incidencia normal. ESTRUCTURAS CUASI-PERIODICAS En este trabajo, se analiza el desempeño de dos sucesiones cuasi-periódicas: Fibonacci y Thue Morse.6 Fibonacci El concepto fundamental de la sucesión de Fibonacci es que cada elemento es igual a la suma de los dos anteriores, siendo definido por la ecuación: f_n=f_(n-1)+f_(n-2), partiendo de los valores iníciales n=0 y n=1. Para este trabajo se implemento A como longitud en la guía de onda sin cambio en el índice de refracción y B para la longitud con cambio en el índice de refracción de la guía de onda, es importante aclarar 34 Fig. 4. Geometría con secuencia Thue-Morse. MODELO NUMÉRICO La geometría propuesta para analizar la transmitancía de las diferentes estructuras propuestas se ilustra en la figura 5, donde A es la longitud de guía de onda con índice de refracción homogéneo y B es la longitud de la guía de onda Fig. 5. Geometría del modelo numérico en la guía de onda. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. Los parámetros que se involucran en el estudio y análisis de la transmisión y reflexión de luz que se describe en este trabajo se presentan en la siguiente tabla. Los parámetros que se involucran en el estudio y análisis de la transmisión y reflexión de luz que se describe en este trabajo se presentan en la siguiente tabla. Tabla I. Parámetros, descripción y valor de las variables utilizadas en los cálculos numéricos. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Secuencias periódicas En la figura 6 incisos a), c) y e), se presentan las curvas de reflectancía de luz a través de una estructura con secuencia periódica, mientras que a y b muestras el espectro de reflectancía y transmitancía para NN=1, c y d para NN=5 y por ultima, e y f para NN=8. Se observa que la región de máxima reflectancía se encuentra localizada en todos los casos en 1500.075 nm, conforme aumenta el número de capas (NN) aumenta el número de frecuencias que son filtradas (líneas delgadas) y aumenta el ancho espectral de reflectancía y transmitancía. Cada una de la forma de los espectros, tal como ancho espectral, pico espectral y ancho de línea espectral es posible controlar mediante los parámetros que se presentan en la tabla I. En este tipo de arreglo es importante notar que las líneas de ancho espectral permanecen periódicas. Fig. 6. Gráfica que muestra las curvas de reflexión y transmisión con estructuras periódicas intrínsecas a la guía de onda, se ilustra con NN=1, 5 y 8. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 35 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. Realizar cálculos numéricos de secuencias periódicas, además de caracterizar el sistema permite identificar las características del sistema con parámetros similares. Secuencias Cuasi-periódicas En la figura 7 se presentan una tabla con curvas de reflexión de luz a través de diversas estructuras cuasi periódicas, en la columna (a) se ilustran las diferentes geometrías que numéricamente fueron inducidas en el núcleo de las guías de onda, en la columna (b) se muestran los espectros de reflexión para 2 capas (NN=2), en la columna (c) 5 capas y en la (d) NN=8. En la fila 1 se observa las curvas al inducir la estructura periódica, en la 2 los espectros de reflexión para estructuras con secuencia ThueMorse y en la fila 3, los espectros de reflexión de secuencias fibonacci. Discusión de resultados En la secuencia periódica, el espectro de reflexión coincide con los ya reportados en la literatura para NN=2, esta secuencia se realizo numéricamente como una forma de calibración del modelo numérico, en la figura 7, fila 1 se observa que a medida que aumenta el número de capas las líneas espectrales se vuelven más delgadas y aparecen líneas en donde no existían a lo largo del espectro de reflexión. En la secuencia Thue-Morse, el espectro de reflexión para NN=2m se observa muy localizado y con lóbulos laterales en 1500.075nm, a medida que aumenta el número de capas los lóbulos empiezan a crecer y líneas muy delgadas empiezan a formarse, para NN=8 las líneas espectrales de reflexión son muy delgadas. En la secuencia Fibonacci, se observa que a medida que aumenta el número de capas el espectro de reflexión aumenta en magnitud y las líneas espectrales que aparecen son significativamente más estrechas lo que permite aumentar la sensibilidad o selectividad del sistema óptico, aún más que con la estructura Thue-Morse. CONCLUSIONES En este trabajo se ha demostrado que los sistemas con estructuras ordenada tipo Fibonacci y Thue- 36 Morse tienen importantes propiedades físicas. Sus espectros de transmisión son caracterizados por la forma, tamaño y ancho de las líneas de reflexión. Los espectros de reflexión presentan una gran cantidad de líneas localizadas cuya existencia se debe a la cuasiperiodicidad de las estructuras inducidas en el núcleo de la guía de onda. Todos los sistemas fotónicos presentados en este trabajo pueden ser controlados mediante la variación de los parámetros presentados en la tabla I. Para cada sistema óptico se tiene una posición y ancho del máximo espectro de emisión. En cada uno de las estructuras propuestas se tienen una diversa gama de aplicaciones que pudieran ser cubiertas, cambiando los parámetros de propagación, tales como: índice de refracción de la guía de onda, ancho de la guía de onda, longitud entre parte homogénea y no homogénea, numero de capas y tipo de geometría, lo que resulta una ayuda para identificar los requerimientos necesarios para tener el espectro de reflexión necesario. Los resultados pueden ser aplicables a sistemas de comunicaciones ópticas, filtros, laseres, compensadores de dispersión, sensores, moduladores, multiplexores, acopladores, moduladores y a la implementación de láseres con ancho espectral deseado, que van desde la aplicación industrial, científica y médica que en últimos años han sido grandemente explotados. El estudio de estas estructuras en la propagación de datos, puede ser de enorme ayuda para la implementación de compuertas lógicas completamente ópticas. REFERENCIAS 1. Schultze, M., Controlling dielectrics with the electric field of light Nature 493,75-78, (2013). 2. Blanco-Redondo, A., Coupling mid-infrared light from a photonic crystal waveguide to metallic transmission lines, Appl. Phys. Lett, 104,011105 (2014). 3. Ning Yang, Optical fiber temperature sensor based on optical fiber delay Proc. SPIE, Fourth Asia Pacific Sensor Conference (2013). 4. R. Pelster, V. Gasparian and G. Nimtz, Propagation of plane waves and of waveguide modes in quasiperiodic dielectric heterostructures, Physical Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Transmisión de luz en guías de onda con esctructuras intrínsecas al núcleo / Norma Patricia Puente Ramírez, et al. Review E, 55(6), 7645-7656, (1997). 5. Hecht and Zajac, Fundamental of photonics; (1974). 6. A. S. Besicovitch, Almost periodic functions Dover Publications, (1954) Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 7. Raman Kashyap, Fiber Bragg Gratings, Academic Press, (1999). 8. Hill, K.O., Meltz, G., Fiber Bragg Grating Technology Fundamentals and Overview, Journal of lightwave technology, 15(8), (1997) 37 �Microwave ovens and food safety: Preparation of notready-to-eat products in standard and smart ovens Robert F. Schiffmann R. F. Schiffmann Associates, Inc., 149 West 88 Street, New York, NY 10024 USA ABSTRACT The introduction of several Not-Ready-to-Eat (NRTE) products, beginning in 2007, has resulted in several recalls and has caused serious concerns about their safe-cooking in microwave ovens. These products are not fully-thermally processed prior to sale but depend upon the consumer to finish cooking them to the safe minimum temperatures, defined by the USDA, in order to destroy any sources of foodborne illnesses. While microwave ovens are a primary means of this finish-cooking step, they are known to cook foods unevenly in terms of temperature distribution, especially from a frozen state, and this may cause parts of the food to be below the required safe-temperature. Hence there are concerns regarding how reliably microwave ovens can provide the minimum required safe temperatures in order to avoid the possibility of foodborne illnesses. To determine this, temperature profiling tests were performed upon three frozen NRTE entrées, heating them in eight new brand-name 1100-watt and 1200watt microwave ovens in order to evaluate how well the minimum temperatures were reached throughout the products. By comparison, these same tests were repeated using three “smart” microwave ovens in which internal computercontrol makes them user-independent. In addition, a comparison was also made of the microwave output power claimed by the manufacturers of these ovens to that determined using the IEC procedures. KEYWORDS Microwave ovens, Not-Ready-to-Eat food, NRTE, smart microwave ovens, foodborne illness, food safety, frozen foods. RESUMEN La introducción de varios productos Not-Ready-To-Eat (NRTE, comida precocida), a comienzos del 2007 ha resultado en algunas reclamaciones y ha provocado serias preocupaciones sobre la cocción final en hornos de microondas. Estos productos se procesan parcialmente antes de su venta y requieren que se complete su cocción antes de consumirlas. Este proceso depende del consumidor y deben alcanzar las temperaturas mínimas de seguridad definidas por la USDA (United States Department of Agriculture), para así erradicar cualquier fuente de enfermedades de origen alimenticio. Mientras que los hornos de microondas son un medio primario para este paso de la preparación final, se sabe que cocinan los alimentos con una distribución irregular de temperatura, especialmente desde 38 Artículo publicado en el Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy, Vol. 47, No. 1, Año 2013. Reproducido con permiso del JMPEE y del autor. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. un estado congelado, y esto puede causar que partes del alimento estén debajo de la temperatura mínima, y hay preocupación en relación de la confiabilidad que puedan ofrecer los hornos de microondas para alcanzarlas las temperaturas correctas. Para evaluar lo anterior, se efectuaron pruebas de perfil térmico de temperatura a tres platillos congelados NRTE, calentándolos dentro de ocho hornos de microondas nuevos de 1100–watt y 1200-watt para evaluar que tan bien alcanzaron los productos las temperaturas mínimas. Por comparación, estas mismas pruebas se repitieron utilizando tres hornos de microondas “inteligentes” en los cuales un control computarizado interno los hace independientes al usuario. Además, se comparó la potencia del horno de microondas estipulada por los fabricantes con la determinada por los procedimientos utilizados de la IEC (International Electrotechnical Commission). PALABRAS CLAVE Hornos de Microondas, Alimentos Not-ReadyTo-Eat, NRTE, Hornos de Microondas Inteligentes, Enfermedades Alimentarias, Seguridad Alimenticia, Alimentos Congelados. INTRODUCTION Foodborne illness in the United States is a major concern. An assessment by the CDC, and published in December of 2010,1 estimated 48 million cases of foodborne illness annually in the USA, of which approximately 3,000 resulted in death. A major cause of foodborne illness is undercooking of food that has been contaminated by a food-pathogen. The USDA and others have published numerous guidelines for the minimum internal temperatures required to ensure food safety.2 These basically state that the minimum internal temperature must be 160º F to 170 ºF (71.11 °C to 76.66 °C) for meat and poultry; while 145 ºF (62.77 °C) is recommended for fish and seafood products. These are the “safe” temperatures referred to throughout this document. In the last five years, several food processors introduced “Not-Ready-to-Eat” (NRTE) products into the marketplace. These are products that are not fully thermally processed at the manufacturing facility and depend upon the consumer to finish cooking them to the safe temperature appropriate Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 for each product. By minimally processing these products, manufacturers believe that the eating quality will be improved over Ready-to-Eat (RTE) fully thermally processed products. Therefore, consumers are instructed to finish cooking these products to the safe temperature shown within the microwave cooking instructions on each product’s package. Microwave oven heating directions for these products are usually based upon 1100-watt or 1200-watt microwave ovens; consumers with lower wattage ovens are told to adjust the cooking times accordingly. B a s ed u po n U S C e n s u s f i g u re s , i t i s estimated that there are approximately 120 to 130 million microwave ovens in US homes. A 2011 Consumer Survey Report published by the International Microwave Power Institute 3 r eveal ed t hat 82. 1% of c onsum er s cl ai m to have microwave ovens with wattages of 900 watts or greater, which indicates that at least 17.9%, or over 20 million ovens, have outputwattages lower than 900 watts. How likely is a math-challenged consumer to be able to calculate the required increase in cooking time? There are many other questions regarding the safe heating of NRTE products, such as: If kitchen thermometers should be used to determine the final temperature of the food: only 58.9% of respondents to the IMPI 2011 Consumer Survey3 have a kitchen thermometer, of which, more than half are dial-type. Importantly, according to the same IMPI Consumer Survey of those who own kitchen thermometers, 58.1% indicated they never use it in conjunction with microwave prepared foods. As noted later in this paper, the power (wattage) that consumers claim to know may have little relationship to the actual output power. Microwave ovens heat foods very rapidly and unevenly, due to the non uniformities in microwave distribution within the oven and the changing dielectric properties of the foods during heating. Consumers often do not use sufficient standing time to allow for temperature equilibration by means of conductive heat transfer.4 This research explores how well 1100-watt and 1200-watt microwave ovens cook NRTE products 39 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. in terms of providing food safety, either by setting the parameters on standard ovens following the NRTE directions provided in the packages or allow the computer of the smart ovens, when available, to do that. MATERIALS AND METHODS Food Products Three well-known frozen NRTE entrée products were purchased in quantity from local supermarkets and transported to the laboratory in ice-containing coolers, where they were stored in a freezer at 5 °F (-15 ºC) for at least 24 hours prior to testing. This ensured equilibration of temperatures throughout each product. The products used in the tests were: Product # 1. Chicken breast with mashed potatoes and gravy. Product # 2: Beef cut in small pieces in a sauce and vegetable. Product # 3: Turkey breast with mashed potatoes, stuffing and gravy. Food safety criteria In conventional cooking, the maximum temperature achieved in the food is controlled by the cooking medium. For example, for boiling in water the maximum would be 212 °F (100 °C), while it might be as high as 500 °F (260 °C) for cooking in oil. In oven cooking methods such as baking and broiling, ovens are typically heated to 350 to 400 °F, this temperature, or one close to it, being achieved at the surface of the food; but the interior of the food is likely to be at a lower temperature resulting from conductive heat transfer from the hot surface. While these temperatures are likely to be higher then the minima required for the safe cooking, another important factor for destroying potentially harmful microorganisms is the time that the food remains at these temperatures. Conductive heat transfer in conventional cooking usually results in relatively uniform steady-state temperatures within the interior of foods. However, with microwaves the temperature at any location is largely dependent upon the permittivity of each one of the components in the meal, which results not only in how well the particular component heats, but 40 also the heat-penetration depth into that component. Because microwave heating is usually much more rapid than conventional heating methods, and that the temperature of air in the microwave oven is at, or close to the room temperature, there is little opportunity for conduction to reduce the thermal gradients within these food components, and that can result in large variations in temperature from site to site within each component. In this work it is assumed that reaching or exceeding the minimum cooking temperature recommended in the heating instructions for each product is enough for complying with the safety criteria, while the time at which these temperatures maintained is not considered. Therefore, it was very important to validate that temperatures were really above the safe values, while no tolerances are given regarding the readings. Standard Microwave Ovens Eight new microwave ovens, whose manufacturer declared that their power output was in the 11001200 watt category, were purchased from local retail stores. Table I is a list of those ovens as well as their model numbers and cavity-capacity, i.e. the cookingspace volume. Three of the ovens were equipped with a computer “smart” feature that was disabled and operated in standard mode in order to have the same setting conditions in the eight ovens. Then, the smart feature was enabled for conducting the second set of tests described in this work. Smart Microwave Ovens As explained above, three of the eight ovens had a computer-logic feature known as TrueCookPlus® (TCP), that was enabled for conducting the smart cooking tests to determine their ability to automatically set the oven conditions to safely cook the same three NRTE products. Nothing, but enabling the TCP was changed in the LG, Kenmore #1 and Kenmore #2 ovens (Table I). A “Smart” oven is defined as a microwave oven in which the cooking cycle is controlled by a computer-logic system internal to the oven. Here, the consumer needs only to input information about the product to be cooked in the form of a numeric code, typically 4 or 5 digits long and provided either on the food’s package or the TCP website, that determines the best cooking cycle Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. in terms of time and microwave power. For example, for a particular product, using the oven’s keypad, the consumer would input a numeric code, specific to the manner of heating a particular product and the oven’s logic system would covert that to a cooking cycle of X minutes @ power level 1, followed by Y minutes @ power level 2, and so on. Further, the logic system adjusts these heating directions for a particular model of microwave oven. The cooking cycle may also incorporate rest times during which there is no microwave power for a predetermined period of time between cooking periods or at the end of microwaving. Preparation of the microwave ovens Since the microwave power given by the manufacturer is an averaged number, it does not represent the actual output power of any specific oven. Therefore, an important initial step was to determine the actual microwave output of each oven. All ovens were tested three times each using a modified IEC 705 procedure. 1000 g ± 5 g of tap water @ 10ºC ± 0.1 °C, was heated for 62 seconds in a microwave oven operated at 120 volts The water was contained in the specified IEC borosilicate glass beaker (outside diameter 190 mm, thickness 3 mm, such as Pyrex #3140). The glass weight measured with an electronic balance (Acculab V1200 Digital Balance) and the ambient temperature were recorded. At the end of the heating cycle, following vigorous stirring with a glass stirring-rod, the temperature rise was measured using a thermocouple (Fluke Model 51, Series II thermometer and a Type K thermocouple: Fluke Corporation, Everett WA). This data was used to calculate the actual output. Table I. The eight microwave ovens used in the tests. GE Manufacturer LG FRIGIDAIRE Model # JES1142SJ LRMP1270ST (TCP oven) FFCM1134LS KENMORE #1 721.7915 (TCP oven) KENMORE #2 721.66339 (TCP oven) SHARP MAGIC CHEF EMERSON R-408LS MCD1311ST MWG9115SL Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 Since this test is to be run in a “cold” microwave oven (one that had not been operated for at least 8 hours) it could only be run once a day. In this case, it was run once on three different days for each microwave oven. A significant reduction in output power during the first several minutes of an oven’s use has been experienced. Because of this, each oven was pre-warmed prior to its use for testing the food products. The pre-warming step consisted of heating one-liter of water at full power, in a microwavable container, for 10 minutes, removing the water and allowing the oven to cool down with the oven’s door open for at least 15 minutes or until the turntable was no hotter than 27 ºC. If the oven was not used for one hour or more this preheating step was repeated. Microwave Cooking The preparation instructions for each product were provided on its package. Also indicated was that all instructions had been developed on 1100watt microwave ovens, and specific times indicated the number of minutes the product was to be cooked at high power. In addition, two of the products also gave cooking times for 700-watt ovens. Standing times of 1 to 2 minutes were recommended following microwave cooking. All three products indicated that for food safety “…ensure that the product reaches 160 °F”; or “…ensure that product reaches an internal temperature of 160 °F.” Despite these instructions, no product suggested using a kitchen thermometer to check if the product has reached 160 °F. The instructions for all products indicated ”Ovens vary” and that “cooking time may need to be adjusted”. Capacity (ft3) 1.1 1.2 Microwave power (watts) 1100 1200 1.1 1100 1.4 1100 1.5 1200 1.2 1200 1.2 1100 1.3 1100 41 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Test protocol Following the package cooking instructions exactly, each product was prepared and tested in each of the eight microwave ovens. The tests were run in triplicate, i.e. each product was tested three times in each microwave oven, and the order of testing was randomized. No product was run more than once a day in any oven. Samples were removed from the freezer, one at a time, and cooked in one of the eight pre-warmed microwave ovens. Smart oven tests of the three NRTE products used product-specific four-digit codes developed at the laboratory of Microwave Science JV LLC (Norcross GA). The TCP oven decompiler uses this code in the oven’s logic system to determine the proper cooking or heating cycle for each product by taking into account the oven’s thermal operating condition, elevation above sea level microwave performance characteristics and mains voltage environment in order to optimize the cooking cycle for that product. Temperature measurement At the end of the microwave cooking cycle, including the recommended standing time, the sample was removed from the oven and immediately placed in a rigid-foam holder constructed to hold that particular tray in a tight fit, thereby reducing heat loss during temperature measurement. Seven thermocouples (Omega JMTSS-062G, Type ‘J’ six inches length, 304 Stainless Steel sheath) were held using a “hedgehog” rig shown in Figure 1, and inserted into specific places within the food and temperatures were measured three times in rapid succession at the places noted in data tables. These thermocouples were linked to a custom-designed I/O system that instantaneously provided temperature data to a National Instruments (“NI”) SCB-68 shielded Input/Output connector block with cold-junction temperature compensation sensor. SCB-68 output was connected to an IBM M50 PC running on Windows XP Service Pack 3 within which an NI PCI-6011E Data Acquisition (“DAQ”) board was driven by NI DAQ software v. 7.42. NI 42 Fgure 1. A “Hedgehog” thermocouple array with the thermocouples placed within food components. Tray of NRTE product is placed into the rigid foam tray holder to reduce heat loss during temperature measurement. The thermocouples may be raised or lowered with the large handle. DAQ output was output directly to a custom programmed Excel spreadsheet). This procedure was repeated for all three NRTE products, and cooked in all eight ovens. RESULTS AND DISCUSSION Microwave output power Table II compares the manufacturers’ declared microwave power to that measured using the IEC705 procedure, and shows that all eight microwave ovens were significantly lower in “IEC” power than the declared wattages. These measured power outputs ranged from 70.9% to 87.8% of the manufacturer’s declared power, and that indicates that the manufacturers’ declared microwave power is unreliable as a cooking guideline and must be tested in any program involving the use of microwave ovens. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table II. Manufacturers’ vs. IEC-measured microwave power. Advertized Microwave Power (watts) IEC 705 Microwave Power* (watts) 1100 899 Frigidaire 1100 842 76.5 Sharp 1100 843 76.6 Magic Chef 1100 966 Manufacturer GE LG 1200 Kenmore #1 Kenmore #2 Table III. Influence of pre-warming microwave ovens GE 87.8 IEC 705* Microwave Power: Warm (watts) 84.5 T Test Comparison Cold vs. Warm 914 0.796 842 858 0.704 Sharp 843 842 0.425 Magic Chef 966 920 0.572 LG Frigidaire Kenmore #1 Kenmore #2 Emerson 899 74.8 929 * Average of three measurements made on different days. Manufacturer 74.9 897 1100 IE C 70 5* Microwave Power: Cold (watts) 70.9 899 1200 Emerson 81.7 851 1200 851 899 897 929 860 930 881 938 * Average of three measurements made on different days. Having tested many microwave ovens in the past 30 plus years, this discrepancy has been shown to be true.5 Table III shows that pre-warming of these ovens had little effect upon the IEC measured power; only one microwave oven, the Kenmore #1, showed a significant change at the 95% confidence level, in which case the warmed oven power was higher than the cold IEC power. Cooking in Standard Microwave Ovens Eac h one o f t h e p r oduct s is anal yz ed individually. Product #1 Chicken Breast: The temperature measurement data from these tests is shown in Table IV. As noted earlier, all tests were run three Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 % IEC vs. Manufacturer’s Power 0.669 Significance @ 95% confidence level NS NS NS 0.032 SIG 0.283 NS 0.718 NS NS NS times in each microwave oven and on different days. Since the manufacturer’s cooking directions stated 160 ºF as the minimum safe temperature, any temperature below this was given a “Fail” score, and this is indicated in Table IV by the blue boxes. A summary of these Fail temperatures is shown in the column “UNSAFE TEMPERATURES” that lists the number of under-temperatures in that test. In this case, Product # 1 was successfully cooked 100%, of the time, i.e. no unsafe temperatures, by only the Frigidaire oven. There was at least one temperature below the required 160 ºF minimum in all the other ovens, and GE, LG, SHARP and both Kenmore ovens failed in every test. Most failures to reach 160 ºF occurred in the Chicken Breast, with some also in the Mashed Potatoes. 43 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table IV. Product # 1: Chicken Breast: product temperatures after following cooking instructions. THERMOCOUPLE MICROWAVE OVEN GE 1 CHICKEN EDGE 127 AVERAGE TEMPERATURE (°F) @ EACH THERMOCOUPLE LOCATION 2 CHICKEN CENTER 139 3 GRAVY EDGE 181 4 GRAVY EDGE 195 173 6 MASH POT CENTER 7 MASH POT EDGE 189 189 156 194 “ 168 134 168 191 177 177 LG 125 173 187 182 196 159 192 203 “ 133 “ 136 FRIGIDAIRE 194 “ 189 “ “ KENMORE #1 183 118 120 143 193 195 193 163 195 207 192 198 200 97 165 184 109 194 185 “ 115 96 197 189 KENMORE #2 169 169 204 198 144 188 179 200 MAGIC CHEF 170 “ “ EMERSON “ “ 204 189 189 152 140 146 201 195 121 “ 188 197 140 159 173 190 SHARP “ 1 194 161 123 198 187 176 197 156 198 170 201 199 203 141 151 204 196 174 178 No unsafe temperatures were measured in the gravy, possibly due to the presence of salt, which significantly influences the heating rate. Product # 2: Beef. The results of these tests are shown in Table V, while no oven produced safe temperatures in every test, GE, Sharp, Emerson and 186 198 193 178 0 191 163 1 0 3 193 1 174 124 185 192 88 3 3 159 175 193 1 178 191 188 195 189 193 200 193 193 200 196 96 198 193 0 109 131 204 198 190 182 200 2 193 195 3 191 188 174 189 2 181 195 182 UNSAFE TEMPERATURES 2 191 199 “ 188 PASS TEMPERATURE = 160 °F 142 183 “ 44 5 MASH POT EDGE 190 191 194 197 184 195 169 201 165 198 196 3 179 2 193 1 195 197 189 196 194 1 0 0 0 2 2 both Kenmore ovens failed in everyone. Numerous unsafe temperatures were recorded in both the beef and the sauce. The very low temperatures in the center of the beef were likely due to the short depth of microwave-penetration in this food. Interestingly, all the temperatures in the Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table V. Product # 2: Beef: product temperatures after following cooking instructions. THERMO COUPLE: MICROWAVE OVEN GE 1 BEEF@EDGE CENTER AVERAGE TEMPERATURE (°F) @ EACH THERMOCOUPLE LOCATION 2 BEEF@CTR CENTER 3 BEEF@EDGE CENTER 4 SAUCE EDGE 142 135 186 185 144 131 198 95 “ 189 LG 160 193 “ 186 186 “ “ FRIGIDAIRE “ “ KENMORE #1 190 183 183 184 0 165 147 74 109 125 169 113 165 194 182 2 198 185 2 172 187 166 157 77 196 180 102 187 102 200 183 185 183 131 144 176 3 175 3 175 183 188 1 187 182 66 100 191 187 5 144 112 119 183 183 4 176 182 155 155 180 198 150 185 178 199 197 201 199 199 202 EMERSON 188 186 157 157 138 191 181 vegetable were considerably higher than the required minimum safe temperature, and often higher than the temperatures seen in the other food components, indicating the very good microwave receptivity of these vegetables. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 95 181 130 192 3 184 191 203 174 0 187 161 143 173 190 3 150 135 169 196 189 159 165 “ 187 104 188 “ “ 147 152 136 4 3 160 126 KENMORE #2 “ 162 184 193 161 203 185 193 138 159 MAGIC CHEF 162 196 “ “ 195 141 149 131 2 3 174 136 UNSAFE TEMPERATURES 187 169 186 194 PASS TEMPERATURE = 160 °F 191 191 190 193 7 VEGETBLE EDGE 123 181 SHARP “ 169 6 VEGETABLE EDGE 93 135 169 “ 134 170 150 “ “ 107 5 SAUCE EDGE 3 190 180 3 186 192 1 177 180 0 191 184 193 97 147 187 193 3 145 158 197 181 4 164 183 188 186 1 195 0 1 Product # 3: Turkey Breast. The results of the temperature tests are seen in Table VI. Here, unsafe temperatures were seen in every entrée component: turkey breast, mashed potatoes and stuffing, indicating the need for the manufacturer 45 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table VI. Product # 3: Turkey Breast: product temperatures after following cooking instructions. THERMO COUPLE: MICROWAVE OVEN GE 1 MASH POT EDGE 193 AVERAGE TEMPERATURE (°F) @ EACH THERMOCOUPLE LOCATION 2 MASH POT CENTER 203 3 MASH POT EDGE 4 STUFFING EDGE 5 STUFFING CENTER 199 201 200 204 148 “ 203 177 160 189 LG 197 164 183 203 175 149 “ 203 “ 190 FRIGIDAIRE 200 “ “ “ KENMORE #1 205 194 200 148 156 208 200 203 208 141 183 203 205 202 203 6 TURKEY CENTER 7 TURKEY EDGE PASS TEMPERATURE = 160 °F 158 199 2 178 202 202 159 195 199 118 199 205 204 200 190 199 193 202 204 202 201 201 205 204 203 202 200 0 189 202 0 201 200 143 195 176 145 194 SHARP 195 166 125 160 199 204 147 183 “ 164 KENMORE #2 185 “ “ “ MAGIC CHEF 166 180 202 182 205 191 147 146 200 198 148 2 172 200 192 197 195 201 201 180 196 159 202 190 199 198 1 181 200 0 125 194 132 198 198 201 200 205 199 205 200 EMERSON 204 199 200 200 204 198 195 “ “ 207 187 184 205 200 201 204 151 to reexamine the entire product. As in Product # 1, only the Frigidaire oven produced safe temperatures in each sample. The GE, LG and Sharp ovens all had at least one unsafe temperature in each of the three replicate tests. 46 198 207 202 202 196 139 205 201 1 150 “ “ 0 198 163 202 0 1 198 199 1 186 178 194 201 207 198 164 1 207 169 163 2 1 173 204 1 195 “ “ 198 UNSAFE TEMPERATURES 1 1 3 2 185 0 202 203 0 145 184 2 189 201 0 0 Despite carefully following of the manufacturer’s cooking instructions, the large number of tests performed in eight new 1100-watt and 1200-watt microwave ovens failed to produce safe cooking conditions for each food product in each oven. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. While taking great efforts to store, handle, cook and measure temperatures as carefully and reproducibly as possible, and running the tests in triplicate for each product in each microwave oven, none of the eight ovens was able to cook all of the products to a completely safe minimum temperature every time. These findings are summarized in Table VII, which shows the percentage of failure encountered in each oven, The best performance was seen in the Frigidaire microwave oven, which cooked two of the three products to the required minimum temperature every time, but then failed to achieve only safe temperatures in two of the three samples of the third product. The Magic Chef microwave oven failed in one of three samples in every product. Two GE and Sharp ovens performed particularly poorly since every sample of every product had at least one unsafe temperature. Based upon this, it is must be concluded that the cooking of NRTE frozen products in standard microwave ovens does not meet the criteria for food safety of reaching at least the minimum safe cooked temperature of 160 °F in every component every time. This means that consumers cannot be guaranteed safe cooking of these NRTE products in every microwave oven. Since it is important that microwave cooking guarantees safe temperatures for each NRTE product, and that the standard microwave ovens in the marketplace and in consumers’ homes are not likely to change, rather than removing these products from the marketplace, there are two possible approaches to achieve 100% food safety for NRTE products generally: (1) Improve the cooking performance of each NRTE product Manufacturers of NRTE products need to reexamine their products’ contents, design and heating instructions to improve the cooking performance across the vast number of microwave ovens being used by consumers. Given the dramatic difference in the size, wattage and other performance attributes of these ovens; and given the reluctance, and sometimes inability, of consumers to follow complicated instructions,3 the likelihood of success of this approach is small. (2) Improve the performance of microwave ovens. Over the years, there have been many attempts to improve the cooking performance of microwave ovens. One very intriguing approach is the development of “Smart” microwave ovens, as discussed in the Food Safety Forum at the 2011 IMPI Symposium #45. These ovens are controlled by internal computer logic to achieve optimum cooking results. This second approach is addressed by testing three smart ovens already described in the section Materials and Methods. Cooking in Smart Ovens The results of all the tests on the three products are shown in Tables VIII, IX and X. Note that there are no blue boxes in any Table, indicating that all the temperatures at every location, in every sample and for every oven exceeded at the required minimum temperature of 160 ºF. Table VII. % Failure of eight conventional microwave ovens. OVEN PRODUCT # 1 PRODUCT # 2 PRODUCT # 3 LG 100 67 100 GE Frigidaire Kenmore #1 100 0 100 Sharp 100 Magic Chef 33 Kenmore #2 Emerson 100 67 100 67 100 0 67 100 100 33 33 100 100 % Failure = (# replicates that failed / total number of replicates) x 100. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 100 67 33 47 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table VIII. Product # 1: Chicken Breast: product temperature after using TCP cooking code. THERMO COUPLE: 1 CHICKEN EDGE 2 CHICKEN CENTER 3 GRAVY EDGE 4 GRAVY EDGE 5 MASH POT EDGE 6 MASH POT CENTER LG 206 203 209 208 204 205 201 “ 209 182 196 206 198 198 194 TCP OVENS “ 190 161 KENMORE #1 209 “ 211 “ 211 KENMORE #2 199 “ 210 “ 210 205 211 202 204 201 213 211 213 182 200 214 205 210 202 204 205 178 0 203 201 205 202 211 205 207 197 210 210 220 208 207 199 212 FINAL REMARKS This research was conducted to determine whether by microwaving Not-Ready-to-Eat (NRTE) products it is possible to guarantee their ability to reach the safe temperatures, throughout 200 0 0 207 205 UNSAFE TEMPERATURES 200 208 210 A statistical comparison of the data on the performance of Standard vs. Smart ovens is summarized in Tables XI, XII, XIII. All the data, from each test, was analyzed to determine the Mean, Standard Deviation and Range of temperatures from highest to lowest in each sample. A visual inspection of the smart oven data indicates that the Mean temperatures are generally higher, Standard Deviation and the Range of temperatures are smaller in the TCP ovens. Simple T Tests of all the data and confirmed by ANOVA analysis, demonstrates that this is not only true, but the P values indicate that there is an “extremely significant difference in these aspects favoring the Smart (TCP) over the Standard microwave ovens. A smaller Standard Deviation and Temperature Range of the TCP samples means that there is less likelihood of extreme differences in temperatures in the food, i.e. areas that are hot while others are cool. The higher Mean temperatures favor food safety as they are more likely to exceed the minimum required temperatures. 48 206 7 PASS TEMPERAMASH POT TURE = 160 °F EDGE 196 203 0 0 0 0 0 0 the products, required to destroy any residual microorganisms that might cause foodborne illness. NRTE products are not fully thermally processed but require that consumers finish cooking them to the required safe temperatures. But, the home kitchen is a totally uncontrolled environment and consumers may not be able to fulfill the requirements for many reasons: not knowing their ovens’ microwave powers; often being impatient and following instructions imperfectly; many do not have an adequate kitchen thermometer, and if they do, not knowing how to use it; and more. Of course, every chef would say that proper cooking belongs in the hands of the cook. However, this really applies to conventional cooking where the cook normally follows a recipe or a well-known cooking procedure of at least several minutes. But using a microwave oven is in many ways similar to using the early Kodak cameras: one only needed to push a button and the camera did the rest. Similarly, these NRTE products tell the cook to set the cooking time suggested by the manufacturer and push a button to start the cooking process in the microwave oven. While it is usually suggested to adjust the cooking time to match the particular oven’s power, and to use a kitchen thermometer to check that the required temperatures have been achieved, these steps may not occur, or occur inadequately, for the reasons Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table IX. Product # 2: Beef: product temperature after using TCP cooking code. THERMO COUPLE: TCP OVENS 1 BEEF@EDGE CENTER AVERAGE TEMPERATURE (°F) @ EACH THERMOCOUPLE LOCATION 2 BEEF@CTR CENTER 3 BEEF@EDGE CENTER 4 SAUCE EDGE 5 SAUCE EDGE 207 192 205 208 201 LG 191 204 “ 180 207 “ 208 208 208 KENMORE #1 209 208 205 “ 208 206 203 “ 165 208 206 193 “ 209 187 206 205 196 209 204 204 206 162 207 201 206 209 KENMORE #2 “ 204 193 6 7 PASS TEMPERAVEGETABLE VEGETBLE TURE = 160 °F EDGE EDGE 191 194 178 174 178 189 195 179 199 199 204 198 201 211 188 176 204 UNSAFE TEMPERATURES 0 0 193 0 0 187 0 172 188 0 175 187 199 0 183 0 0 Table X. Product # 3: Turkey Breast: product temperature after using TCP cooking code. THERMO COUPLE: AVERAGE TEMPERATURE (°F) @ EACH THERMOCOUPLE LOCATION: 2 MASH POT CENTER 3 MASH POT EDGE 4 STUFFING EDGE 5 STUFFING CENTER 6 TURKEY CENTER 7 TURKEY EDGE PASS TEMPERATURE = 160 °F “ 208 209 209 172 206 203 203 200 205 206 192 185 202 207 0 0 KENMORE #1 206 209 210 208 209 202 202 0 205 206 206 205 206 TCP OVENS LG 1 MASH POT EDGE “ 198 KENMORE #2 195 207 “ “ “ 202 208 209 207 207 207 190 199 208 177 stated above. By using exacting temperature measurement techniques and handling procedures in these tests, it has been demonstrated that the cooking instructions provided by the manufacturer for standard microwave ovens are often inadequate to reach the required safe temperatures. This may is be primarily due to the lack of opportunity for conductive heat transfer to occur. This is Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 UNSAFE TEMPERATURES 206 203 203 0 206 197 206 202 0 207 206 209 207 203 191 199 206 205 204 0 0 0 especially important in cases where the food component is large in volume and mass, such as a chicken breast; in these tests it was difficult to heat the interior with microwaves because of the short penetration depth into the chicken and the lack of sufficient standing time to allow conductive heat transfer to occur. A good illustration of this is how one is instructed to cook a large piece of 49 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table XI. Product # 1: Chicken Breast: Statistical evaluation of the temperature data. MICROWAVE OVEN T GE 170.4 26.7 168.4 31.9 STD OVENS E M MEAN P E R STD DEV T U R Max. E S Min. Range 196 125 71 198 120 78 “ 165.3 LG 177.4 24.7 199 119 79 183.3 14.1 205 159 46 “ 20.3 A FRIGIDAIRE 189.9 12.1 201 150 52 “ 195.7 5.5 208 189 19 193.1 6.1 202 KENMORE #1 148.7 39.3 191 “ 155.1 43.6 195 “ 177.3 24.9 135 62 175.1 “ 195 131 “ “ 24.7 193 182 97 61 19 94 203 128 75 96 99 SHARP 159.1 31.5 201 120 81 KENMORE #2 181.0 17.2 204 157 47 “ 181.4 18.1 200 144 56 “ “ 149.1 47.5 179.7 19.8 197 87 198 145 MAGIC CHEF 181.4 18.1 201 155 “ 193.1 11.1 205 169 “ 186.1 16.5 206 111 53 46 167 39 36 EMERSON 190.3 12.2 203 162 41 “ 179.1 24.2 201 139 62 “ 178.4 28.1 205 140 64 AVERAGE 176.5 22.5 201.2 141.2 60.0 LG 205.1 2.7 211 200 12 TCP OVENS “ 192.7 KENMORE #1 202.4 “ “ “ 16.9 197.6 8.7 11.5 207.4 4.2 205.9 5.2 212 209 167 214 200 213 204.9 5.0 212 “ 209.1 6.2 220 AVERAGE P VALUE 50 205.1 203.4 5.9 <0.0001 E X 7.4 0.0004 T R E M E L Y 181 217 KENMORE # 2 “ 161 199 28 50 14 14 193 19 198 22 212 193 213.4 188.0 <0.0001 51 <0.0001 S I G N I F I C A N T 19 25.3 0.0003 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table XII. Product # 2: Beef: Statistical evaluation of the temperature data. MICROWAVE OVEN T GE 172.0 24.4 “ 154.0 36.7 STD OVENS “ E M MEAN 151.4 P E R STD DEV 198.2 138.1 60.1 185.6 128.4 56.2 187.6 103.5 84.2 “ 151.6 34.7 24.7 15.4 “ 167.6 32.5 KENMORE #2 147.1 36.9 “ 182.8 14.4 51.6 “ 193.3 192.7 143.3 191.1 65.4 196.8 65.1 49.3 97.1 99.7 198.6 100.7 97.9 200.5 154.4 46.1 15.4 198.5 149.5 49.0 10.3 201.0 176.6 24.4 EMERSON 165.2 34.8 “ 166.7 22.9 202.2 92.3 125.7 194.5 12.9 179.6 123.7 42.8 35.3 182.8 “ 188.8 160.1 123.0 202.9 17.1 181.3 72.0 13.0 156.2 “ 104.1 108.1 61.2 KENMORE #1 MAGIC CHEF 93.7 84.2 134.7 23.2 153.8 197.9 195.9 171.6 “ 61.0 88.3 “ 133.3 134.8 108.0 21.9 “ 195.9 195.0 171.7 173.7 Range 44.9 FRIGIDAIRE SHARP Min. 196.3 30.9 161.7 S 35.2 164.4 “ Max. E 160.1 “ 187.1 R 195.3 13.9 “ U 192.4 180.0 153.4 T 42.4 LG “ A 164.3 196.1 90.8 201.3 138.0 20.2 203.7 26.3 102.2 37.9 105.3 141.5 62.2 196.2 123.2 73.0 63.3 AVERAGE 166.8 LG 196.7 8.2 206.8 186.3 20.6 “ 196.6 9.6 208.3 179.5 28.7 17.2 208.6 206.0 161.0 45.0 209.2 174.4 34.8 TCP OVENS “ 199.8 11.9 KENMORE # 1 198.5 15.3 “ 198.9 11.2 “ 194.0 KENMORE # 2 188.4 16.0 “ 195.1 12.5 “ AVERAGE P VALUE 200.2 196.5 >0-0001 E X 208.3 172.6 36.9 208.4 174.6 33.7 211.1 12.4 208.5 0.0013 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 33.4 209.4 9.3 T R E M E L Y 174.9 >0.0001 156.6 180.8 173.4 >0.0001 S I G N I F I C A N T 52.0 30.3 35.0 >0.0001 51 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. Table XIII. Product # 3: Turkey Breast: Statistical evaluation of the temperature data. MICROWAVE OVEN T GE 185.9 “ 182.2 STD OVENS “ E MEAN M P E R STD DEV 23.1 A T U R Max. E S Min. Range 203.3 146.9 56.4 204.5 139.8 64.7 184.0 19.1 203.2 LG 179.4 29.9 200.9 117.6 83.3 “ 189.4 205.1 147.2 58.0 “ 27.5 157.9 188.1 15.6 202.4 FRIGIDAIRE 203.6 3.0 208.1 199.5 8.6 “ 198.9 5.2 203.2 187.8 15.4 “ “ KENMORE #1 “ “ SHARP “ “ KENMORE #2 “ “ MAGIC CHEF “ “ EMERSON “ 20.7 202.9 2.1 203.6 3.0 177.3 181.0 170.2 175.3 185.6 194.7 182.0 172.2 180.5 201.0 28.5 199.6 24.1 17.3 20.3 8.6 2.0 6.1 207.1 25.9 205.0 16.7 LG 203.6 KENMORE # 1 206.5 3.4 “ 205.3 1.2 “ 205.2 205.7 203.7 188.1 197.3 203.5 6.2 AVERAGE “ 204.7 202.3 22.7 TCP 0VENS 204.5 27.3 29.3 201.7 184.8 198.8 202.9 180.1 “ 204.6 24.7 7.2 202.0 208.1 17.9 199.9 197.9 205.3 5.5 13.8 3.8 204.8 200.5 203.7 154.5 45.3 199.4 199.5 135.0 141.1 124.7 128.2 140.4 179.8 130.7 123.0 137.6 182.4 182.9 199.0 187.4 139.9 129.5 47.9 6.0 8.6 66.1 63.4 74.9 70.7 64.0 24.8 72.2 80.4 64.8 23.3 20.8 5.8 19.7 60.6 75.4 156.9 46.9 190.9 17.9 210.3 200.4 9.9 207.1 201.2 6.0 208.9 209.1 209.3 170.7 196.1 38.4 13.2 KENMORE # 2 202.8 5.1 207.3 193.7 13.6 “ 201.9 6.2 207.6 190.0 17.6 “ AVERAGE P VALUE 52 199.9 202.8 0.0006 E X 11.7 6.3 0.0075 T R E M E L Y 210.0 208.7 0.000003 172.6 189.5 0.0032 S I G N I F I C A N T 37.5 19.2 0.0075 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. meat such as a 4 inch (10 cm) diameter beef roast in a microwave oven. Very little or no microwave energy will reach the center of the beef because the penetration depth is less than 1 cm, and so the cook is instructed to microwave the beef to an internal temperature of approximately 115 - 120 °F (46 - 49 ºC), removing it from the microwave oven, wrapping it in aluminum foil, and allowing it to stand for 15 or 20 min. while thermal conductivity raises the interior temperature to 125 - 135° F (52 - 57ºC). But, with the short microwave cooking and standing times suggested by the manufacturers there is simply not enough time for this conductive heat transfer to occur. It is not a fault of the microwave oven, but rather that the recommended cooking times and procedures are inadequate to produce the required result. A major strength of the smart oven technology employed in these tests is that it takes the control of the cooking procedure out of the hands of the consumer and replaces it with digitized computer control utilizing lower as well as full power levels, also employing rest times in the cooking cycle, thereby allowing conductive heat transfer to occur. The results found in this paper are not a condemnation of microwave ovens but rather define two major problems: a) Microwave power output claimed by the manufacturers is often much higher than the actual IEC measured power output. This is a significant problem since it misleads consumers into thinking that their ovens are much more powerful than they actually are, and therefore they follow cooking times that are probably too short. b) The whole concept of not fully thermally processing foods to be cooked by consumers is seriously flawed. What these temperature profiles indicate is that by simply following the heating instructions provided by the manufacturer, it is quite possible that the food will not reach safe temperatures and therefore can be considered a serious safety issue. of oven based upon testing a representative sample of their production. However, as demonstrated in this document, the output powers supplied by the manufacturers for these ovens are considerably higher than those measured by the IEC 705 procedure; these IEC values were only 70.9% to 87.8% of the claimed values, i.e. lower (note they were never higher). This is of great concern because the average consumer is unable to run this procedure or anything similar to it, and so must rely on the manufacturers’ numbers. This situation can result in the consumer not cooking the NRTE products long enough, since the food processors cooking instructions are based upon 1100 or 1200-watt ovens. The inadequate microwave cooking of NotReady-to-Eat products is shown by the distribution of temperatures in the components of each of the three products, highlighting those that are less than the required safe cooking temperatures. This demonstrates that even when the cooking instructions provided by the food processor are followed exactly, there are still places within components that may not have reached the required safe temperatures. The results show the failure rate in each oven; only one of the eight conventional ovens cooked one of the products successfully every time, and all three products failed each time to reach the minimum safe temperatures in three of the ovens. Whereas, the smart ovens reached the required safe temperatures in every test. It was not within the scope of these tests to determine the reason for these failures. It remains unknown whether using the actual ovens’ powers to adjust the cooking times would have been sufficient to provide the minimum safe temperatures every time. However, it is important that such a study be done and the results reported to consumers as well as food processors. CONCLUSION Microwave oven manufacturers use what is thought to be an average value for a particular model REFERENCES 1. Centers for Decease Control and Prevention (2010) “48 M Americans get sick from Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 ACKNOWLEDGEMENTS The tests were performed at the Department of Food Science and Technology, the University of Tennessee under the direction of Professor Federico M. Harte. PhD. 53 �Microware ovens and food safety: Preparation of not-ready-to-eat products... / Robert F. Schiffmann, et al. foodborne illnesses each year”. http://www.ift. org/food-technology/newsletters/ift-weeklynewsletter/2010/december/121510.aspx 2. IMPI (2011) “Consumer Uses and Attitudes Regarding Microwave Ovens and Microwavable Products”, 2011 Consumer Survey. International Microwave Power Institute, Mechanicsville VA. 3. Schiffmann R. F. (2005) “Techniques for Accurately Measuring Temperature in Static Liquids During Microwave Heating”, AMPERE 54 10 International Conference on Microwave and High Frequency Heating, September 12-15, Modena, Italy (2005). 4. US Food and Drug Administration (2011) “Safe Food Handling: What You Need to Know. Food Facts” http://www.fda.gov/food/resourcesforyou/ consumers/ucm255180.htm 5. Vadivambal R. and Jayas D. S. (2011) “Nonuniform Temperature Distribution During Microwave Heating of Food Materials – A Review”, J. Bioprocess 21 Technology, 3: pp. 161–171. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Vol. XVII, No. 64 �Eventos y reconocimientos I. INFORME DEL DIRECTOR DE LA FIME El pasado 3 de abril, se llevó a cabo la junta directiva en la que el M.C. Esteban Báez Villarreal, presentó su tercer informe de actividades, correspondiente a su segundo período como director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. El M.C. Báez Villarreal presentó los resultados obtenidos a lo largo de su gestión, destacando la fortaleza académica, de investigación, vinculación, movilidad, cultura y deporte que mantiene esta dependencia. Agradeció el esfuerzo de todos los que integran esta escuela para contribuir a los logros de los que hizo mención en su informe. Al final del informe, en representación de los profesores de la FIME, el M.C. Roberto Alberto Mireles Palomares le entregó un reconocimiento de parte de los profesores por su trayectoria y labor desarrollada al frente de la facultad. II. TOMA DE PROTESTA DEL ING. JAIME A. CASTILLO ELIZONDO COMO DIRECTOR DE LA FIME El pasado 11 de abril tuvo lugar la toma de protesta como director de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, para el período 2014-2017, del Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, ante la Junta de Gobierno de la UANL presidida por el M.C. Juan Francisco Garza Támez. El Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, le impuso la Medalla “Venera” y en su discurso reconoció que la FIME es una facultad interesada en la responsabilidad social y la vinculación con el sector industrial, con una planta docente de primer nivel. El Ing. Castillo Elizondo manifestó en su discurso que la ingeniería en México plantea nuevos retos que comprometen al fortalecimiento de la capacidad El M.C. Esteban Báez Villarreal rindiendo su tercer informe de actividades del segundo período. El Ing. Jaime A. Castillo Elizondo tomando protesta como director de la FIME para el período 2014-2017. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 55 �Eventos y reconocimientos y competitividad académica mediante procesos innovadores, y convocó a la comunidad de la FIME a trabajar juntos con una administración que integra la voluntad y capacidad para trascender en esta nueva etapa de la facultad. III. DEVELACIÓN DE FOTOGRAFÍA EN GALERÍA DE DIRECTORES El pasado 29 de abril fue develada la fotografía del MC. Esteban Báez Villarreal en la Galería de Directores de la FIME. En esta ceremonia estuvo presente el Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, el Director de la FIME, Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, el Secretario General del Sindicato de trabajadores de la UANL, Dr. Oscar de la Garza Castro, así como otros ex-directores, como el Ing. José Antonio González Treviño, también Ex - Rector de UANL, el Ing. Rogelio Garza Rivera, actual Secretario General la UANL, y el Ing. Guadalupe Evaristo Cedillo Garza. En este evento, tanto el rector como el director reconocieron la labor realizada por el M.C. Báez Villarreal a lo largo de su gestión. Develación de la fotografía del MC. Estéban Baez Villarreal en la Galería de Directores, lo acompañan; a su izquierda, el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, y a su derecha, el Ing. Jaime A. Castillo Elizondo y el M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera. I V. D I S T I N G U E N A F O R M A D O R E S D E UNIVERISTARIOS En la celebración del Día del Maestro presidida por el Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, se reconoció la trayectoria de 67 56 docentes que han desarrollado su labor universitaria ininterrumpidamente durante 40, 45, 50, 55 y 65 años. Entre los homenajedos se encuentran el Ing. José Manuel López González, de la Facultad de Ingeniería Civil, quien cumple 65 años de servicio; el Dr. Roberto Moreira Flores, de la Preparatoria 15 cumple con 55 años. Con 50 años antigüedad están el Ing. Antonio Cayetano Garza de la FIME, el Dr. Benjamín Limón Rodríguez, de la Facultad de Ingeniería Civil; el Arq. Hugo Genaro Cortés Melo, de la Facultad de Arquitectura, y el Dr. Ricardo Alberto Rangel Guerra, de la Facultad de Medicina. Entre los profesores que cumplen 45 años se encuentran el MC. Roberto Villarreal Garza, de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. En este mismo grupo se encuentran también: el Dr. Glafiro Alanís Flores, de la Facultad de Ciencias Biológicas, el Ing. Edmundo Vaquera García, de la Facultad de Ingeniería Civil, y el Dr. Oliverio Welsh Lozano, de la Facultad de Medicina. Los profesores de la FIME en el grupo de 40 años de antigüedad son: el Ing. Guadalupe Barrios Alonso, el Lic. Oscar Amel Elizondo Zambrano, los M.C. Alfonso Abelardo Aguilar Ponce, Alfonso González Zambrano, Daniel Ramírez Villarreal, Heriberto Guzmán Hernández, José Rene Medina Cantú, Paz Vicente Cantú Gutiérrez, y Rafael Sanmiguel Flores. El Dr. Benjamín Limón Rojas dirigiendo un mensaje durante la celebración del Día del Maestro en la UANL. V. DIA DEL MAESTRO EN LA FIME El pasado 13 de mayo, con motivo de la celebración del Día del Maestro, se rindió homenaje a los profesores que cumplen 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �Eventos y reconocimientos y 55 años de labor docente y universitaria. El Director de la FIME, Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, entregó los reconocimientos acompañado por el Dr. Simón Martínez Martínez, Subdirector de Posgrado; el Dr. Arnulfo Treviño Cubero, Subdirector Académico; y el M.A. Francisco Jesús Barrera Cortinas, Subdirector Administrativo. También estuvo presente el M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL y Ex-Director de la FIME. Los maestros con 15 años de antigüedad son: Dr. Azael Martínez de la Cruz M.C. Catarino Alcorta Aguilar Dr. Cesar Guerra Torres M.C. Elvira Huerta Montalvo Dr. Efraín Alcorta García M.C. Gerardo Treviño Castro Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez M.C. María Cristina Cantú Rodríguez Dr. Roger Zirahuen Ríos Mercado M.C. Rodolfo Rubén Treviño Martínez Dra. María Isabel Dimas Rangel M.C. Sandra Elizabeth del Río Muñoz Dra. Martha Patricia Guerrero Mata Con 20 años: Dr. Alberto Javier Pérez Unzueta M.C. Edgar Danilo Domínguez M.C. Carlos Alberto Porras Mata M.C. Fernando Montemayor Ibarra M.C. Claudia Elisa Luna Mata M.C. Roberto Penilla Leal M.C. Claudia García Ancira M.C. Víctor Imperial Fernández M.C. Daniel González Garza M.E.C. Magda Patricia Estrada Castillo Con 25 años: Dr. Francisco Eugenio López Guerrero Dr. Ubaldo Ortiz Méndez M.C. Aída Lucina González Lara M.C. Amanda Vázquez García M.C. J. Jesús Solache Mendoza M.C. Jesús Guadalupe Castañeda Marroquín M.C. José Luis Garza González M.C. José Manuel Rocha Núñez M.C. Juan Hernández Ibarra M.C. Juana María Gómez Urrutia M.C. Yolanda Gutiérrez Pimentel Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 Con 30 años: Ing. Alejandro Cahuantzi Maldonado Ing. Luciano Cortina Martínez M.C. Alfredo Mendoza Lozano M.C. Carlos Bernanrdo Garza Treviño M.C. Daniel Navarro Reyes M.C. Diana Margarita Martínez Martínez M.C. Edelmiro Leal Ochoa M.C. Elizabet Rodríguez García M.C. Jaime Facundo Villarreal Sánchez M.C. José Antonio Pacheco Arteaga M.C. José Ramón Martínez Salazar M.C. Leopoldo Rene Villarreal Jiménez M.C. María de Jesús Nañez Rodríguez M.C. Miguel Carrola González M.C. Nydia Esther Ramírez Escamilla M.C. Uriel Barrera Garza M.E.S. María Patricia Mireles Ontiveros Profesores que cumplen 30 años de docencia en la FIME, con el director. Con 35 años: M.C. Margarito Osvaldo Gaytán Reyes M.C. Francisco Humberto González González M.C. Víctor Vicente González Santibáñez M.C. Julián Eduardo Hernández Venegas Con 40 años: Ing. Guadalupe Barrios Alonso Lic. Oscar Amel Elizondo Zambrano M.C. Alfonso Abelardo Aguilar Ponce M.C. Alfonso González Zambrano M.C. Daniel Ramírez Villarreal M.C. Heriberto Guzmán Hernández M.C. José Rene Medina Cantú M.C. Paz Vicente Cantú Gutiérrez M.C. Rafael Sanmiguel Flores 57 �Eventos y reconocimientos Profesores que cumplen 40 años de docencia en la FIME, con el director. Con 45 años: M.C. Roberto Villarreal Garza Con 55 años: Ing. Antonio Cayetano Garza Garza Además, se otorgó el Reconocimiento por Trayectoria hacia la actividad docente al M.C. Jorge Antonio Treviño López y al M.C. Guadalupe Trujillo Sánchez por 25 años; al M.C. Manuel Ángel Guajardo Martínez, al M.E.S. Roberto González González; y a la M.C. Nicacia Mata Aranda por 30 años. Por primera ocasión se entrega el Reconocimiento Cátedra Honorífica, y se inaugura con el Ing. Leopoldo de Jesús Villarreal Robledo, a quien se le reconoce por su ejemplo de perseverancia y vocación de servicio para toda la comunidad universitaria. Ing. Leopoldo de Jesús Villarreal Robledo (izquierda), Reconocido con la Cátedra Honorífica; y el Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la FIME. 58 VI. PRESEA PARA EL RECTOR DE LA UANL El pasado 31 de mayo, el maestro José Reséndiz Balderas, Presidente de la Sociedad Nuevoleonesa de Historia, Geografía y Estadística (SNHGE), presidió la Sesión Solemne en la que el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, el Dr. Sergio Miranda Pacheco, investigador de la UNAM y el Dr. Daniel Jorge Sanabria Barrios, profesor del Instituto Tecnológico de Estudios Superiores Campus Monterrey, recibieron la Medalla de Acero al Mérito Histórico “Capitán Alonso de León” 2014 como un reconocimiento por el apoyo a la publicación de materiales históricos o por promover la difusión del patrimonio cultural de la región. En la Sesión Solemne estuvieron presentes la profesora Juana Aurora Cavazos Cavazos, Secretaria de Educación en el Estado; el Dr. Israel Cavazos Garza, cronista oficial de Monterrey, y el maestro Mario Treviño Villarreal, Secretario General de la Sociedad. De izq. a derecha: Dr. Sergio Miranda Pacheco, Dr. Jesús Ancer Rodríguez y Dr. Daniel Sanabria Barrios. VII. TOMA DE PROTESTA DEL COMITÉ EJECUTIVO DE LA ANFEI El pasado 6 de junio, durante la XLI Conferencia Nacional de Ingeniería, el Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, director de la FIME, rindió protesta como presidente de la Asociación Nacional de Facultades de Enseñanza de Ingeniería (ANFEI) para el período 2014-2016. La ANFEI promueve la colaboración entre los miembros, con el fin de mejorar los planes de estudio y la infraestructura, a través de la vinculación entre instituciones y organismos con el propósito de formar a los mejores ingenieros del país. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �Eventos y reconocimientos El director de la FIME, Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, como presidente de la ANFEI, acompañado de otros miembros de la asociación. VIII. MAESTRÍA EN NANOTECNOLOGÍA El Honorable Consejo Universitario aprobó la creación del programa educativo de Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Nanotecnología, para impartirse en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica en modalidad escolarizada a partir del 4 de agosto de 2014. El alcance de este programa de ciencia básica se extiende desde la generación de conocimiento, a través de la investigación científica básica, hasta el desarrollo tecnológico y la ingeniería de nanoestructuras, para preparar profesionistas expertos en las diversas áreas que engloba la nanotecnología. Algunos participantes de la Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Nanotecnología: Dr. Jorge Aldaco Castañeda, Dr. Leonardo Chávez Guerrero (Coordinador de esta maestría), Dr. Luis Alberto López Pavón, Dra. Selene Sepulveda Guzmán, Dra. Sugehedy Y. Carranza Bernal, Dr. Mario Alberto García Ramírez, Dr. Raúl Lucio Porto y el Dr. Javier Morales Castillo. IX. MOVILIDAD ACADÉMICA ESTUDIANTIL El pasado 20 de junio se reunieron con el Ing. Jaime A. Castillo Elizondo, Director de la FIME; el Dr. Francisco Ramírez Cruz, Subdirector de Relaciones Internacionales; el Dr. Simón Martínez Martínez, Subdirector de Posgrado; el Ing. Raúl Mario Montemayor Martínez, Presidente de Fundación PROFIME; y la MC. Lizbeth Habib Mireles, Coordinadora de Movilidad Académica, los 39 estudiantes que participan en el Programa de Movilidad Académica Internacional de la FIME que en el semestre Agosto-Diciembre 2014 estarán tomando cursos de ingeniería en Alemania, Francia, Chile, España, Portugal, Canadá Australia, Irlanda y Estados Unidos. Grupo de alumnos que participan en el Programa de Movilidad Académica Internacional de la FIME. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 59 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Abril - Junio 2014 Iker Iván Muñoz Esquivel, Maestría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 3 de abril. Fabiola Esther Domínguez Sánchez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 4 de abril. Karina Cervantes Juárez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 7 de abril José Francisco Treviño Casas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 8 de abril. Elva Nancy Ramírez Chávez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 8 de abril. Jo rg e Luis Gon zá lez Dí az, M aes tría e n Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 9 de abril. Fernando Campuzano Romero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 9 de abril. I rv in g Pi ca ss o He rnán dez , M aest rí a en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 10 de abril. Sonia Patricia Sánchez Alemán, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 11 de abril. David León Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 29 de abril. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. 60 Juan Jos é Lópe z Arellano , Ma estría en Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 30 de abril. Leonel Romero Legorreta, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 30 de abril. Federico Rodela Luna, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 30 de abril. Jesús David Peña Aguilar, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Análisis y simulación de procesos estocásticos en redes de interacción”, 8 de mayo. D ory S i s l ay A l d ac o Na va , M a es t r í a e n Administración Industrial y de Negocios (Por materias), 12 de mayo. Ruth Lizeth Zamarrón Castro, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Modelos enteros para el problema de empaquetamiento de círculos en un contenedor rectangular”, 12 de mayo. Rafael Escamilla Salazar, Maestría en Ingeniería (Por materias), 12 de Mayo Nallely Sarahy Bazaldúa Frías, Maestría en Logística y Cadena de Suministro (Por materias), 14 de mayo. Edgar Alejandro González Lumbreras, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con Especialidad en Telecomunicaciones “Estudio del tráfico telefónico de una red celular basado en el protocolo de señalización ISUP”, 16 de mayo. Rogelio Humberto Villarreal López, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 23 de mayo. Juan Antonio Banda Moreno, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Estudio de un algoritmo Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL heurístico híbrido basado en la teoría de campo medio aunado a una búsqueda local”, 30 de mayo. Daniel Alberto García Montoya, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 30 de mayo. Adrián Martín Cobos, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con Orientación en Energía Térmica y Renovable, “Implementación de un sistema de control de alta precisión en temperatura para una cámara de clima controlado”, 30 de mayo. Jaime Alejandro Martínez Torres, Maestría en Ingeniería, (Por materias), 2 de junio. Juan Carlos Monsiváis Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 5 de junio. Ernesto Alejandro Moreno García, Maestría en Ingeniería, (Por materias), 6 de junio. Rosa Liliana González Arredondo, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Metaheurísticas aplicadas a la planificación de orden parcial”, 6 de junio. Mauricio Bernardo Olvera Sánchez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales “Efecto de In2O3 sobre las propiedades eléctricas y microestructurales de un varistor basado en SnO2”, 6 de junio. Manuel Alejandro Elizondo de la Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 10 de junio. Denisse del Carmen Pérez Morín, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias) ,10 de junio. Nancy Aracely Arellano Arriaga, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Un enfoque biobjetivo al problema del reparador”, 11 de junio. Serguei Francisco Rodríguez Anicherikov, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 11 de junio. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 Rafael Ávila Acosta, Maestría en Ingeniería, (Por materias), 12 de junio. Dagoberto Ramón Quevedo Orozco, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Optimización del problema de P-Centro capacitado”, 16 de junio. Ileana Ivette Guel González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 17 de junio. Alejandro Rodríguez Arredondo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, (Por materias), 17 de junio. Ángel Mario Cantú Morales, Maestría en Ingeniería de la Información, (Por materias), 19 de junio. Dory Angélica Álvarez Porras, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas “Diseño óptimo de rutas para una empresa que brinda servicios de paquetería y logística”, 20 de junio. Erika Marlene Oviedo Muñoz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, (Por materias), 20 de junio Ana Laura Hernández Contreras, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, (Por materias), 23 de junio. Oscar Chacón Martínez, Maestría en Ingeniería, (Por materias), 24 de junio. Jaime Elihezer Valadéz Ramos, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales “Ataque corrosivo por vidrio fundido en refractarios AZ5 producidos con materias primas alternas dopados con nano partículas de SiO2 y ZrO2”, 26 de junio. Jorge Iván Miguel Reyes, Maestría en Administración Industrial y de Negocios “Sistema de implementación de manufactura esbelta”, 27 de junio. Karen Denisse Martínez Torres, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, (Por materias), 27 de junio. 61 �Acuse de recibo JOURNAL OF MATERIAL ENGINEERING AND PERFORMANCE ELECTRIC POWER COMPONENTS AND SYSTEMS La revista Journal of Materials Engineering and Performance ofrece artículos relacionados con los retos de ingeniería en el día a día. Incluye los aspectos de selección de materiales, diseño, caracterización del procesamiento y evaluación, mejora de las propiedades de los materiales a través de procesos y control de procesos de fundición, formando, tratamiento térmico, modificación superficial y revestimiento, y su fabricación. Se dan ejemplos de ensayo y caracterización a través de pruebas mecánicas y físicas, ECM, metalografía, análisis de fallas, resistencia a la corrosión, el análisis químico, caracterización de la superficie, y microanálisis de superficies, características y fracturas. Esta revista (ISSN: 1059-9495) es una publicación que se puede consultar en la página. http://www. springer.com/ Electric Power Components and Systems, es una revista arbitrada que publica trabajos teóricos y aplicados con el amplio campo de la electromecánica, máquinas eléctricas y sistemas de potencia. Los temas incluyen: nuevos métodos de diseño, cálculo y diseño; avances en los materiales utilizados en máquinas eléctricas, control de estado sólido de máquinas eléctricas; motores lineales; nuevos tipos de máquinas eléctricas; campos electromagnéticos en los convertidores de energía; los aspectos de control de máquinas eléctricas; planteamiento del sistema eléctrico; fiabilidad y la seguridad; transmisión y distribución; despacho y programación; de alto voltaje de los sistemas de corriente continua; protección de la red eléctrica. Esta revista con ISSN: 1532-5008 también publica artículos de revisión y se puede consultar en http://www.teylorandfrancis.com/journals Bertha Idalia González Reyes Norberto Alexis Martínez Ascencio 62 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �Colaboradores Castillo Elizondo, Jaime Arturo Ingeniero Administrador de Sistemas de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (1993) y Maestro en Administración con especialidad en Recurso Humano de la Facultad de Ciencias Químicas (1998) de la Universidad Autónoma de Nuevo León, y Doctor en Educación por el Instituto de Educación Superior José Martí. Ha sido profesor de la FIME desde 1993, cubriendo además diferentes funciones administrativas, como la de Subdirector de Vinculación (2008-2014) y actualmente la de Director de la FIME. Carranza Hernández, Fernando Augusto Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones (2012) FIME-UANL. Actualmente es alumno de la maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con énfasis en telecomunicaciones. Corona Chávez, Alonso Obtuvo la licenciatura en Ingeniería Electrónica y Comunicaciones en el ITESM, México y el doctorado en la Universidad de Birmingham, Reino Unido en 2001. De 2001 a 2004 fungió como ingeniero de microondas para CryoSystems Ltd (Reino Unido), donde desarrolló subsistemas de microondas superconductivos para telecomunicaciones. Además fue investigador honorario en la Universidad de Birmingham (2001 - 2004). En septiembre de 2004 se incorporó al Gran Telescopio Milimétrico, INAOE donde actualmente es investigador titular en la coordinación de electrónica. Garza Tovar, Lorena L. Licenciada en Química Industrial por la UANL, tiene Maestría en Química Inorgánica por la UANL y Doctorado en Química con orientación en Estado Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 Sólido por la Universidad Autónoma del Estado de México. Actualmente es Profesor de Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Obtuvo el premio de Investigación UANLIngeniería en 2000 y 2008. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel I Guzmán Nieto, Michelle Egresado de la carrera de Ingeniero en Aeronautica. En el año 2010 representó a la FIME en el (INSA) Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Lyon en Francia como estudiante de intercambio. A su regreso comienza a trabajar como becaria del departamento de dinámica estructural del (CIIIA) (Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica). Hernández Carrillo, Rubí A. Licenciada en Química Industrial y Maestra en Química de los Materiales por la UANL. Actualmente es estudiante del Programa Doctoral en Química de los Materiales en la Facultad de Ciencias Químicas en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Ledezma Ramírez, Diego Francisco Ingeniero Mecánico Electricista por la Universidad Autónoma de Nuevo León, doctorado en vibraciones mecánicas por el Institute of Sound and Vibration Research, University of Southampton. Cuenta con reconocimiento de profesor con perfil deseable PROMEP, y SNI nivel C. Actualmente es profesor investigador en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León. Olvera Cervantes, José Luis Licenciado en Física y Matemáticas por el Instituto Politécnico Nacional (IPN) en México D. F. También 63 �Colaboradores obtuvo la maestría y el doctorado en electrónica y telecomunicaciones del Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, B. C. México en 2005 y 2008 respectivamente. Puente Ramírez, Norma Patricia Doctora en Ciencias por la Universidad Autónoma de Baja California, campus Ensenada. Profesor de tiempo completo de la FIME-UANL, desde 2011. Miembro del SNI nivel C. Rodríguez Morales, Gustavo Licenciado en física graduado de La Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas en la Universidad Autónoma de Nuevo León en 1996. Maestro y Doctor en ciencias graduado de el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica en 1999 y 2003 respectivamente. Desde 2007 es profesor investigador en la FIME-UANL. Sánchez-Cervantes, Eduardo M. Licenciado en Ciencias Químicas por el ITESM y Doctor en Ciencias Químicas con orientación en Química del Estado Sólido por la Universidad Estatal de Arizona (USA). Actualmente es Profesor de Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y obtuvo el premio de Investigación UANL-Ingeniería en 2007 y el premio de Investigación UANL-Ciencias Exactas en 2007, 2008 y 2011. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel I. Schiffmann, Robert F. Ingeniero egresado de Columbia University y Maestro en Ciencias en Química y Física Análitica de la Universidad de Purdue. Cuenta con más de 50 años de experiencia en procesos industriales con microondas, incluyendo trabajos en investigación y desarrollo, así como cursos y seminarios sobre teoría y aplicaciones de microondas durante los últimos 30 años. Entre otras actividades profesionales, es miembro fundador de la Association for Microwave 64 Power in Europe for Research and Education (AMPERE), miembro del Microwave Working Group y Presidente del International Microwave Power Institute. (IMPI). Sosa Morales, María Elena Ingeniero de Alimentos por la Universidad de Guanajuato, Maestría en Ciencia en Alimentos en la Universidad de las Américas Puebla y Doctorado en Ciencia de Alimentos en el Instituto Tecnológico de Veracruz. Tapia González, Pablo Ernesto Ingeniero Mecánico Electricista (2003) y Maestro en Ciencias de la Ingeniería de Manufactura con especialidad en Diseño de Productos (2005) egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, actualmente estudia el Doctorado en Ciencias de la Ingeniería Aeronáutica en la misma institución. Trabajó para Industrial Mexicana (2006) como Ingeniero de Diseño de Torres de Enfriamiento. Torrealba Meléndez, Richard Licenciado en Electrónica por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP). Maestro en Electrónica y Telecomunicaciones del Centro de Investigación Científica y Educación Superior (CICESE) en Ensenada, Baja California, México. Actualmente realiza estudios de Doctorado en Electrónica en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) en Puebla, México. Torres Gonzalez, Luis C. Licenciado en Química por la UDEM, Maestría en Fisicoquímica por el CINVESTAV y Doctor en Electroquímica por la Universidad de Estrasburgo (Francia). Actualmente es Profesor de Tiempo Completo de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Obtuvo el premio de Investigación UANLCiencia en 2001. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel I. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 65 �Código de ética Autores Los autores deben presentar una narración concisa y exacta del trabajo desarrollado así como una discusión objetiva de su significado intelectual y científico. Los autores deben abstenerse de ofrecer los mismos manuscritos que se encuentren en consideración por otras publicaciones. Los autores deben incluir en su manuscrito detalles suficientes y referencias a fuentes de información públicas para hacer posible la reproducción del trabajo por terceros. Los autores deben abstenerse de presentar críticas personales en sus trabajos. Los autores deben citar aquellas publicaciones que son antecedentes esenciales para comprender el trabajo. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido mediante comunicación privada que no se localice en publicaciones. Los autores deben abstenerse de incluir información que hayan obtenido de manera confidencial sin el permiso explícito correspondiente. Los autores deben abstenerse de incluir información obtenida en el proceso de servicios confidenciales, tales como documentación para concursos o solicitudes de becas. Los autores deben abstenerse de citar publicaciones que no se relacionen o que sólo se relacionen remotamente con la materia. Los autores deben abstenerse de incluir como autores a terceros que no cumplan con el criterio de coautoría, el cual consiste en la contribución significativa al desarrollo y preparación del trabajo. Los autores deben incluir a los coautores fallecidos que cumplan con el criterio de coautoría, asentando la 66 fecha de su muerte. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo de las instituciones y organismos que hayan contribuido significativamente al desarrollo del trabajo, así como a colaboradores que hayan contribuido de manera importante, pero sin que hayan llegado a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera. Los autores deben reconocer mediante una nota de agradecimiento el apoyo a colaboradores fallecidos que hayan contribuido de manera importante, pero sin que lleguen a cumplir con el criterio de coautoría, si los hubiera, señalando la fecha de su muerte. Los autores deben abstenerse de utilizar nombres ficticios o seudónimos. Los autores deben responsabilizarse del material que presentan en su manuscrito. Revisores Los revisores deben declinar cualquier invitación para evaluar un manuscrito si no se consideran calificados, carecen de tiempo para juzgar o se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los revisores deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los revisores deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los revisores deben abstenerse de expresar críticas personales. Los revisores deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los revisores deben abstenerse de utilizar o difundir información, argumentos o interpretaciones no publicadas Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 �contenidas en un manuscrito bajo consideración, excepto con el consentimiento expreso de los autores posteriormente al proceso de evaluación. Los revisores deben considerar en su revisión posibles errores o fallas de los autores al citar el trabajo relevante de otros. Los revisores deben informar al editor si encontraran alguna semejanza substancial entre el manuscrito y cualquier otro trabajo. Los revisores no deberán intentar contactar a los autores, si hubieran inferido su identidad, previamente a haber emitido su fallo. Editor El editor debe dar consideración justa e imparcial a todos los manuscritos ofrecidos para su publicación, juzgando cada uno de sus méritos científicos o tecnológicos, sin prejuicios de raza, género, religión, creencia, origen étnico, ciudadanía, filosofía o política del autor. El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. El editor debe abstenerse de expresar crítica personal. El editor debe explicar y apoyar su juicio final para que los autores comprendan el fundamento de las observaciones. El editor debe abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando cuente con el permiso del autor. El editor deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a ninguna persona fuera de aquellos a los que se les solicite consejo profesional. El editor debe respetar la independencia intelectual de los autores. El editor debe procesar los manuscritos con diligencia. Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año XVII, No. 64 El editor debe ejercer su responsabilidad y la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación. El editor debe delegar en los miembros del consejo editorial o comité técnico la autoridad para aceptar o rechazar un artículo enviado para su publicación en casos en que se presente conflicto de interés con el editor. El editor debe delegar la responsabilidad y autoridad editorial a alguno de los miembros de los consejos editoriales cuando él sea autor o coautor de un manuscrito que se somete a consideración de la revista. Cuerpo Editorial (Consejos Editoriales y Comité Técnico) Los miembros del cuerpo editorial deberán estar dispuestos a otorgar consejo al editor en las situaciones requeridas. Los miembros del cuerpo editorial deben declinar cualquier invitación para brindar consejo si se les presenta algún conflicto de intereses, tal como encontrarse vinculados estrechamente a los autores o al trabajo a evaluar. Los miembros del cuerpo editorial deben manifestar al editor cualquier conflicto de intereses que detecten. Los miembros del cuerpo editorial deben considerar un manuscrito enviado para revisión como un documento confidencial. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de expresar críticas personales. Los miembros del cuerpo editorial deben explicar y apoyar sus juicios de manera suficiente para que el editor, los miembros de cuerpo editorial y los autores comprendan el fundamento de las observaciones. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de utilizar la información no publicada, argumentos o interpretaciones desplegados en un manuscrito sometido, excepto cuando se cuente con el permiso del autor. Los miembros del cuerpo editorial deben abstenerse de desplegar información sobre un manuscrito en proceso de revisión o publicación a cualquier persona fuera de aquellos que se les solicite consejo profesional. Los miembros del cuerpo editorial deberán respetar la independencia intelectual de los autores. 67 �68 Ingenierías, Julio-Septiembre 2014, Año. XVII, No. 64 ��� Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2014 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 17 Número Número de la revista 64 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2014, Año 17, No 64, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2014 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020827 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Amortiguamiento Conductividad eléctrica Histéresis Líquidos iónicos Propiedades dieléctricas https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20786/Ingenierias_2014_Ano_17_No_63_Abril-Junio.pdf bdaf46620cb96e84521bc2fe3e7c3f4a PDF Text Text �Contenido Abril-Junio de 2014, Año XVII, No. 63 63 2 Directorio 3 Editorial Retos actuales de la enseñanza de la ingeniería Rogelio G. Garza Rivera 6 Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas de nanopartículas de sulfuro de plomo (PbS) Diana Fabiola García Gutierrez, Denysse González Ovalle, Laura Patricia Hernández Casillas, Fernando Fungo, Domingo Ixcóatl García Gutiérrez 17 Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas Karina Araceli Cabriales Gómez, Juan Antonio Aguilar Garib 31 Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro Taylor-LQG-Fourier Luis Fernando Sánchez-Gómez, José Antonio De la O Serna 45 Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías Francisco Eugenio López Guerrero, Pedro Nicolás Garza Patrón, Francisco Ramírez Cruz, Javier De la Garza Salinas 58 Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino Bruno Cisneros Damm, Alberto Pérez Unzueta 65 Eventos y reconocimientos 67 Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL 71 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 73 Acuse de recibo 74 Colaboradores 77 Información para colaboradores Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 1 �Ingenierías, Año XVII, N° 63, abril-junio 2014. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de abril de 2014. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2014 revistaingenierias@uanl.mx DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA M.C. Esteban Báez Villarreal Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable Lic. Julio César Méndez Cavazos Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Hector Javier Velez Verduzco Tipografía y formación Dr. César Guerra Torres Indización M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Jesús E. Escamilla Isla Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Ing. Dagoberto Salas Zendejo Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Prof. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianopolis / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, FIME-UANL / Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Moisés Hinojosa Rivera, FIME-UANL / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FCQ-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH 2 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 �Editorial: Retos actuales de la enseñanza de la ingeniería Rogelio G. Garza Rivera Secretario General de la UANL Rogelio.Garza@uanl.mx Curiosos por naturaleza, los ingenieros poseemos una fuerte capacidad analítica, somos adaptables a los cambios tecnológicos y a las necesidades socioculturales y contamos con una capacidad creativa que nos impulsa a innovar y buscar métodos más eficientes para hacer las cosas. Todo ingeniero es en esencia un humanista práctico, que retroalimenta continuamente su espíritu con los dictados de la realidad científica. Si bien las aportaciones de la ingeniería a la humanidad han sido muchas a lo largo de la historia, fue en el transcurso del siglo XX cuando la ciencia y la tecnología ingenieril detonaron aportaciones trascendentes que incrementaron la calidad de vida del género humano. En ese siglo se impulsaron áreas como: petroquímica, electrónica, transporte, medicina, potabilización del agua, agroindustria y en especial la tecnología de la información y las telecomunicaciones. La ingeniería contribuyó notablemente en el desarrollo de la aeronáutica y la carrera espacial, con efectos multiplicadores en la diversificación e introducción de nuevos materiales y procesos aplicados en las áreas de la salud y comunicación, entre otras. En pleno siglo XXI, la ingeniería enfrenta nuevos retos derivados del empuje de innovaciones difícilmente imaginables en el pasado reciente: la nanotecnología, la mecatrónica, la robótica, el desarrollo de software seguro y fiable, la transmisión inalámbricas de energía, el aprovechamiento de energías no contaminantes, el tratamiento de residuos no biodegradables, la agroindustria protegida, y la producción y procesamiento de alimentos, por citar algunos. La ciencia y la técnica del siglo XXI demandan, cada vez más, la implementación de sistemas de ingeniería con dispositivos y mecanismos especializados e integrados. Un ejemplo lo constituye la introducción de la mecatrónica en el ámbito del transporte que, además de garantizar el correcto funcionamiento del motor de un vehículo, puede integrar la programación y funcionalidad óptima de los computadores que regulan la ignición, airbag, refrigeración y sistemas eléctricos del automóvil de tal manera que mejoran su seguridad, eficiencia y confort. Con la sinergia de la globalización y el libre comercio internacional, se demandan transformaciones que ponen mayor énfasis en la competitividad más que en la productividad. La estrategia de ventajas competitivas, deberá identificar nuevas demandas de mercado para enfrentar el reto de elaborar productos complejos y especializados por medio de clusters y agregarles valor. Además, debe estar siempre presente la importancia de interrelacionarse con el ordenamiento territorial y la educación ambiental para lograr un auténtico desarrollo sustentable con un manejo integral de los recursos. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 3 �Retos actuales de la ensañanza de la ingeniería / Rogelio G. Garza Rivera. Bajo estas circunstancias, es apremiante seguir fortaleciendo el modelo de la triple hélice mediante la generación de alianzas estratégicas tanto entre las empresas que realizan las distintas etapas de la cadena productiva, como con otros actores sociales, entre los que figuran los distintos niveles del gobierno y las universidades. En este sentido, el rector de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), Dr. Jesús Áncer Rodríguez, consciente de los desafíos que para la educación pública implica el contexto descrito y de los retos derivados de las reformas económica, financiera y energética promovidas por el Gobierno Federal, ha impulsado la elaboración e instrumentación de un Plan Maestro de Reconversión Educativa (PMRE) enmarcado en la Visión 2020 de la UANL y en su Plan de Desarrollo Institucional, 2012-2020. Asimismo, el Modelo Educativo de la Universidad contempla la actualización de las competencias del estudiante por que lo que en el PMRE se estructura, como respuesta a las reformas, un programa de reconversión de profesionistas basado en diplomados, cursos de actualización, licenciatura y programas de posgrado. En este plan también se definen las estrategias, acciones y programas pertinentes para generar una oferta educativa actualizada, aumentar el capital humano, construir alianzas con la empresa, el gobierno y la sociedad civil e impulsar la movilidad internacional de sus académicos y estudiantes. En especial, para la generación e innovación del conocimiento en el sector energético, la Universidad ha impulsado a los cuerpos académicos que desarrollan líneas de investigación en hidrocarburos, procesos de producción de energías limpias, sustentabilidad y economía internacional, entre otras. Así, a esta fecha, se ofrecen bachilleratos técnicos, licenciaturas y posgrados enfocados al desempeño en el sector energético, muchos de ellos acreditados por organismos internacionales, ya que cuenta con laboratorios de vanguardia especializados en energía y sustentabilidad. La reforma energética conlleva la necesidad de contar también con profesionales del derecho que conozcan el marco legal y normativo de la materia, así como las prácticas y gestiones de los procesos interno y externo de producción, distribución y comercialización del sector energético. Por ello, es destacable que se haya aprobado la creación de la Maestría en Derecho Energético y Sustentabilidad que ofrecerá la Facultad de Derecho y Criminología y que tiene como objetivo formar, con una educación integral, recursos humanos competitivos para ejercer en esa rama del derecho así como desarrollar y generar conocimiento. En particular la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), de la UANL, está llamada a ser protagonista en esta reconversión académica, y alinea sus procesos de enseñanza, aprendizaje e investigación, con las capacidades y habilidades científicas, tecnológicas y de innovación requeridas. Como parte de la estrategia del director entrante de la FIME, Ing. Jaime Castillo Elizondo, la Facultad fortalecerá los convenios de vinculación y los proyectos de investigación, alineándolos con la política nacional de desarrollo industrial y con el desarrollo de los sectores productivos. En este sentido, se aprovecharán las oportunidades que brinda la Reforma Energética relacionadas con la internacionalización, la innovación tecnológica y la competencia, para contribuir al logro de sus beneficios sociales; entre otros, la mayor producción 4 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 �Retos actuales de la enseñanza de la ingeniería / Rogelio G. Garza Rivera. de hidrocarburos y sus derivados, disminución de costos en electricidad y gas, sustentabilidad ambiental y un mayor número de empleos. Como se ha hecho a lo largo de más de seis décadas, la FIME trabajará para que la calidad y el talento de los investigadores e ingenieros mexicanos sean reconocidos y valorados en el ámbito internacional para reducir constantemente la brecha tecnológica con el extranjero. Por otra parte, estamos seguros que el concepto de “Ingeniería Verde” cobrará importancia como marco de referencia para que las nuevas aplicaciones y propuestas de materiales, productos, procesos y sistemas que generen nuestros estudiantes e investigadores sean eficientes y amigables con el ambiente y la salud, al tiempo que permitan mejorar el estilo de vida de las personas. En un contexto global, la actualización profesional, la experiencia progresiva, la evaluación y la certificación del profesionista son parte de una nueva cultura que repercutirá en el aumento de la calidad del ejercicio profesional. Ello mantendrá vigente la posibilidad de crear sinergias y sostener una competencia justa con escuelas de ingeniería nacionales y del extranjero. Asumiremos nuestra responsabilidad de formar ingenieros con capacidad creadora y de innovación que nos permitan pasar de lo “hecho en México” a lo “creado en México”. Como antaño se sorprendió al mundo con nuestros recursos naturales de exportación, ahora afrontamos nuestro reto a futuro: exportar conocimiento. FIME es un importante pilar de la UANL, y es reconocida en el país y el extranjero como institución de calidad académica y humana, cuyos programas satisfacen los requerimientos y necesidades del estudiantado y de la industria. Entre los 600 maestros que conforman nuestra planta docente, se encuentran distinguidos profesionistas con perfil PROMEP, y adscritos al Sistema Nacional de Investigadores, muchos de ellos tienen reconocimientos, premios y certificaciones diversas. Con base en una filosofía de unidad, innovación y calidad, se ha logrado el cumplimiento de ambiciosas metas y objetivos que han permitido pasar de ser una escuela grande, a una gran escuela, consolidando su liderazgo entre las facultades de ingeniería del país. Ser una escuela de ingeniería de primer nivel en el contexto nacional ha costado mucho esfuerzo. Mantenerse a la vanguardia en un escenario de competitividad creciente representa un reto para todos nosotros, en particular para la planta académica y el cuerpo de investigación. Nuestro compromiso es asegurar una enseñanza con estándares internacionales, que impulse al estudiante a la superación integral, y de esta forma aportar a la sociedad mejores profesionistas y mejores seres humanos, con valores y responsabilidad social transformadora. A mayores retos, mayores oportunidades, y en la UANL estamos preparados para aprovecharlas. Tenemos el potencial para formar profesionistas humanistas y prácticos, con capacidades para innovar y aportar soluciones que vayan más allá del conocimiento actual que permitan realizar el ideal del desarrollo sustentable: la prosperidad de las nuevas generaciones. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 5 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas de nanopartículas de sulfuro de plomo (PbS) Diana Fabiola García GutiérrezA,B, Denysse González OvalleA,B, Laura Patricia Hernández CasillasA,B, Fernando FungoC, Domingo Ixcóatl García GutiérrezA,B Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME CIIDIT-UANL C Departamento de Química, Universidad Nacional de Río Cuarto, Argentina domingo.garciagt@uanl.edu.mx A B RESUMEN El sulfuro de plomo (PbS) es un material semiconductor que, en escala nanométrica, exhibe efectos de confinamiento cuántico, lo que permite que se pueda utilizar para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos, optoelectrónicos e imagen biológica. La síntesis química de este material utilizando como precursor al oleato de plomo resulta muy favorable para la obtención de nanopartículas bien estabilizadas, de morfologías y tamaños homogéneos. Sin embargo, el ácido oleico también afecta de manera negativa las propiedades ópticas y eléctricas de las nanopartículas. Como una alternativa ante este problema, se sintetizaron nanopartículas de PbS utilizando diferentes ácidos carboxílicos como agente protector, ácidos carboxílicos de cadena más corta que la del ácido oleico, para evaluar el cambio en las características de las nanopartículas, así como en sus propiedades ópticas y eléctricas. PALABRAS CLAVE Nanopartículas, PbS, ácidos carboxílicos, semiconductores. ABSTRACT Lead sulfide (PbS) is a semiconductor material that, in nanometric scale, shows quantum confinement effects, what makes it attractive for photovoltaic, optoelectronics and biological imaging applications. Chemical synthesis of this material using lead oleate as precursor is one of the best ways to obtain well stabilized nanoparticles of a remarkable quality regarding their size, morphology and size dispersion. Nonetheless, oleic acid also affects negatively the optical an electrical properties of the nanoparticles. In order to address this problem, PbS nanoparticles were synthesized using shorter chain carboxylic acids than oleic acid chain, to evaluate their effect on the characteristics of the nanoparticles, as well as on their electrical and optical properties. KEYWORDS Nanoparticles, PbS, Carboxylic Acids, semiconductors. 6 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. INTRODUCCIÓN Los calcogenuros de plomo (PbS, PbSe, PbTe) son semiconductores del grupo IV-VI que desde hace décadas son utilizados para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos que operan en longitudes de onda correspondientes al mediano infrarrojo y mayores (≈3000-14000 nm). 1 Sin embargo, su verdadero auge se inicia alrededor de 1982 cuando algunos grupos de investigadores como Efros et al. (1982)2, Ekimov et. al. (1985)3 y Brus et al. (1984)4 empezaron a sintetizar estos calcogenuros en escala nanométrica, dando paso al estudio de los efectos de confinamiento cuántico en éstos sistemas. Tales efectos solo son posibles de observar al reducir el tamaño de partícula del material, de tal manera que el diámetro de la partícula sea menor al radio de excitón de Bohr, y los calcogenuros de plomo son de los materiales semiconductores que presentan radios de excitón de Bohr de mayor valor (PbS de 18 nm, PbSe 46 nm y PbTe de 152 nm). Una de las consecuencias de estos efectos cuánticos de confinamiento es que el rango de longitud de onda para la aplicación de estos materiales se desplaza hacia la zona visible-infrarrojo cercano del espectro electromagnético,5 y otra no menos importante, es la generación de multiexcitones, que para los sistemas PbS y PbSe se han reportado la generación de 5 y 7 excitones, respectivamente, a partir de un fotón incidente (Schaller et al. 2006).6 Estudios como el de Schaller y colaboradores abren una ventana para el uso de estos materiales como potenciales candidatos para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos. El sulfuro de plomo (PbS), con un band gap directo de 0.41 eV y con estructura cristalina FCC, igual que el PbSe y PbTe, se ha sintetizado a nivel de nanoestructura por diferentes rutas de síntesis y se han obtenido diferentes morfologías, dependiendo de la ruta de síntesis y de los precursores utilizados; por ejemplo, Sang-Min Lee et al. (2002) 7 sintetizaron diferentes nanoestructuras de PbS (estrellas, cubos, octaedros) a partir de la descomposición térmica de Pb(S2CNEt2)2 en fenil éter a diferentes temperaturas (140ºC a 250ºC), utilizando como agente estabilizante dodecanotiol. En 2007 Mandeep et al.8 sintetizaron diferentes estructuras de PbS en fase acuosa, utilizando un compuesto orgánico de azufre (tioacetamida) y acetato de plomo como precursores, dado que el PbS es insoluble en agua, Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 utilizaron surfactantes de doble cadena, logrando así la síntesis de nano y micro cristales solubles en agua, abriendo la posibilidad del uso de este material en aplicaciones biotecnológicas. La síntesis más común y la que provee las condiciones más favorables para formación de nanopartículas de PbS, PbTe y PbSe, bien estabilizadas, es la que involucra el uso de ácido oleico y óxido de plomo 9-12 como fuente para la formación del precursor de plomo, a su vez el ácido oleico juega el rol de agente protector y estabilizante por su gran afinidad al plomo, que como ya se ha estudiado para otros sistemas de calcogenuros de plomo, éste queda en la parte externa de la nanopartícula.11 Sin embargo, el ácido oleico es un ácido carboxílico con una cadena de dieciocho átomos de C, el cual a su vez aísla a la nanopartícula y no permite que las propiedades optoelectrónicas en general de las nanopartículas de calcogenuros de plomo sean explotadas al máximo. Como una solución alternativa a este problema, se ha empleado el uso de tioles post-síntesis para eliminar el ácido oleico que queda alrededor de la nanopartícula y reemplazarlo por los grupos tioles.9,13,14 Javeed Akhtar et al.15 sinetizaron nanopartículas de PbS sustituyendo el ácido oleico por aceite de oliva, sin Fig. 1. Representación esquemática de los diferentes ácidos carboxílicos utilizados para la síntesis de nanopartículas de PbS. 7 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. embargo aunque éste sea amigable con el medio ambiente y la síntesis se puede llevar a cabo a menores temperaturas de reacción (60ºC), uno de los principales componentes del aceite de oliva es el ácido oleico. La mejor solución a este problema es sintetizar las nanopartículas de PbS y que éstas no requieran de ningún tratamiento post-síntesis. En el presente trabajo se propone sintetizar nanopartículas de PbS utilizando ácidos carboxílicos con una cadena de átomos de C más corta que la del ácido oleico para formar el precursor del plomo, y se evalúa con cada uno de éstos la calidad de las nanoestructuras formadas, así como su respuesta óptica y eléctrica. Se seleccionaron cuatro diferentes ácidos carboxílicos (figura 1) y se mantuvieron las mismas condiciones de reacción para los cuatro diferentes sistemas, con la excepción de la reacción con ácido benzoico, debido a su insolubilidad en 1octadeceno (ODE) a temperaturas menores a 260ºC. la inyección del precursor de S la nucleación y crecimiento de las nanopartículas de PbS ocurre de manera instantánea por lo que se tomaron alícuotas a diferentes tiempos de crecimiento, 10, 60, 120, 300 y 600 segundos, excepto para la reacción con AB en la que únicamente se tomó una alícuota a los 3 minutos de crecimiento. Cada alícuota fue vertida dentro de un tubo de centrifugado que contenía 10 mL de acetona anhidra y la muestra fue enfriada hasta temperatura ambiente. Posteriormente las muestras fueron centrifugadas a 9500 rpm durante 10 min, se decantaron los residuos y el precipitado que contenía las nanopartículas fue redispersado con 2 mL de tolueno anhidro, se agregaron 20 mL de acetona anhidra y se centrifugó nuevamente con los mismos parámetros. El lavado de las nanopartículas se llevó a cabo tres veces para cada alícuota de cada una de las reacciones y el precipitado final se dejó secar al vacío para su posterior caracterización. DESARROLLO EXPERIMENTAL Materiales Óxido de Plomo (OPb), 1-Octadeceno (ODE), Difenilfosfina (DFF), Sulfuro de Trimetilsilil (TMS), Ácido Acético (AA), Ácido Hexanoico (AH), Ácido Benzoico (AB), Ácido Mirístico (AM), Acetona anhidra, Tolueno anhidro, Hexano anhidro. Caracterización La caracterización de las nanopartículas de PbS se llevó a cabo mediante microscopía electrónica de transmisión y por la técnica espectroscópica de UV-Vis-NIR. Se utilizó un microscopio electrónico de transmisión (TEM por sus siglas en inglés) FEI Titan G2 80-300 en las modalidades de microscopía electrónica de transmisión, scanning transmission electron microscopy (STEM) y Difracción de electrones. Además, este equipo cuenta con un detector de high angle anular dark field (HAADF) para el modo STEM marca Fishione, así como con un detector marca EDAX para los estudios de energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). La muestra se preparó depositando una gota de las nanopartículas dispersadas en hexano anhidro sobre una rejilla de cobre cubierta con una capa delgada de carbón amorfo, el solvente se dejó evaporar de manera natural. Por otra parte, las nanopartículas fueron dispersadas en tolueno para su caracterización con un espectrómetro Agilent Cary 5000, UV-Vis-NIR. Para la caracterización de las películas de PbS se llevó a cabo mediante Microscopía Electrónica de Barrido utilizando un FEI NovaNanoSEM para el estudio superficial; y para el estudio de las propiedades de conductividad eléctrica y fotoconductividad de las películas de nanopartículas se utilizó un Keithley 6487 Picoammeter/Voltage source, las muestras para Síntesis de Nanopartículas de PbS En un matraz de tres bocas se adicionan 23 mL de ODE, 0.45 g de OPb y se adiciona el ácido carboxílico (AA, AH, AB, AM) en cantidad de 5 mmol para conservar la relación de 2.5 AC: 1 Pb. La mezcla se coloca en una manta de agitación y calentamiento y se incrementa la temperatura hasta llegar a los 150ºC, excepto para la síntesis con AB, en la que la temperatura de reacción fue de 260ºC, la mezcla se mantiene a esa temperatura durante dos horas, todo esto se lleva a cabo en atmósfera de N2. Por otra parte, dentro de una caja de guantes con atmósfera de N2, se diluyen dentro de un vaso de precipitado 2 mL de ODE, 212 μL de TMS y 100 μL de DFF, ésta mezcla se agita durante 30 min, se coloca en una jeringa y después se inyecta rápidamente en la solución de ODE, OPb y el AC. En cada una de las síntesis con los diferentes ácidos carboxílicos se mantiene la relación 2 Pb : 1S. Después de 8 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. este estudio se prepararon depositando una gota de nanopartículas dispersadas en hexano anhidro sobre un sustrato de vidrio de 10 mm X 10 mm, una vez seca la muestra se utilizó un pincel de punta fina y se pintaron dos electrodos con pintura de carbón, éstos de aproximadamente 1 mm de ancho por 4 mm de largo a una separación de aproximadamente 4 mm uno del otro en posición paralela. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Microscopía Electrónica de Transmisión Se determinó mediante patrones de difracción, como se observa en las figuras 2 a 5 en el inciso a, que las nanopartículas obtenidas corresponden a PbS con estructura cristalina FCC, de acuerdo a la tarjeta JCPDS 77-0244,16 independientemente del ácido carboxílico utilizado en la reacción. Fig. 2. Imágenes de TEM de nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido acético. a), b) y c) Se muestran nanopartículas de PbS a los 10 s, 120 s y 300 s, respectivamente. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 9 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. Fig. 3. Imágenes de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido hexanoico. a) Nanopartículas de PbS a los 10s de tiempo de crecimiento y se muestra en la imagen insertada su patrón de difracción indexado. b) Imagen de HAADF de nanopartículas de PbS a los 120s y c) Imagen de TEM de nanopartículas de PbS a los 300s. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. Para la síntesis de nanopartículas de PbS con ácido acético (figura 2), se obtuvo una polidispersidad en tamaño, oscilando entre los 1.7 nm a 3.5 nm para las nanopartículas como las que se observan en el inciso a, que corresponde a un tiempo de crecimiento de 10 segundos, sin embargo, en el inciso b, que corresponde a un tiempo de crecimiento de 2 minutos, se observan aglomerados con tamaños en el orden de micras. Esto puede ser atribuido a que el ácido acético, al tener la cadena de únicamente dos 10 átomos de C y al presentar interacciones laterales débiles entre las mismas cadenas, no logra pasivar lo suficiente la superficie, para lograr reducir la energía superficial de cada partícula, provocando que éstas se atraigan entre sí para formar estos aglomerados, en los cuales no se observa la coalescencia de las nanopartículas, más bien parecen estar embebidas dentro de lo que podría ser el agente protector. En el inciso c que corresponde a un tiempo de crecimiento de 5 minutos, se puede observar que Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. Fig. 4. Imágenes de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido benzoico. a) Nanoestructuras de PbS con tamaños en el orden de los 20 a 100 nm y aún más grandes, también se muestra en el inserto el patrón de difracción indexado. b) Imagen de HAADF que muestra nanopartículas de PbS con tamaños que varían entre 1.9 nm a 3.8 nm. c) Imagen de HAADF que muestra aglomerados formados por nanopartículas de PbS. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. las nanopartículas que formaban aglomerados coalescieron hasta formar cristales de mayor tamaño, y éstos a su vez se encuentran rodeados de muchas nanopartículas que son atraídas probablemente por el mecanismo de crecimiento Ostwald ripening. En el inciso d se muestra una imagen de HAADF de uno de estos aglomerados, indicando con un rectángulo rojo el área seleccionada para el análisis de EDS realizado, en la parte inferior se muestra el espectro Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 de EDS obtenido, donde se observa claramente la presencia del plomo y el azufre; los estudios de difracción de electrones permiten corroborar la presencia de cristales de PbS. Para la síntesis de nanopartículas de PbS con ácido hexanoico se observaron nanopartículas con morfología cuasiesférica, aunque la distribución de tamaño presentó polidispersidad (entre 3.2 y 5.5 nm), en los tiempos más cortos de reacción no se 11 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. Fig. 5. Imágenes de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido mirístico. a) y b) muestran nanopartículas de PbS con tamaños que varían entre los 2.5 nm y 3.5 nm, y en el inserto se muestra su patrón de difracción indexado. c) Imagen de HAADF que muestra nanoparticulas de PbS dispersadas y bien estabilizadas. d) Imagen de HAADF de área selecta para el análisis de EDS y su espectro correspondiente. observó la formación de aglomerados (incisos a y b de la figura 3) sino hasta los 5 min de tiempo de crecimiento se observó la coalescencia de algunas partículas; dando origen a partículas de hasta 10 nm y aglomerados con tamaños mayores a los 100 nm. Aunque la inyección en caliente del precursor del S fue muy rápida, la extracción y enfriamiento de las alícuotas fue muy lenta y esta es la principal causa a la que se atribuye la polidispersidad en el tamaño de partícula. 12 Para la síntesis de nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido benzoico la temperatura de reacción fue de 260ºC, y únicamente se tomó un tiempo de crecimiento, que fue de tres minutos, en las imágenes de TEM de la figura 4, aunque como se observa en el inciso b, se formaron nanopartículas de morfología cuasiesférica con tamaños entre 1.9 nm a 3.8 nm, éstas solo se encontraron en algunas zonas de la rejilla analizada; la mayor parte de las nanopartículas de PbS no presentaron una morfología Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. definida, su tamaño fue superior a los 20 nm en al menos una de sus dimensiones y éstas se encontraban aglomeradas unas con otras, tal como se observa en los incisos a, c y d. El análisis de EDS que se muestra en el inciso d revela la presencia de los elementos Pb y S, pero al igual que para el resto de los sistemas el patrón de difracción fue concluyente para determinar que las nanopartículas sintetizadas con éste ácido carboxílico con cadena de seis átomos de C, también corresponden a PbS. Los resultados de TEM para nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido mirístico se muestran en la figura 5 en los incisos a, b y c. En estos se muestran nanopartículas a los 10, 120 y 300 s de tiempo de crecimiento, respectivamente; se observó una buena distribución de tamaños oscilando entre los 2.5 nm y 3.5 nm. Al igual que para las otras reacciones se hizo el análisis de EDS (inciso d) en una zona que a simple vista pareciera un aglomerado de partículas, sin embargo no fue así, esta zona está cubierta de nanopartículas. Las zonas que se observan “más claras” en las imágenes de HAADF (figura 5 d) están formadas por varias capas de nanopartículas. El análisis revela la presencia de Pb y S y al igual que para las demás reacciones el patrón de difracción fue concluyente para determinar que las nanopartículas sintetizadas son de PbS con estructura FCC. Se puede observar que los mejores resultados en cuanto a morfología y distribución de tamaño se obtienen con el ácido carboxílico con cadena de átomos de C más larga. Cabe mencionar que no se observó la presencia de aglomerados. Resultados de UV-Vis-NIR En la figura 6 se muestran los resultados de UVVis-NIR para cada una de las síntesis de nanopartículas de PbS con los diferentes ácidos carboxílicos. En el inciso a se muestran los espectros de absorción de Fig. 6. Espectros de absorción de UV-VIS-NIR para los diferentes sistemas de nanopartículas de PbS. a) ácido acético, b) ácido hexanóico, c) ácido benzoico y d) ácido mirístico. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 13 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. UV-Vis-NIR para las nanopartículas sintetizadas con ácido acético, a los diferentes tiempos de crecimiento se observan picos de absorción a los 880, 1150 y 1200 nm aproximadamente. Sin embargo, el que éstos aparezcan siempre en el mismo lugar y que a medida que avanza la reacción se atenúan, permite inferir que éstos no corresponden a las nanopartículas de PbS sintetizadas. Aún se está trabajando en la identificación del origen de estos picos, no obstante, resultados experimentales han corroborado que éstos corresponden a un subproducto de la reacción, ya que también se observan en el sobrenatante que se obtiene durante el proceso de limpiado de las partículas. En el inciso c se muestran los resultados de la síntesis de nanopartículas de PbS con ácido benzoico, para ésta reacción tampoco se observó el pico de absorción asociado al primer excitón de las nanopartículas de PbS, a pesar de que en ambas reacciónes (A. Acético y A. Benzoico) se obtuvieron nanopartículas con tamaños menores al radio de Bohr del PbS. Resultados experimentales observados por otros investigadores, 17 mismos que han sido observados en el grupo, han mostrado que cuando hay presencia de aglomerados o se tiene una muestra con una polidispersidad alta, no es posible observar el pico de absorción de las nanopartículas. Otra posible explicación es que al estar presentes estos aglomerados pueden dispersar la luz subiendo la línea de base, lo cual enmascara la señal de generación del primer excitón en las partículas. Por otra parte, como se puede observar en los incisos b y d que corresponden a la síntesis con ácido hexanoico y mirístico, respectivamente, se observa claramente el pico de absorción de las nanopartículas y cómo éste a menor tamaño de nanopartícula se recorre más hacia el visible. Los espectros de absorción para la síntesis con ácido hexanoico (inciso b) también revelan la polidispersidad en tamaño de las nanopartículas, lo cuál ya se había observado en el análisis de TEM, contrario a los espectros de absorción para el ácido mirístico, que muestran una mejor distribución de tamaño, para estos dos casos se pudo calcular el band gap óptico utilizando la referencia 18, y éste se muestra en los incisos b y d. Las nanopartículas sintetizadas con ácido mirístico mostraron el mayor corrimiento hacia el visible, mostrando el pico de absorción asociado al primer excitón de las nanopartículas en 847 nm de longitud de onda para los 10 s de tiempo de crecimiento, y aún para los 60 y 120 s el pico de absorción es menor a los 900 nm. Caracterización de las películas de PbS En la figura 7 se muestran imágenes de SEM para películas de PbS, en el inciso a con nanopartículas sintetizadas con ácido hexanoico y en el inciso b con ácido acético. Para las diferentes películas analizadas en algunas se observó una superficie Fig. 7. Imágenes de SEM de películas de PbS. a) Se muestra la superficie de la película de PbS sintetizado con ácido hexanóico y b) muestra la superficie de la película de PbS sintetizado con ácido acético. 14 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. de mala calidad, es decir, como en el caso de la síntesis con ácido acético, los aglomerados de nanopartículas no permiten que haya continuidad en la película, contrario a la película con nanopartículas de PbS sintetizadas con ácido hexanoico, en la que se observa un buen acomodamiento de las nanopartículas dando como resultado una superficie más homogénea y continua de nanopartículas de PbS. Se hace énfasis en la calidad de la película debido a que únicamente en las películas de mejor calidad se logró observar la señal de fotorrespuesta (figura 8), y además se obtuvieron las curvas I vs. V para todas las películas de PbS sintetizadas con los diferentes ácidos carboxílicos y los resultados de resistencia calculados a partir de éstas se muestran en la tabla I. Se aprecia que los resultados de resistencia son altos, sin embargo es muy claro que las películas más resistivas son aquellas con nanopartículas de PbS sintetizadas con los ácidos carboxílicos de cadenas de átomos de C más largas. Fig. 8. Señal de foto-respuesta correspondiente a la película de PbS sintetizado con ácido hexanóico. Tabla I. Resultados de resistencia calculados a partir de las curvas I vs. V obtenidas de las películas de PbS con nanopartículas sintetizadas con los diferentes ácidos carboxílicos. Material Resistencia Ω PbS-Ácido Acético 3.30 x 1010 a 3.30 x 1011 PbS-Ácido Hexanoico 1.00 x 1012 a 1.00 x 1013 PbS-Ácido Benzoico 5.00 x 1012 PbS-Ácido Mirístico 5.00 x 1012 a 1.00 x 1013 PbS-Ácido Oleico 1.00 x 1013 a 6.00 x 1013 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 CONCLUSIÓN Se puede concluir que con todos los ácidos carboxílicos probados se lograron obtener nanopartículas de PbS. Con el ácido acético, el de cadena de átomos de C más corta, se produjeron nanopartículas que empezaron a coalescer a tiempos de crecimiento muy cortos, formando aglomerados muy grandes, ésta puede ser la razón por la cuál no se observó el pico de absorción óptica asociado a las nanopartículas en el UV-Vis-NIR y de la mala calidad de la película mostrada en la figura 7 (b). Se propone sintetizar nanopartículas de PbS con mayor concentración de ácido acético para promover la formación de nanopartículas de PbS bien estabilizadas. La reacción para obtener nanopartículas de PbS con ácido benzoico se tuvo que llevar a cabo a 260ºC debido a que éste ácido carboxílico es insoluble en ODE a temperaturas menores, aunque se lograron obtener nanopartículas de PbS, éstas formaron aglomerados de manera instantánea, y al igual que en el caso de las nanopartículas sintetizadas con AA, éstas tampoco mostraron pico de absorción en el espectro de UV-Vis-NIR, ni tampoco una clara señal de fotorrespuesta. Se puede agregar que el cambiar el ácido carboxílico, fuente para formar el precursor de plomo, no mostró tener efecto alguno en la estructura cristalina de las nanopartículas de PbS, solo tiene efecto en la morfología, tamaño y absorción óptica, además, los menores valores de resistencia corresponden a las películas delgadas de PbS sintetizadas con los ácidos carboxílicos de cadena de átomos de C más cortas, por esta razón se cree que es posible mejorar las propiedades eléctricas de las nanopartículas de PbS controlando la síntesis de éstas con los ácidos carboxílicos de cadena de átomos de C más cortas con la finalidad de producir nanopartículas aisladas y bien estabilizadas. Es muy importante mencionar que los mejores resultados de foto-respuesta se observaron en las películas de PbS de mejor calidad, lo que implica que esta propiedad no está determinada únicamente por las características individuales de las nanopartículas, también tiene influencia la forma en que las nanopartículas se encuentran arregladas dentro de la película, obteniendo los mejores resultados siempre y cuando las películas formadas en la superficie del sustrato sean continuas y homogéneas. 15 �Efecto del cambio de agente protector en las propiedades ópticas y eléctricas... / Diana Fabiola García Gutierrez, et al. REFERENCIAS 1. G. Bauer and G. Springholz, Johannes Kepler, Lead Salts, Semiconductor Materials, Elsevier (2005), pp. 385-391. 2. Efros, Al. L.; Efros, A. L. Interband Absorption of light in a Semiconductor Sphere. Sov. Phys. Semicond. (1982), 16, pp. 772-774. 3. Ekimov, A. I.; Efros, A. L.; Onushchenko, A. A. Quantum Size Effect in Semiconductor Microcrystals. 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El primero de ellos fue tetraetoxysilano como fuente de silicio, con bakelita como fuente de carbono, el segundo precursor fue feniltrimetoxysilano como fuente de silicio y carbono a la vez. Estos precursores fueron pirolizados mediante microondas en una atmósfera de nitrógeno. Nanopartículas de aproximadamente 5 nm fueron observadas mediante HR-TEM y se determinó que su arreglo corresponde al β-SiC. La presencia de este compuesto fue corroborada mediante difracción de rayos X. PALABRAS CLAVE β-SiC, microondas, sol-gel, tetraetoxysilano, feniltrimetoxysilano ABSTRACT Nanoparticles of silicon carbide β-SiC of cubic lattice were produced in this work using two precursors prepared by means of sol-gel. The first one was tetraetoxysilene as a source of silicon, with bakelite as a source of carbon, the second precursor was feniltrimetoxysilene as a source of both, silicon and carbon. These precursors were pyroliyzed by means of microwaves undera nitrogen atmosphere. Nanoparticles of approximately 5 nm were observed by means of HR-TEM and it was found that their arrangement corresponds to β-SiC. The presence of this compound was confirmed by means of X-rays diffraction. KEYWORDS β-SiC, microwaves, sol-gel, tetraetoxysilene, feniltrimetoxysilene INTRODUCCIÓN La producción y uso de nanopartículas es cada vez más extensa y al igual que con otros productos, la búsqueda de métodos para producirlas de manera eficiente y confiable es continua. Entre diversas opciones se ha propuesto el uso de microondas como medio para proporcionar la energía que los procesos de síntesis requieren. En particular en este trabajo se produjeron nanopartículas de carburo de silicio del politipo 3C-SiC (β-SiC) mediante la pirolización, bajo una atmósfera de nitrógeno, de precursores obtenidos mediante sol-gel. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 17 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. La preparación de un material por medio del proceso sol-gel requiere la mezcla de los constituyentes o precursores en una fase líquida, hasta obtener una disolución homogénea, la cual se somete a un proceso de polimerización y gelificación, después de la cual el gel se transforma en compuesto deseado mediante un tratamiento térmico, eliminando componentes volátiles e incrementando la densidad del material.1 Un procedimiento sol-gel típico parte de un organometálico hidrolizable conocido como alcóxido metálico M(OR)X, donde M es un metal del grupo IV y OR es un grupo alcoxilo, en el que R es un radical hidrocarbonado. En el proceso solgel el sistema modelo es la sílice, y de los alcóxidos de silicio disponibles, el tetraetoxysilano, TEOS, es el más utilizado. Los otros dos reactivos necesarios para que se lleve a cabo el proceso sol-gel son: agua, para la hidrólisis del precursor; y un solvente, normalmente un alcohol u otros orgánicos, el cual es miscible tanto en el alcóxido como en el agua y ayuda a formar la solución para que se lleve a cabo la hidrólisis. La estructura final del gel y sus propiedades dependen de las reacciones de hidrólisis y condensación de los precursores. Solo algunas características podrán ser modificadas en el curso de las etapas siguientes. La rapidez de reacción de la hidrólisis y de la condensación depende de la temperatura, la reactividad del alcóxido, el tipo de solvente, y la acidez. Las reacciones de hidrólisis y condensación conducen a la formación de agregados de partículas extremadamente pequeñas, que se enlazan hasta formar un agregado único denominado gel, el cual continúa reaccionando, produciendo cambios químicos y nanoestructurales como la polimerización en la que aumenta su densidad y resistencia mecánica. CARBURO DE SILICIO El carburo de silicio, SiC, es uno de los cerámicos no-óxidos que se utiliza en la industria refractaria por su alto punto de fusión y bajo coeficiente de expansión térmica; es también un abrasivo de dureza cercana a la del diamante. En cuanto a sus aplicaciones en electrónica, por su alto “band gap”, alta conductividad térmica, alta fuerza de campo de interrupción eléctrica y alta velocidad de flujo de 18 saturación, es un material adecuado para electrónica de potencia y dispositivos de alta frecuencia.2, 3 El SiC, tanto en sus formas amorfa o cristalina, ha sido objeto de investigación para aplicaciones en campos optoelectrónicos y microelectrónicos como películas delgadas de diodos emisores de luz, dispositivos electroluminiscentes y transistores bipolares entre otros.2 El SiC fue sintetizado por primera vez por Acheson en 1891 mediante la fusión de arcilla (SiO2) con carbón (C) en un horno de arco eléctrico a 2400 °C durante 36 horas, él encontró pequeños cristales azules a los que llamó carborundum, derivado de corundum Al2O3, porque creyó que estaban formados de aluminio y carbono. Actualmente este método se sigue utilizando para la obtención de SiC a nivel industrial, aunque una de sus desventajas es el poco control que se tiene en la formación de los politipos y polimorfos del SiC.4 Un politipo es una clase especial de polimorfo en el que se tiene que la diferencia en las estructuras cristalinas de un compuesto se deben solo al orden en el cual está apilada una capa bidimensional (plano atómico). En 1912, Baumhauer descubrió las primeras tres estructuras politípicas del SiC; 5 actualmente, se han clasificado más de 200 politipos del SiC.6 Los politipos de SiC provienen de las diferentes secuencias de apilamiento periódicas de las bicapas. Hay seis bicapas diferentes, cada una formada de dos planos empaquetados (figura 1). Fig. 1. Bicapas fundamentales del SiC. 5 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. cual consiste en el número de bicapas en la celda unidad y una letra que puede ser C, H ó R, cúbica, hexagonal y romboédrica, respectivamente (figura 2). Los politipos más comunes del SiC son el 2H, 3C, 4H, 6H y el 15R (figura 3). La formación del β-SiC normalmente se da a temperaturas aproximadas a 1500 °C, aunque hay reportes de haber obtenido β-SiC debajo de esta temperatura, 8, 9 y se considera que es más estable que otros politipos hexagonales a temperaturas Las secuencias de apilamiento no alteran significativamente las longitudes de los enlaces o la densidad (tabla I). Si el número de bicapas en una celda unidad es par, la simetría será hexagonal, en otro caso será cúbica o romboédrica. El SiC normalmente se clasifica, según sus polimorfos, como α-SiC y β-SiC, donde los polimorfos hexagonal y romboédrico son α-SiC; mientras que el polimorfo cúbico es β-SiC.5 Para describir los politipos de SiC es común utilizar la notación de Ramsdell, la Tabla I. Propiedades de algunos politipos de SiC.7 PROPIEDAD POLITIPO 3C-SiC (β-SiC) 2H-SiC (α-SiC) 4H-SiC (α-SiC) 6H-SiC (α-SiC) F43m P63mc P63mc P63mc Hexagonalidad [%] 0 100 50 33 Orden de empaquetamiento ABC AB ABCB ABCACB Constante a de red [nm] 0.4358 - 0.4359 0.3075 - 0.3081 0.3070 - 0.3081 0.3073 - 0.3081 Constante c de red [nm] - 0.5031 - 0.5048 1.0053 - 1.0080 1.5109 - 1.5120 Densidad [g/cm3] 3.215 3.219 3.215 3.212 Band Gap [eV] 2.39 3.33 3.26 3.00 Conductividad térmica [W cm-1 K-1] 3.6 - 4.9 4.9 ≤ 1000 - ≤ 850 ≤ 450 ≤ 40 - ≤ 120 ≤ 100 Grupo espacial Movilidad de electrones [cm2 V-1 s-1, 300 K] Movilidad de huecos [cm2 V-1 s-1, 300 K] Resistividad eléctrica [Ω cm] 102 - 103 Fig. 2. Politipos del SiC con sus bicapas correspondientes. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 5. 19 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Fig. 3. Secuencia de apilamiento de cinco politipos de SiC.6 menores a 2000 °C. A temperaturas superiores, el β-SiC se transforma en α-SiC hexagonal.10 El politipo más común arriba de los 2000 °C es el 6H por lo que es común que el 3C se transforme específicamente en 6H. Otras transformaciones β → α y α → α también han sido reportadas, como por ejemplo las 3C → 4H, 3C → 15R, 4H → 6H.11 Las transformaciones politípicas del SiC no solamente están relacionadas a un cambio de temperatura y presión como en las transformaciones polimórficas, sino también a los cambios de esfuerzos e impurezas. Además, las transformaciones con frecuencia son irreversibles. Por ejemplo, el 3C se puede transformar a 6H a temperaturas mayores que 2000 ˚C, pero el 6H no se puede transformar a 3C a temperaturas menores que 2000 ˚C. SÍNTESIS DE SiC Entre los métodos para sintetizar SiC mediante sol-gel se puede destacar el reportado por Nakamura et al.12 en el que se utiliza como precursor un alcóxido metálico y se añade una resina fenólica con el fin de agregar carbono a la reacción; para 20 después realizar una reducción carbotérmica a presión y temperatura controlada en Ar a 1500 °C para la obtención de fibras de β-SiC. De igual manera, Raman et al.8, 13-15 sintetizaron nanofibras de SiC utilizando alcóxidos metálicos de silicio y diferentes precursores de carbono, tales como resina polimérica en solución, carbón verde, grafito, entre otros, para después efectuar una reducción carbotérmica en Ar a 1400 °C, y determinaron que el exceso de carbón residual obtenido podría ser de ayuda para la formación de CO el cual reacciona con SiO para formar SiC. Sevast’yanov et al.16 utilizaron como precursores de carbono diferentes materiales, entre los que se encontraban una resina fenólica, una suspensión de carbón coloidal, alcohol polivinilico, carbón negro (un producto de la síntesis de fullerenos) y nanotubos de carbono. La reducción carbotérmica se llevó a cabo a vacío a 1300 °C y se observó que en los primeros tres precursores de carbono, el SiC era producido en forma de partículas poliédricas con tamaños aproximados entre 40 y 100 nm en más de un 70% del producto; mientras que en los dos restantes precursores, las partículas se aglomeraron formando estructuras compactas Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. con tamaños mayores a 100 nm. White et al.17, 18 utilizaron una ruta sol-gel modificada para sintetizar polímeros de organosilanos de formulas idealizadas (RSiO1.5)n y los pirolizaron para producir SiC. En cuanto al uso de microondas para la formación de compuestos, se puede mencionar a Nagarajan et al.19, los cuales prepararon nanotubos de SiC utilizando un horno de microondas doméstico, llevando a cabo una reducción carbotérmica de sílice con grafito y después introdujeron inmediatamente el producto obtenido en agua helada. Satapathy et al.9 sintetizaron SiC en un microondas tubular a 2.45 GHz, mediante una reacción en estado sólido, por medio de Si y C. Determinaron que es posible la obtención de SiC a partir de los 900 °C, presentándose así mismo Si sin reaccionar, el cual disminuye hasta desaparecer completamente cuando la experimentación se lleva a 1200 °C, obteniendo β-SiC solamente. Aguilar et al. 20-22 prepararon este mismo compuesto por medio de una síntesis sol-gel y microondas, demostrando que el gel polimérico de sílice pirolizado al vacío produce βSiC, posteriormente, Aguilar et al.23 prepararon SiC pirolizando el gel de sílice obtenido del sol-gel en aire en tiempos entre 70 y 120 minutos, obteniendo un material con el mismo aspecto que el obtenido anteriormente a vacío. Al ser caracterizado mediante microscopía electrónica de transmisión, TEM, se obtuvieron distancias interplanares de 0.2513 nm, que coinciden con la distancia obtenida por figuras et al.24 de 0.251 nm para el β-SiC. EXPERIMENTACIÓN En este trabajo se llevaron a cabo dos procesos sol-gel. En el primero se utilizó tetraetoxysilano, TEOS, como precursor de silicio y una resina fenólica como precursor de carbono; mientras que en el segundo proceso sol-gel modificado se utilizó al feniltrimetoxysilano, PhMEOS, como precursor tanto de silicio como de carbono. En ambos se hace uso de reactivos precursores basados en silanos, aprovechando la estructura y polimerización de éstos para la formación de SiC. La hidrólisis de los precursores se efectuó con agua y se utilizaron catalizadores. Después de ello, el gel de sílice obtenido se convierte en el precursor directo del SiC, el cual fue expuesto a microondas en una cavidad multimodo a diferentes tiempos para su pirólisis. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Precursores de silicio y carbono Los reactivos utilizados como precursores de silicio fueron el feniltrimetoxysilano y el tetraetoxysilano (tabla II). Los alcoxilanos poseen excelente estabilidad térmica y son líquidos en un amplio intervalo de temperatura, el cual puede ampliarse si se utilizan sustituyentes de cadenas más largas. Se debe de tener cuidado en el manejo de ésta clase de reactivos, debido a su toxicidad. Los alcoxilanos generalmente exhiben bajos niveles de toxicidad, posiblemente esto puede asociarse a la hidrólisis de sus productos alcohólicos; no obstante, se cita como excepciones al Si(OCH3)4 (tetrametoxysilano), Si(OCH3)3 (trimetoxysilano) y el Si(OCH2CH3)3 (trietoxysilano). Los vapores de estos materiales pueden ser absorbidos directamente dentro del tejido de la córnea causando daño o ceguera total y estos efectos son raramente reversibles. Se aprovechó el grupo aromático del PhMEOS como precursor de carbonos en la reacción de sol-gel modificada, de esta manera, un solo reactivo provee el Si y C. Para la otra reacción de sol-gel, los grupos funcionales metilos (-CH3) se pierden al realizarse la gelificación, por lo que la reacción requiere de un precursor de carbono; como tal, fue elegida una resina fenólica que fue disuelta en acetona y añadida al sol de la síntesis. Solventes Otros de los reactivos usados fueron los alcoholes metanol (CH3OH) y etanol (CH2CH3OH). Estos son utilizados como solventes para la formación de una solución miscible entre los silanos y el agua, la cual hidrolizará a los silanos. Se eligió al metanol y al etanol por su afinidad con los alcóxidos utilizados, ya que presentan los mismos grupos funcionales metil (-CH3) y etil (-CH2CH3), los cuales garantizan su afinidad en solución. Catalizadores Para la realización del experimento se utilizó ácido clorhídrico diluído, HCl, como catalizador de ambas reacciones sol-gel (síntesis sol-gel ácida), ya que facilita la formación del silanol, SiOH, como producto estable de la condensación. Una 21 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Tabla II. Alcoxilanos más comunes. Reactivo Feniltrimetoxysilano (97% Aldrich) Tetraetoxysilano (Grado reactivo 98% Aldrich) Nombre común Fórmula PhMEOS C6H5OSi(OCH3)3 TEOS Si(OCH2CH3)4 Molècula vez realizada la hidrólisis y la condensación, se agregó hidróxido de amonio, NH4OH, el cual es un catalizador para la gelificación. Atmósfera Se utilizó nitrógeno, el reactor fue purgado durante 1 minuto con un flujo de gas de 2.36 L/min, para después reducirlo a 0.471 L/min al comienzo de la experimentación. Esta cantidad es suficiente para permitir que el aire del reactor salga, manteniendo una atmósfera de N2. Esta condición fue extrapolada de una norma ASHRAE 25 para ventilación que recomienda cambiar el aire de una habitación entre 4 y 10 veces por hora, manteniendo un ambiente libre de contaminación. En esta experimentación, el volumen del reactor tuvo una razón de cambio de 112 veces por hora. Microondas Una vez que se tuvieron los geles de sílice, a partir de la síntesis sol-gel, se secaron y fueron colocados en un crisol de alúmina y llevados al microondas para su pirólisis a tres diferentes tiempos: 5, 10 y 15 minutos. Se utilizó la cavidad (figura 4) de un horno de microondas convencional de 2.45 GHz de potencia variable, máximo 1200 W, modificado para efectuar la experimentación. Se fijó la tubería de alimentación del N2 a la lámina inferior de la cavidad, a ras, en donde E es cero. 22 Fig. 4. Dimensiones de la cavidad multimodo utilizada. La zona roja es la apertura por la que pasan las microondas del magnetrón hacia la cavidad. Susceptores Se utilizó como susceptor al α-SiC, el cual se sabe que es un buen absorbedor de microondas a temperatura ambiente y mayores.26 Fue colocado en forma de barra sólida de 3 cm de largo contra 3 mm de diámetro en el centro del crisol de alúmina (figura 5), quedando por encima del gel de sílice para evitar la contaminación del gel con la barra de α-SiC. Una vez que el gel fue pirolizado en el microondas, se quitó cuidadosamente el susceptor y se separó en partes superior, medio e inferior para poder caracterizar la parte media. Pudiera parecer redundante utilizar α-SiC para la formación de nanopartículas de SiC; pero los susceptores más comunes en las microondas son el SiC y el grafito; sin embargo este último es Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Fig. 5. Imagen del sistema dentro del microondas donde se llevó a cabo la pirólisis. altamente reactivo; además, si se utilizara, existiría la incertidumbre sobre si la reacción tomó el carbono de los precursores iniciales o fue obtenido por causa de la contaminación con grafito. La ventaja de utilizar α-SiC como susceptor es que, como se mencionó anteriormente, la formación del α-SiC a través del β-SiC (β-SiC→ α-SiC) no es reversible, por lo que no existe la probabilidad de la formación de β-SiC a partir del susceptor que se está utilizando ni posibilidad de contaminación por la distancia a la que se encuentra. En la figura 6 se muestra un espectro de difracción de rayos X del susceptor utilizado. Fig. 6. Difractograma del susceptor utilizado. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para el proceso sol-gel con PhMEOS (tabla III) se agregó a un vaso de precipitado este precursor, Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 agua bidestilada y metanol en relación molar de 1: 3: 2 y se agitó durante 5 minutos. Se añadió HCl en relación molar con el PhMEOS 1: 0.05 y se agitó durante 30 minutos. Se añadió NH4OH, en relación mol: volumen con respecto al precursor de 1 mol: 60 ml y se esperó 5 minutos. Al obtener el gel en el vaso se dejó envejecer un día; posteriormente, el gel fue lavado y filtrado con agua destilada para eliminar el exceso de NH4OH y de HCl. Las reacciones de hidrólisis y condensación se presentan en la figuras 7 y 8 respectivamente. Se colocó la muestra con el gel lavado en una mufla a 80 °C durante dos días para el secado y luego se molió el gel obtenido en un mortero de porcelana. Para el proceso sol-gel con TEOS y resina fenólica (tabla IV) se agregó a un vaso de precipitado el precursor TEOS, agua bidestilada y etanol en relación molar de 1: 4: 4 y se agitó durante 5 minutos. Se añadió HCl en relación molar con el TEOS 1: 0.05 y se agitó durante 60 minutos. Simultáneamente, se preparó la solución de resina/acetona, en relación de TEOS/acetona = 1 g: 3 ml y se colocó en el agitador ultrasónico 30 minutos. Al terminar los 60 min. de la hidrólisis se agregó la resina, en relación masa TEOS: resina = 1: 1.3 y se agitó otros 60 minutos. Se añadió NH4OH y se agitó con una varilla de vidrio de manera manual de ser necesario. Al obtener el gel en el vaso se dejó envejecer un día; posteriormente el gel fue lavado y filtrado con agua destilada para eliminar el exceso de NH4OH y de HCl. Las reacciones de hidrólisis y condensación se presentan en la figuras 9 y 10 respectivamente. El gel se lavó, secó y molió como en el caso del PhMEOS. El procedimiento para la pirólisis de los geles provenientes del PhMEOS y del TEOS consistió en colocar 1.5 g de muestra en un crisol de alúmina para después colocar el susceptor arriba del gel. Se ubicó el crisol a una altura aproximada de 7 cm de la base en la zona de alta densidad de microondas. Se le colocó una campana de vidrio para mantener la atmósfera de N2 el cual ingresaba por la parte baja de la campana. Los tiempos de exposición fueron de 5, 10 y 15 minutos a 1200 W, con lapsos de 30 minutos de reposo para el horno de microondas entre pruebas. Inicialmente se consideró la medición de la temperatura, pero dado el tamaño de la muestra las lecturas no son confiables, además lo más importante 23 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Tabla III. Reactivos y cantidades necesarias para la formación del gel de sílice del PhMEOS. Reactivo Feniltrimetoxysilano PhMEOS (97% Aldrich) Agua destilada Metanol(ACS Fermont) Fórmula Cantidad [g] Relación C6H5Si(OCH3)3 40 1:1 H 2O 10.9019 3:1 CH3OH 12.9269 2:1 Ácido clorhídrico (1N CRT Scientific) HCl 0.3677 0.05:1 Hidróxido de amonio (CRT Scientific) NH4OH 12.1 [ml] --- Fig. 7. Reacciones de hidrólisis del sol-gel del del PhMEOS. Fig. 8. Reacciones de condensación del sol-gel del del PhMEOS. 24 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. Tabla IV. Reactivos y cantidades necesarias para la formación del gel de sílice del TEOS. Reactivo Tetraetoxysilano TEOS (98% Aldrich) Fórmula Cantidad [g] Relación Si(OC2H5)4 41.6656 1:1 H 2O 14.4118 4:1 CH3CH2OH 36.8547 4:1 Agua destilada Etanol (Absoluto ACS Fermont) Ácido clorhídrico (1N CRT Scientific) HCl 0.3646 0.05:1 Hidróxido de amonio (CRT Scientific) NH4OH 12 [ml] --- Resina Fenólica (Baquelita - Metlab) --- 54.1653 1.3 g : 1 g CH3COCH3 162.4859 [ml] 1 g resina : 3 ml acetona Acetona (ACS Fermont) Fig. 9. Reacciones de hidrólisis del sol-gel del TEOS. Fig. 10. Reacciones de condensación del sol-gel del TEOS. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 25 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. y que comprobaría que se había alcanzado la temperatura necesaria para la pirólisis era el producto de la reacción y el aspecto final de la muestra. Se debe tener presente que el calentamiento mediante microondas fue libre, es decir que no hubo control de la temperatura y esta medición únicamente sería un registro. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La muestra para analizar se toma de la sección media, y fue caracterizada por medio de difracción de rayos X con una radiación de CuKα con una longitud de onda de 1.54 Å; y por microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. En la figura 11 se muestran los patrones de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor PhMEOS pirolizadas a 5, 10 y 15 minutos. En el patrón obtenido a 5 minutos solo coinciden dos de los picos con respecto a los del β-SiC, pero también se nota la existencia de picos a aprox. 28, 39, 54 y 78° correspondientes al grafito. 27-29 Esto nos da la idea de que aún existe carbono presente en la muestra que no ha sido pirolizado; mientras que en las muestras a 10 y 15 minutos se puede notar una mayor cantidad de picos coincidentes con los del β-SiC. Al obtener señales a 76 y 90° se descarta la posibilidad de que se haya formado otro politipo del SiC, ya que estas señales son únicas y características del β-SiC, a diferencia de otras que pueden presentarse en varios politipos. Fig. 11. Espectro de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor PhMEOS pirolizado durante 5 (MWPhT1), 10 (MWPhT2) y 15 (MWPhT3) minutos. 26 Fig. 12. “Cebollas” de grafito obtenidas en la muestra de gel de sílice con una pirólisis de 5 minutos. La figura 12 presenta una imagen HR-TEM de la muestra MWPhT1, pirolizada en 5 minutos. Se puede observar la formación de estructuras cristalinas redondas, comúnmente llamadas “cebollas” y características del grafito. Al comparar esta imagen con la obtenida por de Street et al. 30 y presentada en la figura 13 se puede confirmar la presencia de carbono libre en forma de grafito, esto coincide con la información obtenida (los picos de carbono) de la difracción de rayos X. Para que esto haya sido posible, se debió de haber llevado a cabo un Fig. 13. Imagen HR-TEM de una “cebolla” de grafito.30 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. rompimiento del grupo funcional fenil del resto de la molécula del PhMEOS para su subsecuente enlazado únicamente entre grupos feniles. En la figura 14 se presenta una HR-TEM de la muestra MWPhT2, la cual fue pirolizada en 10 minutos. Por medio del software Digital Micrograph de GATAN, se obtuvo una imagen filtrada (usando como herramienta la transformación de Fourier) de HR-TEM más nítida de una zona específica. Esta imagen muestra claramente un orden en los planos cristalinos de la partícula (figura 15). Daulton et al. 5 obtuvieron imágenes HR-TEM del SiC calculadas a partir de simulaciones de sus estructuras cristalinas. En la figura 16 se muestra la HR-TEM calculada obtenida por Daulton et al. 5 Con esto se confirma la obtención de β-SiC ya que los otros politipos del SiC son notoriamente diferentes (figura 17), e incluso Fig. 14. Imagen de HR-TEM de la muestra MWPhT2, la cual fue pirolizada en un tiempo de 10 minutos. Fig. 16. Imagen calculada HR-TEM de la muestra pirolizada a 10 minutos. La imagen se muestra invertida para su mejor comparación con la figura 14. Fig. 15. Imagen HR-TEM del β-SiC calculadas a partir de la simulación de la estructuras cristalina. 5 Fig. 17. Imágenes HR-TEM del diferentes politipos de SiC calculadas a partir de la simulación de la estructuras cristalina.5 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 27 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. en muestras formadas por ambos politipos de SiC, la diferencia es notable. 31 En la figura 18 se muestran los patrones de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor TEOS pirolizadas a 5, 10 y 15 minutos. En estas muestras se observó una mayor concordancia entre los picos obtenidos de las muestras y los reportados en literatura para el β-SiC. 3, 32-35 Así mismo, también se observó la presencia de los picos correspondientes al grafito en todas las muestras. 27-29 Esto se explica por el uso de una resina fenólica como precursor de carbono, lo cual da una mayor concentración de este elemento en las muestras, convirtiendo al Si en el reactivo limitante para la formación de SiC. En la figura 19 se presenta una imagen HR-TEM de la muestra MWTET1, a 5 minutos, en la cual se ven arreglos cristalinos. Por medio del software Digital Micrograph de GATAN se midió la distancia interplanar de la muestra, obteniendo un valor de 2.48 Å, muy cercano al valor de 2.518 Å reportado en las bases de tarjeta de difracción JCPDS 29-1129. En las imágenes HR-TEM del gel de sílice a 15 minutos también se obtuvieron distancias interplanares características del β-SiC. La figura 20 corresponde a la muestra MWTET3 presenta una distancia interplanar de 2.13 Å, la cual es similar a la reportada por Leconte et al. 31 para el plano (200) del β-SiC de 2.17 Å. Fig. 18. Espectro de difracción de rayos X de las muestras provenientes del precursor TEOS pirolizado en 5 (MWTET1), 10 (MWTET2) y 15 (MWTET3) minutos. Fig. 20. Por medio del software Digital Micrograph de GATAN se pudo verificar la distancia interplanar de las partículas, la cual corresponde a 2.13Å. Fig. 19. Imagen HR-TEM de una nanopartícula producto del gel de sílice de TEOS pirolizada a 5 minutos. 28 CONCLUSIÓN En el caso de la síntesis sol-gel con PhMEOS y su posterior pirólisis se demostró que el carbono necesario para la formación del SiC fue obtenido de los precursores agregados. Por medio de la difracción de rayos X, se pudo demostrar la presencia de β-SiC en las muestras pirolizadas a los tres tiempos; encontrando que a 5 minutos de pirólisis, aún se Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Síntesis de nanopartículas de ß-SiC mediante microondas / Karina araceli Cabriales Gómez, et al. encuentran picos característicos de grafito, esto explica la presencia de estructuras cristalinas tipo “cebollas”, típicas del grafito, en la imagen HR-TEM de la misma muestra. Se obtuvo un patrón de planos cristalinos característico del β-SiC a partir de una imagen HR-TEM, la cual coincide con imágenes reportadas en estudios de dicho material. En el caso de la síntesis sol-gel con TEOS y su posterior pirólisis se comprueba la formación de nanopartículas de tamaños aproximados a los 5 nm con distancias interplanares características del SiC. Los espectros de difracción de rayos X nos manifiestan la existencia de β-SiC en todas las muestras pirolizadas a los tres tiempos, obteniendo la mejor señal en la pirólisis a 15 minutos, donde se confirma la presencia de todos los ángulos característicos del β-SiC. En virtud de lo anterior es posible decir que: se tiene un método que produce nanopartículas de SiC mediante una combinación de sol-gel y microondas, obteniendo un solo politipo β-SiC cuando lo más frecuente en otros procesos es obtener mezclas de este politipo con α-SiC. REFERENCIAS 1. Pepe, A., Galliano, P. G. y Boeri, R. Obtención y Caracterización preliminar de recubrimientos de sílice por Sol-Gel sobre fundiciones. IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, 2000. págs. 871-877. 2. 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Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro Taylor-LQG-Fourier Luis Fernando Sánchez-Gómez, José Antonio de la O Serna Doctorado en Ingeniería Eléctrica, FIME-UANL fersago.00@gmail.com ; jdelao@ieee.org RESUMEN Recientemente los filtros TaylorK-Kalman-Fourier fueron propuestos para la estimación de fasores dinámicos, los cuales proveen de estimados instantáneos y reducen drásticamente el vector de error (TVE) por un factor de diez. Sin embargo, exhiben frecuencias de resonancia alrededor de la banda de paso, y altas ganancias inter-armónicas. En este artículo, el controlador Óptimo Lineal Cuadrático (LQ) es aplicado para diseñar filtros retroalimentados refiriéndose a los filtros TaylorKLQG-Fourier. Este método reduce las ganancias inter-armónicas y las frecuencias de resonancia alrededor de la banda de paso del filtro TaylorK-Kalman-Fourier. Los estimados de la señal obtenidos a través de esta técnica óptima son cuasiinstantáneos, otorgando estimados instantáneos de frecuencia y su tasa de cambio, preservando la sincronía con la señal para aplicaciones de control. La efectividad del algoritmo propuesto es verificada a través de las simulaciones. PALABRAS CLAVE Controlador Lineal-Cuadrático, Filtro de Kalman, Controlador LinealCuadrático Gaussiano, Fasor Dinámico, Control Óptimo. ABSTRACT Recently TaylorK-Kalman-Fourier filters were proposed for estimating dynamic phasors to provide instantaneous estimates and drastically reduce the total vector error (TVE) by a factor of ten. However, they exhibit resonant frequencies at the edges of the pass-band, and high inter-harmonic gains. In this paper, the optimal linear quadratic (LQ) control is applied to design feedback filters referred to as TaylorK-LQG-Fourier filters. This method reduces the inter-harmonic gains and the resonant frequency at the passband edges of the TaylorK-Kalman-Fourier filter. The estimates from oscillating signals obtained through this optimal technique are quasi-instantaneous, and provide estimates of the instantaneous frequency, and its rate of change, preserving its synchrony with the signal for control applications. The effectiveness of the proposed algorithm is verified through simulations. KEYWORDS Linear-quadratic control, Kalman filter, Linear Quadratic-Gaussian Controller, oscillating phasor, optimal control. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 31 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. INTRODUCCIÓN El monitoreo y control de sistemas de potencia, o cualquier otro sistema cuyo comportamiento sea sinusoidal, dependen de una estimación precisa e instantánea del fasor, especialmente cuando las señales fluctúan. Mejores estimados del fasor bajo condiciones dinámicas son obtenidos mediante un modelo de señal que asume fluctuaciones de amplitud y fase, en lugar del modelo de señal tradicional con parámetros constantes. Actualmente, el problema de estimación fasorial ha atraído mucho la atención, debido a la proliferación de dispositivos electrónicos diseñados para operar bajo condiciones oscilatorias, tal y como las unidades de medición fasorial (PMUs). Este interés se expresa a través de la norma de sincrofasores recientemente revisada. 1 Estimados del fasor bajo condiciones oscilatorios son recientemente propuestos en varios estudios. El filtro TaylorK-Kalman-Fourier (TK-K-F) 2 fue desarrollado para resolver el retardo de la Transformada TaylorKFourier (TFT). 3 La TFT es más apropiada bajo condiciones dinámicas que la Transformada Discreta de Fourier (DFT), sin embargo, ambas presentan un retardo sistemático en los estimados del fasor, mientras que el filtro TaylorK-Kalman-Fourier otorga estimados instantáneos, lo que hace posible su verdadera sincronización para aplicaciones de control. Otra importante ventaja de estos filtros es que otorga estimados no solo del fasor, sino también de sus primeras derivadas. Esto se vuelve importante ya que además de los estimados del fasor durante condiciones oscilatorias o cambios abruptos, también es necesario estimar la frecuencia del sistema, y su tasa de cambio. El objetivo principal de este artículo es mostrar la acción de control del controlador Lineal-Cuadrático basado en el principio de optimalidad de Bellman 4, 5 usando el filtro TaylorK-Kalman como observador para generar los vectores de estado de las muestras disponibles de la señal. Este método óptimo nos conduce al filtro TaylorK-LQG, y los filtros TaylorK-LQG-Fourier con nuevas ganancias de retroalimentación capaces de modificar la trayectoria de los estimados del fasor obtenidos mediante el filtro de Kalman, y mejorando su respuesta en frecuencia. Este trabajo fue motivado por la búsqueda del método 32 optimum optimorum para la estimación fasorial bajo condiciones dinámicas. Se pretende saber cuál entre mínimos cuadrados ponderados (LMS), filtro de Kalman, o el algoritmo lineal cuadrático es la mejor opción para este propósito. Todos ellos claman de ser el óptimo, pero en esta implementación emergen dificultades como se muestra en este artículo: El algoritmo del LQ no puede operar sobre las muestras disponibles de la señal, esta implementación requiere de un observador para generar los estados de la señal. En este artículo usamos el algoritmo de Kalman para cumplir con este propósito, de esta manera un método híbrido es encontrado. Por supuesto, muchas otras estrategias son posibles, es por eso que mostramos los resultados de este trabajo para estimular la investigación en este campo interesante. La principal contribución de este artículo es proveer una nueva clase de filtros, desarrollados a partir de la modificación el algoritmo clásico del LQG, y demostrar que estos filtros son capaces de mejorar la respuesta de magnitud de los filtros TK-K y TK-K-F, reduciendo sus altas frecuencias de resonancia en las bandas subarmónicas. El método LQG con un modelo flexible de la señal estima fasores de las señales de oscilación con la suficiente precisión y proporciona estimaciones fasoriales cuasi-instantáneas. Modelo de la Señal Pasabanda El filtro TK-K presentado por de la O Serna y Rodriguez-Maldonado 6 está basado en un modelo de señal con amplitud y fase como funciones variantes en el tiempo que definen las dinámicas de oscilación de la envolvente compleja. Una breve síntesis de este desarrollo se presenta con el fin de hacer de este documento más completo. En sistemas de potencia las oscilaciones de amplitud y fase pueden ser modeladas completamente por una señal pasabanda de la forma: (1) siendo a(t) la amplitud de la señal s(t) y φ(t) su fase relativa a su frecuencia fundamental ƒ1 (la derivada φ’(t) corresponde a la desviación de frecuencia instantánea). También se supone en este artículo que s(t) es de banda estrecha, es decir, su espectro se encuentra confinado dentro de una banda estrecha alrededor de la frecuencia fundamental ƒ 1. En términos de funciones exponenciales complejas, el Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. modelo de la señal puede ser simplificado como: (2) Donde p(t)=a(t)ejφ(t) es la envolvente compleja de la señal pasabanda s(t), mejor conocida como fasor oscilatorio de la oscilación. Dicho fasor es representado por una función compleja expresada en forma polar, en la cual a(t) y φ(t) son modulaciones de amplitud y fase de s(t), respectivamente. La función compleja del fasor oscilatorio p(t), puede ser aproximada por un K-ésimo polinomio de Taylor centrado en t0: (3) a partir de las derivadas de sus curvas del polinomio de Taylor, es posible obtener la matriz de transición de estados. Para τ=t-t 0 se tiene: (4) Note que la transición de estados está dada por: (5) donde pK(t) es el vector de estado, y la matriz de transición de estados se compone de la siguiente forma: (6) Para un determinado grado del polinomio de Taylor, esta aproximación es más exacta cuando t→t 0 si p(t) es una función suave. El modelo truncado puede ser aplicado en cualquier instante de tiempo t 0 con precisión suficiente, siempre que el intervalo de tiempo τ sea corto. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Esta condición se logra entre dos muestras de la señal ya que generalmente los muestreadores se aplican con periodos de muestreo muy cortos con respecto al periodo fundamental T 1=1/f 1. En este artículo se supone que la señal es muestreada a N1=16 muestras por ciclo, entonces τ=T1/16. El modelo de la señal truncado es dado por: (7) donde rK (t) es el fasor rotado, y hT extrae su primera componente, por ejemplo el vector h T=(1 0 -- 1), con K ceros. Suponiendo t0=(n-1)τ y t=nτ se tiene la transición de estados rotados discretos: (8) Donde ψ1 es el factor de fase ψ 1= e jθ1, c o r r e s p o n d i e n t e a l a f r e c u e n c i a fundamental en radianes (θ 1 =j2πf 1 τ=j2π/N). Finalmente, se obtiene la ecuación del estado de transición discreto como: (9) Y el modelo truncado de la señal: (10) Esta ecuación muestra la dependencia instantánea del modelo de señal en el fasor dinámico. El filtro Taylor-Kalman es un seguidor de señal que opera como un desintegrador instantáneo de señal, lo que ocurrirá cuando la señal de entrada esté contenida en el subespacio generado por el modelo de señal en lazo cerrado. Para el subespacio de segundo orden (K=2), es precisamente el caso de oscilaciones suaves numéricos, en donde se alcanzan errores de estimación de señal de millonésimas. La matriz de transición de estados en (9) es compleja 2(K+1)×2(K+1) y trabaja con los fasores rotados, así que para obtener los estimados del fasor dinámico, deben anti-rotarse. Note que el modelo de espacio de estados en (9) contiene la información genética del desarrollo de la trayectoria compleja de una muestra a la siguiente. El modelo en estado estable de la señal (K=0) obligaría al fasor a moverse en círculos de una muestra a la siguiente. Con la matriz de transición de estados de Taylor (6), se permite a 33 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. los estimados del fasor moverse en trayectorias más flexibles, acotadas por el termino de Taylor de mayor orden en el polinomio. A continuación se muestra cómo es que los modelos truncados de la señal se incorporan dentro del controlador LinealCuadrático. Este filtro con base en el controlador, descompone la señal de entrada en las componentes de un vector de estados. La descomposición del LQG y sus estimaciones son cuasi-instantáneas, es decir, contienen un retardo muy pequeño que es imperceptible para la estimación del fasor. Controlador Lineal-Cuadrático Gaussiano Como se acaba de mostrar, el espacio de estados del modelo dinámico de la señal incorpora las derivadas de la envolvente compleja. En lugar de utilizar solo el algoritmo de Kalman, 6 en este artículo la incorporación del controlador LQ conduce a la implementación del LQG, el cual aplica la ley de control del algoritmo del LQ como retroalimentación del vector de estado proporcionado por el filtro óptimo de Kalman. El control LQG puede ser aplicado tanto en sistemas invariantes en el tiempo así como en sistemas variantes en el tiempo. 7 Esta última característica permite diseñar controladores de retroalimentación lineal para sistemas de no lineales inciertos. El controlador LQG es resuelto mediante el siguiente par de ecuaciones de Riccati: (11) (12) En estas ecuaciones, Φ es la matriz de transición de estados, S es la solución positiva de la ecuación (11), la cual provee las ganancias óptimas del controlador LQ, y P es la solución positiva y simétrica de (12) que resuelve el problema de estimación lineal-cuadrática, necesaria en el diseño del filtro de Kalman. 8 Las ecuaciones algebraicas discretas de Riccati, (11) y (12) son las siguientes. 9 (13) se nota la similitud entre ellas, lo que se conoce como dualidad.11 Se trata de dos esquemas que juntos resuelven el problema de control LQG. Cada esquema puede ser separado y resuelto de manera independiente mediante el principio de separación. 11 En contraste con este principio y la solución clásica del LQG, 12 este trabajo propone una alternativa del controlador LQG, la cual consiste en resolver ambos esquemas a través de la ecuación en diferencias de Riccati (12), substrayendo la ecuación (11). Los observadores obtenidos mediante este algoritmo son capaces de mejorar las estimaciones fasoriales en condiciones oscilatorias. El espacio de estados del modelo de señal usado en el algoritmo del LQG es obtenido de las derivadas del polinomio de K-ésimo orden de Taylor, correspondiente a una aproximación de Taylor del modelo de la señal pasabanda dada una señal de entrada. Controlador LQ y Filtro de Kalman El algoritmo del controlador LQG se presenta a continuación. El diagrama esquemático se ilustra en la figura 1. Está basado en la siguiente ecuación de estado: (15) donde x(n) y Φ son el vector de estado y la matriz de transición de estados definida en (9), Γ es el vector de entrada con 2(K+1) unos, para retroalimentar igualmente a los estados del sistema, mientras u(n) es la entrada proporcionada por la retroalimentación del LQG, y v(n) es ruido blanco gaussiano (WGN). Por otro lado, el modelo de observación es: (16) (14) La ecuación (13) tiene la particularidad que es resuelta hacia atrás. 4 Observando ambas ecuaciones, 34 Fig. 1. Diagrama General del Sistema. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. el cual corresponde al modelo de señal en (10), pero afectado por WGN aditivo ω(n). Finalmente, el algoritmo recursivo LQG es formado básicamente de dos principales secuencias: la primera (I) calcula el vector de ganancias hasta que las ganancias de Kalman se encuentran en estado estable, mientras que la segunda (II) filtra la señal mediante la aplicación de las ganancias en estado estable. Los pasos para ambas secuencias para el n-ésimo ciclo aparece a continuación: I. Para n de 1 hasta Nss A. Actualización del estado 1) Predicción del estado (17) 2)Error de Covarianza a Priori (18) B. Actualización de la Medición 1) Ganancia de Kalman (19) 2) Corrección del Estado (20) 3) Error de Covarianza a Posteriori (21) 4) Ganancia LQ (22) donde σv y σω son las varianzas de entrada y la medición de ruido, respectivamente. r=1 se refiere al peso de control para un sistema de entrada singular y salida singular; si r es muy grande, cancela el efecto de retroalimentación de L. El proceso comienza con x(0)=0, y P(0)=1×109 para la matriz de error de covarianza inicial desconocida del estado. Una vez que las ganancias de Kalman se encuentran en K̅ = K(N ss), la ley de control LQ es aplicada mediante la siguiente secuencia: II. Para n de n>Nss hasta Nend C. Estado de retroalimentación 1) Predicción del estado (23) 2) Actualización del estado (24) Note que la predicción del estado en (23) contiene la ley de control del algoritmo LQG propuesto, el 2 2 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 cual difiere de la clásica (u(n)=-L ̅x ̂(n-1)). Esta peculiaridad es explicada en el siguiente párrafo. Vale la pena señalar también que la carga computacional del proceso de filtrado LQG se reduce sólo a (23), (24) y la antirotación. El algoritmo propuesto es entonces una estrategia sofisticada del LQG basada en la solución del LQ y el algoritmo del filtro de Kalman mediante (24). Para más implementaciones alternativas, conocidas como estrategias sofisticadas. 13 El sistema LQG es resuelto por (14) en lugar del par de ecuaciones de Riccati, porque en esta aplicación solo disponemos de las muestras de señal. Esta ecuación contiene en su estructura fundamental, el vector H el cual extrae el fasor y conjugado complejo que sintetiza la componente de señal, proporcionando la matriz P de la cual K(n) y L(n) son calculadas. Note que el factor inverso en el último termino en (14) es escalar, por lo tanto puede definir la matriz Q=HTH, la cual pondera P(n), de tal modo que los elementos de P que tienen que ver con el primer estado y su complejo conjugado permanezcan, anulando los elementos relacionados con los otros estados. El mismo principio puede ser usado cuando el factor inverso es matricial. En este caso el lema de inversión de matrices puede ser usado. Esta es la razón por la cual solo se implementa (14). Una vez que las ganancias estables de Kalman son obtenidas como en la referencia 6, la matriz de transición de estados propuesta en (23) del controlador óptimo LQ es la siguiente: (25) Esta matriz de transición es propuesta en lugar de la clásica (Φ-ΓL ̅ ) porque es inestable, con dos muy lejos raíces fuera del círculo unitario. Este inconveniente fue resuelto transponiendo la matriz ΓL ̅ como se indica en (25) para asegurar estabilidad. De hecho la matriz transpuesta tiene en cada una de sus filas, cada una de las ganancias de L correspondientes; de esta manera, el mismo valor constante es sustraído de cada fila de Φ, asegurando la estabilidad en nuestro caso. Esta opción es posible porque la ley de control no tiene restricciones de diseño, y la transpuesta conserva el rango de la matriz. 14, 15 Por otro lado, esta solución puede ejecutarse junto con el algoritmo de Kalman, formando un sistema híbrido de control. Las ganancias LQ del sistema son fijadas junto con las ganancias de Kalman, es decir, L ̅=L(Nss). 35 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. En este artículo, las ganancias de Kalman son fijadas cuando se alcanza el primer estado estable, como en la referencia 6. Otro criterio de paro para las ganancias de Kalman puede ser consultado en la referencia16. La aproximación propuesta LQG en (22) está basada en la idea de que la ecuación solución para Kalman (14) provee mejor estabilidad ya que toma en cuenta las matrices Γ y H. Pero, incluso si no se tiene una justificación teórica para explicar por qué el estimador propuesto funciona correctamente, la eficencia del algoritmo propuesto se verifica a través de las simulaciones y los resultados experimentales de la siguiente sección. Resultados Numéricos Esta sección ilustra los estimados del fasor y sus primeras derivadas de la señal oscilatoria, al igual que las señales de prueba del estándar 1 con un paso en amplitud y fase, y una rampa en frecuencia. A. Señal Oscilatoria De acuerdo con la señal pasabanda (1), se diseña una señal de prueba mediante las siguientes funciones de amplitud y fase para una portadora a f1=60 Hz: Fig. 2. Estimación de Amplitud y Fase usando el algoritmo LQG con φ0. mostrados a continuación. El incremento en el orden del modelo de señal, los cuales son más cercanos a las funciones ideales amplitud y fase, pueden ser vistos en la figura 3. Los errores de amplitud y fase para K=0 y K=2 son mostrados en la figura 4. Por otro lado, la figura 5 muestra los estimados de las primeras derivadas de (a) amplitud y (b) fase. Las derivadas corresponden a la velocidad de la amplitud de la oscilación y a la frecuencia de (26) cuyos parámetros son: a0=1, a1=0.1, y fa = 5 Hz, para la amplitud y φ0=1, φ1=0.1, y fφ = 5 Hz, para la fase. Otras características de la señal son σv2=0.01 y σ ω2=10 -4, en otras palabras las varianzas de entrada y la medición de ruido, respectivamente. Esto corresponde a una relación señal-ruido de 37 dB, equivalente a la producida por un convertidor análogo-digital de 6 bits. 1) Modelo de Orden Cero: El algoritmo LQG con el modelo de orden cero Φ0, el cual corresponde al modelo tradicional con amplitud y fase constante, no mejora los resultados del filtro TaylorKKalman visto en la referencia 6 como se puede ver en la figura 2. Se puede ver el mismo efecto corrugado y el retardo en los estimados, lo que demuestra que el supuesto contante excluye la información necesaria para estimar las fluctuaciones. 2) Modelo de Orden Dos: Los resultados obtenidos con el modelo de orden dos Φ2, son 36 Fig. 3. Estimación de Amplitud y Fase usando el algoritmo LQG con φ2. offset (con respecto a la frecuencia fundamental), respectivamente. Aparentemente dichos estimados no son suaves como los estimados del fasor, debido a su aparente comportamiento ondulatorio. La calidad de los estimados LQG es baja respecto a los estimados obtenidos con el filtro de Kalman en la referencia 6. La figura 6 ilustra el error absoluto Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. alcanzado. Se puede observar que el error se debe principalmente a un retraso aparente. El vector de ganancias de Kalman de este ejemplo fue tomado de su primer periodo de estado estable ocurrido al final del primer ciclo. Se observa que en el primer ciclo fundamental, el comportamiento de los estimados es similar al mostrado en figuras previas, pero después de ese intervalo de tiempo, las ganancias se degradan adoptando un comportamiento muy similar al del modelo de orden cero. Entonces el vector de ganancias de Kalman es fijado en su primer periodo de estado estable. La primera mitad del vector de ganancias es el siguiente: Fig. 4. Error relativo de amplitud y error absoluto de fase. Donde la segunda mitad es el conjugado complejo de la primera. Mientras que el vector de ganancias correspondiente del controlador LQ, es fijado en el mismo instante de tiempo que el vector de Kalman, obteniéndose: Una vez que estas se estabilizan, la respuesta en frecuencia del filtro y su comportamiento dinámico son invariantes, como se puede ver a continuación. Fig. 5. Estimados de velocidad y frecuencia del LQG con φ2. Fig. 6. Error absoluto de velocidad y frecuencia con Φ2. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 B. Señal con Paso en Amplitud y Fase La figura 7 ilustra los errores de estimación sobre (a) amplitud y (b) fase de la señal con un paso de escalón de 1 a 1.1ejπ/18 en t=0, como es indicado en la referencia 1, mientras que en la figura 8 se muestran los estimados de sus derivadas, respectivamente. . Fig. 7. Errores de estimación en amplitud y f a s e o b t e n i d o s c o n l o s f i l t r o s T 2- K y T 2LQG de la señal con un paso en amplitud y fase. 37 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. Como se puede observar, tomando en cuenta una banda de tolerancia del 5%, 14 el tiempo de asentamiento es aproximadamente de 2 ciclos, haciendo que el transitorio presentado por el LQG sea mejor que el del filtro de Kalman. Fig. 8. Estimados de la primera derivada de amplitud y fase obtenidos con los filtros T2-K y T2-LQG de la señal con un paso en amplitud y fase. C. Análisis de Sensibilidad al Ruido Otro análisis interesante tiene que ver con la sensibilidad de los estimadores ante WGN aditivo en la señal de estado estable. La figura 9 muestra el nivel de ruido en la amplitud de salida en dB, así como la cota de CramerRao (CRB), cuando el SNR de la señal de entrada se incrementa. Como podemos ver, ambos filtros tienen sensibilidad al ruido similar, la cual es 1.25 mayor que la CRB en 10 dB y casi igual a 100 dB de SNR. D. Señal con rampa en frecuencia La figura 10 ilustra los estimados de (a) amplitud y (b) fase de la señal con una rampa de frecuencia de 2 Hz/s, mientras que la figura 11 los estimados de sus derivadas, respectivamente. Podemos ver que los estimados de fase son mejores que los de amplitud. La respuesta en frecuencia del algoritmo LQG tiene una ganancia plana superior más corta que el filtro de Kalman, esto es porque la amplitud de los estimados del algoritmo LQG son más altos que los del filtro de Kalman. Con respecto a los Fig. 10. Estimados de magnitud y fase obtenidos con los filtros T2-K y T2-LQG de la señal con una rampa en frecuencia. Fig. 11. Señal con rampa de frecuencia. estimados de las derivadas, podemos ver que los estimados de frecuencia de ambos filtros son bastante bueno, y la rampa en frecuencia es vista como un incremento en amplitud por ambos filtros. Nuevamente, el algoritmo LQG es peor que Kalman. Fig. 9. Nivel de ruido en la amplitud de salida de los filtros T2-K y T2-LQG cuando la entrada es una señal de estado estable con ruido aditivo. 38 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL FILTRO TAYLOR-LQG La respuesta en frecuencia del filtro Taylor-LQG es obtenida a través de la transformada z de la ecuación de estado (27) Con la ganancia de Kalman K en estado estable. La transformada z de (27) es Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. (28) y resolviendo para x ̂(z), se tiene (29) Entonces la función de transferencia entre los estados del modelo de la señal y la señal de entrada está dada por (30) dos derivadas. La figura 13 muestra la respuesta de magnitud del primer (gráfico superior) y segundo (gráfico inferior) derivador estimado. Ambos filtros también tienen ganancia nula alrededor de la Y las respuestas en frecuencia de los estados del filtro se obtienen evaluando la función de transferencia en G(z) a z=ejθ, para -π<θ≤π. A. Respuesta en Frecuencia del Filtro Taylor2-LQG Los gráficos (a) y (b) en la figura 12 muestran la respuesta de magnitud y fase de los estimados del fasor del filtro. A diferencia de la respuesta de magnitud del filtro de Kalman, vista en la referencia 2, la respuesta de magnitud del filtro LQG no exhibe frecuencia de resonancia cercana a la frecuencia nula; sin embargo, continúa presentando ganancias armónicas altas. Por lo tanto el filtro trabaja solamente cuando el espectro de la señal está confinado dentro de los intervalos de las ganancias planas. Una característica importante, es la respuesta de fase que es casi nula alrededor de la frecuencia fundamental. Esto significa que los estimados del fasor proporcionados por el filtro son cuasiinstantáneos. Esto explica por qué las estimaciones fasoriales mostradas en la figura 3 son muy cercanas a la señal dada. El algoritmo del filtro Taylor2-LQG provee también de los estimados de las primeras Fig. 12. Respuesta en frecuencia del Filtro Taylor2-LQG para varias frecuencias de muestreo. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Fig. 13. Respuesta en Magnitud del primer y segundo diferenciador del filtro Taylor2-LQG frecuencia fundamental negativa, lo que significa que rechaza esa componente. Estos filtros también exhiben altas ganancias armónicas lo que significa que son muy sensibles al ruido esperado. B. Efecto de la Ganancia de Retroalimentación El comportamiento mostrado por el filtro Taylor2LQG difiere muy poco respecto al comportamiento del filtro Taylor2-Kalman, que a pesar de que las ganancias del controlador LQG son relativamente pequeñas, son suficientes para mover los polos y ceros modificando el comportamiento del filtro, y reduciendo las resonancias mostradas en la referencia 12. Fig. 14. Polos y Ceros del filtro Taylor2-Kalman en lazo cerrado. 39 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. Por lo tanto son capaces de redefinir la trayectoria óptima proporcionada por el filtro de Kalman. Esto es debido a que las ganancias L ̅ mueven la posiciones de polos y ceros de la figura 14 a los mostrados en la figura 15. El principal cambio consiste en reducir los módulos del par complejos de polos y ceros, los cuales acortan la respuesta al impulso del filtro. Este cambio los diferenciadores alrededor de cada armónica, la matriz de transición de estados del modelo de señal necesita ser extendida para todas las armónicas de interés. Por ejemplo, se la señal es muestreada a N=2l muestras por periodo, y todas las armónicas son incluidas, entonces la matriz de transición extendida es de la forma: (31) Fig. 15. Polos y Ceros del filtro Taylor2-LQG en lazo cerrado. Como se puede ver, la matriz de transición TaylorFourier es una matriz diagonal cuyos elementos son la submatriz Φ2 multiplicada por los factores de fase rotatorios {ψk, k=0,1,…,15}. La matriz extendida es (K+1)N×(K+1)N; sin embargo, el costo computacional para calcular la transición de un estado no es [(K+1)N]2, sino [(K+1) ]2 N/2 debido a su naturaleza diagonal, y la forma triangular superior de ΦK. Esta reducción es importante porque una vez que las ganancias de Kalman son estables, el algoritmo del LQG es ejecutado solo con las ecuaciones de predicción del estado. (23) y la actualización del estado (24). El vector H de la ecuación de salida (16), para K=2, es de la forma: (32) Entonces se requieren sólo N productos para estimar la señal del vector de estado. Fig. 16. Respuesta Impulsional de puede ser mejor apreciado comparando las respuestas al impulso de ambos filtros en la figura 16. Note una respuesta al impulso con ligeras oscilaciones, con una concentración de energía cerca del origen. Filtro TaylorK-LQG-Fourier El filtro Taylor K-LQG garantiza ganancias ideales del diferenciador alrededor de la frecuencia fundamental. Para obtener ganancias ideales para 40 A. Taylor2-LQG-Fourier La figura 17 muestra la repuesta en magnitud y fase de las primeras armónicas del filtro Taylor2LQG-Fourier, junto a la respuesta del filtro Taylor2-Kalman-Fourier. Note que ambos filtros se comportan como un filtro valla, es decir, extrae una armónica oscilante, rechazando el resto. Además, las altas ganancias interarmónicas son mitigadas considerablemente, y las ganancias planas nulas son preservadas, aunque sus intervalos sean más estrechos. Por otro lado, la respuesta de fase bajo la banda de paso ideal sigue siendo nula plana, indicando un retraso insignificante en los estimados del fasor. Una gran ventaja de estos estimados, es que son de gran utilidad para aplicaciones de control. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. del fasor, junto a los estimados de los derivados del filtro de Kalman, ya que ambos son aplicados simultáneamente en el algoritmo propuesto. De esta manera, en la siguiente sección ilustraremos los resultados obtenidos con ambas técnicas. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se analizan los estimados fasoriales de las señales de (a) voltaje y (b) corriente mostradas en la figura 19. Dichas señales fueron muestreadas a una tasa Fig. 17. Respuesta en Frecuencia del Filtro T2-LQG-F. Fig. 19. Señales de voltaje y corriente. de 16 muestras por ciclo de un sistema de potencia de Sudamérica. Fig. 18. Respuesta de Magnitud del primer y segundo diferenciador asociados al Filtro T2-LQG-F. La figura 18 muestra la respuesta de magnitud para el (a) primer y (b) segundo diferenciador del fasor. Note que cercanos a la frecuencia fundamental la respuesta de magnitud exhibe ganancias del diferenciador ideales. Sin embargo, ambos diferenciadores pierden sus ganancias nulas planas alrededor del resto de los armónicos. En lugar de ello, exhiben ganancias parabólicas alrededor de estas frecuencias. Esto significa que cada estimado de los derivados armónicos contendrá la infiltración de los segundos derivados del resto de los armónicos. Entonces, el algoritmo LQG mejora los estimados del fasor del filtro de Kalman pero empeora los estimados de sus derivados. Este inconveniente puede ser resuelto tomando del LQG los estimados Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 A. Señal de Voltaje Los módulos de los estimados fasoriales de la señal de voltaje son mostrados en la figura 20 (a), con el error de estimación de la reconstrucción de Fig. 20. Estimados de Amplitud de la señal de voltaje (a) y error de reconstrucción de señal (b). 41 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. la señal en el gráfico (b). Dado que no contamos con una envolvente teórica, no podemos estimar el error fasorial, como en el caso de la señal teórica. Estos resultados son obtenidos con el filtro LQG con K=0 y K=2. Es evidente que las fluctuaciones de voltaje crecen con el tiempo, con valles más profundos. También es notorio que el error de estimación de la señal disminuye cuando el grado de los polinomios de Taylor aumenta. Note que el nivel del error de estimación de la señal es muy bajo, indicando un muy buen estimador de señal. Sin embargo, nuestro problema no es estimar la señal, sino los parámetros del fasor. De modo que, los bajos niveles de los errores de la señal se obtienen con las estimaciones de la amplitud del fasor contaminado por ruido proporcionados por el modelo de segundo orden. El gráfico (a) en la figura 21 muestra los Fig. 21. Estimados de Amplitud de la señal de voltaje (a) y su primer y segunda derivada en (b) y (c). Fig. 22. Estimados de fase de voltaje (a) y primer y segunda derivada en (b) y (c). 42 estimados de amplitud del LQG y Kalman, con los primeros y segundos derivados de Kalman en los gráficos (b) y (c), respectivamente. Es claramente visible que las estimaciones de amplitud de la señal de voltaje difieren un poco. Podemos ver que los estimados de sus derivados, incluso si son ruidosos, se pueden utilizar para detectar los puntos críticos de la señal de amplitud. La misma conclusión se puede sacar de las estimaciones de fase en la figura 22, que corresponden a las estimaciones de fase del LQG, y Kalman de la fluctuación de la frecuencia fundamental y su tasa de cambio, respectivamente. B. Señal de Corriente Los estimados de la señal de corriente se muestran en las figuras 23-25, conteniendo parámetros equivalentes de la señal de voltaje en las figuras 20-22. Podemos ver en el gráfico (a) de la figura 23, que las estimaciones de amplitud son bastantes similares, además de que la señal de corriente está creciendo, indicando inestabilidad en el sistema de potencia. El nivel de error alcanzado por las estimaciones de señal de corriente es similar a la de la señal de voltaje. Por otro lado, las estimaciones de los derivados de amplitud y fase que se ilustran en las figuras 24 y 25, tienen las mismas propiedades que se encuentran en las estimaciones de la señal de voltaje. Del análisis de la señal de voltaje y corriente se puede concluir que el sistema está en un estado de pesado estrés. Sin embargo, las estimaciones son bastante buenas, y se pueden utilizar en aplicaciones de control a causa de su retardo insignificante. Fig. 23. Estimados de amplitud de la señal de corriente (a) y error de reconstrucción de señal. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Estimados del fasor dinámico bajo el principio de optimalidad de Bellman: el filtro... / Luis Fernando Sánchez Gómez, et al. Bellman en el problema de estimación fasorial, pero más trabajo de investigación se debe hacer para encontrar mejores soluciones alternativas. Por ejemplo, para implicar a los derivados de señal en el error con mayores ganancias en el vector de entrada, o mediante la propuesta de una matriz de entrada en lugar de un vector. Fig. 24. Estimados de amplitud de corriente (a) y primer y segunda derivada en (b) y (c). Fig. 25. Estimados de fase de corriente (a) y primer y segunda derivada en (b) y (c). La aplicación del principio de Optimalidad de Bellman en el lazo de control LQ de un sistema modelado es un algoritmo óptimo clásico. Sin embargo, como en nuestro problema de estimación del fasor solo tenemos la señal disponible, el algoritmo de Kalman es usado para proveer de los estimados de estado requeridos por el algoritmo LQ. Además la solución LQR produjo estimaciones fasoriales muy pobres, independientemente del orden de Taylor utilizado en el modelo de señal. Finalmente, la ley de control clásica rindió soluciones inestables. La solución propuesta resuelve estos inconvenientes. Esta solución es sugerida como un punto de partida en un proceso iterativo de selección.17-19 En este primer intento, se utilizaron los criterios descritos en el documento para abrir el camino a la aplicación del principio de la Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 CONCLUSIÓN Es posible aplicar la acción de control LQ en los filtros TK-K y TK-K-F para mejorar los estimados del fasor. La principal ventaja de los filtros LQG es que mejoran la respuesta en magnitud reduciendo las frecuencias resonantes cercanas a la frecuencia fundamental, así como las ganancias de interarmónicas el filtro de Kalman. Sin embargo, el control LQ degrada los estimados de las derivadas del filtro de Kalman. Por lo tanto, el esquema propuesto en este trabajo consiste en tomar las estimaciones del fasor del filtro LQG, y las estimaciones de sus derivadas del filtro de Kalman. REFERENCIAS 1. 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Describe la relación entre el diseño ideal por computadora y las desviaciones naturales del proceso de construcción. Para la calibración cinemática del brazo se utilizan las funciones de transformación geométrica 3D. La calibración de forma se logra a través de un cuadro experimental de mediciones utilizando un patrón de FIMcalibración. Como resultado se muestra la digitalización de un objeto 2D en el espacio R3. PALABRAS CLAVE Máquinas de coordenadas, digitalizador 3D. ABSTRACT The geometric reconstruction and measurement plays a key role in manufacturing. In the last ten years the 3D technology has become more popular, but the market demands such technology to be cheaper, faster and easier to use. This work presents the design and construction of a measurement arm, to be used as a 3D scanner. The work also describes the relation between ideal design and natural production deviations. For the kinematic calibration 3D transformations were used. The form calibration is achieved through pattern measurement experiments. As preliminary result 2D scanned objects in R3 are presented. KEYWORDS Coordinate Measuring Machines, 3D scanner. INTRODUCCIÓN La digitalización de geometrías tridimensionales se ha convertido en un proceso crítico que apoya fuertemente la manufactura. Hoy en día existe suficiente oferta de digitalizadores 3D en el mercado. Las limitaciones de dichos sistemas han sido objeto de investigaciones como las de Iuliano et al. 1, Yang et al. 2 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 45 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Wu et al. 3 Aunque la implementación de dichas tecnologías ha llegado completamente a los trenes productivos, 4-6 en el caso de México no han penetrado significativamente al mercado nacional. Ver la Prospectiva Tecnológica Industrial de México 2002-2012 en el Sector 8 Diseño y Automatización, área 8.1 Diseño. El proceso de producción para objetos con superficies complejas 7, 8 permite {1} la digitalización de objetos con facilidades que implican usuarios con el mínimo de requerimientos cognitivos; ello abarata el proceso y permite una mejora de las características estéticas y funcionales del producto (optimización del proceso de diseño con la introducción de métodos de ingeniería inversa); {2} nuevas funciones para el diseño estilístico, para permitir mejores resultados: mejor calidad y menor tiempo invertido en el diseño y {3} una arquitectura nueva de sistema tipo modular, que permitirá a las pequeñas y medianas empresas acceder a los sistemas de diseño alternativo, hasta ahora fundamentalmente usados por las grandes empresas. El objetivo principal es reconstruir en computadora la geometría de un objeto. Para lograrlo es necesario alcanzar las metas: • Diseñar y construir un sistema propio para la captura de coordenadas espaciales. • Compensar los errores mecánicos y elaborar algoritmos de cálculo. • Enlazar los algoritmos con una interfaz flexible dentro de un programa de CAD comercial. El presente proyecto apoya los trabajos desarrollados por los autores sobre optimización geométrica usando algoritmos de crecimiento biológico,9-13 en el desarrollo de un sistema que permita la digitalización de objetos de geometría compleja.14-16 por TCP (Tool Center Point). El cálculo de las coordenadas del TCP incluye no solamente el análisis del mecanismo, sino también las consideraciones de calibración individual de los componentes, así como el de todo el sistema en general. Si el TCP está posicionado en un objeto, las coordenadas del TCP serán las del punto de contacto de la probeta con el objeto. El uso exhaustivo de esta condición permite la captura de puntos a lo largo del objeto, y por lo tanto, de la geometría de éste. La metodología utilizada para la construcción del brazo digitalizador fué: • Modelo cinemático, construcción y ensamble de los elementos mecánicos. • Calibración cinemática y de forma. • Programación de algoritmos para el cálculo utilizando transformaciones geométricas. • Creación de la interfase de usuario. • Pruebas de medición. La calibración cinemática calibra los parámetros de las funciones de cinemática directa que describen el mecanismo. 17-20 Se calculan los valores tridimensionales de posición y orientación suponiendo que cada miembro es perfecto y no se ve afectado por factores tales como deformaciones por fuerza, temperatura, etc. La calibración de forma calibra los errores de ensamble y construcción. 21, 22 Una vez calibrado, si se coloca el brazo de tal forma que el TCP toque a un objeto en cuestión, por compensación geométrica es posible calcular el valor de coordenadas del punto del objeto que se está tocando. Un sistema electrónico supervisa codificadores angulares de cada grado de libertad. Los valores angulares son los datos de entrada de un algoritmo para el cálculo del TCP, y a través de la transferencia a un ambiente CAD de computadora. Esto convierte al brazo en una máquina de medición. METODOLOGÍA El brazo es un mecanismo articulado sin elementos motrices para ser movido y colocado de forma manual, manteniendo el sistema de referencia fijo. Cada articulación tiene acoplado un sensor digital, que codifica el valor angular de la articulación. La punta consta de un palpador recto o probeta, cuyo punto de contacto en la jerga técnica es conocido MODELO CINEMÁTICO DEL MECANISMO Sea {L} (ecuación 2) el vector de valores de construcción y {θ} (ecuación 3) el vector de valores de posición. La ecuación (1a) calcula la traslación para cualquier sistema local de coordenadas, mientras que las ecuaciones (1b, 1c, 1d) calculan las rotaciones X,Y,Z de los ejes locales con respecto al sistema universal. 46 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Las distancia entre cada articulación de la cadena son: LT = (1 4 6.25 3.69 4 4 0.5 0.5) (ec. 2) Los valores angulares están dados por la constante de resolución del codificador angular y el valor numérico del contador de pulsos: (ec. 3) El vector {P} representa los ejes locales de cada articulación. (figura 1). (4) Fig. 1. Ensamble completo del brazo digitalizador. Se destacan el sistema de referencia XYZ y el punto final del brazo TCP. (1a) (1b) (1c) (1d) Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Nótese que los argumentos de la transformación lineal y la posición en la multiplicación matricial de las rotaciones Rx, Ry, Rz identifican la construcción geométrica del mecanismo. La multiplicación de todas las matrices de transformación mostradas en (ec. 4) representa la ecuación del modelo del mecanismo. PT := P0P1P2P3P4P5P6P7 (5) PT es también una matriz homogénea 3D, por lo que las coordenadas del punto de medición TCP es la columna resultado de la matriz. (6) TCP = PT <3> COMPONENTES Y ESTRUCTURA DEL BRAZO DIGITALIZADOR Las articulaciones del brazo digitalizador son de dos tipos: 1) Articulación de codo: con un rango de trabajo de 300°. Figuras 3a y 4a. 2) Articulación radial: con un movimiento angular libre nπ. Figuras 3b y 4b. 47 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. El ensamble completo consta de tres articulaciones de codo y tres de tipo axial, unidas por cuatro cilindros rectos de 2 pulgadas y uno de 4 pulgadas. La figura 5 muestra las piezas maquinadas y el ensamble final. Como herramienta se acopló un palpador recto. LOS SENSORES DE ARTICULACIÓN Y SU SISTEMA DE SUPERVISIÓN El sistema 586-drive es un controlador programable en C/C++ basado en un procesador Elan AMD SC520 de 32 Bit a 133 MHz. Este sistema combina un procesador de alto desempeño de la generación 586 con un extenso grupo de características de entrada y salida industriales en una solo tarjeta. (a) (b) Fig. 3. Tipos de articulaciones de los que se compone el brazo digitalizador (a) articulación tipo codo, y (b) articulación axial. (a) (b) Fig. 4. Diagrama de ensamble del sensor con las articulaciones de la figura 4: (a) articulación tipo codo, y (b) articulación axial. Fig. 2. Dimensiones de construcción para el cálculo del vector L de la ecuación (2). Los valores están dados en milímetros. 48 La tarjeta QD8 permite controlar hasta ocho codificadores de cuadratura 63QDL-3-P de 4096 pulsos por revolución. La tarjeta QD8 se interconecta con una controlador (SC520) a través de un bus de datos de 8 bit de alta velocidad. Esto es especialmente importante, pues el reto de mantener todos los valores angulares sin pérdida de información requiere de electrónica de alta velocidad. La tarjeta controladora se muestra en la figura 6, mientras que el acoplamiento mecánico del sensor en la figura 4. El sistema 586 drive y la tarjeta Qd8 administran los pulsos de los seis codificadores angulares. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Es importante hacer notar que este sistema es un producto comercial que garantiza el manejo paralelo de interrupciones de ocho codificadores, pues la sincronización de los pulsos de cada sensor y la consolidación de la información de los ocho contadores para una posición es crítica. Los valores de los contadores de los codificadores se transfieren por el puerto serie RS232 cuando el usuario presiona el pedal de comunicación. Véase la figura 7. AMBIENTE CAD Y SU ESTRUCTURA DE PROGRAMACIÓN La tarjeta electrónica 586 drive, que controla los codificadores angulares de las articulaciones tiene conexión a una computadora por medio de un puerto RS232. El programa residente en la computadora que hace uso de los valores angulares es un algoritmo desarrollado para Rhinoceros, un ambiente de CAD programable, que permite la colocación de un punto por cada bloque de información que conforma la posición del brazo en el momento de la medición. La figura 8 muestra el diagrama a bloques del procesamiento de información. El bloque de transformaciones geométricas es el algoritmo de la implementación de la ecuación 5. La figura 9 muestra el algoritmo ejecutándose en el ambiente de CAD Rhinoceros. (a) (b) Fig. 5. (a) maquinado en taller de las piezas de las articulaciones de la figura 4 y (b) Ensamble del brazo digitalizador. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 49 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Fig. 6. Sistema 586 drive con la tarjeta QD8 para la administración de los codificadores angulares. Los valores numéricos de las desviaciones se presentan en las tablas I (porcentual) y II (pulgadas). La figura 10 muestra una fabricación aceptable en la zona en donde opera la articulación con desviaciones no mayores a 0.01. La desviación de maquinado máxima se presenta en la sujeción del componente, y no presentando excentricidad, es irrelevante para efectos prácticos. Los histogramas de las figuras 11 y 12 permiten concluir que el componente tiene una geometría fiel al diseño: el 65% de las mediciones CÁLCULO DEL ERROR DE MAQUINADO Para la calibración de forma fue necesario que el maquinado de las piezas tuviese una desviación de construcción mínima. Esto garantiza que el mecanismo tenga mínimo error con respecto al modelo matemático (ecuación 6). El análisis de desviación se hizo utilizando una máquina de Fig. 8. Diagrama a bloques del algoritmo del plugin para Rhinoceros. Fig. 7. Sistema de adquisición de puntos para Rhinoceros utilizando un plugin desarrollado exprofeso. coordenadas en cada pieza maquinada (figura 5a). A continuación se presentan los datos de medición del componente P2 y su comparativo con respecto al archivo de CAD. El número de puntos muestreados para este componente fue de 680329. El rango de los valores extremo del componente es: • Máx: +0.097 a -0.097 pulg. (2.4638 mm) • Mín: +0.007 a -0.007 pulg. (2.4638 mm) 50 Fig. 9. Plug-In para el programa CAD Rhinoceros recibiendo el estado numérico de los codificadores. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. tienen una desviación máxima de 0.007 (0.1778 mm), y éstas no ocurren en zonas de funcionalidad. Haciendo ajustes de mínimos cuadrados para el plano: RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para la evaluación se utilizó un bloque patrón de mármol de calibración certificada. Se muestrearon puntos a lo largo de la superficie y se evaluó la nube de puntos arrojada por el brazo digitalizador utilizando el bloque patrón como un plano ideal de referencia. 23, 24 Las coordenadas medidas con el brazo fueron ajustadas a un plano utilizando mínimos cuadrados (ecuaciones 7 y 8). (7) (8) Resolviendo X = MB * MA-1 Tabla I.- Porcentaje de desviaciones. >=Min (pulg.) <Max (pulg.) # Puntos % -0.097 -0.082 -0.082 957 0.141 -0.067 4378 0.644 -0.067 -0.052 6078 0.893 -0.052 -0.037 7725 1.135 -0.037 -0.022 18327 2.694 -0.022 -0.007 47460 6.976 -0.007 +0.007 445456 65.477 +0.007 +0.022 25009 3.676 +0.022 +0.037 29410 4.323 +0.037 +0.052 52843 7.767 +0.052 +0.067 6692 0.984 +0.067 +0.082 7562 1.112 +0.082 +0.097 28432 4.179 Fig. 10. Diagrama de colores de las desviaciones de maquinado con respecto a su diseño en CAD de un componente de articulación. Tabla II. Desviaciones estándar. Distribución (+/-) # Puntos % -6 * Std Dev 0 0.000 -5 * Std Dev 0 0.000 -4 * Std Dev 1324 0.195 -3 * Std Dev 9273 1.363 -2 * Std Dev 17279 2.540 -1 * Std Dev 300053 44.104 1 * Std Dev 236107 34.705 2 * Std Dev 75303 11.069 3 * Std Dev 9834 1.445 4 * Std Dev 31156 4.580 5 * Std Dev 0 0.000 6 * Std Dev 0 0.000 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Fig. 11. Histograma de porcentajes de las desviaciones estándar de la tabla I. 51 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Tabla III.- Valores (mm) de desviación al plano de ajuste. Fig. 12. Histograma de desviaciones estándar de la tabla II. Se encuentra el plano de ajuste para la nube de puntos y su desviación con respecto a este plano se muestra en la tabla III. Dichos valores son los valores de error del brazo digitalizador. En la figura 13a y 13b se muestran en amarillo los puntos medidos del experimento, en verde la interconexión de éstos como malla triangular, en azul el plano de ajuste resultado del ajuste a mínimos cuadrados y en rojo, escaladas visible, las desviaciones de cada punto a dicho plano. Hay videos del proceso de medición del cuadro experimental puede verse en las siguientes direcciones: http://www.youtube.com/watch?v=GxP-jEBFRbo http://www.youtube.com/watch?v=gXYUSzoPSHg El procedimiento es manual y consta de los pasos: 1. Activación del algoritmo de cálculo con el procedimiento estándar del programa de CAD Rhinoceros. 2. Encendido e inicialización de los valores de los codificadores, relacionando la posición del mecanismo con el valor angular de todas las articulaciones del mecanismo. 3. Posicionamiento manual del palpador en el punto en donde se desea hacer la medición. 4. Transferencia de los valores de los codificadores presionando el pedal. 5. En el ambiente Rhinoceros se registra el punto XYZ calculado. 6. Repetir los pasos 3,4 y 5 tantas veces como se desee. 52 Número de puntos 471 Distancia promedio 0.44196 Distancia mediana 0.40036 Desviación estándar 0.27343 Distancia de ajuste máx. admisible 1 Distancia de ajuste min. admisible 0 Con dicho procedimiento se tomaron medidas al bloque patrón encontrando dimensiones de 205.38 x 300.14mm. La diferencia de las mediciones es de 2.18mm y -4.66mm respectivamente, lo cual arroja un el error de 1.07% y -1.53% respectivamente. (figura 14). Para comprobar el efecto visual del grado de precisión del brazo digitalizador se imprimió en papel un dibujo hecho por computadora (con licencia de uso libre), para después ser reconstruido utilizando el brazo. El resultado se muestra en la figura 15. La figura 15a es una imagen vectorizada 2D; los cuadrantes de la figura 15b muestran la figura en el espacio tridimensional referido al sistema de coordenadas locales del brazo digitalizador, las cuales siempre son diferentes al sistema de coordenadas local del programa de dibujo de la computadora. Se encuentra que para este brazo el: • Valor de tolerancia (T).- Diferencia entre los valores mayor y menor considerados como válidos en el plano es T=3.648mm. • Valor de incertidumbre (I).- La dispersión de la distancia de los valores medidos con respecto al plano de mármol es I=0.27343mm. • Los porcentajes de error en las mediciones al patrón de calibración fueron de 1.07% y 1.53%. Una ventaja de este prototipo es que está en condiciones para que sea utilizado por personal no especializado para la captura de geometrías complejas, como es el caso de modelos a escala, geometrías de origen biológico, y componentes industriales con requisitos de baja precisión. La figura 15a es una imagen vectorizada 2D; los cuadrantes de la figura 15b muestran la figura en el espacio tridimensional referido al sistema de coordenadas locales del brazo digitalizador, Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. (a) (b) Fig. 13. Tanto en (a) como en (b) se muestran: puntos medidos, malla triangular, plano de ajuste y desviaciones al plano. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 53 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Fig. 14. Mediciones en CAD 3D Rhinoceros tomadas con el brazo digitalizador al bloque patrón de mármol. Las cotas muestran las dimensiones medidas. (a) (b) Fig. 15. Prueba de aplicación del brazo: (a) dibujo hecho por computadora [http://vector4free.com], y (b) reconstrucción CAD 3D Rhinoceros en R3 utilizando el brazo. 54 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. las cuales siempre son diferentes al sistema de coordenadas local del programa de dibujo de la computadora. TRABAJO REALIZADO Se diseñó y fabricó un brazo digitalizador integrando algoritmos de programación con componentes electrónicos asequibles y piezas maquinadas en taller. Se obtuvieron las coordenadas de la geometría para ser utilizadas por programas computacionales comerciales. Se demostró la factibilidad de la fabricación de un brazo digitalizador con aplicaciones de medición e ingeniería inversa. Se sometió el brazo a un cuadro experimental con un patrón plano que permitió hacer las primeras calibraciones. Los experimentos llevados a cabo con el dispositivo permiten inferir su viabilidad en aplicaciones dedicadas a la captura de objetos de geometría compleja, tal como pueden ser objetos artísticos, antropológicos y/o biológicos. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue realizado por miembros del cuerpo académico Sistemas Integrados de Manufactura como parte del proyecto de investigación 103.511-6844 UANL-CA-166 patrocinado por SEPPROMEP. Se utilizó el equipo de las instalaciones del Departamento de Mecatrónica de la FIMEUANL. Los autores agradecen al M.C. Ing. Leonel Montelongo por su desinteresada donación bibliográfica, de componentes y recursos para la construcción del sistema electrónico del brazo digitalizador; también a los estudiantes de la carrera de Ingeniero en Mecatrónica: Guillermo Loera González, Idalia Urbano Alemán, Jaime Aparicio Esquivel, José Alberto Rodríguez Chávez, Martha Angélica Villasana de la Garza. LISTA DE EQUIPO Y SOFTWARE UTILIZADOS • Sistema 586-drive: controlador programable en C/C++ basado en un procesador Elan AMD SC520 de 32 Bit a 133 MHz. • Tarjeta QD8 permite controlar ocho encoder de cuadratura. La tarjeta QD8 se interconecta al Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 • • • • • • • • sistema 586 a través de un bus de datos de alta velocidad. Rhinoceros v4 dotado del módulo RhinoVB.NET SDK. MathCAD R14 para cálculos. SolidWorks v2007. MicroSoft Visual Studio. .NET Framework 2.0. VB.NET Express 2010. Plano de mármol de calibración marca Mitutoyo “Graplate” grado 8, de 8x12 pulgadas (203.2x304.8mm), serie 548-0 con exactitud de 0.002 pulgadas. Impresora 3D de la compañía ZCorp, modelo Spectrum Z510 con capacidad de construcción de 2 capas por minuto y un volumen de trabajo de 254 x 356 x 203 mm, con resolución de 600 x 540 dpi. Máquina de coordenadas marca FARO modelo “Platinum Arm P0805” de 19,200 mediciones/ segundo, con una exactitud de 50μm (0.002 pulgadas) y repetibilidad ± 50μm, 2σ (± 0.002 pulgadas). Licencia de software para el tratamiento de puntos Geomagic Studio/Qualify v8. REFERENCIAS 1. L. Iuliano, P. Minetola and A. Salmi. Proposal of an innovative benchmark for comparison of the performance of contactless digitizers. IOP Publishing. Measurement Science and Technology, 21 105102 (13pp, 2010. 2. Yang Hu, Qingping Yang,Xizhi Sun. Design, Implementation, and Testing of Advanced Virtual Coordinate-Measuring Machines. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 61, NO. 5, May 2012. 3. Y. Wu, H. Wang, Z. Li. Quotient Kinematics Machines: Concept, Analysis, and Synthesis. Journal of Mechanisms and Robotics, ASME. vol. 3. May 2011. 4. Nicola D’Apuzzo. Overview of 3D surface digitization technologies in Europe. ThreeDimensional Image Capture and Applications VI,Proc. of SPIE-IS&T Electronic Imaging, SPIE Vol. 6056, San Jose California, USA, 2006. 5. S. Winkelbach, S. Molkenstruck and F.Wahl. Low-Cost Laser Range Scanner and Fast Surface 55 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Registration Approach. K. Franke et al. Editors. DAGM, LNCS 4174, pp. 718–728. Springer Berlin Heidelberg 2006. 6. J. Reznicek, K. Pavelka. New low-cost 3d scanning techniques for cultural heritage documentation. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B5. Beijing 2008. 7. Y. F. Li and Z. G. Liu. Method for determining the probing points for efficient measurement and reconstruction of freeform surfaces. Measurement Science and Technology. 14 p1280–1288. Institute Of Physics Publishing 2003. 8. S. J. Lee and D. Y. Chang. 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Optimización geométrica con criterio de crecimiento biológico para la reducción de la concentración de esfuerzos en placas con perforaciones transversales. XI Congreso Internacional Anual SOMIM, Sept. 2005. 13. E. López, F. Ramírez, I. Márquez, J. de la Garza, A. Castillo. Relación de la geometría de elementos mecánicos con el cambio de forma en la naturaleza como criterio de diseño. XVI 56 Congreso Internacional Anual SOMIM, Sept. 2010. ISBN 968-9173-01-4 14. E. López, F. Ramírez, I. Romero, J. de la Garza, J.L. Castillo. Diseño de un instrumento para la captura de geometrías 3D con aplicación en la manufactura de productos. Revista de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Mecánica. Vol. 2 No. 3, Año 5 (2006) p. 101-110 ISSN1665-7381. 15. E. López, I. Márquez, D. Franco, F. Ramírez. Elaboración de bustos por medio de digitalización 3D y prototipos rápidos. XIV Congreso Internacional Anual SOMIM p.836-846, sept. 2008. ISBN 968-9173-01-4. 16. E. López, F. Ramírez, A. Ávila. Digitalización 3D como herramienta en la manufactura de calzado deportivo. XV Congreso Internacional Anual SOMIM p.137-146, sept. 2009. ISBN 968-917301-4. 17. J. Guo, Y. Wang. Study on Calibration Technology of Portable Coordinate Measuring Machines. International Conference on Electronics and Optoelectronics. V4 170-173. IEEE 2011. 18. G. Gao, W. Wang, K. Lin, Z. Chen. Kinematic Calibration for Articulated Arm Coordinate Measuring Machines Base on Particle Swarm Optimization. Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation. IEEE 2009. 19 K. Shimojima, R. Furutani, K. Takamasn and K. Araki. The Estimation Method of Uncertainty of Articulated Coordinate Measuring Machine. IEEE ICIT’02. Bangkok, THAILAND 2002. 20. M. Vrhovec, M. Munih. Improvement of Coordinate Measuring Arm Accuracy. Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. San Diego, CA, USA, Oct 29-Nov 2, 2007. 21. G. Gao, W. Wang, K. Lin, Z. Chen. Structural Parameter Identification for Articulated Arm Coordinate Measuring Machines. International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation. p128-131. Computer Society IEEE 2009. 22. H.P. Jawale, H.T. Thorat. Investigation of Positional Error in Two Degree of Freedom Mechanism With Joint Clearance. Journal of Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Diseño y construcción de un brazo digitalizador para la captura de geometrías / Francisco Eugenio López Guerrero, et al. Mechanisms and Robotics. Transactions of the ASME, vol. 4. February 2012. 23. Z. Li, Y. Wang. Research on 3D Reconstruction Procedure of Marked Points for Large Workpiece Measurement. 2009 Fifth International Conference on Information Assurance and Security. Computer Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 Society IEEE 2009. 24. F. Mazzini, S. Dubowsky. Experimental Validation of the Tactile Exploration by a Manipulator With Joint Backlash. Journal of Mechanisms and Robotics, ASME. vol. 4. February 2012. 57 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino Bruno Cisneros DammA,B, Alberto Pérez UnzuetaB A B PROLEC GE International, S. de R.L. de C.V. Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME RESUMEN En el presente trabajo se demuestra que el tanque del transformador eléctrico monofásico tipo poste fabricado de acero al carbono metalizado y pintado cumple con los requisitos de vida útil esperada para zonas de alta corrosión atmosférica. Se realizaron pruebas de cámara salina en probetas y tanques prototipo. Con los resultados obtenidos, se pudo confirmar que existen combinaciones de metalización con cinc y pintura tipo poliéster, que cumplen con los requisitos de operación en zonas costeras. PALABRAS CLAVE Transformadores de distribución, corrosión, metalizado, recubrimiento. ABSTRACT In this work, samples of mild steel and containers for pole mounted singlephase distribution electrical transformers were treated by different metallizing processes and painted with polyester base paint. Tests were performed in a salt spray chamber. Results obtained showed that there are combinations of zinc plating and polyester type paint that meet the operational requirements in coastal areas. KEYWORDS Distribution transformers, corrosion, metallizing, coating. INTRODUCCIÓN La mayoría de metales y aleaciones que han sido obtenidos a partir de compuestos minerales, principalmente óxidos, el paso del tiempo a regresar a su estado químico inicial de menor energía, es decir a compuestos naturales, por medio de un proceso conocido como corrosión. En un entorno marino la corrosión tiene lugar mediante un proceso electroquímico que se da por la exposición de la superficie metálica al oxígeno del aire y es facilitada por la presencia de iones provenientes de las sales en el ambiente.1-3 Este proceso es en sí mismo un problema grave que reduce la vida útil de los componentes metálicos expuestos a los ambientes corrosivos, ya que el deterioro de la superficie no solo afecta la estética de la pieza, sino que puede llevarla a situaciones de adelgazamiento y perdida de resistencia mecánica hasta una falla catastrófica total, con las consecuencias en pérdidas económicas o incluso en poner en riesgo la vida de seres vivos o de impactos ambientales indeseables.3-4 58 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. Entre las medidas más utilizadas para combatir la corrosión y evitar el deterioro de las piezas está el uso de recubrimientos que impidan el contacto directo de la superficie metálica con el medio ambiente. El recubrimiento más ampliamente utilizado y de menor costo son las pinturas. Sin embargo son fáciles de desprender y su vida útil no es muy larga. Otras soluciones son el uso de metales o aleaciones de baja reactividad, pero normalmente es una solución de alto costo. Una solución ampliamente utilizada es el uso de recubrimientos metálicos de diferente naturaleza. El metal base es recubierto con otro metal o aleación de menor potencial electroquímico de tal forma que actué como protección catódica, tal como la láminas de acero galvanizado. Esta última solución no es práctica para el caso de contenedores o tanques de los transformadores eléctricos de distribución tipo poste. Sin embargo, abre la posibilidad de investigar los recubrimientos galvánicos vía metalización por rociado térmico y protección extra con una pintura tipo poliéster. Para la fabricación de los tanques de transformador tipo poste, el material comúnmente utilizado es acero al carbono tipo ASTM A36, 5 con un pre-tratamiento de fosfatado superficial y recubierto con pintura tipo poliéster en polvo. Un tanque de este tipo garantiza que el transformador estará libre de mantenimiento hasta por 5 años, de acuerdo a la norma NRF-0252012.6 Sin embargo, se ha comprobado que esta combinación de recubrimientos no es satisfactoria para las zonas costeras donde se tiene un ambiente de atmósfera marina con alto contenido de iones tipo cloruro. Una solución ha sido el empleo de aceros inoxidables tipo AISI 304 o 409 7 con el consecuente incremento en el costo de materia prima y de procesamiento. Entre los factores que afectan la rapidez de la corrosión, a parte de las condiciones del medio ambiente, se encuentran la preparación de la superficie, el fosfatado, la calidad y la adherencia de la pintura. Finalmente, el manejo del tanque es otro factor importante, ya que una vez recubierto y pintado, los golpes o rayaduras exponen el metal base y las zonas deformadas son más propensas a corroerse. En el presente trabajo se propone proteger los tanques de acero al carbono tipo ASTM A36 con diferentes recubrimientos por metalización y posterior aplicación de una capa de pintura de poliéster de dos diferentes espesores. El objetivo Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 a buscar es el duplicar, en tiempo, la resistencia en cámara salina de los actuales recubrimientos; y que represente una reducción en costo ante el empleo de aceros inoxidables. PREVENCIÓN DE LA CORROSIÓN El recubrimiento con metales mediante rociado térmico es una tecnología que fue desarrollada desde 1910, primeramente con cinc, y en los últimos veinte años ha tenido grandes avances con diversas aleaciones con lo que se ha extendido su uso a dispositivos biomédicos, electrónicos, automotrices, aeronáuticos y en enseres domésticos. La metalización por rociado térmico puede aplicarse a substratos metálicos y no metálicos y actualmente existe una amplia gama de materiales metálicos y cerámicos que pueden depositarse por rociado térmico ya sea por flama o por plasma. Previo a la aplicación de las capa de metalizado, las superficies deben estar limpias y es común darles un tratamiento de granallado para aumentar la rugosidad y la adherencia de los recubrimientos.8-10 Para la aplicación del metalizado se emplea una pistola para calentar el material de recubrimiento, el cual puede estar en forma de polvo o de alambre, hasta un estado fundido o semi-fundido, tal que pueda ser proyectado hacia la superficie a recubrir. Para lo anterior, se utilizan fuentes de energía tales como combustión de gases, arco eléctrico o arco-plasma. Las partículas de material de aporte son impulsadas por un gas de propulsión, acelerando a las mismas hasta impactar la superficie, ver figura 1. Así se forma una nueva superficie protectora. 11 Cuando las partículas fundidas impactan a la superficie se aplastan formando pequeños ovoides que se anclan en los Fig. 1. Metalizado de alambre por arco eléctrico. 59 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. valles de la rugosidad superficial y posteriormente entre ellas. Estas partículas de geometría ovoide se enfrían rápidamente y se solidifican formando una estructura de capas que van creciendo hasta alcanzar el espesor final deseado. RECUBRIMIENTOS En base a la revisión bibliográfica realizada, se estableció que los materiales con mayor potencial competitivo a ser utilizados para proteger estructuras de acero de equipo eléctrico, son los recubrimientos a base de cinc (Zn), aluminio (Al) y una aleación 85 cinc/15 aluminio (85Zn/15Al).12 Por lo anterior se procedió a realizar pruebas en cámara salina sobre muestras de acero y de tanques prototipo con este tipo de recubrimientos. Adicionalmente se realizó un estudio comparativo de los costos que representan cada uno de ellos, comparándolos contra el precio estándar de fabricación y contra el costo utilizando aceros inoxidables tipo AISI 304 y 409. Evaluación de recubrimientos Con el fin de analizar, cual es el mejor recubrimiento, se realizó la aplicación de estos 3 recubrimientos sobre 18 probetas, con una dimensión de 50.8 por 152.4 milímetros, con un barreno al centro de 3.175 mm con el fin de sujetarlas en la línea industrial de pintado. El recubrimiento se llevó a cabo utilizando el proceso de rociado térmico por combustión con alambre como metal de aporte, hasta obtener los espesores mostrados en la tabla I. Después de una inspección visual de las probetas para verificar que no existieran discontinuidades, las probetas fueron sometidas a un proceso de pintado Tabla I. Espesores de recubrimiento aplicados en probetas de prueba. Recubrimiento Id. Espesor del recubrimiento (μm) Espesor de la pintura (μm) Al A1 75 50 A2 125 25 B1 75 50 B2 125 25 C1 75 50 C2 125 25 Zn 85Zn/15Al 60 por atomización a dos diferentes espesores, tal como muestra la tabla I. Las probetas fueron sometidas a la prueba de cámara salina siguiendo los lineamientos de la norma ASTM B-117-11 13 y utilizando un tiempo de permanencia de hasta 4,032 horas, lo cual es el doble del tiempo indicado en la especificación CFENRF-025, 6 con el objetivo de tener una prueba de mayor duración. Con el fin de evaluar el avance de la corrosión, se realizó una inspección ocular de las muestras a 2,016 horas de duración. El aspecto general de todas las probetas se puede observar en la figura 2. La probeta A1 falló por completo, mostrando un daño considerable por corrosión a 2,016 horas de prueba en la cámara salina, tomando la decisión de no continuar hasta las 4,032 horas planeadas para todas las pruebas. Esta baja resistencia a la corrosión fue asociada a la alta porosidad presentada por el recubrimiento de Al, lo que permitió una penetración del electrolito hasta el substrato de acero acelerando el proceso de corrosión. La probeta A2 presentó signos de corrosión por ampollamiento no aceptables a 4,032 horas de prueba. Aunque las probetas A1 y A2 fueron metalizadas con el mismo material (Al), la probeta A2 presenta mayor resistencia a la corrosión. Lo anterior debido a que el espesor del recubrimiento fue mayor, a pesar de tener un espesor de pintura más delgado. Esto indica que la principal barrera de protección a la corrosión para estas probetas es el recubrimiento por metalizado. Las probetas B1 y B2 (Zn) presentaron una superficie libre de productos de corrosión ferrosa. Se puede observar en ambas probetas la existencia de manchas blancas debido a los depósitos de sal formados sobre las mismas, producto de la reacción con el cinc superficial. La probeta B2 muestra más manchas blancas que la B1. Esto es debido a que la B2 tiene un espesor de pintura más delgado. En este caso, la pintura si juega un papel importante en la protección a la corrosión. Las probetas C1 y C2 (85/15) presentaron inicios de ampollamiento a las 2,016 horas de exposición, convirtiéndose en ampollamiento no aceptable al final de la prueba, mostrando corrosión del substrato de acero. La muestra C2 presentó menor área parcial afectada por la formación de las ampollas Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. Aluminio A1 (380 horas) A2 (4,032 horas) cinc B1 (4,032 horas) B2 (4,032 horas) 85 cinc / 15 Aluminio C1 (4,032 horas) C2 (4,032 horas) Fig. 2. Aspecto de la superficie de las probetas después de prueba de Cámara Salina. de corrosión. Esto debido al mayor espesor del recubrimiento por metalizado. Las probetas B1 y B2 mostraron buenos resultados. Se puede observar en ambas probetas que presentan manchas blancas que se pueden deber a depósitos de sal. Se puede observar que la probeta B2 presenta más manchas y esto es debido a que presenta un espesor mayor de zinc por lo que la Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 reacción de este es mucho mayor que la que ocurre en la probeta B1. La probeta C1 presenta un ampollamiento considerable debido al espesor de pintura aplicado, lo que representa un mal resultado ya que es un punto por donde puede comenzar a corroerse el substrato. La probeta C2 muestra muy buenos resultados a las 2,016 horas, pero al finalizar la prueba a las 4,032 61 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. horas se puede observar que comienza a mostrar ampollamiento. Evaluación de los recubrimientos en tanques prototipo Con los resultados obtenidos de las pruebas en probetas, donde se demostró que el metalizado con aluminio no era adecuado para la protección contra la corrosión esperada en los transformadores, se decidió continuar las pruebas en tanques prototipo utilizando solo los recubrimientos de Zn y Zn/Al, según los datos de la tabla II. Tabla II. Datos de prueba de cámara salina en tanques prototipo. Recubrimiento Zn 85Zn/15Al Espesor recubrimiento 75 y 125 μm Espesor pintura 25 y 50 μm Tiempo de exposición 4,000 horas de corrosión. En cuanto al tanque recubierto con la aleación 85Zn/15Al, se puede observar en la figura 4 la formación de ampollas y severa corrosión en las zonas alrededor de los accesorios de acero inoxidable tipo AISI 304. El tipo de corrosión presentada es de tipo galvánica y es producida por la formación de una celda galvánica al tener dos metales o aleaciones disimilares en contacto. Cuando estos dos metales o están alejados entre sí en la serie galvánica, en presencia de un electrolito, el metal más activo (ánodo) se corroe con mayor facilidad, en este caso el acero al carbono. Tanto en las pruebas en cámara salina de las probetas y de los tanques prototipo, el mejor resultado se obtuvo con el metalizado de Zn y pintura de poliéster. 2,300 horas El tanque recubierto con Zn se muestra en la figura 3, en la que se puede apreciar que solo se presentó corrosión en los bordes del mismo, debido al efecto de adelgazamiento del recubrimiento metálico y de la aplicación de la pintura en dichas áreas. Sin embargo, todo el cuerpo externo del tanque está libre Fig. 4. Aspecto del tanque recubierto con Zn85/Al15 después de la prueba en cámara salina. Se aprecia extenso daño por corrosión. Fig 3. Aspecto de tanque recubierto con Zn después de prueba de Cámara Salina 62 Costo de aplicación de recubrimientos Una vez establecido que los mejores recubrimientos son, en orden jerárquico el de Zn, 85Zn/15Al y finalmente el de Al, se procederá a realizar una estimación de costos y su comparación contra el uso de aceros inoxidables tipo AISI 304 y 409. Los costos promedio de la aplicación de los recubrimientos por metalizado de alambre, por metro cuadrado, para espesores de entre 75 a 125 μm, se indican en la tabla III.14 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. Tabla III. Costo de aplicación de recubrimientos por unidad de área (USD/m2) Zn Al Zn/Al 38.72 12.70 50 Según los costos de fabricación actuales utilizando acero al carbono A36 fosfatado y pintado, contra el costo adicional de los diferentes recubrimientos por metalizado y pintado sobre el mismo acero base A36; y comparado con el costo de fabricación al utilizar aceros inoxidables, se pueden estimar los costos tomando como base 100 el costo del tanque original de acero A36. Esta estimación se presenta en la tabla IV. Los resultados obtenidos de las pruebas muestran que los sistemas de protección por rociado térmico utilizando aluminio no cumplen satisfactoriamente los requisitos para operar en ambientes costeros. A pesar de que son los más económicos y presentan una ventaja competitiva no se recomiendan para la protección de transformadores de distribución tipo poste. Los recubrimientos a base de la aleación 85Zn/15Al, presentaron resultados no satisfactorios en los tanques prototipo, mostrando corrosión galvánica severa en las zonas donde se instalan los accesorios del transformador. Debido a lo anterior, no se recomiendan para la protección de los tanques. El recubrimiento a base de cinc presentó buenos resultados tanto en las pruebas de cámara salina en probetas como en los tanques prototipo. Las zonas donde se presentó corrosión en los tanques, se debió al efecto borde y son áreas que quedan protegidas por el ensamble del transformador y no quedan expuestas al medio ambiente en los transformadores Tabla IV. Costos relativos de los diferentes recubrimientos y materiales (unidades arbitrarias). Material Costo relativo Incremento porcentual Acero A36 100 - Acero A36 + Rec de Al 136 36 Acero A36 + Rec de Zn/Al 206 106 Acero A36 + Rec de Al 237 137 Acero Inox. 409 350 250 Acero inox. 304 660 560 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 terminados, por lo cual se recomienda este tipo de recubrimiento por metalización para la protección de los transformadores. En cuanto a costos de materia prima y de producción, el menor incremento (36%) se da con el recubrimiento de Al, pero queda descartado por su bajo desempeño contra la corrosión. El recubrimiento a base de Zn/Al presenta incrementos de hasta 137%, pero por sus bajos resultados no se recomienda su aplicación. El recubrimiento a base de cinc es el que mejor resultados proporciona y representa un incremento de 106% en el costo de fabricación del tanque. Sin embargo, este incremento es mucho menor comparándolo con los incrementos en costo al sustituir el acero al carbono A36 por acero inoxidables tipo AISI 409 y 304, donde se tienen incrementos de hasta 250 y 560% respectivamente. CONCLUSIONES Por los resultados obtenidos en las pruebas en cámara salina y en estudio de costos se concluye que la mejor opción para la protección contra la corrosión atmosférica en ambientes marinos de los transformadores eléctricos monofásicos de distribución tipo poste es la utilización de un recubrimiento a base de cinc por metalización por spray sobre un substrato de acero al carbono A36. Se recomienda la instalación de una línea piloto de fabricación de tanques para transformador con metalizado de Zn y pintura de poliéster. Así mismo se recomienda el desarrollo de proveedores de los equipos y materias primas para el metalizado. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo de la empresa Prolec-GE Internacional para la realización del presente proyecto. REFERENCIAS 1. M. G. Fontana. Corrosion Engineering. 3rd Edition. McGraw-Hill International. USA, 1987. 2. E. Otero Huerta. Corrosión y Degradación de Materiales. Editorial Síntesis. España, 1997. 63 �Aplicación de metalizado en transformadores eléctricos para operación en ambiente marino / Bruno Cisneros Damm, et al. 3. J. Morales Marina. Curso teórico y práctico de introducción a la corrosión metálica. Gráficas Sabater, España, 2001. 4. D. Alcaraz Lorente. Manual Básico de Corrosión para ingenieros. Publicaciones de la . Universidad de Murcia, España, 2004. 5 ASTM International. Norma ASTM A36/A36M12 Satandar Specification for Carbon Structural Steel. ASTM Intnl. USA, 2012. 6. Comisión Federal de Electricidad (CFE). Espec. CFE-NRF-025. CFE-México, 2009. 7. ASM International. ASM Handbook Vol. 1. 10th Edition. USA, 1999. 8. ASM International. ASM Handbook Vol. 5. 10th Edition. USA, 1994. 9. J. Davis. Handbook of Thermal Spray Technology. ASM International. USA, 2004. 64 10. J. L. Marulanda, et.al. Protección contra la corrosión por medio del rociado térmico. Scientia et Technica, Año XIII, No 34 pp. 236-242, 2007. 11. C. Marín Villar. Thermal Spray Protección de Alto Impacto. Revista electrónica Metal Actual. Consultada el 18 Nov 2013. 12. R. A. Sauceda. Evaluación de recubrimientos aplicados por rociado térmico para el incremento de la resistencia a la corrosión de los tanques de transformadores tipo poste y pedestal. Reporte Interno PROLEC GE Internacional. México, 2011. 13. ASTM Intern. Norma ASTM B-117-11. Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus. ASTM Intnl. USA, 2011. 14. Sulzer Metco. Thermal Spray Wires. Documento electrónico consultado el 18 Nov 2013. http:// www.sulzer.com/en/Products-and-Services/. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Vol. XVII, No. 63 �Eventos y reconocimientos I. AUTODESK CERTIFICA A LA UANL El pasado 21 de febrero, el Centro de Infografía Avanzada (CIA) de la Facultad de Arquitectura de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL) logró la certificación internacional de Autodesk para ser considerado como un Centro de Entrenamiento Autorizado. Con este logro, la UANLes la primera institución de educación superior en México que ofrece a través del CIA, cursos impartidos por instructores certificados y exámenes de certificación sobre este software. Elizondo, Subdirector de Vinculación y Relaciones y la Ing. Teresa Galindo, Directora General de Monterrey Aerospace y Presidenta del Monterrey Aerocluster. También estuvieron presentes el M.C. José de Jesús Villalobos Luna, Coordinador Académico del CIIIA, la Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo, Coordinadora de Proyectos de Investigación y Servicios Tecnológicos del CIIIA, el Ing. Ismael García R., Gerente de Innovación y Tecnología de SISAMEX, el Ing. Alejandro Lara, Gerente de Ingeniería de MERITOR MEXICANA, el Ing. Sergio Gutiérrez, Presidente de la Federación Mexicana de Pilotos y Propietarios de Aeronaves, personal de la Fuerza Aérea Mexicana, de Viva aerobús, de AIRBUS. Como invitadas especiales y Conferencistas se contó con la presencia de la Dra. Rei Kawashima, Secretaria General del Consorcio de Universidades en Ingeniería del Espacio (UNISEC) y de la M. C. Blanca Rebollar Trejo, Directora de Formación de Capital Humano Especializado en el Campo Espacial de la Agencia Espacial Mexicana. El ingeniero Carlos Ramos, Gerente de Programas de Educación para Latinoamérica Autodesk, entregando la acreditación al Rector Jesús Ancer Rodríguez. II. ANIVERSARIO DEL CIIIA El pasado 18 de marzo se llevó a cabo la ceremonia del segundo aniversario del Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME) de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Esta ceremonia estuvo presidida por el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, acompañado por el Dr. Jaime Arturo Castillo Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Autoridades presentes durante la ceremonia del segundo aniversario del CIIIA. 65 �Eventos y reconocimientos II. PROFESORA DE LA FIME EN EL UNISEC La Dra. Bárbara Bermúdez Reyes, profesora de la FIME en el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) como coordinadora de Diseño Aeronáutico. A partir de su participación en un programa sobre satélites pequeños, el Cansat Leader Trainig Program 4 (CLTP4), en la Universidad de Japón, ella fue nombrada punto de contacto de la sección México Norte del University Space Engineering Consorcium (UNISEC), la cual es una organización sin fines de lucro que promueve el desarrollo de recursos humanos y tecnología, a través del apoyo de actividades estudiantiles para diseñar, fabricar, lanzar y operar satélites y cohetes. Su visión considera que hacia finales del 2020 los estudiantes universitarios podrán participar en proyectos espaciales prácticos en más de 100 países. Dra. Bárbara Bermúdez Reyes III. ACREDITACIÓN INTERNACIONAL DE LA LICENCIATURA EN QUÍMICA INDUSTRIAL El pasado 20 de marzo, la Royal Society of Chemistry (RSC) otorgó la Acreditación Internacional, por su calidad y excelencia, a la Carrera de Licenciado en Química Industrial de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León. El documento de acreditación fue entregado por el Dr. David Barr, Manager of Accreditation and Qualifications of Royal Society of Chemistry, al Director de la Facultad de Ciencias Químicas, Dr. Eduardo Soto Regalado, en un evento encabezado por el M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL: Con esta acreditación, la UANL se convierte en la primera institución de educación superior en América Latina en ser distinguida por esta sociedad británica de científicos en química. 66 De izquierda a derecha: Dr. Eduardo Soto Regalado, Director de la FCQ; M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL; Dr. David Barr, Director de Acreditación de la RSC; y la Dra. Perla Elizondo Martínez de Cota, Jefa del Área Química Industrial de la FCQ. IV. TALLER SOBRE BIOAEROSOLES Y CONTAMINANTES Del 24 al 28 de marzo se llevó a cabo el Taller “Hospital Bioaerosols and Contaminants”, organizado por la UANL, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y del Centro de Investigación y Desarrollo en Ciencias de la Salud, y de la Universidad de Leeds, patrocinada por el Consejo Británico (British Council) en colaboración del CONACyT. Además de investigadores de las universidades participantes, también hubo expertos en aerobiología, ingeniería y ciencias de la salud de la Universidad Nacional Autónoma de México y de la Universidad de Loughborough. Además de sus presentaciones y discusiones sobre transmisión y el control de patógenos en el aire vinculado a edificios e infraestructura civil obre el tema, promovieron la transferencia de conocimientos y técnicas entre ambos países. Participantes del Taller “Hospital Bioaerosols and Contaminants” con autoridades de la FIME y del CIDICS. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL * Enero - Diciembre 2013 Marco Aurelio González Albarrán, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio del efecto de la aplicación de pretratamatientos térmicos de envejecido en la soldabilidad de una superaleación Inconel 939”, 14 de enero de 2013. Jurado: Dra. Dora Irma Martínez Delgado (asesora), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dra. Ana María Guzmán Hernández, Dr. Alejandro Garza Gómez, Dr. Hugo Guajardo Martínez. Diana Berenice Hernández Uresti, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Síntesis y caracterización de nanopartículas de PbMoO4 para la degradación fotocatalítica de contaminantes orgánicos bajo irradiación UV”, 24 de enero de 2013. Jurado: Dr. Azael Martínez de la Cruz (asesor), Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, Dra Leticia Torres Guerra, Dra. Aracely Hernández Ramírez. Melvyn Álvarez Vera, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Diseño y desarrollo de una prótesis de alto desempeño funcional y tribológico”, 1 de febrero de 2013. Jurado: Dr Marco Antonio L. Hernández Rodríguez (asesor), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Arturo Juárez Hernández, Dr. Demófilo Maldonado Cortés, Dr. Eduardo Rodríguez de Anda. Omar Jorge Ibarra Rojas, Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, Tesis: “Models and algorithms for transit network planning”, 12 de febrero de 2013. Jurado: Dra. Yasmin Agueda Ríos Solís (asesora), Dra. Ada * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Margarita Álvarez Socarras (asesora), Dr. Fernando López Irarragorri, Dra. Safia Kedad-Sidhoum, Dr. Pierre Fouilhoux. Víctor Hugo Brocado Guerrero, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Análisis de textura de aceros laminados”, 20 de febrero de 2013. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, Dr. Nelson Garza Montes de Oca, Dr. Luis Adolfo Leduc Lezama, Dr. Julio Cesar Morales Chavela. Javier Alonso Ortega Sáenz, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio biotribológico de implantes de cadera metal-metal modificados superficialmente”, 14 de marzo de 2013. Dr. Marco Antonio L. Hernández Rodríguez (asesor), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Rafael D. Mercado Solís, Dr. Demófilo Maldonado Cortés, Dr. Zygmunt Haduch Suski. Sugeheidy Yaneth Carranza Bernal, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Síntesis y caracterización de nuevos copolímeros semiconductores”, 15 de marzo de 2013. Jurado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera (asesor), Dr. Virgilio Ángel González González, Dr. Hugo Armando Mosqueda Altamirano, Dra. María Idalia Gómez de la Fuente, Dra. Tatiana Romero Castañón. Eleazar Morales Guerra, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Modelo Matemático de ciclones industriales para optimización de la producción de cemento (Diseño de un ciclón para manejar alto contenido de partículas)”, 17 de abril de 2013. Jurado: Dr. Tushar Kanti Das Roy (asesor), Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dr. Simón Martínez Martínez, Dr. Sadasivan Shaji, Dr. Hugo Bolio Arceo. 67 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Luis Arturo Reyes Osorio, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Modelado de la evolución microestructural durante forja en caliente”, 3 de mayo de 2013. Jurado: Dra. Maribel de la Garza Garza (asesora), Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, Dra. Adriana Salas Zamarripa, Dr. Víctor Paramo López, Dr. Víctor Hiram Vázquez Lasso. Jesús Omar González González, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Desarrollo de un sistema tribológico con movimiento lineal reciprocante”, 10 de mayo de 2013. Jurado: Dr. Alberto Pérez Unzueta (asesor), Dr. Marco Antonio L. Hernández Rodríguez, Dra. Dora Irma Martínez Delgado, Dr. José Talamantes Silva. Diego Emilio Lozano de la Garza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Fatiga de un acero 5160 con temple interrumpido”, 27 de mayo de 2013. Jurado: Dr. Rafael David Mercado Solís (asesor), Dr. Rafael Colás Ortiz, Dr. Javier Rodrigo González López, Dr. Alberto Cantú Pérez, Dr. Bernardo Hernández Morales. Roberto Salinas Navarro, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Algoritmo para determinar la seguridad de voltaje de un sistema eléctrico de potencia basado en sistemas de área amplia”, 31 de mayo de 2013. Jurado:, Dr. Ernesto Vázquez Martínez (asesor) , Dr. Arturo Conde Enríquez, Dr. Jaime de la Ree López, Dr. Francisco S. Sellschopp Sánchez. Cristian Gómez Rodríguez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de propiedades de magnesia sinterizada adicionando nanopartículas de óxido de hierro (Fe2O3), óxido de aluminio (Al2O3) y óxido de silicio (SiO2) para uso en ollas de metalurgia secundaria”, 5 de junio de 2013. Jurado: Dr. Tushar Kanti Das Roy (asesor), Dr. Sadasivan Shaji, Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dra. Bindu Krishnan, Dr. Pedro L. Valdez Tamez. David Juvencio Ríos Soria, Doctor en Ingeniería con Acentuación en Computación y Mecatrónica, Tesis: “Natural Hand-Gesture Interaction (Interacción Natural con Gestos Manuales)”, 1 de julio de 2013. Jurado: Dra. Satu Elisa Schaeffer (asesora), Dra. Sara Elena Garza Villarreal, Dr. Fernando López Irarragorri, Dr. Gerardo Maximiliano Méndez, Dr. Héctor Hugo Avilés Arriaga. 68 Yahara García Alvarado, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Modelado y estimación de procesos de fermentación”, 3 de julio de 2013. Jurado: Dr. Marco Tulio Mata Jiménez (asesor), Dr. Efraín Alcorta García, Dr. José Antonio de la O Serna, Dra. María G. Aguilar Uscanga, Dr. Javier Gómez Rodríguez. Guadalupe Maribel Hernández Muñoz, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Diseño y simulación de una línea de formado en frío de lámina de acero”, 11 de julio de 2013. Jurado: Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo (asesora), Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Dr. Octavio Covarrubias Alvarado, Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés, Dr. Rogelio Pérez Santiago. Laura Imelda García Ortiz, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio y obtención de un concreto refractario bajo cemento con alta resistencia térmica”, 18 de julio de 2013. Jurado: Dra. Ana María Guzmán Hernández (asesora), Dr. Edén Amaral Rodríguez Castellanos, Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dra. Anabel Álvarez Méndez, Dr. Enrique Mejía Ramírez. Jonás Velazco Álvarez, Doctor en Ingeniería con Especialidad en Ingeniería de Sistemas, Tesis: “Estrategia evolutiva con caminatas de metrópolis para problemas de optimización global”, 31 de julio de 2013. Jurado: Dr. Arturo Barrones Santos (asesor), Dr. Oscar Leonel Chacón Mondragón, Dr. Javier Morales Castillo, Dr. Francisco Javier Almaguer Martínez, Dr. Héctor Flores Cantú. Alejandro Vladimir Lara Mendoza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Caracterización en caliente y en frío de las aleaciones Inconel 718, Inconel 617 y Nimonic C263”, 8 de agosto de 2013. Jurado: Dra. Maribel de la Garza Garza (asesora), Dra. Martha Patricia Guerrero Mata, Dr. Rafael Colás Ortiz, Dr. José María Cabrera Merrero, Dr. Víctor Páramo López. Fernando Salinas Salinas, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Estrategias para controlar la tensión y la corriente del convertidor multicelular”, 22 de agosto de 2013. Jurado: Dr. Miguel Francisco Escalante Gutiérrez (asesor), Dr. Jesús de León Morales, Dr. Marco Tulio Mata Jiménez, Dr. Hugo Rodríguez Cortés, Dr. Juan Manuel Ramírez Arredondo. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL Andrés Castro Beltrán, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Modificación del óxido de grafeno reducido en medio acuoso con polielectrolitos y surfactantes para la obtención de dispersiones estables y nanocompositos poliméricos”, 23 de agosto de 2013. Jurado: Dra. Selene Sepúlveda Guzmán (asesora), Dr. Azael Martínez de la Cruz, Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, Dra. Oxana Kharissova, Dr. Wencel de la Cruz Hernández. Esaú Núñez Mendoza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Elaboración y caracterización de cintas base Ni-Ti con memoria de forma producidas por solidificación rápida (me-Hspinning) para su aplicación”, 27 de septiembre de 2013. Jurado: Dr. Enrique Manuel López Cuellar (asesor), Dr. Azael Martínez de la Cruz, Dra. Beatriz Cristina López Walle, Dr. Daniel Sánchez Martínez, Dr. Horacio Flores Zúñiga. José de Jesús Infante Rivera, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Bionanocompositos a base de carragenina-k y quitosano con nanopartículas”, 8 de octubre de 2013. Jurado: Dra. Selene Sepúlveda Guzmán (asesora), Dr. Carlos Guerrero Salazar, Dr. Domingo I. García Gutiérrez, Dra. Amelia Olivas Sarabia, Dr. Jorge Romero García. Isidro Guzmán Flores, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Estudio de la cinética de corrosión sobre aceros API X70 soldados por el proceso MMA y SMAW”, 11 de octubre de 2013. Jurado: Dra. Dora Irma Martínez Delgado (asesora), Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Octavio Covarrubias Alvarado, Dr. Jorge Leobardo Acevedo Dávila, Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés. Jorge Oswaldo González Garza, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Desarrollo de estructuras fotovoltaicas tipo Cds/AgSb(SxSe1-x)2 por medio de técnicas de baja toxicidad y costo”, 7 de noviembre de 2013. Jurado: Dra. Bindu Krishnan (asesora), Dr. David Avellaneda Avellaneda, Dr. Manuel García Méndez, Dr. Eduardo Martínez Guerra, Dr. Sadasivan Shaji. Ismael Aguirre Rojo, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Uso de nanopartículas de carbono en la fabricación de corazones de arena para la fundición de aluminio”, 11 de noviembre de 2013. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Dr. Alberto J. Pérez Unzueta, Dr. Abraham Velasco Téllez, Dr. José Talamantes Silva, Dra. Tania Ernestina Lara Cisneros. Roberto Carlos Cabriales Gómez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Elaboración y caracterización optoelectrónica de películas delgadas de polímero semiconductor”, 21 de noviembre de 2013. Jurado: Dr. Virgilio Ángel González González (asesor), Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Dra. Sugeheidy Carranza Bernal, Dra. Idalia Gómez de la Fuente, Dr. Juan Francisco Luna Martínez. Víctor Hugo López Cortéz , Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Efecto del calor de entrada en las propiedades mecánicas y metalúrgicas de soldaduras de aceros avanzados de alta resistencia de plasticidad inducida por transformación TRIP unida por el proceso GMAW para la industria automotriz”, 3 de diciembre de 2013. Jurado: Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo (asesora), Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés, Dra. Guadalupe Maribel Hernández Muñoz, Dr. Felipe de Jesús García Vázquez, Dr. Arturo Juárez Hernández. Reynaldo Esquivel González, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Obtención de oligómeros y polímeros electroluminiscentes vía reacciones de Claisen-Schmidt y Wittig”, 10 de diciembre de 2013. Jurado: Dr. Virgilio Ángel González González (asesor), Dr. Antonio Francisco García Loera, Dr. Marco Antonio Garza Navarro, Dra. Ivana Moggio, Dra. Perla Elizondo Martínez. Oscar Salvador Salas Peña, Doctor en Ingeniería Eléctrica, Tesis: “Diseño de controladores no lineales para un helicóptero a escala”, 12 de diciembre de 2013. Jurado: Dr. Jesús de León Morales (asesor), Dr. Miguel Francisco Escalante Gutiérrez, Dra. Griselda Quiroz Compeán, Dr. Hugo Rodríguez Cortés, Dr. Alejandro Enrique Dzul López. Arturo Román Vázquez Velázquez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Mezclas mecanocrómicas de fenilenviniliden bisquinolinas con polímeros y el estudio de sus propiedades ópticas”, 17 de diciembre de 2013. Jurado: Dra. Sofía Vázquez Rodríguez (asesora), Dr. Virgilio Ángel González González, Dra. Selene Sepúlveda Guzmán, Dra. Rosa Ángeles Vázquez García, Dr. Carlos Alberto Gallardo Vega. 69 �Josué Amilcar Aguilar Martínez, Doctor en Ingeniería de Materiales, Tesis: “Sintetización e incorporación de la fase Co2SnO4 en varistores cerámicos basados en SnO2”, 17 de diciembre, 70 Jurado: Dr. Sadasivan Shaji (asesor), Dr. David Avellaneda Avellaneda, Dr. Eduardo Martínez Guerra, Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dra. Ana María Guzmán Hernández. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Enero - Marzo 2014 Mónica Rivas Romero, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 10 de enero de 2014. Mayra Yadira Rodríguez Pérez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Método para evaluar inhibidores de corrosión en acero galvanizado y galvalume”, 10 de enero de 2014. Alejandro Benavides Treviño, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Modificación de las propiedades magnéticas de un material orgánico derivado de un polímero conjugado (TBT) vía radicales libres”, 13 de enero de 2014. Marcos Torres López, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la transformación de fase en acero premomet”, 13 de enero de 2014. Jorge Espinoza Uirbe, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, “Impacto de la vinculación en la formación de estudiantes socialmente responsables”, 20 de enero de 2014. Adriana Lisseth Rivera Rivas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 29 de enero de 2014. Jesús Eduardo Estrada Domínguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 31 de enero de 2014. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 Luis Carlos Villalobos Mares, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 14 de febrero de 2014. Miguel Ángel Contreras Zúñiga, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 18 de febrero de 2014. Cesar Adolfo Zamora Montemayor, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de febrero de 2014. Héctor Manuel Zúñiga Silva, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 19 de febrero de 2014. Edith Martínez Fernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de febrero de 2014. Jesús Alberto Moctezuma Sandoval, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 28 de febrero de 2014. Carlos Eduardo Cázares Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 3 de marzo de 2014. Ramón Elyud Ramírez Mendoza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Efecto del zinc en las propiedades mecánicas de una aleación Al-Si tipo A319”, 3 de marzo de 2014. Armando Víctor Gutiérrez Canales, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con 71 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 5 de marzo de 2014. José Antonio Olivares Treviño, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Desarrollo de un proceso de manufactura rápida de piezas quirúrgicas”, 6 de marzo de 2014. Jessica Irasema de León Almaguer, Maestría en Ingeniería Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Corrosión inducida por flujo en un acero APIx65 en una solución acuosa NaCl 3% saturada de CO2”, 10 de marzo de 2014. Carlos Augusto Jiménez Zarate, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 10 de marzo de 2014. Enrique Mastretta López, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Factores de eficiencia críticos 72 para toma de decisión entre adquisición de flotilla propia y transporte subcontratado”, 10 de marzo de 2014. Edgar Orlando Díaz Méndez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 12 de marzo de 2014. Roberto Ezequiel Garibay Ramírez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 12 de marzo de 2014. Mayra Guadalupe Olivares Fernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 18 de marzo de 2014. Luis Alejandro Benavides Vázquez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, (Por materias), 19 de marzo de 2014. Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Acuse de recibo IUCrJ CiENCiAUANL Esta revista bimestral de la International Union of Crystallography (IUCr) es parte de la conmemoración del Año Internacional de la Cristalografía (IYCr2014). Esta revista publica artículos sobre ciencia y tecnología en áreas en donde los resultados estructurales respaldan aspectos científicos. El número de enero de 2014 presenta el artículo “Do we see what we should see? Describing non-covalent interactions in protein structures including precision” en el que se menciona que el análisis mediante difracción de rayos X es una técnica que en realidad dice en dónde estuvieron los átomos, en lugar de en dónde están, como suele aceptarse y que puede dar origen a errores. El IUCrJ es una publicación (ISSN: 2052-2525) del tipo “open access” y la información sobre ella así como los artículos se pueden consultar en la dirección http://journals.iucr.org/m/ Ésta es la revista de divulgación científica y tecnológica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (ISSN: 2007-1175) que después de más de 15 años de publicarse trimestralmente, a partir de este año se publica bimestralmente como respuesta al incremento en la producción de investigación, innovación y desarrollo tecnológico de la UANL. Además de diversos índices, la revista CiENCiAUANL se encuentra en el Índice de Revistas Mexicanas de Divulgación Científica y Tecnológica, dentro del Catálogo de Revistas de Divulgación Científica de Calidad del CONACYT. En su calidad de revista de divulgación, su sitio http://cienciauanl.mx la complementa de manera que se alienta el interés de los lectores, aun los que no son especialistas, en temas científicos, tecnológicos, sociales y culturales. Juan Antonio Aguilar Garib Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 73 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias por el Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctor en Ingeniería de Materiales de la UANL. Premio de Investigación UANL en 1991, 2001, 2003, y 2012. Premio TECNOS en el 2000. Actualmente es profesor del Programa Doctoral de Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL. SNI nivel I y miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Cabriales Gómez, Karina Araceli Ingeniero Químico egresada de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (2010). Actualmente es doctorante del Programa en Ingeniería de Materiales de la misma facultad. Tiene especialización en Sistemas Distribuidos en la Universidad Técnica de Hamburgo en Alemania. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. De la O Serna, José Antonio Recibió el grado de Doctor por parte de Telecom, Paris, Francia, en 1982. En 1987 se unió al programa de doctorado de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), donde fue miembro del comité doctoral. Actualmente, es profesor-investigador de la UANL. Fue profesor del Instituto Tecnológico de Monterrey de 1982 a 1986. De 1988 a 1993, trabajó en el departamento de Eléctrica de la Escuela Politecnica de Yaoundé. Cameroon. Es miembro Sistema Nacional de Investigadores. Cisneros Damm, Bruno Ingeniero Mecánico Administrador de la Universidad Regiomontana, egresado en el 2007. Ha trabajado como ingeniero de diseño en Rough Invernaderos en 2007 y a partir del 2008 como Ingeniero diseñador senior en Prolec GE Internacional. En el año 2014 expande sus actividades para apoyar las áreas de comercialización internacional de Prolec. Actualmente se encuentra cursando una Maestría en Ingeniería con Orientación en Ingeniería Eléctrica en la FIME de la UANL. Fungo, Fernando Lic. en Ciencias Químicas (1996), Dr. en Ciencias Química (2001), Títulos obtenidos en la Universidad Nacional de Rio Cuarto (UNRC), Rio Cuarto, Córdoba, Argentina. Estudios Post-Doctorales: Department of Chemistry and Biochemistry, College of Natural Science, The University of Texas at Austin. Austin, Texas, Estados Unidos de América. (2001-2003). Actualmente es Profesor Adjunto Dedicación Exclusiva Efectivo de la UNRC e Investigador Independiente del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). De la Garza Salinas, Fco. Javier Ingeniero en Control y Computación egresado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. En la misma institución realizó sus estudios de maestría en el área de Eléctrica con especialidad en Electrónica. García Gutiérrez, Diana Fabiola Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2003), Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2012) de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, actualmente cursa el Doctorado en Ingeniería de Materiales 74 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Colaboradores en la misma institución. Trabajó como Ingeniero Asistente de Producción en la empresa FUNDEMEX y durante sus estudios de licenciatura realizó prácticas profesionales en Blackhawk de México y en Danfoss HC. García Gutiérrez, Domingo Ixcóatl Ingeniero Físico Industrial del ITESM campus Monterrey (2001). Maestría en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2004) y Doctorado en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2006), ambos por la Universidad de Texas en Austin. Posteriormente trabajó en el laboratorio de caracterización de procesos del consorcio de investigación y desarrollo de la industria de los semiconductores, SEMATECH, en Austin, Texas (2006-2010). Actualmente es profesor-investigador titular A de la FIME-UANL, miembro del SIN en su nivel 1, cuenta con el reconocimiento de perfil deseable por parte de PROMEP. Garza Patrón, Pedro Nicolás Estudiante de Ingeniería Mecatrónica en la FIME/ UANL. Actualmente hace su tesis de licenciatura con el tema “Diseño e implementación de la interfase de comunicación del prototipo de un digitalizador 3D”. Garza Rivera, Rogelio Guillermo Ingeniero Mecánico Electricista por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL (1974) y Maestro en Enseñanza de las Ciencias con especialidad en Física, Facultad de Filosofía y Letras, UANL (1999). En su experiencia cuenta con ser profesor de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica desde 1974, Director de la misma facultad de 2002-2008, Director General del Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología, CIIDIT-UANL, de 2008 a 2009. Actualmente es el Secretario General de la UANL (desde 2009) y desde 2010 es Secretario de la Coordinación Regional (Zona 2) de la Academia de Ingeniería. González Ovalle, Denysse Estudiante de la carrera de Ingeniero en Materiales en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, actualmente colabora en un proyecto de Doctorado en el Centro de Innovación, Investigación Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología (CIIDIT) de la UANL. Hernández Casillas, Laura Patricia Licenciada en Química Industrial (2010) egresada de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL; obtuvo el grado de Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en materiales (2013) por parte de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Trabajó en la empresa EHS Labs. de México, consiguiendo la acreditación ante la EMA para análisis fisicoquímicos en agua. Actualmente se encuentra cursando el Doctorado en Ingeniería de Materiales en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL. López Guerrero, Francisco Eugenio Ingeniero Mecánico Electricista e Ingeniero en Control y Computación de la UANL Obtuvo el grado de Maestro en Ciencias de la Administración con especialidad en Sistemas en la misma Universidad, durante estos estudios participó en la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania en donde desarrolló su tesis de maestría. Doctor en Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma de Nuevo León trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Profesor de tiempo completo de la División de Ingeniería Mecatrónica de la FIME. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. Pérez Unzueta, Alberto Javier Ingeniero Metalurgista por la Universidad Autónoma Metropolitana, egresado en 1982. Doctor en Ingeniería Mecánica por la Universidad de Leicester, Reino Unido, en 1993. Ha laborado como Investigador en diversas empresas, entre ellas, Rassini Rheem, Kennametal y Krupp-Stahl. Colaboró como profesor asistente en la UAM y como investigador invitado en la U. de Leicester. Desde 1994 es Profesor Investigador de Tiempo Completo en la FIME UANL. Es fundador del Museo del Acero-Horno3 en Monterrey, N.L. Ramírez Cruz, Francisco Ingeniero Mecánico Electricista, Maestro en Ciencias de la Mecatrónica en la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Dirigió el Departamento de Somatoprótesis de la Facultad 75 �de Medicina de la UANL. Doctor en Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma de Nuevo León trabajando en conjunto con el Departamento de Materiales y Automatización de la Universidad Técnica de Hamburgo, Alemania. Profesor de tiempo completo de la División de Ingeniería Mecatrónica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Miembro del Cuerpo Académico “Sistemas Integrados de Manufactura”. 76 Sánchez Gómez, Luis Fernando Recibió el grado de ingeniería, por parte de la Universidad Autónoma de Zacatecas (UAZ) y el grado de Maestro en Ciencias por la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL), en los años 2010 y 2012, respectivamente. Actualmente realiza estudios de Doctorado en ingeniería eléctrica en el departamento de ingeniería eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL). Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año XVII, No. 63 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 77 �78 Ingenierías, Abril-Junio 2014, Año. XVII, No. 63 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2014 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 17 Número Número de la revista 63 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2014, Año 17, No 63, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2014 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020826 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Corrosión digitalizador 3D Nanopartículas PbS Semiconductores Transformadores de distribución https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20785/Ingenierias_2014_Ano_17_No_62_Enero-Marzo.pdf 44a609affb8ec04d60f2ac4a328b7bab PDF Text Text �Contenido Enero-Marzo de 2014, Año XVII, No. 62 62 2 Directorio 3 Editorial Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI Gabriel F. Martínez Alonso 10 Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos de polipropileno y organoarcillas Edith M. Hernández Torres, Francisco J. Rodríguez-González, Virgilio A. González González, Sofía Vázquez Rodríguez 20 Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel Javier S. Acevedo Campos, Francisco J. Garza Méndez, Eduardo M. Sánchez Cervantes, José Aguirre Espinosa 29 Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cables eléctricos Edgar Adrián Franco Urquiza, Maria Lluïsa Maspoch Rulduà 39 Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos de orden reducido Eduardo Manuel Guardia Ramírez, Manuel Antonio Andrade Soto, Ernesto Vázquez Martínez 50 Evaluación de la nitrificación a través de perfiles operacionales en un reactor aerobio Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, Oscar Bravo Bolaños, José Manuel Ortega Aguirre, Antonio Hidalgo Millán 60 Eventos y reconocimientos 63 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 66 Acuse de recibo 67 Colaboradores 69 Información para colaboradores Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 1 �Ingenierías, Año XVII, N° 62, eneromarzo 2014. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de enero de 2014. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2014 revistaingenierias@uanl.mx DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA M.C. Esteban Báez Villarreal Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable y director de la revista Ingenierías Lic. Julio César Méndez Cavazos Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Tipografía y formación Dr. César Guerra Torres Indización M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Jesús E. Escamilla Isla Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Ing. Dagoberto Salas Zendejo Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Prof. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianopolis / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, FIME-UANL / Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Moisés Hinojosa Rivera, FIME-UANL / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FCQ-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Cezar Henrique Gonzalez, Brasil. UFPE, Recife-Pernambuco / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH 2 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Editorial: Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI Gabriel F. Martínez Alonso FIME-UANL gabrilo2009@hotmail.com “Eso de las competencias no sirve” es una frase repetida entre algunos profesores de diversos niveles educativos haciendo referencia a la tendencia actual de implementar modelos educativos en base al concepto de “competencias” en el proceso formativo de los estudiantes, en sustitución de los modelos más dirigidos a los “contenidos”. En esta tendencia se concibe a la formación universitaria como el desarrollo de recursos personales (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que permiten comprender y dar respuesta a los problemas y situaciones de la vida. Cada individuo “moviliza” los recursos de que dispone para resolver situaciones y problemas “reales”. La comparación se hace con los modelos por contenidos, más dirigidos, aunque no sea intencionalmente, a la transmisión y adquisición de conocimientos difícilmente transferibles a contextos vitales y profesionales de un entorno que puede ser complejo y cambiante. El concepto de competencia se refiere a una nueva forma de definir los resultados de un proceso de aprendizaje. Esta conceptualización depende de varios factores, entre los cuales se encuentran: el enfoque que se dé al modelo de competencias, el tipo de competencia que se pretende formar en el estudiante y el nivel de educación al que se aplique. Además su implementación en educación superior implica múltiples aspectos como el perfil de egreso, la malla curricular y los programas analíticos, por mencionar sólo algunos. Por esta razones surge una gran diversidad de definiciones de competencias que le dan al concepto una dimensión más compleja. Esa complejidad hace difícil saber a qué se refieren aquellos que descalifican a los modelos basados en competencias, podrían referirse a los aspectos, a los factores, a las definiciones o en conjunto a la simple percepción de ellas. En cualquier caso, criticar sin identificar deficiencias ni medidas, aunque es fácil, no tiene contribución. La crítica es un juicio analítico que es esencial para conocer la verdad y un análisis que permita valorar a los modelos basados por competencias exige que se tenga una noción clara sobre la razón por las que surgen nuevas tendencias en los sistemas educativos, las necesidades actuales de la sociedad y la manera en que la formación actual de los ingenieros las satisfacen. Además de lo anterior, se debe tener presente que al margen de la operación de los modelos, las definiciones de competencia tienen en común la referencia a un conjunto de conocimientos, habilidades, destrezas y actitudes que llevan Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 3 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. a resolver situaciones que se presentan a lo largo de la vida, como se puede ejemplificar con el Reglamento General de Evaluaciones de la Universidad Autónoma de Nuevo León que define como “competencia” al desempeño del estudiante entendido como la expresión concreta del conjunto de conocimientos, habilidades, destrezas, actitudes y valores que pone en juego cuando lleva a cabo una actividad. ¿Cual es la razón por la que surge esta nueva tendencia en los sistemas educativos? La respuesta a esta pregunta no es simple. Es necesario analizar las características de la sociedad actual y el éxito que los egresados de la educación superior, y en particular los de las carreras de ingeniería, tienen al entrar al mundo laboral. Los sistemas educativos siempre están en el foco de atención de toda la sociedad y sobre ellos se ejerce una enorme presión para que respondan en forma efectiva a las necesidades planteadas a los graduados de estos sistemas. Las exigencias al sistema de educación superior en particular son fuertes, ya que son sus egresados los que pasarán a la vida profesional y deberán satisfacer las necesidades de una gran parte de la planta laboral, en comparación con los egresados de secundaria o primaria que no tienen esa exigencia porque pueden continuar sus estudios en otros niveles de educación. La formación de ingenieros ocupa un lugar predominante entre todo el sistema de educación superior, tanto por el número de egresados como por su influencia decisiva en el desarrollo de la sociedad. No es casual que, según datos de la UNESCO, los países industrializados desarrollados tienen entre veinte y cincuenta científicos e ingenieros por cada diez mil habitantes, mientras que los países en vías de desarrollo cuentan con alrededor de cinco, y algunos países poco desarrollados cuentan solamente con uno o menos, por igual cantidad de habitantes. La actividad primaria de los ingenieros es concebir, diseñar, poner en práctica y explotar soluciones innovadoras (productos, dispositivos, procesos y sistemas) para mejorar la calidad de vida, satisfacer necesidades sociales o resolver problemas de su área y mejorar la competitividad y el éxito de la sociedad. El foco de atención del mundo ha cambiado desde los últimos inventos tecnológicos tales como la electrificación, la telefonía, la computadora y el automóvil, a problemas sociales más complejos y desafiantes tales como la alimentación, la salud, la energía, el acceso al agua y el cuidado del medio ambiente. Las condiciones presentes en la sociedad moderna conllevan a que aparezcan nuevas exigencias hacia los ingenieros, incluyendo la capacidad de resolver problemas que son más complejos y que tienen mayor influencia social que los que se presentaban en épocas anteriores. Por ello la formación de los ingenieros debe ser planificada y ejecutada con el objetivo de satisfacer estas exigencias, de forma que garantice equipar al estudiante con las habilidades y capacidades necesarias para trabajar satisfactoriamente, como un ingeniero profesional del siglo actual. Con mayor interés que antes, se espera que, además de su preparación científica – tecnológica, los miembros de la profesión de la ingeniería posean los criterios más altos de honestidad e integridad. La ingeniería tiene un impacto directo y vital sobre la calidad de vida para la gente, y en consecuencia los servicios 4 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. proporcionados por los ingenieros requieren imparcialidad y equidad, y deben ser dedicados a la protección de la salud pública, de la seguridad y del bienestar para todos. La complejidad de los desafíos modernos que afrontan los ingenieros, requiere que además su educación incluya una base sólida en asuntos como la economía, las comunicaciones y habilidades de trabajo en equipo. ¿Satisface la actual formación de ingenieros, en el mundo, las exigencias que se presentan a los egresados de estas carreras? Estudios desarrollados en varios países confirman que la actual formación de ingenieros no satisface las exigencias que se les presentan a los egresados de estas carreras. Específicamente se ha resaltado la existencia de deficiencias formativas en cuanto a la resolución de problemas y la aplicación de la teoría a los problemas reales, además de dificultades en las habilidades matemáticas. Los estudiantes expresan que no siempre son capaces de transferir conocimientos y habilidades de cursos específicos, a contextos y problemas del “mundo real”. A su vez los graduados se sienten poco preparados para hacer frente a problemas donde el trabajo a menudo involucra equipos multidisciplinarios y en el cual factores técnicos y no técnicos deben ser tenidos en cuenta con el mismo peso para la toma de decisiones. Asimismo se detectan deficiencias formativas en aspectos más generales como el trabajo colaborativo en equipos, habilidades para comunicarse en forma efectiva, para adaptarse a situaciones cambiantes, para aprender a lo largo de la vida. Por su parte los empresarios señalan dificultades para encontrar egresados de ingeniería con las características deseadas y exigidas por la sociedad globalizada y sus nuevos procesos productivos. Según datos de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OECD) en México el 42% de los empleadores señalaron, en el 2010, dificultades para encontrar personas con las competencias y habilidades exigidas para los empleos. Ante este conjunto de evidencias, incluyendo las nuevas exigencias de la sociedad moderna, la formación basada en competencias aparece como una posibilidad de reformar los sistemas educativos y por tanto la razón para que aparezcan los currículos basados en competencias en estos sistemas es que estos han sido diseñados para responder precisamente a las exigencias, destacadas anteriormente, hacia los egresados y por tanto puede resolver las áreas de oportunidad detectadas en su formación. En muchos países europeos, bajo el empuje del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES), la enseñanza basada en competencias aparece como protagonista en la renovación del sistema educativo, por lo que se ha aplicado este tipo de currículos en diferentes niveles de educación. Australia, España, Inglaterra y más recientemente los Estados Unidos, son algunos ejemplos de aplicación de esta tendencia curricular en la ingeniería. En América Latina se han desarrollado proyectos de reforma curricular por competencias, en carreras de ingeniería, en países como Colombia, Nicaragua, Argentina, Brasil, México y Chile. Las competencias aportan un enfoque nuevo, que posibilita mejorar el aprendizaje y la calidad de los egresados de la educación superior. Si se quiere resumir los aportes que puede ofrecer los currículos basados en competencias a la formación de ingenieros, pudieran señalarse tres aspectos esenciales: 1. Plantea la enseñanza como un proceso dirigido a que el estudiante vea, estudie y participe, en la aplicación práctica de los conocimientos y habilidades Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 5 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. adquiridos, en un contexto particular, pero al mismo tiempo tomando en consideración aspectos económicos, sociales y ambientales, entre otros. 2. Centra el proceso de formación en el aprendizaje y no en la enseñanza, como se hacía tradicionalmente. No es tan importante qué se le enseña sino lo que aprendió y sobre todo lo que es capaz de hacer (desempeño), con lo que aprendió. 3. Desarrolla el proceso de enseñanza – aprendizaje a partir de actividades de aprendizaje, donde se presenten situaciones lo más cercanas a las de la práctica profesional, de manera que, para resolverlas, el estudiante, se vea obligado a mostrar un desempeño, movilizando sus recursos: conocimientos, habilidades, actitudes y valores. Aquí se reflejan aspectos como: dar a los estudiantes herramientas básicas y claves para su futuro desempeño profesional, dar un mayor sentido y utilidad social a la educación superior, preparar para la vida y para el mundo laboral, mejorar la empleabilidad de los graduados y lograr una formación más integral, que incluya no solo aspectos técnicos sino actitudes y valores como la honestidad, la responsabilidad, el trabajo colaborativo, la comunicación y otros, ya señalados como necesarios en la época actual. El currículo en base a competencias, tiene tres aspectos fundamentales: 1. El perfil de egreso, elaborado para cada plan de estudios que es donde se definen las competencias que tendrá el egresado y que deben estar acordes con las exigencias de la sociedad, en la cual desarrollarán su labor profesional los futuros ingenieros. 2. La malla curricular, que garantice que las competencias previstas en el perfil de egreso se desarrollan en una serie de unidades de aprendizaje. 3. El proceso de enseñanza – aprendizaje de cada unidad de aprendizaje, debe asegurar que las competencias de esa unidad se desarrollen adecuadamente, de acuerdo al nivel previsto en el perfil de egreso. Aquí es importante garantizar que todos los profesores, que imparten esa unidad, desarrollen el proceso de enseñanza – aprendizaje de forma similar para que se desarrollen las mismas competencias. Si alguno de estos aspectos falla, el modelo por competencias no tendrá éxito para mejorar la calidad del egresado. Para poner un ejemplo simplificado supongamos un producto concreto, un automóvil, que fue diseñado para cumplir con ciertas características: potencia, seguridad, velocidad, color, etc. Esto correspondería con el perfil de egreso y sus características. El automóvil se fabrica en una cadena de montaje, donde cada estación de trabajo es responsable de cierta parte del auto final. No hay estaciones de trabajo que no aporten nada al diseño ni hay repetición de estaciones. La cadena de montaje corresponde con la malla curricular, donde cada unidad de aprendizaje es el equivalente a una estación de trabajo, porque desarrolla ciertas competencias del perfil de egreso. Para que cada estación de trabajo cumpla con su función, en la línea de producción se realizan una serie de acciones que deben ser iguales para todos los operadores de esa estación y para todos los turnos de trabajo. Las acciones de 6 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. cada estación son el equivalente a las actividades de aprendizaje de cada unidad de aprendizaje, que deben ser conocidas y realizadas por todos los profesores de esa unidad, pues de lo contrario no se puede garantizar el desarrollo de las competencias previstas, para esa unidad de aprendizaje. Aquí es donde se ve el carácter de proyecto formativo del currículo basado en competencias. Todas las unidades de aprendizaje están dirigidas a formar un egresado con ciertas competencias, descritas en el perfil de egreso. No hay unidades de aprendizaje que no contribuyan a ese perfil ni hay unidades sobrantes. Cada una juega un papel importante en la formación del egresado, que tiene que cumplir, en su proceso de enseñanza aprendizaje. Cambiar un currículo presupone una serie de cambios importantes, pero el cambio más importante es sin duda el nuevo papel que tanto estudiantes como profesores pasan a jugar con este nuevo tipo de currículo. El profesor ya no es la fuente principal de información nueva, como ocurría en los currículos por contenidos, ya que esta información puede ser localizada en diversas fuentes. El papel del profesor es ahora el de creador de situaciones de aprendizaje en el aula y fuera de ella, concretamente de actividades de aprendizaje, que los estudiantes van a realizar, bajo la orientación del profesor, y que les permitirá el desarrollo de las competencias previstas en el programa de la unidad de aprendizaje. El estudiante desarrolla las competencias realizando las actividades de aprendizaje (aprender haciendo) y recibiendo la retroalimentación, por parte del profesor, del resultado de cada una, constituyendo así un mecanismo de formación y evaluación formativa o sea una evaluación dirigida a mejorar el proceso de desarrollo de las competencias. Las actividades de aprendizaje deben tener un enfoque más práctico, más aplicado, con ejemplos y situaciones, lo más cercanas a la vida profesional del ingeniero. Esto no significa que el profesor no explique sus temas en las clases, pero la esencia de los cursos son las actividades de aprendizaje, haciendo las cuales el estudiante, bajo la orientación del profesor, moviliza sus recursos y de esta forma, construye sus propios conocimientos y desarrolla las competencias. Desde que aparecieron las tendencias constructivistas de aprendizaje, en las cuales se señala que los individuos construyen sus propios conocimientos, algunos profesores se engancharon en ese concepto y plantearon que ya no hace falta explicar, pues los estudiantes debían construir sus conocimientos por sí mismos. Esto no es correcto, en ningún momento el profesor puede abandonar su función de facilitar la comprensión de los contenidos, mediante explicaciones, orientaciones, ejemplos de la práctica profesional y experiencias de aplicación. Para un buen aprendizaje es decisivo lograr una mayor motivación en los estudiantes, mostrando cómo se aplica el tema en su carrera profesional de ingeniero y cómo el contenido tratado se relaciona con su futuro campo de trabajo profesional. Es muy diferente que un profesor llegue al aula y diga “hoy vamos a estudiar la parábola”, a que llegue y pregunte ¿por qué llamamos antenas parabólicas a las usadas para recibir las señales de los satélites? o pida a sus estudiantes que realicen una investigación sobre los paraboloides utilizados en diferentes tipos de antenas. Realizando esta actividad el estudiante aprenderá qué es la parábola y sus características fundamentales, además de apreciar, al Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 7 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. mismo tiempo, su aplicación en un tema ingenieril. No se puede aplicar si no se comprende bien, por ello la aplicación práctica es esencial para llegar a un verdadero dominio del tema. Un profesor que tuviera dudas sobre la efectividad de su programa analítico o de cualquier otro programa deberá expresar su opinión y argumentos en las reuniones de academia, lo que ayudaría a lograr una mejora del proceso de enseñanza – aprendizaje. Si hay una actividad de aprendizaje que considera que no es adecuada para el desarrollo de la competencia de la unidad, se debe discutir en la academia o colectivo de profesores a fin de mejorarla o sustituirla por otra más efectiva. Es importantísimo el intercambio entre los profesores, las discusiones de las academias o colectivos, donde el trabajo metodológico debe ser el tema central, siempre con vistas a mejorar el proceso de enseñanza – aprendizaje. Las reuniones de academia deben ser el centro de este proceso, donde los profesores expresen sus dudas, sus resultados y puedan llegar a conclusiones con vistas a que la unidad de aprendizaje logre el desarrollo adecuado de las competencias en los estudiantes. En el currículo por contenidos cada profesor podía cerrar la puerta de su aula y enseñar lo que creía sin ser cuestionado. Sin embargo ésto también cambia en el modelo por competencias; aunque el profesor sigue siendo libre de llevar su proceso como quiera, no puede cambiar las competencias a formar, porque éstas están definidas en el perfil de egreso que no se puede cambiar. Por tanto la libertad de cátedra está limitada a que el profesor pueda cambiar una actividad por otra que le resulte más familiar o piense que es mejor para su grupo, pero sin cambiar qué competencia pretende desarrollar con esa actividad, pues ésta forma parte del perfil de egreso que no puede ser modificado por un profesor en particular. Obviamente para que este modelo sea exitoso no basta con formularlo, hay que aplicarlo conscientemente en la actividad diaria de todos los involucrados. Las resistencias son elementos propios de las dinámicas de cambio que están relacionadas con la manera cómo aprenden y cambian sus creencias los actores, los profesores principalmente. Es necesaria la comprensión del cambio en sí, pero lo más útil para realizarlo adecuadamente es analizar cómo puede llevar a mejorar los aprendizajes de los estudiantes. Este modelo no presume de ser perfecto, sino de que toma en cuenta el nivel de satisfacción de las necesidades actuales de la sociedad por parte de los egresados de las carreras en el mundo y plantea una manera de asegurar que éstos logren satisfacer tales necesidades. Los modelos están sujetos a revisión continua y su mejora depende en mucho de la crítica. “Eso de las competencias no sirve” no es una crítica, es solamente una frase que no señala qué es lo que no sirve, que no se dirige a los que diseñan el perfil de egreso, la malla curricular o los programas analíticos de las unidades de aprendizaje ni hace mención de la manera en que los profesores y estudiantes cumplen con su parte en el proceso enseñanza – aprendizaje. Por ello la frase resulta poco eficaz, pues no ayuda a identificar las posibles causas de las deficiencias que pudieran existir ni propone medidas para mejorar el proceso. Una crítica en cambio, proporciona información que ayuda a dilucidar qué aspecto del modelo está incompleto o no está cumpliendo con su papel. 8 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 �Las competencias y la formación de ingenieros en el siglo XXI / Gabriel F. Martínez Alonso. Las competencias sí sirven para erradicar las áreas de oportunidad que se presentan en la formación de ingenieros, porque dan un carácter más práctico a la formación, la cual está diseñada en función de las exigencias de la sociedad actual, los resultados esperados del aprendizaje están formulados en forma más clara, con la descripción del desempeño que debe mostrar el estudiante al terminar un ciclo de estudios, y en qué condiciones se pondrá de manifiesto ese desempeño, porque además de proveer instrucción implica la educación del futuro ingeniero con valores y actitudes, acordes con los que la sociedad necesita, porque, como una brújula, orienta el trabajo de todos los profesores hacia una dirección establecida, el perfil de egreso, que le da al proceso de enseñanza – aprendizaje el carácter de proyecto formativo, donde los estudiantes y profesores tienen su papel, enmarcando la labor del profesor, con las competencias establecidas en el programa analítico, aprobado en la academia de su unidad de aprendizaje. El currículo basado en contenidos corresponde a las necesidades y tendencias del siglo XX. En el siglo XXI se deben aplicar tendencias de educación acordes con las exigencias de calidad y las necesidades de la sociedad actual, por lo que es necesario trabajar para que la formación de los egresados sea integral y responda a estándares y tendencias reconocidas internacionalmente. Si se quiere realmente que la preparación de los egresados de ingeniería mejore y responda a la dinámica de las exigencias, actuales y por venir, por ahora el camino más pertinente son los currículos basados en competencias. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 9 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos de polipropileno y organoarcillas Edith M. Hernández-TorresA,B, Francisco J. Rodríguez-GonzálezC, Virgilio A. González-GonzálezA,B, Sofía Vázquez-RodríguezA,B Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME CIIDIT-UANL C Centro de Investigación en Química Aplicada, Saltillo Coahuila.(CIQA) sofia.vazquezrd@uanl.edu.mx A B RESUMEN Se elaboraron dos tipos de materiales compuestos formados por una organoarcilla tipo montmorillonita (OMMT) y dos tipos de polipropileno, un polipropileno homopolímero (PP) y polipropileno injertado con anhídrido maleico (PPgAM). La preparación de los materiales compuestos se realizó mediante molienda criogénica para después elaborar película mediante moldeo por compresión. Los polvos y las películas fueron evaluados por FTIR, DSC, DRX and SEM para determinar los cambios químicos, térmicos y estructurales. Además, se evaluaron las propiedades mecánicas en tensión de las películas de los materiales. Debido al proceso de criomolienda, se reduce el tamaño de partícula de la OMMT, mientras que no se observó una modificación estructural de los polímeros. Las películas presentaron cierto grado de intercalación de la OMMT en el PPgAM. Por otra parte, la presencia de los fragmentos de la OMMT aumentó la cristalinidad del PP dando como resultado un importante aumento del módulo de Young. PALABRAS CLAVE Materiales nanocompuestos, organoarcillas, polipropileno, criomezclado. ABSTRACT Two different composite materials were prepared, using an organic modified montmorillonite (OMMT) and two types of polypropylene, homopolymer polypropylene (PP) and maleic anhydride-grafted polypropylene (PPgAM). Composites were cryomilled and their films were made by compression molding. Powders and films of composite were evaluated by FTIR, DSC, XRD and SEM to determinate the chemical, thermal and structural changes. Furthermore, the mechanical properties of films were evaluated by tensile tests. Particle size of OMMT was reduced during cryomilling while no structural changes were depicted by polymer. XRD spectra of PPg/OMMT composite films showed some intercalation of OMMT, and the presence of OMMT fragments increased PP crystallinity giving place to an important increment of the Young modulus. KEYWORDS Nanocomposite materials, organic-clay, polypropylene, cryomilled. 10 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. INTRODUCCIÓN Los materiales compuestos con cargas que poseen al menos una de sus dimensiones a escala nanométrica son una clase de materiales que han adquirido un gran interés en los últimos años debido a las notables mejoras en las propiedades a bajas concentraciones de nanocarga.1 Las cargas como las arcillas tipo montmorillonita (MMT) tienen grandes ventajas, ya que con una reducida cantidad de arcilla se puede obtener un aumento considerable en propiedades como módulo tensil, dureza, resistencia tensil, estabilidad dimensional, propiedades barrera a gases, conductividad eléctrica y retardancia a la flama, por mencionar algunas.2 Dada la naturaleza hidrofílica de la MMT, y la naturaleza hidrofóbica de muchos polímeros, es necesario hacer una modificación superficial a la arcilla mediante la adición de compuestos orgánicos como las sales alquil-amonio para hacerla más hidrofóbica y facilitar su exfoliación en polímeros, como el polipropileno (PP).3 A las arcillas modificadas con compuestos orgánicos se les denomina organoarcillas o arcilla modificada orgánicamente (OMMT). Aún con la modificación orgánica es posible que no tenga una suficiente compatibilidad con el PP, por lo que otra opción es utilizar un agente compatibilizante como el polipropileno injertado con anhídrido maleico (PPgAM).2 Los métodos convencionales de preparación de materiales poliméricos son la extrusión (estado fundido), solución y polimerización in-situ.3 Sin embargo, en ocasiones estas técnicas presentan ciertas desventajas al tratar de obtener nanocompósitos pues se tienen que utilizar modificaciones al proceso como la temperatura, tiempo, configuración de los equipos, entre otras. 4 Los cambios en los parámetros de procesamiento provocan en ocasiones degradación del polímero, aumento en la viscosidad, mala distribución de la carga, etc.5-7 Una alternativa para preparar materiales compuestos poliméricos es el mezclado de alta energía en estado sólido a una temperatura por debajo de la temperatura de transición rítrea (Tg) del polímero. Este método, llamado criomolienda, consiste en un proceso de molienda mecánica en un ambiente de nitrógeno líquido (-150 °C). A esa temperatura, el polímero es sólido, y pueden prepararse materiales compuestos Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 con buena dispersión y en algunos casos exfoliación de la carga dentro de la matriz polimérica, mejorando así algunas de sus propiedades.1,8-11 La dispersión de nanopartículas de SiO2 en poli (etilenetereftalato) (PET), utilizando la criomolienda, se obtiene en tres etapas: primero se forman láminas de polímero junto con la desaglomeración y reducción del tamaño de partícula del SiO2, posteriormente se dispersan las partículas en el polímero formando un compósito y finalmente se reduce el tamaño del compósito.1 La conductividad eléctrica del nanocompuesto de polianilina/Fe varía por el tamaño y grado de dispersión de las partículas de Fe al utilizar un molino de bolas con un ambiente criogénico.9 También se ha estudiado la eficiencia del procesamiento de molienda criogénica para la obtención de nanocompósitos poliméricos. Durante la preparación de nanocompósitos con óxido de polietileno (PEO) y polietileno (PE) utilizando como carga reforzante nanotubos de carbono de multi-pared altamente aglomerados se observó que los esfuerzos de corte ocasionados por las bolas del molino originan una deformación plástica en algunas zonas de la matriz polimérica. Esto al observar algunas estructuras fibrilares, así como un mayor espesor de los CNT. También se observó un aumento en el módulo de Young del nanocompósito PE/CNT, lo cual no se obtiene por otras técnicas de procesamiento.10,11 En el caso de las nanocargas laminares, se ha logrado exfoliar parcialmente el grafito en polipropileno, provocando una mejoría en la ductilidad, estabilidad térmica y conductividad eléctrica del nanocompósito con un contenido del 4% de grafito.12 Por lo que respecta a la incorporación de nanoarcillas en polímeros mediante técnicas de molienda, se requiere de un tiempo largo en el molino de bolas, y provoca cambios importantes en la cristalinidad del polímero.13 En este trabajo se estudió la influencia de la criomolienda en la morfología, propiedades fisicoquímicas, morfológicas, estructurales y mecánicas de materiales compuestos de polipropileno con una organoarcilla (OMMT). EXPERIMENTACIÓN Materiales Se utilizaron dos tipos de polímeros; un polipropileno homopolímero (PP) grado extrusión 11 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. marca Valtec HS013 de Indelpro México, y un polipropileno injertado con 1% en peso de anhídrido maleico (PPgAM) marca Polybond 3200 de Chemtura. La organoarcilla utilizada fue una montmorillonita Cloisite 20A (OMMT), modificada con una sal de amonio cuaternaria, obtenida de Southern Clay Products. Procedimiento Experimental La preparación de los compuestos en estado sólido a temperatura criogénica se realizó en un molino criogénico SPEX 6770 Freezer/Mill. Tanto el polímero como la OMMT se colocaron dentro de un vial de policarbonato con un impactador de acero. El vial se sumerge en la cámara del molino la cual está llena de nitrógeno líquido. El proceso de molienda criogénica consistió en un pre-enfriamiento de la muestra por 10 min, para continuar con 10 ciclos de 3 min de molienda con pausas de 2 min para enfriar nuevamente el material. El tiempo total de molienda fue de 30 min con una frecuencia de 15 Hz. Al finalizar el tiempo de molienda, el material fue retirado del vial en forma de polvo fino. Posteriormente, se prepararon películas mediante moldeo por compresión utilizando una prensa Carver, a 2.2 MPa durante 2 min. La temperatura de moldeo fue de 170°C para el PPg-AM y 190°C para el PP. La cantidad de material compuesto total fue de 1g, con un porcentaje de 2, 4 y 8% en peso de OMMT con respecto al polímero. En la tabla I se presenta la identificación de los diferentes materiales compuestos. Caracterización Los polvos obtenidos de la criomolienda y las películas preparadas mediante moldeo, fueron Tabla I. Compuestos de PP y PPgAM con OMMT realizados por criomolienda. Código Polímero % OMMT CPP-0 PP 0 CPP-2 PP 2 CPP-4 PP 4 CPP-8 PP 8 CPPgAM-0 PPgAM 0 CPPgAM-2 PPgAM 2 CPPgAM-4 PPgAM 4 CPPgAM-8 PPgAM 8 12 caracterizados mediante espectroscopia de infrarrojo (FT-IR) en un equipo Thermo Nicolet 6700, a una resolución de 4 cm-1 con 32 barridos por muestra. Las propiedades fisicoquímicas de los polvos y películas fueron obtenidas por calorimetría diferencial de barrido (DSC) en un equipo Diamond DSC de Perkin Elmer evaluando ciclos de calentamiento de 40°C a 200°C a una velocidad de 10°C/min, así como un ciclo de enfriamiento de 200°C a 40°C a la misma velocidad. Además se determinó el porcentaje relativo de cristalinidad de las muestras, mediante la relación de la entalpia de fusión y entalpía del polipropileno 100% cristalino (209 Jg-1).14 Las mediciones de difracción de rayos X de las películas se realizaron en un difractómetro Siemens con una radiación CuKα (λ=1.54Å). El rango de ángulos 2θ fue desde 2° hasta 12°. Las propiedades mecánicas de las películas de los compuestos PP/OMMT, cuyas dimensiones fueron 9cmx5cm con 1 mm de espesor, fueron evaluadas en una máquina de tensión modelo Shimadzu AGS-X, a una velocidad de deformación de 50 mm/min. La morfología del polímero fue evaluada en películas fracturadas en nitrógeno líquido, en un microscopio electrónico de barrido marca FEI Nova NanoSEM 200 de emisión de campo, operado a un voltaje de 5 kV. RESULTADOS Y DISCUSIÓ0N Cambios morfológicos y estructurales de la OMMT debido a la criomolienda El efecto de la criomolienda sobre la estructura de la OMMT molida a las mismas condiciones de preparación de los materiales compuestos (figura 1) se observó mediante SEM. La OMMT sin moler, presenta una morfología laminar con pliegues en las orillas (figura 1a y 1b), con un tamaño aproximado de partícula de entre 20 y 50 μm. Después de la criomolienda de 30 min (figura 1c y 1d), se observó una reducción del tamaño de las partículas perdiendo los pliegues de la OMMT. Este cambio morfológico es consecuencia de los altos impactos a los que fue sometida la OMMT durante el proceso de molienda. También se evaluaron los cambios en el arreglo cristalino de la OMMT mediante DRX (figura 2). El patrón de difracción de la OMMT antes de la criomolienda, presenta el pico de difracción a un Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Fig. 1. Imágenes de SEM de la OMMT: a) y b) antes de criomoler, c) y d) después de criomoler. Fig. 2. Difractogramas de la OMMT a) antes y b) después del proceso de criomolienda. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 ángulo 2θ = 3.5°, asociado al espacio interlaminar del plano 001 de láminas de silicato modificadas,15 además de un pico a 7° que corresponde al espaciamiento interlaminar del plano 001 de la arcilla que contiene grupos sodio en la superficie.15,16 También hay una señal a 2θ=2.5 que podría estar relacionada con los pliegues de las orillas. Esa señal desaparece después de la criomolienda lo que corrobora las observaciones de SEM y hace que parezca que la señal a 3.5 se vea más ancha. Después de la criomolienda, el pico de 7° ha disminuido su intensidad considerablemente. Posiblemente durante la criomolienda se ocasionaron imperfecciones cristalinas a la partícula, lo cual también se asocia a la disminución del tamaño de partícula que sufrió durante el proceso.1,8 13 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Efecto de la criomolienda en las características fisicoquímicas de los materiales compuestos de PP/OMMT En la figura 3 se muestran los espectros de infrarrojo de los polvos de los materiales compuestos con PP (CPP) obtenidos por criomolienda. En todos los espectros se observan las señales más características del PP: 17 2950 cm -1 y 2865cm -1 que corresponden a las bandas del estiramiento simétrico y asimétrico de metilenos y metilos (-CH2, -CH3), 1460 cm-1 y 1380 cm-1, deformación en el plano simétrica de metilos y metilenos, 1160 cm-1 estiramiento C-C, 990 y 972 cm-1 flexión C-H fuera del plano. Al incrementar la cantidad de OMMT dentro del PP, se observa la aparición de la banda característica de la OMMT a 1038 cm-1 del enlace Si-O, además de una banda de baja intensidad a 3620 cm-1 asociada al estiramiento O-H del agua interlaminar. Fig. 3. Espectros FTIR de los polvos de materiales compuestos de PP con 2, 4, 8% de OMMT criomolidos. En la figura 4 se muestran los espectros de los polvos criogénicos de los compuestos PPgAM. Al igual que en los espectros de los materiales CPP, se observan las bandas características de la OMMT dentro del polímero, la banda de 1038 cm-1 (Si-O) y la de 3620 cm-1 (O-H). También se observan las bandas características del grupo anhídrido maleico, a 1780 cm-1, asociada al estiramiento simétrico del carbonilo (C=O), también la banda a 1710 cm-1 que corresponde al estiramiento asimétrico del carbonilo (C=O) de la forma diácido del anhídrido maleico 14 Fig. 4. Espectros FTIR de compuestos de PP-g-AM con 2, 4, 8% de OMMT. cuando se encuentra hidratado.18 La intensidad de las bandas asociada al enlace Si-O aumenta conforme se incrementa la cantidad de OMMT en el compósito, sugiriendo una buena homogeneidad en la muestra. En la tabla II se presentan los valores de temperatura de fusión del primer barrido de calentamiento (Tm1) de los polvos obtenidos en el criomolino. Se utilizó el primer barrido de calentamiento para determinar cambios en la cristalinidad del polímero inducidos por la criomolienda.8 La temperatura de fusión, Tm1, de los diferentes compósitos de CPP, presentan valores similares al PP virgen y criomolido (~164°C), sin que haya una influencia considerable por la cantidad de OMMT en el polímero. Los compósitos de CPPgAM presentan una Tm1 de 161°C, similar a la del PPgAM virgen y criomolido. Estos valores indican que la incorporación de OMMT al polímero no promueve cambios considerables en la temperatura de fusión del material criomolido, lo cual también ha sido observado en compósitos de PP preparados mediante extrusión.19 Respecto a los valores de la entalpía de fusión, ∆Hm1, el valor del CPP-0 (93.7 J/g) no cambia considerablemente con respecto al PP virgen (95.0 J/g). Sin embargo, la entalpía ∆Hm1 de los compósitos tiende a disminuir a mayor concentración de OMMT, sugiriendo que la OMMT podría favorecer una disminución en la cristalinidad del PP. Mientras que para los compósitos con PPgAM, la entalpia ∆Hm1 del CPPgAM-0 (68.6 J/g) es semejante a la del polímero virgen (70.5 J/g). Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Tabla II. Valores de DSC del pico de fusión (primer calentamiento, Tm1) y pico de cristalización (Tconset) de los materiales preparados por criomolienda. Contenido de arcilla (%) Propiedades Tm1 (°C) ∆Hm1 (J/g) Cristalinidad (%) Tconset (°C) Muestra 0 2 Material original 4 8 PP 164.7 CPP 164.80 164.34 164.14 165.35 CPPgAM 162.00 161.12 160.80 161.59 CPP 93.68 90.45 81.89 88.92 CPPgAM 68.63 83.36 82.89 78.17 CPP 45 43 39 43 CPPgAM 34 40 40 37 CPP 122.11 123.31 123.46 122.64 CPPgAM 121.23 121.27 121.33 120.88 Sin embargo, al incorporar la OMMT, los valores de ∆Hm1 aumentan y por tanto también la cristalinidad, lo cual se debe al efecto nucleante que presenta el anhídrido maleico en el PPgAM debido a la afinidad entre el grupo anhídrido maleico y la superficie de las láminas de la OMMT.16 A partir del ciclo de enfriamiento se obtuvieron los valores de la Tconset del pico exotérmico, donde el PP virgen presentó una temperatura de 120°C. Después del criomolido, la Tconset de los compósitos CPP fue muy semejante (122-123°C), tan solo 2°C por arriba de lo obtenido para el PP virgen. Mientras que para los compósitos con PPgAM, la Tconset del PPgAM virgen fue de 115.8°C, desplazándose hasta aproximadamente 121°C tanto para el CPPgAM como sus compósitos con OMMT. Aparentemente el proceso de criomolienda afecta la cristalización del PPgAM, ya que este aumento en la Tconset se debe a un efecto nucleante en el polímero, fenómeno que ha sido observado por otros autores.20 Las variaciones en la Tconset podrían estar asociadas a cambios en la distribución de pesos moleculares,20 así como a un efecto de la OMMT al intercalarse o exfoliarse dentro del PPgAM.21 Películas de los materiales compuestos criomolidos En la figura 5a, se muestra la superficie de fractura de la película del compuesto CPP-8, la cual presenta una superficie lisa con pequeñas rugosidades, asociado a un mecanismo de falla característico de una fractura frágil. En la figura 5b, se observa la misma película a mayores magnificaciones, y se Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 PPgAM 163.1 95.0 70.4 45 34 120.1 115.8 observa la formación de agregados de la OMMT en la superficie de fractura. Con respecto a la película del CPPgAM-8 (figura 5c y 5d), también se presenta una superficie lisa con una ligera deformación plástica. La formación de aglomerados de OMMT fue difícil de observar. Se ha reportado que el PPgAM presenta una buena interacción con los grupos funcionales de la OMMT,16 mejorando la compatibilidad de la OMMT con el polímero y reduciendo la formación de aglomerados. Los patrones DRX de las películas CPP y CPPgAM con 8% de OMMT se muestran en la figura 6. La película CPP-8 presenta un ángulo 2θ =3.5°, que corresponde al espacio interlaminar del plano 001 de las láminas de la OMMT, lo que sugiere que no hubo una intercalación/exfoliación de las láminas de la OMMT dentro del PP. En la película de CPPgAM-8 no se observó el pico a 3.5° lo cual sugiere que hubo un desplazamiento hacia un ángulo 2θ menor. Esto se debe a que la interacción de los grupos anhídrido maleico del PPgAM y los grupos funcionales de la OMMT aumentan el espacio interlaminar de las láminas de la arcilla.22 Esto concuerda con los resultados de otros autores en el que existe un grado de intercalación mayor en compuestos cuya matriz es PPgAM que con una de PP.23,24 Al parecer, las moléculas de PP no son capaces de intercalarse dentro de las galerías de la OMMT, mientras que se obtuvo un sistema intercalado/exfoliado en el PPgAM. Los cambios en las propiedades fisicoquímicas de las películas se presentan en la tabla III. En los compósitos CPP, no se observaron cambios considerables ni en la temperatura de fusión 15 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. Fig. 5. Morfología de la superficie de fractura de las películas a), b) CPP-8 y c), d) CPPgAM-8. Tabla III. Parámetros DSC de las películas CPP. Contenido de arcilla (%) Propiedades Fig. 6. Patrones de DRX de las películas de los compuestos a) CPP-8 y b) CPPgAM-8. 16 0 2 4 8 Tm (°C) 158 156 157 158 ∆Hm (J/g) 78.1 87.2 113.7 83.3 Cristalinidad (%) 37 42 54 40 Tconset (°C) 123 124 124 123 del segundo calentamiento (Tm) ni en la Tconset, sugiriendo que no hay un efecto nucleante importante de la OMMT en el polímero. El % de cristalinidad y la ∆Hm, aumentaron con el contenido de OMMT en el PP. Las variaciones en el grado de cristalinidad se pueden deber a los cambios morfológicos de algunas láminas de OMMT que se encuentran intercaladas o también a un ligero aumento en Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. el núcleo de esferulitas debido a las láminas de OMMT exfoliadas y/o intercaladas.25 Los patrones de difracción muestran que no hay intercalación del PP entre las galerías de OMMT. Sin embargo, las orillas fracturadas de la OMMT podrían actuar como nucleantes para el crecimiento de cristales. Respecto a las películas de los compósitos de CPPgAM (tabla IV), tampoco se observaron variaciones ni en la Tm, ni en la Tconset al comparar los valores obtenidos para CPPgAM-0. Mientras que los valores de la ∆Hm y del % de cristalinidad tienden a ser menores que los de la película CPPgAM0. Es posible que en este sistema las láminas de arcilla estén restringiendo el acceso de las cadenas poliméricas a los puntos cristalinos del polímero, reduciendo el grado de cristalinidad.22 Tabla IV. Parámetros DSC de las películas CPPgAM. Propiedades Contenido de arcilla (%) 0 2 4 8 Tm (°C) 156 156 156 158 ∆Hm (J/g) 104.6 90.2 79 93.5 Cristalinidad (%) 50 43 38 45 Tconset (°C) 121 122 123 121 En la figura 7 se muestran los resultados del módulo de Young de las películas CPP. Se observó un aumento en el módulo conforme se incrementa la cantidad de OMMT. Las películas CPP-8 aumentaron un 50% en dicha propiedad respecto al valor de la película de CPP. Este aumento en el módulo de Young está asociado a un aumento en la rigidez del material, lo cual sucede cuando se incorpora una carga inorgánica a un material polimérico.26 Sin embargo, también hay influencia en el módulo por el aumento en la cristalinidad de los compuestos con PP, como se obtuvo por DSC. CONCLUSIONES El proceso de la criomolienda provocó cambios morfológicos y estructurales en la OMMT debido a la fractura y reducción del tamaño de las partículas. La cristalinidad del polímero en los polvos de CPP/ OMMT no cambió por la criomolienda, mientras que en los polvos de CPPgAM/OMMT se favoreció un aumento en la cristalinidad. Por lo que respecta a las películas de los materiales compuestos, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 7. Módulo de Young de las películas de los compuestos CPP. las películas con PP muestran un aumento en la cristalinidad debido a que la OMMT favorece puntos nucleantes en el polímero, provocando un aumento en el módulo de Young. Mientras que en las películas con PPgAM, la cristalinidad disminuye debido al grado de intercalación de la OMMT en el polímero. Finalmente fue posible obtener un material compuesto mediante la criomolienda sin afectar considerablemente la cristalinidad del polímero. AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer el financiamiento recibido por parte de CONACyT al proyecto CB106176. También se agradecen las facilidades otorgadas por los laboratorios del CIIDIT-UANL para la preparación y caracterización de los materiales, así como al laboratorio de caracterización de la carrera de Ingeniero en Materiales por la evaluación de propiedades mecánicas. Se agradece a la M.C. Blanca M. Huerta Martínez por la evaluación de difracción de rayos X. BIBLIOGRAFÍA 1. Z.Q.L. Y. G. Zhu, D. Zhang, T. Tanimoto, PET/ SiO2 Nanocomposites Prepared by Cryomilling. J Polym Sci Part B: Polym Phys, 2006, 44, 11611167. 2. Y.-W.M.a.Z.-Z. Yu, Polymer Nanocomposites, Woodhead Publishing Limited, 2006. 17 �Influencia de la criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos... / Edith M. Hernández Torres, et al. 3. J.H. Koo, Polymer Nanocomposites. Processing, Characterization and Applications. McGraw Hill Nanoscience and Technology Series, 2006. 4. Bhattacharya, Sati N. y Gupta, Rahul K. y Kamal, Musa R. Polymeric Nanocomposites - Theory and Practice. 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Se preparó hidróxido de zirconio por el método sol-gel a partir de propóxido de zirconio e hidróxido de amonio, una vez obtenido el gel se secó y se sometió a calentamiento por microondas y un enfriamiento rápido. La zirconia se sulfató con una solución de ácido sulfúrico y se utilizó como catalizador en la producción de biodiesel observando su actividad catalítica y concluir que los porcentajes de conversión son comparables con la síntesis de catálisis básica homogénea. PALABRAS CLAVE Biodiesel, zirconia, microondas. ABSTRACT In this work zirconia nanoparticles were synthesized using microwaves an energy source, these were used as a solid catalyst support. Zirconium hydroxide was prepared by using sol-gel method from zirconium hydroxide and ammonium hydroxide, after obtaining the gel. It was dried and heated by microwave and finally quenched. Zirconia was sulfated with a sulfuric acid solution and used as catalyst in the biodiesel production observing its catalytic activity and finally compare that conversion rates are comparable with the synthesis of homogeneous catalysis. KEYWORDS Biodiesel, zirconia, microwaves. INTRODUCCIÓN El biodiesel es un combustible no derivado del petróleo basado en ésteres de alquilo derivados de cualquiera de las transesterificaciones de los triglicéridos o la esterificación de ácidos grasos libres con alcoholes de baja masa molecular.1 Las propiedades de flujo y la combustión de biodiesel son similares a las del diesel obtenido del petróleo y, por lo tanto, puede ser utilizado como su sustituto de éste.2 Como punto de comparación, el biodiesel puro (B100) libera aproximadamente un 90 % de la energía con respecto al diesel normal, y por lo tanto, su rendimiento esperado en el motor es casi el mismo en términos de torque y potencia. El biodiesel, sin embargo, se puede sintetizar a partir de 20 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. aceite reciclado comúnmente, es biodegradable y no tóxico, y tiene un punto de inflamación más alto que el diesel normal. Además, el biodiesel aumenta la lubricación (incluso en mezclas de sólo 3% o menos), lo que prolonga la vida del motor y reduce la frecuencia de sustitución de partes de éste. Otra ventaja significativa del biodiesel es su perfil de baja emisión y su contenido de oxígeno de 10-11%. El biodiesel se conoce como el biocombustible amigable con el medio ambiente, ya que proporciona un medio para reciclar el dióxido de carbono. En otras palabras, el biodiesel no contribuye al calentamiento global. Las normas ASTM para el biodiesel presentan características que son comparables con el combustible diesel tradicional.3 La tabla I resume los perfiles de emisión típicos de biodiesel y una de sus mezclas, B20, que consta de 20% de biodiesel y 80% diesel, utilizando las emisiones del diesel derivado del petróleo como referencia. La transesterificación requiere un catalizador con el fin de obtener rendimientos razonables de conversión. La naturaleza del catalizador es fundamental, ya que determina los límites de composición que el material de alimentación debe cumplir. Actualmente, la mayoría del biodiesel se prepara utilizando catalizadores alcalinos, tales como metóxidos e hidróxidos de sodio y potasio. Industrialmente, NaOH y KOH se prefieren debido a su amplia disponibilidad y bajo costo.4 No obstante, desde un punto de vista químico, las especies activas con ambos tipos de catalizadores son iones metóxido, éstos son nucleófilos fuertes y atacan el grupo carbonilo en las moléculas de glicéridos para producir ésteres de alquilo. En general el proceso Tabla I. Promedio de emisiones (%) de B100 y B20 comparadas con diesel normal. Emisión B100 B20 Monóxido de carbono -48 -12 Hidrocarburos sin conbustionar -67 -20 Partículas sólidas -47 -12 NOx +10 +2 Sulfatos -100 -20 Aires tóxicos -60 a -90 -12 a -20 Mutágenos -80 a -90 -20 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 tiene serias limitaciones que se traducen en altos costos de producción. Por otra parte, el alcohol y el catalizador deben cumplir con las rigurosas especificaciones también, deben ser anhidros, ya que la presencia de agua en el material de alimentación promueve la hidrólisis de los ésteres de alquilo de ácidos grasos libres, por lo anterior se requiere el uso de aceites vegetales altamente refinados cuyo precio puede ser del 60 al 75% del costo final del biodiesel.5 Aunque se considera que el biodiesel es amigable con el medio ambiente, se debe considerar que se utilizan campos para producir semillas específicamente para los aceites refinados, en vez de usar dichos campos para producir alimentos, es por ello que algunos investigadores buscan producir diesel a partir de reciclar aceites comestibles usados y grasa animal. Debido a su precio, el uso de materias primas de grasa de desecho se ha propuesto como una manera de reducir los costos de producción de biodiesel, algunas plantas en los Estados Unidos ya están produciendo biodiesel de grasa amarilla,6 pero también las grasas marrones de los filtros de los centros comerciales pueden ser utilizadas. Las materias primas de bajo costo deben experimentar alguna forma de tratamiento antes de que puedan ser utilizadas para la producción de biodiesel, la materia particulada se separa con filtros de celulosa, el agua se separa por gravedad y mediante destilación se desnaturaliza y degradan las proteínas residuales en la grasa, así como azúcares y alcoholes producidos durante el almacenamiento.7 La temperatura juega un papel importante en la síntesis del biodiesel catalizada por ácidos. A temperaturas más altas, la separación de fases disminuye y las constantes de velocidad aumentan, redundando en tiempos de reacción sustancialmente cortos. Normalmente, las concentraciones de catalizador en la mezcla de reacción varían entre 1 y 5% en peso.8 Las zeolitas de poro grande se han utilizado con cierto éxito en la esterificación de ácidos grasos en medio ácido; sin embargo, siempre ocurre que se originan subproductos no deseados debido a la alta temperatura de la reacción.9 Por otra parte, la zirconia se ha empleado como catalizador en un sinnúmero de reacciones químicas, 21 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. en este trabajo se propone el uso de zirconia como un soporte para catalizadores ácidos.10 En el 2006 Tyagi et al11 sintetizaron nanopartículas de zirconia que tienen fase cristalina predominante tetragonal usando el método sol-gel y técnicas convencionales de precipitación de hidróxido de zirconio obtenido por la hidrólisis de propóxido de zirconio y oxicloruro de zirconio como precursores. Se observó que el secado térmico de gel de hidróxido de zirconio en un horno (110 ° C, 12 h) dio resultados de tamaño de cristales inferiores (11-13 nm) en comparación con el secado a vacío (50 mbar, 70 ° C), que muestra mayor tamaño de los cristales (20 -21 nm) durante ambas técnicas, sol-gel y la síntesis de precipitación convencional. En 2010 Lee et al12 utilizaron el dióxido de carbono supercrítico (scCO2) líquido como disolvente verde que puede reducir considerablemente el uso de disolventes orgánicos. Los grupos de zirconia nanoporosa (ZrO2) se sintetizaron de una microemulsión [Zr4+] (aq) / scCO2 usando una solución de hidracina como agente de precipitación. En 2011 Kazemi et al13 sintetizaron nanopartículas de zirconia (ZrO2) utilizando sacarosa y fructosa como agentes quelantes del hidróxido de zirconio. En esta investigación se observó que los agentes quelantes de sacarosa y fructosa dan como resultado una fase tetragonal de la zirconia y un tamaño de partícula menor al que se obtiene con el método convencional utilizando así menores temperaturas. En 2012 Thitsartarn et al14 sintetizaron zirconia sulfatada soportada en SBA-15 utilizando un método post-síntesis y fue comparada con la zirconia sulfatada convencional en términos de actividad catalítica en la transesterificación de aceite de palma. Los catalizadores P-SZS podrían conservar la estructura mesoporosa ordenada hexagonal incluso con concentraciones de zirconia altos, y tenían mayor acidez que la zirconia sulfatada. Como resultado, estos catalizadores mostraron mayor actividad catalítica que el catalizador de zirconia sulfatada convencional para la transesterificación de aceite de palma con metanol. En el 2012 Tyagi et al15 evaluaron la actividad catalítica de la zirconia sulfatada nanocristalina, preparada por método sol-gel para la esterificación 22 de ácido caprílico con diferentes alcoholes. La concentración más baja de catalizador (0,5% en peso) exhibió 96-98% de conversión del ácido caprílico con metanol y 100% de selectividad para caprilato de metilo a 60 °C. La conversión se redujo al aumentar la masa molecular de los alcoholes (etanol, n-propanol y n-butanol a 60 °C), pero aumentó significativamente (91-98%) al aumentar la temperatura de reacción. Por otra parte, en 2009 Cao et al sintetizaron mediante microondas diversos materiales mesoporosos,16 principalmente óxido de silicio y alúmina. Este método tiene la ventaja de la nucleación homogénea. PARTE EXPERIMENTAL Síntesis de zirconia Para sintetizar la zirconia se colocaron 25 mL de propóxido de zirconio en un vaso de precipitado, posteriormente se añadió gota a gota una solución de hidróxido de amonio al 25% hasta obtener un pH entre 9 y 10. Una vez añadido el hidróxido de amonio se agitó durante una hora hasta obtener un gel de aspecto transparente e incoloro. El gel obtenido se secó en una estufa a 101 °C por 12 h. Una vez seco el gel se colocó 1 gramo en un crisol de porcelana, dicho crisol se ubica encima de un crisol de alúmina que contiene una cama de grafito molido y se introduce en el microondas, el grafito en polvo absorbe microondas y al calentarse por conducción calienta el hidróxido de zirconio, el cual, una vez alcanzada cierta temperatura absorbe microondas calentándose homogéneamente. Este proceso se llevó a cabo a diferentes intervalos de tiempo desde 30 hasta 90 segundos, inmediatamente se saca el crisol que contiene el producto y se enfría en un recipiente de aluminio que yace sobre nitrógeno líquido a presión atmosférica. Sulfatación de la zirconia Se coloca un gramo de zirconia en un vaso de precipitado y se añaden 15 mL de una solución de ácido sulfúrico de 0.5 M a 1.5 M y se agita constantemente durante 12 h. Finalmente se separa la zirconia mediante filtración y se seca en un horno a 110 °C durante 3 h. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. Producción de biodiesel Para llevar a cabo la síntesis del biodiesel se colocan en un matraz bola 50 mL de aceite vegetal reciclado, el cual es previamente filtrado y desnaturalizado, 100 mL de etanol y se le añade 1.0% en masa del catalizador. El sistema se deja reaccionar entre 60 y 80 °C durante 2 h, siempre en agitación constante y reflujo. Terminada la reacción se separa el catalizador mediante filtración y se seca a 110 °C durante 3 h. Por otra parte, las fases son separadas en un embudo de separación, dejándolas reposar 24 h. Difracción de rayos-X Mediante difracción de rayos-X en polvos se caracterizaron tanto la zirconia sintetizada por microondas así como la zirconia después de la sulfatación. Todas las difracciones se realizaron en las siguientes condiciones: 2θ entre 5º y 90º, con un paso de 0.05 º, y temperatura ambiente (~25 ºC). Área superficial El área superficial y el tamaño de partícula se calcularon empleando la técnica de BET mediante ciclos de adsorción-desorción de nitrógeno. Se utilizó un equipo Quantachrome Instruments modelo Autosorb-1. El microscopio electrónico de barrido (MEB) Para observar las partículas de zirconia se utilizó microscopía electrónica de barrido de alta resolución en la modalidad de electrones secundarios. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Área superficial y tamaño de poro La figura 1 presenta un análisis BJH (algoritmo Barret-Joyner-Halenda) del tamaño de poro y el análisis volumétrico, basado en la rama de desorción obtenido directamente del ordenador del equipo, se muestra una distribución muy cerrada del tamaño de poro. Tras el análisis, se calculó un diámetro de poro promedio de 30 nm y un área superficial promedio de 180.6 m2/g, de lo cual se concluye que la zirconia obtenida por microondas convencional es un material mesoporoso. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 1. Distribución del tamaño de poro para la zirconia vía microondas, curva obtenida por análisis BJH. La figura 2 muestra la comparación de la distribución del tamaño de poro de la zirconia sulfatada y sin sulfatar, se puede observar que hay un ligero crecimiento en el tamaño de poro pero se sigue manteniendo en el rango de un material mesoporoso, sin embargo al tener un mayor tamaño de poro reduce su área superficial lo cual es comprobado con el análisis BET obteniendo un área superficial de 132.2 m2/g. Al observar cómo se reduce el área superficial debido a la sulfatación se realizaron sulfataciones con distinta concentración para observar el efecto que tiene en el área superficial, los resultados se muestran a continuación en la tabla II. Como se puede observar ocurre una disminución en el área superficial de la zirconia al tener mayor acidez, este es un factor importante ya que el área superficial desempeña un papel importante en los Fig. 2. Distribución del tamaño de poro para la zirconia vía microondas sulfatada, curva obtenida por análisis BJH. 23 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. Tabla II. Área superficial a diferentes concentraciones de acidez. Acidez (% w/w) Área superficial (m2/g) 1.6 132.2 2.1 118.4 2.7 103.8 catalizadores pero esta disminución de área es nivelado al tener mayor acidez, ya que la acidez cataliza la reacción para obtener biodiesel, esto se confirma en los resultados en la síntesis de biodiesel. Difracción de rayos-X A continuación se mostrarán los resultados obtenidos en la difracción de rayos-X, para poder identificar los picos se utilizó como base la figura 3 la cual presenta los patrones característicos de cada estructura que puede presentar la zirconia32 De la figura 4 a la figura 6 se muestran los difractogramas de la zirconia sintetizada vía microondas. Se registraron mezcla de fases, siendo la fase predominante la tetragonal, esto se traduce en un gran logro tomando en cuenta dos aspectos importantes en la síntesis: (i) la atmósfera empleada fue aire y (ii) se controló sólo la potencia 1500 W y la frecuencia de 2.45 GHz. Fig. 4. Difracción de rayos-X en polvo de la zirconia a 30 s de calentamiento en microondas. Fig. 5. Difracción de rayos-X en polvo de la zirconia a 60 s de calentamiento en microondas. Fig. 3. Patrones de difracción de rayos X típicos de la zirconia. (A) 100% zirconia monoclínica, (B) 100% zirconia tetragonal y (C) 100% zirconia cúbica. 24 Fig. 6. Difracción de rayos-X en polvo de la zirconia a 90 s de calentamiento en microondas. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. En la figura 4 se puede observar que se obtiene zirconia en fase tetragonal por los picos característicos en los ángulos de difracción aproximadamente en 30°, 35° y 60°, conforme se va incrementando el tiempo de reacción se puede observar una aparición de un pico a un ángulo de difracción ~28° (figura 5), este pico es característico de una fase monoclínica y se ve cómo incrementa al avanzar aún más el tiempo de reacción (figura 6) pero al mismo tiempo se observa cómo ocurre un desdoblamiento de los picos que se encuentran a ~35° y a ~60°, esto indica la formación de una fase tetragonal más definida, sin embargo se comienza a formar una fase monoclínica en el sistema la cual puede ser una de las causas de la morfología final de la zirconia y puede afectar en sus propiedades catalíticas en la producción de biodiesel. En la figura 7 se muestran los difractogramas de la zirconia sintetizada vía microondas sulfatada por el método de impregnación, en los difractogramas se puede observar que después de la sulfatación no ocurrió ningún cambio en la estructura de la zirconia, sin embargo esto no confirma que no haya sucedido un cambio en la morfología ya que la sulfatación es un proceso que se da en la superficie de la zirconia y es probable que haya un crecimiento en el tamaño de partícula. Sabemos que con el tiempo la temperatura que alcanza el sistema va aumentando, si se mantiene en un lapso de tiempo determinado la temperatura se incrementará constantemente, pero al fijar un tiempo total de calentamiento y cumplirlo mediante lapsos de calentamiento de tiempo menor se obtiene una estructura tetragonal (figura 8), ya que no alcanza la temperatura suficiente para sufrir un cambio de fase pero sí la necesaria para obtener una fase definida, en este caso la tetragonal que es la que se obtiene a menores temperaturas a comparación de la monoclínica. Fig. 7. Difractogramas de la zirconia sintetizada vía microondas sulfatada. Fig. 9. Zirconia sintetizada vía microondas en un lapso de 30 a 60 s sulfatada, 250X a 3.0kV. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 8. Difractograma de la zirconia sintetizada vía microondas en 120 s utilizando lapsos de 30 s de calentamiento. Microscopía electrónica de barrido La figura 9 es una muestra de síntesis de la zirconia vía microondas en un lapso de tiempo de 30 a 60 s, la cual está sulfatada. Se empleó el software Gatan MicroGraph para hacer análisis de imágenes, se midió el tamaño de las partículas más grandes, las cuales tienen un tamaño promedio de 24.45 μm y una desviación estándar de 4.43 μm. 25 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. Al aumentar la magnificación a 5000X, se observa que dichas partículas constan de aglomeraciones de cúmulos de partículas de morfología esférica. La figura 10 muestra uno de esos cúmulos de pequeñas partículas de morfología esférica. Se observa una distribución bimodal de tamaño de partícula. Para la distribución mayor el tamaño promedio es de 320.27 nm con una desviación estándar de 36.05 nm. Para las partículas pequeñas el tamaño promedio es de 52.30 nm y una desviación estándar de 5.31 nm. CARACTERIZACIÓN DEL BIODIESEL Cromatografía de gases En la figura 12 se muestra el cromatograma de aceite del cual se partió para la síntesis de biodiesel, se observa que se mantiene la línea base y no produce señal. Fig. 12. Cromatograma del aceite utilizado en la síntesis de biodiesel. Fig. 10. Zirconia sintetizada vía microondas en un lapso de 30 a 60 s sulfatada, 5000X a 3.0kV. La figura 11 muestra otro de estos cúmulos de nanopartículas esféricas, este mismo cúmulo se observa a 100000X, estas partículas no están sulfatadas, y tienen un tamaño promedio de 64.28 nm y una desviación estándar de 1.93 nm. Se observa que estos cúmulos constan de nanopartículas esféricas. En la figura 13 se muestra un cromatograma del biodiesel sintetizado utilizando un catalizador básico (NaOH), este biodiesel fue utilizado como estándar para encontrar los tiempos de retención del biodiesel y observar los picos característicos. El primer pico que aparece en el cromatograma es del etanol utilizado en la reacción. Los picos que aparecen a partir del minuto 17 hasta el 22 conforman los ésteres sintetizados en la reacción, podemos saber que son los ésteres ya que se inyectó una muestra de aceite y la línea base no muestra señal alguna en el período de análisis, podemos decir que el biodiesel en las condiciones mencionadas anteriormente presenta 4 picos característicos. Fig.13. Cromatograma del biodiesel sintetizado con catalizador básico. Fig. 11. Zirconia sintetizada vía microondas en un lapso de 30 a 60 s, 100000X a 3.0kV. 26 A lo largo de la reacción del biodiesel se tomaron muestras a distintos lapsos de tiempo (40, 80 y 120 minutos) y se analizaron para observar cómo progresaba la reacción, en la figura 14 se muestran los cromatogramas y se puede apreciar claramente como los picos característicos del biodiesel aumentan su intensidad al pasar el tiempo demostrando así que si se logra la transesterificación del aceite utilizando Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Zirconia sulfatada como un catalizador para la síntesis de biodiesel / Javier S. Acevedo Campos, et al. la zirconia sulfatada como catalizador. Además de observar que la conversión aumenta con el tiempo se analizó el porcentaje de humedad y la densidad del biodiesel después de haberle dado un tratamiento de secado y se obtuvo una humedad de 0.08% y una densidad de 0.884 g/cm3 las cuales son ligeramente mayores comparadas con el biodiesel sintetizado de manera convencional que tiene una humedad de 0.06% y una densidad de 0.873 g/cm3, según la norma americana ASTM el biodiesel debe estar en un rango de humedad máximo al 0.05% y una densidad de 0.860 a 0.900 g/cm3, esta norma establece las especificaciones en las cuales el biodiesel puede ser utilizado como combustible. Fig. 14. Cromatogramas del seguimiento de la síntesis de biodiesel utilizando la zirconia sulfatada como catalizador. En la tabla III, se muestran los rendimientos obtenidos de la síntesis de biodiesel durante 2 horas utilizando como catalizador la zirconia y la zirconia sulfatada con diferentes concentraciones de ácido. Se observa que la zirconia sin sulfatar tiene un rendimiento bajo, mientras que la zirconia sulfatada a pesar de la disminución de área superficial cataliza la reacción por la acidez que contiene, dando rendimientos superiores al 80% en las mismas condiciones de reacción de la catálisis básica. Tabla III. Rendimientos de la síntesis de biodiesel. Rendimiento (%) Zirconia 32.3 Zirconia/SO4 (0.5 M) 88.6 Zirconia/SO4 (1.0 M) 84.8 Zirconia/SO4 (1.5 M) 85.2 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo financiero del programa PAICyT IT-152 09. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Kinast, J. A.; Tyson, K. S., Production of biodiesel from multiple feedstocks and properties of biodiesel and biodiesel/diesel blends. Final report; NREL: Golden, CO, (2003). 2. Ma, F. R.; Hanna, M. A., Biodiesel production: a review, Bioresour, Technol, 70, (1999), 1-15. 3. Haas, M. 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El residuo contenía 60% de PVC, 30% de polietileno, 7% de goma y 3% de fracción metálica. La fracción metálica se separó de forma manual. La recuperación de PVC se realizó mediante el método de flotación. Se prepararon 6 mezclas de PVC con residuo (R). El PVC y las mezclas se ensayaron a tracción, obteniendo una reducción de la resistencia y la ductilidad al incrementar el contenido de residuo. Esta reducción en las propiedades mecánicas se adjudicó a la heterogeneidad de los componentes de la mezcla. Palabras clave Cloruro de polivinilo, propiedades mecánicas, reciclado mecánico de PVC ABSTRACT In this work the mechanical properties of poly-vinyl chloride (PVC) from waste electrical wires were evaluated. The waste was composed of 60 wt% PVC, 30 wt% PE, 7 wt% rubber and 3 wt% metallic fraction. The metal was removed manually. PVC was recovered using flotation method. Six PVC/waste blends were prepared. Tensile tests were performed on PVC and blends. Both strength and ductility were reduced as increasing waste content. The reduction in mechanical properties was caused by several heterogeneities presents in the blends. KEYWORDS poly-vinyl chloride, mechanical properties, mechanical recycling of PVC INTRODUCCIÓN El PVC es un material que posee una combinación química de carbono, hidrógeno y cloro. Sus componentes provienen de la sal (57%) y del petróleo o gas natural (43%) principalmente, lo que le convierte en uno de los materiales poliméricos menos dependiente de combustibles fósiles.1-3 Dentro de las características generales del PVC se pueden destacar tanto su elevada resistencia y baja densidad (aproximadamente 1.4 g/cm3) como su versatilidad en diversas aplicaciones gracias al uso de aditivos que le confieren rigidez o flexibilidad. Otra característica a resaltar es que el PVC es estable e inerte, por lo que se utiliza en productos sanitarios y tuberías de agua potable. También, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 29 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. el PVC destaca por sus propiedades ignífugas, y es ampliamente utilizado como aislante eléctrico. Su bajo coste y elevada rentabilidad, combinado con la amplia gama de productos que pueden ser obtenidos a partir de diferentes técnicas y condiciones de procesamiento, hacen que el PVC se convierta en uno de los termoplásticos mayormente utilizados.1,2 De hecho, el consumo de PVC ha llegado a superar los 35 millones de toneladas al año.1,3-6 No obstante, esta enorme producción de PVC ha traído como consecuencia una gran expansión de residuos, con lo cual, su eliminación (en términos ambientales) ha adquirido una creciente importancia en la industria transformadora del plástico. Hasta hace unos años, la vía más sencilla para la eliminación de desechos de PVC era la de los vertederos. No obstante, esta alternativa ha comenzado a ser cada vez menos viable debido a la disminución de las áreas disponibles para el vertedero, además del coste que genera. Otra alternativa es la incineración, la cual se lleva cabo junto con otros residuos sólidos urbanos. Esta última vía ha sido tema de controversia, ya que mientras algunos estudios señalan que la combustión de residuos de PVC no conlleva daños al medio ambiente, otros estudios indican que no siempre se puede controlar las emisiones, incrementando la posibilidad de riesgos ambientales asociados con el cloruro de hidrógeno.2,7-9 A día de hoy, la ruta más adecuada es el reciclado mediante la recuperación del PVC. Según datos recopilados,9,10 el reciclaje del PVC ha aumentado notoriamente en los últimos años, y es hoy en día un tema de creciente interés para varios trabajos de investigación.5 A pesar de las ventajas que conlleva el reciclado,11,12 sólo una pequeña parte de los residuos de PVC es reutilizada, aunque es importante resaltar que existen ya numerosos programas de reciclaje. Por ejemplo, Vinyl 2010 se estableció en el año 2000 con los objetivos enfocados en: minimizar el impacto medioambiental de la producción de PVC, promover el uso responsable de los aditivos, reducir los residuos y, aumentar la recogida y el reciclado. Según los datos proporcionados,13,14 cerca de 194 950 toneladas de PVC fueron reciclados en el 2008, un incremento del 30% sobre el año 2007 cuando se reciclaron cerca de 149 500 toneladas, 30 lo que representó un reciclaje de aproximadamente de 2.5% del consumo total de PVC en Europa. La figura 1 muestra la cantidad de PVC reciclado en Europa desde 2003 hasta 2008 e indica claramente el rápido aumento de la tasa de reciclaje en los últimos años.13,14 Entre los países europeos, Alemania es internacionalmente considerada como el país más avanzado en el reciclado del PVC, y cuenta además con el mayor número de empresas recicladoras.13-15 Otro ejemplo de programa de reciclaje es Recovinyl, organización creada en el año 2003 por Vinyl 2010 para garantizar un suministro constante de residuos post-consumo de PVC. Este programa ha tenido como objetivos particulares: facilitar la recogida, clasificar, despachar y reciclar los desechos de PVC (principalmente de los desechos provenientes del sector de la construcción). Todo ello mediante la participación e incentivación de las empresas acreditadas para la recuperación de residuos de PVC y su reciclado. En el año 2011, Recovinyl estuvo activo en 16 países europeos, con 148 empresas recicladoras y un volumen de 253 086 toneladas de residuos postconsumo de PVC. Un año atrás (2010), empresas recicladoras españolas invirtieron en el aumento de la capacidad de sus plantas, con la finalidad de incrementar significativamente el reciclaje de residuos de PVC, principalmente de residuos provenientes de cables eléctricos. Lo anterior se reflejó claramente en el incremento en volumen de residuo de PVC reciclado en España durante el año 2011, que fue del 58.91% frente al año 2009.13, 14 Fig. 1. Grafica que muestra la tendencia sobre la cantidad de PVC reciclado en Europa ref. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. A pesar de que en la actualidad existen numerosos métodos y técnicas para el reciclado de plásticos, algunas de éstas técnicas de reciclaje no llegan a ser del todo favorables para el reciclado de PVC, debido principalmente a la presencia del cloro en su estructura.7 En particular, el vertido y el compostaje no son los métodos más adecuados debido a los riesgos que podría suponer la degradación oxidativa del PVC para el medio ambiente.3 La incineración y la pirolisis también pueden llegar a ser contraproducentes a causa de las grandes cantidades de cloruro de hidrógeno y otros productos tóxicos que se liberan durante la calcinación del PVC.15 Por lo anterior, los métodos de reciclado químico y mecánico son lo que han dado (hasta el momento) los mejores resultados.1 El método de reciclado químico se basa en la descomposición del material para obtener monómeros con los cuales, a partir de un proceso de polimerización, se obtienen nuevos materiales y/o productos.7,10,15,16 El reciclado químico puede realizarse mediante diversas técnicas de procesado (despolimerización por hidrogenación, disolución, solvolisis), siendo la disolución el proceso que se utiliza mayoritariamente en el reciclado de PVC. El método de reciclado mecánico es un proceso físico que, por lo general, se lleva a cabo cuando se conoce la formulación del material (generalmente en un proceso petroquímico), y cuando se conoce la procedencia de los residuos sólidos urbanos (materiales post-consumo), muy importante en el caso del PVC. Los procesos convencionales de reciclado mecánico implican la limpieza, la separación, la molienda y la transformación, y no conllevan ningún cambio en la composición química del material. En el caso que se conozca la formulación del material, las etapas de limpieza y separación no suelen ser necesarias. El volumen de los residuos de PVC a reciclar, la calidad y el costo de la ordenación y separación de los materiales, son algunos de los factores más importantes que determinan el costo final del PVC reciclado mecánicamente. Es sabido que la falta de homogeneidad, debido a la presencia de otros materiales termoplásticos y aditivos que contienen los residuos de PVC, es uno de los problemas a Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 considerar dentro del reciclado mecánico, ya que da lugar a un material difícil de procesar y con fases no miscibles que conllevan complicaciones ya sea al momento del reprocesado o bien durante el proceso de transformación. Por lo anterior, surge la idea de realizar un trabajo de investigación cuyo objetivo general sea analizar el reaprovechamiento del reciclaje mecánico del PVC, utilizando como residuo material procedente de cables eléctricos. El objetivo particular del presente trabajo es evaluar la viabilidad de reciclaje del PVC para la fabricación de nuevos productos, en función de las propiedades mecánicas obtenidas a tracción. MATERIALES En este trabajo se utilizó el PVC comercial BENVIC® EPA0100900AA, suministrado por Solvay Benvic, el cual es un PVC plastificado con una densidad de 1.38 g/cm3, una tensión a la rotura de 10 MPa y una deformación a la rotura de 225 %. Para las mezclas se utilizó un residuo (R) proveniente de cables eléctricos, el cual fue suministrado por una empresa autorizada de gestión de residuos de cable eléctrico con sede en Catalunya, España. Según esta empresa, la composición en peso de este residuo puede llegar a ser de: 60% PVC, 30% polietileno, 7% goma y 3% fracción metálica. MÉTODOS EXPERIMENTALES Los cables eléctricos se constituyen básicamente de un alma conductora (alambre de cobre o aluminio) y un aislante (mezcla de PVC, polietileno y elastómeros). Durante el proceso de reciclado, lo primero que se retira es el material conductor debido a su valor comercial. No obstante, siempre quedan restos de metal que deben ser removidos del residuo previo al reciclado. En este trabajo, la separación de la fracción metálica contenida en el residuo se llevó a cabo de forma manual, por lotes de aproximadamente 100 gr. Una vez retirado el metal, la recuperación de PVC se realizó mediante el método de separación por diferencia de densidades (conocido también como proceso de selección por flotación). Para ello, el residuo libre de metal se colocó dentro de un vaso de precipitado y se utilizó agua (ρ = 1 gr/cm3) como 31 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. Tabla I. Nomenclatura, composición nominal y apariencia física de los materiales empleados. Nomenclatura Composición nominal en peso PVC 100 % PVC PVC/7R 93 % de PVC virgen + 7 % de residuo PVC/15R 85 % de PVC virgen + 15 % de residuo PVC/25R 75 % de PVC virgen + 25 % de residuo PVC/50R 50 % de PVC virgen + 50 % de residuo PVC/75R 25 % de PVC virgen + 75 % de residuo R 100 % residuo 32 Apariencia de la mezcla triturada Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. medio de suspensión. Posteriormente, el residuo de PVC recuperado se colocó dentro de una estufa con circulación forzada de aire (J.P. Selecta®) a 80ºC durante 24 h. Las mezclas PVC/R se realizaron en una mezcladora de rodillos contrarotantes IQAP-LAP modelo RL-110. La temperatura de los rodillos fue de 210ºC, y tanto la velocidad como la distancia entre los rodillos tuvieron que ser modificadas a conveniencia. A pesar de que la mezcladora de rodillos no proporciona un elevado grado de mezclado, es bastante eficaz para intentar evitar la degradación del PVC, el cual puede liberar ácido clorhídrico durante su descomposición. El procedimiento de mezclado es bastante simple, primero se coloca la mezcla PVC/R sobre los rodillos atemperados, haciéndola pasar poco a poco, y se aumenta la distancia entre los rodillos con la finalidad de obtener una película cada vez más gruesa. Posteriormente, la película obtenida se tritura para poder transformar el material. Es importante resaltar que el mismo procedimiento se aplicó al PVC virgen para poder comparar el efecto del contenido de residuo bajo un mismo tratamiento de mezclado. La tabla I muestra la nomenclatura y composición de los materiales analizados en este trabajo. Tanto el PVC como las mezclas PVC/R fueron transformadas mediante el proceso de compresión, utilizando una prensa de platos calientes IQAPLAP modelo PL-15. Es importante resaltar que la preparación de placas, con un espesor homogéneo y una buena calidad superficial, conllevó un gran esfuerzo. En un principio se pensó en preparar placas sin hacer pasar el material a través de la mezcladora a de rodillos. Así, utilizando solamente el residuo, al aplicar una temperatura de 210 ºC y 11 bares de presión durante 1 minuto, se obtuvo una placa de 4 mm de espesor con muy poca homogeneidad y una gran cantidad de material infundido (figura 2a). Al aumentar la temperatura se obtuvo una placa con menor cantidad de material infundido, pero con una pésima calidad superficial (figura 2b). Al incrementar aún más tanto la temperatura como la presión (figura 2c), la calidad de la placa obtenida no presentó variaciones significativas respecto a lo mostrado en las figuras 2a y 2b. Debido a los resultados obtenidos, se decidió realizar dos pasos de compresión. Así, a la placa de la figura 2a, se le aplicó nuevamente el proceso de compresión (bajo las mismas condiciones de presión y temperatura) pero utilizando ahora un marco de 1 mm de espesor, el resultado puede apreciarse claramente en la figura 3a. A pesar de que esta placa presentó una sustancial mejora superficial, el material mostró poca adherencia entre sí, con lo cual la placa se rompía fácilmente sólo con ser doblada con las propias manos. En base a lo anterior, se decidió pasar el residuo por la mezcladora de rodillos IQAP-LAP, y realizar dos pasos de compresión. De esta forma, el material ya mezclado y triturado se comprimió dos veces a una temperatura de 210 ºC y una presión aplicada de 11 bares durante 1 min, obteniéndose finalmente una placa homogénea. El cambio visual es bastante notorio según se puede apreciar en la figura 3b. Este mismo procedimiento se aplicó tanto al PVC como a las mezclas PVC/R utilizando las concentraciones de residuo presentadas en la tabla b c Fig. 2. Fotografías correspondientes a las placas de 100 % residuo, obtenidas mediante el método de compresión: a) compresión bajo las condiciones expuestas en métodos experimentales, b) compresión aumentando la temperatura y c) compresión incrementando la temperatura y la presión. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 33 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. deformación a rotura (εb). Los valores presentados en este trabajo corresponden al promedio de al menos 8 ensayos válidos. La observación de la superficie de rotura se realizó con una lupa microscópica modelo Carton. a b Fig. 3. Fotografías correspondientes a las placas de 100 % residuo obtenidas mediante: a) mezclado manual y comprimida dos veces, y b) previamente mezclado mediante rodillos y comprimida dos veces. I. Visualmente, las placas correspondientes a las mezclas PVC/R variaron de tonalidad en función del contenido de residuo, según se aprecia en la figura 4. A partir de las placas obtenidas se troquelaron probetas halterio tipo IV, utilizando una troqueladora CEAST modelo 6051. Las probetas fueron utilizadas para la caracterización mecánica de los materiales (figura 4). Fig. 4. Fotografía correspondiente a la evolución de la tonalidad del color en las placas conforme se aumenta el contenido de residuo. Se aprecia también una probeta de tracción troquelada directamente de una de las placas. La caracterización mecánica se llevó a cabo mediante ensayos a tracción uniaxial (siguiendo lo establecido por la norma ISO 527), utilizando una máquina de ensayos universal modelo Galdabini Sun 2500, equipada con una célula de carga de 5kN y un videoextensómetro Mintron OS-65D. Las probetas se ensayaron a una velocidad de separación de mordazas de 10 mm/min y temperatura ambiente (22 ± 1ºC), y se obtuvieron las correspondientes curvas esfuerzo Vs deformación. A partir de dichas curvas se determinó la tensión máxima (σm) y la 34 RESULTADOS Obtención de residuo La selección por flotación permitió determinar la cantidad en peso de dos porciones de mezclas: una fracción ligera (en su mayoría compuesta de polietileno y goma, con densidades inferiores a la del agua), y una fracción pesada (no flotante) que correspondió mayoritariamente al PVC. La tabla II muestra los resultados de separación obtenidos. Según los resultados presentados en la tabla II, el residuo contenía aproximadamente un 77 % en peso de PVC. Tabla II. Composición promedio del residuo mediante separación por flotación. Muestra (100 g) Fracción ligera (gr) Fracción pesada (gr) 1 23.7 76 2 25.5 74.2 3 22.8 76.9 4 18.4 79.4 5 23 76.7 Contenido (%) 23 ± 0.03 77 ± 0.02 Propiedades mecánicas La figura 5 muestra las curvas tensión Vs deformación correspondientes al PVC, al residuo y a las mezclas PVC/R. Todos los materiales ensayados rompieron de manera similar, sin evidenciar un claro punto de fluencia y alcanzando un valor de tensión máximo previo a la rotura. Físicamente, las probetas no presentaron una deformación localizada o cuello, estirándose homogéneamente hasta la rotura. La diferencia mayor se puede apreciar en la figura 5f, donde el área bajo la curva del residuo disminuye drásticamente en comparación con la del PVC. La tabla III presenta los parámetros mecánicos (σmáx y εb) obtenidos a partir de las curvas esfuerzo Vs deformación. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. a b c d e f Fig. 5. Curvas esfuerzo vs deformación representativas de: a) PVC/7.5R, b PVC/15R, c) PVC/25R, d) PVC/50R, e) PVC/75R y f) PVC y 100 % residuo. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 35 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. Tabla III. Parámetros mecánicos obtenidos en función del contenido de residuo. Contenido de σmáx (MPa) residuo (%) εb (%) 0 9.23 ± 1.03 268.4 ± 55.25 7.5 5.91 ± 0.73 155.4 ± 30.06 15 4.02 ± 0.35 85.32 ± 21.13 25 4.07 ± 0.57 77.21 ± 23.74 50 2.36 ± 0.35 28.78 ± 8.41 75 2.43± 0.096 14.4± 1.35 100 2.51± 0.33 7.27± 1.55 Tal como cabría esperar, la tensión máxima y la deformación disminuyen drásticamente al incrementar el contenido de residuo. Lo anterior se podría atribuir principalmente a la heterogeneidad que presenta el residuo, con tamaños diversos de partículas no fundidas, tal como se puede apreciar en las imágenes correspondientes a la superficie de rotura de las probetas de tracción mostradas en la figura 6. EL PVC muestra una superficie de rotura muy homogénea y aparentemente sin cavitaciones (figura 6a), mientras que la superficie de rotura a b c d e f g Fig. 6. Fotografías correspondientes a la superficie de rotura del: a) PVC, b) PVC/7.5R, c) PVC/15R, d) PVC/25R, e) PVC/50R, f) PVC/75R y g) 100 % residuo 36 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. de las mezclas PVC/R (figura 6b-g) presentaron cavitaciones y varias partículas infundidas de diversos tamaños. En la figura 6, se puede apreciar que al aumentar el contenido de residuo, el número de partículas infundidas aumenta notoriamente. En base a lo anterior, es posible asumir que las partículas infundidas no se encuentran completamente adheridas al PVC, con lo cual la resistencia disminuye, aunado a lo anterior, el incremento de las partículas infundidas estaría favoreciendo la rotura prematura del material, justificando así el bajo valor de resistencia y ductilidad obtenidos en las mezclas PVC/R. La figura 7 muestra la evolución de los parámetros mecánicos (σmax y εb) obtenidos respecto al contenido de residuo. Tal como se ha mencionado, al añadir el residuo al PVC, la resistencia disminuye. No obstante esta reducción no llega a ser continua, tal como se puede apreciar en la figura 7a. Con un 7.5 % de residuo, la resistencia llega a disminuir aproximadamente un 36 %, mientras que con un contenido de residuo comprendido entre un 15-25 % en peso, la resistencia máxima disminuye hasta un 57 %; y finalmente, a partir de un 50 % de residuo, la resistencia disminuye un 74 % respecto a la del PVC. A diferencia de lo observado en las tendencias obtenidas para el esfuerzo máximo, la deformación a rotura de las mezclas PVC/R tiende a disminuir continuamente al aumentar el contenido de residuo (figura 7b). Así, con un 7% de contenido de residuo, la deformación disminuye un 42% respecto al PVC y hasta un 97% utilizando sólo residuo. Es importante resaltar que al aumentar el contenido de residuo, la desviación estándar obtenida se reduce considerablemente debido a la poca dispersión de los resultados, lo cual se ha atribuido a la heterogeneidad del mezclado, ya que al aumentar el contenido de residuo, se incrementa también el número de partículas infundidas, las cuales impiden que el material alcance los valores de esfuerzo y deformación esperados. CONCLUSIONES En este trabajo se analizó el comportamiento mecánico de mezclas de PVC con el residuo proveniente de cables eléctricos. La separación por flotación reveló que el residuo contenía aproximadamente un porcentaje promedio del 77 % en peso de PVC. El residuo y las mezclas PVC/R necesitaron de dos pasos de moldeo por compresión para obtener placas con un espesor homogéneo y una buena calidad superficial. El PVC también fue sometido al mismo proceso de compresión para comparar adecuadamente los resultados. El comportamiento mecánico mostró que tanto la resistencia como la ductilidad disminuyen al aumentar el contenido de residuo, y se atribuyó a la heterogeneidad de las mezclas y a la presencia de partículas infundidas. Los resultados experimentales obtenidos señalan que las mezclas de PVC/R poseen un rendimiento muy limitado en aplicaciones donde el material esté sometido a esfuerzos o cargas bajo tracción. a b Fig. 7. Efecto del contenido de residuo sobre: a) el esfuerzo máximo y b) la deformación a rotura. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 37 �Propiedades mecánicas de residuos de PVC provenientes de cable eléctricos / Edgar Adrián Franco Urquiza, et al. A pesar del pobre rendimiento mecánico obtenido, los autores consideran este trabajo un primer paso en la mejora de las propiedades mecánicas de mezclas PVC/R, y se encuentran aplicando nuevas rutas de mejora, dentro de las cuales se podrían destacar el uso de extrusoras que permitan obtener un adecuado mezclado de los materiales o bien, reducir y homogeneizar el tamaño del residuo a través de tamices. REFERENCIAS 1. Braun, D., PVC — origin, growth, and future. Journal of Vinyl and Additive Technology, 2001. 7(4): p. 168-176. 2. Hegberg, B.A., W.H. Hallenbeck, and G.R. Brenniman, Plastics recycling rates. Resources, Conservation and Recycling, 1993. 9(1–2): p. 89-107. 3. Yarahmadi, N., I. Jakubowicz, and L. Martinsson, PVC floorings as post-consumer products for mechanical recycling and energy recovery. 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El método toma en cuenta el contenido modal de las señales medidas, capturándola de simulaciones de estabilidad transitoria. La eficiencia de la técnica presentada se estima por medio de simulaciones computacionales de los modelos estimados. PALABRAS CLAVE Estimación de modelo inter-área, criterio de áreas iguales, estabilidad transitoria, modelo de orden reducido, medición fasorial. ABSTRACT This paper presents a technique based upon phasor measurements, to hierarchically classify synchronous generators, allowing the representation, in an angle-frequency plane, of the electromechanical oscillations arising in a power system. This analytical framework is useful for obtaining a reducedorder model of a radial power system, making possible to evaluate the evolution of the system through two security indices based on the equal area criterion. The method takes into account the modal content of the measured signals, thus captured from transient stability simulations. The efficiency of this technique is determined by means of computer simulations of the estimated models. KEYWORDS Inter-area mode estimation, equal area criterion, transient stability, reducedorder model, phasor measurement. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 39 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. INTRODUCCIÓN La confiabilidad es un factor clave cuando se trata de la operación de un sistema de potencia.1 Para tener un servicio confiable, la integridad de una red eléctrica debe mantenerse. Aunque en las últimas dos décadas gran parte del interés se ha enfocado en la identificación y análisis de características modales electromecánicas a partir de datos medidos directamente del sistema de potencia,2 ha sido hasta recientemente que la expansión de las mediciones fasoriales sincronizadas ha permitido a los operadores tomar acciones en tiempo real basándose en datos medidos. Un modelo preciso de los procesos transitorios debe capturar características temporales dominantes de la dinámica del sistema observado y relacionar estas características con aspectos específicos de interés.3 Esto es particularmente cierto en el desarrollo de sistemas de medición y control de área amplia, en los que el impacto específico de los dispositivos o eventos en el comportamiento dinámico del sistema debe ser adecuadamente analizado.4 Estudios anteriores, encontrados en la literatura, se han centrado en la identificación de los mecanismos para la inestabilidad y el análisis de la variabilidad de los datos medidos teniendo en cuenta mediciones fasoriales sincronizadas seleccionadas. Otros autores han desarrollado técnicas analíticas que buscan mantener la dinámica del sistema, al tiempo que reducen la complejidad de los modelos. La metodología presentada en este artículo tiene por objeto representar una parte de un sistema de potencia como un equivalente de orden reducido y, a partir de éste, evaluar el nivel de seguridad del sistema en faltas graves. Lo anterior, utilizando la información sobre el estado operativo del sistema y la dinámica proporcionada por mediciones fasoriales. Se incluye la comparación de los resultados numéricos obtenidos por el método propuesto empleando simulaciones numéricas. Se ha demostrado que el procedimiento propuesto tiene un gran atractivo y puede ser utilizado para la evaluación en línea de la seguridad del sistema eléctrico. Implementación de la Plataforma de Prueba En esta sección se presenta la metodología para 40 la implementación de la plataforma de análisis propuesta. Adecuadamente para la aplicación, los datos del estudio se procesaron utilizando una ventana deslizante, cuyo tamaño se consideró mayor que 50 muestras. Esto representa al menos 0.49 s de datos medidos por ventana (para un tiempo de muestreo Δt=10 ms). Agrupamiento Jerárquico En este trabajo, se utilizó la herramienta de agrupamiento jerárquico aglomerativo.5,6 Con esta herramienta es posible determinar la ubicación eléctrica de los generadores síncronos de acuerdo a la zona a la que corresponden mediante la evaluación de su oscilación coherente. Para esto, la matriz de medición, M, se define como con ⎡ m1 ⎤ ⎢m ⎥ M = ⎢ 2⎥ ⎢ # ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ mn ⎦ mi = [θi (1) fi ] (2) donde θi y fi son el ángulo de voltaje y la frecuencia del i-ésimo bus de generación, respectivamente, y n es el número de buses generación. El centro eléctrico de un sistema de energía es análogo al centro de masa de un sistema de partículas5. Esto puede ser demostrado por el hecho de que la dinámica de ambos sistemas es descrita por la segunda ley del movimiento de Newton. La estrecha relación entre un sistema eléctrico y uno mecánico se muestra en la tabla I. En consecuencia, el vector de constantes inercia, H, para las n partículas análogas correspondientes a los n generadores está dado por ⎡ H1 ⎤ (3) H = ⎢⎢ # ⎥⎥ . ⎢⎣ H n ⎥⎦ Tabla I. Analogía entre sistemas eléctricos y sistemas mecánicos. Sistema Mecánico Sistema Eléctrico Masa (m) constante de inercia (H) Coordenadas (x, y) Atributos (θ, f) Centro de masa Centro Eléctrico Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Del mismo modo, de acuerdo con (2), el vector de atributos, A, está dado por ⎡ θ1 + jf1 ⎤ (4) A = ⎢⎢ # ⎥⎥ , ⎢⎣θn + jf n ⎥⎦ donde j es la unidad imaginaria. El centro eléctrico, en un dominio bidimensional, se calcula entonces de la siguiente manera: n cx = ∑H i =1 i Re{ Ai } ∑H i =1 n cy = , n ∑H i =1 i i (5) Im{ Ai } . n ∑H i =1 i Estimación del Modelo Inter-área El método de estimación del modelo inter-área (IME)7–9 permite estimar los parámetros eléctricos de un sistema de potencia de orden reducido de dos áreas a partir de las mediciones fasoriales de los voltajes y corrientes en la interconexión. El método calcula las constantes de inercia (H), reactancias equivalentes (x), y voltajes internos y ángulos (E, δ) de los generadores para la red equivalente correspondiente. Se puede simplificar un gran sistema eléctrico radial preservando al mismo tiempo sus características dinámicas con una precisión aceptable. Se asumen modelos clásicos de los generadores síncronos y líneas de transmisión de parámetros concentrados para el modelado del sistema equivalente. La figura 1 muestra un gran sistema eléctrico radial y su equivalente de orden reducido. En este caso, E1 y E2 son los voltajes internos de los generadores equivalentes de modelo clásico, z1 y z2 son las impedancias equivalentes para cada área, y ze es la impedancia de la línea de enlace. Para poder hacer uso de esta técnica de estimación, es necesario disponer de mediciones fasoriales de los voltajes de los nodos de envío y recepción, así como la corriente a través de la interconexión. El método IME se compone de dos etapas principales: el método de extrapolación de reactancia (estimación de la reactancia equivalente para cada Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 1. Gran sistema de potencia radial: (a) sistema completo y (b) equivalente de orden reducido de dos áreas. área, x1 y x2) y la estimación de las inercias de las máquinas equivalentes (H1 y H2). La ecuación de oscilación global del sistema, despreciando el amortiguamiento y las pérdidas, está dada por HH �= δ� = Ωω, 2 1 2 ω H1 + H 2 (6) H 2 Pm1 − H1 Pm2 E1 E2 − sen δ, H1 + H 2 x1 + x2 + xe donde ω=ω 1-ω 2 es la velocidad angular de las máquinas equivalentes y δ=δ1-δ2 es la diferencia de los ángulos de los voltajes internos. Con el fin de representar con exactitud un gran sistema radial de potencia con un modelo de orden reducido, es necesario calcular todos los parámetros equivalentes que aparecen en (6). Extrapolación de reactancias Como un primer paso, el voltaje en el enlace se expresa como una función de la impedancia. La figura 2 muestra un circuito básico donde los puntos extremos A y B representan los nodos internos de cada área equivalente. C es un punto en cualquier lugar de la línea A–B con una impedancia z=r+jx vista desde B. 41 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Fig. 2. Circuito simplificado de un sistema de dos áreas. Supongamos que Ĩ es el fasor de corriente de A a B, por lo tanto el voltaje en el punto C está dado por V� (r , x) = E� 2 + (r + jx) I� = E2 + r + jx (E1 cos δ + jE1 sen δ − E2 ) re′ + je′ (7) = E2 (1 − a ) + E1 (a cos δ − b sen δ) + j (E1 (b cos δ + a sen δ − bE2 ) ), donde a= rre′ + xxe′ , re′2 + xe′2 (8) xre′ − rxe′ . re′2 + xe′2 La magnitud del fasor se define como V (r , x) = V� (r , x) b = Fig. 3. Sistema de potencia radial con bus intermedio. = c + 2 E1 E2 ((a − a 2 − b 2 ) cos δ− b sen δ ) (9) =V (a, b, δ), donde c = E22 b 2 + (1 − a ) 2 + E12 a 2 + b 2 (10) es una constante. Linealizando (6) y (9) en el punto de equilibrio (δ0,ω0=0,Vss) se tiene ( ) ( ) Δδ� = ΩΔω, � = 2 H Δω E1 E2 zm ( H1 + H 2 ) ( H 2 sen(δ0 + α) − H1 sin(δ 0 − α ) ) Δδ, ΔV ( x ) = ( ) V ( a , b, δ 0 ) Δδ. Si la resistencia re′ se desprecia, entonces x a= , xe′ (12) y (11) se simplifica como 42 a (1 − a ) Δδ. V ( a, δ 0 ) xe 2 . a3 = x1 + xe + x2 Suponiendo, por simplicidad, que el nodo 3 está situado a medio camino entre los nodos 1 y 2, entonces z V�3 = V�1 − j e I�. 2 b = 0, ΔV (a, δ) = − E1 E2 sen δ0 Definiendo A = − E1 E2 sen δ0 Δδ(t0 ), (14) el voltaje normalizado en el i-ésimo nodo se calcula como Vin = VimViss = A(1 − ai )ai , (15) donde Viss es el voltaje de estado estacionario en el i-ésimo nodo medido antes de una perturbación, y x2 + xe a1 = , x1 + xe + x2 (16) x2 a2 = , x1 + xe + x2 x2 + (11) − E1 E2 sin δ 0 a − a 2 − b 2 − b cos δ 0 Considere el sistema con un nodo intermedio mostrado en la figura 3. La amplitud del voltaje oscilatorio para cada nodo, en el tiempo t=t0, se representa como Vim, i=1,2,3. Los voltajes oscilatorios Vim se asocian a un modo oscilatorio inter-área y fueron calculados utilizando el método de trazo de la función generalizado (GPoF).10 Mientras que las estimaciones modales se pueden obtener con una amplia gama de herramientas de descomposición11 (por ejemplo la transformada rápida de Fourier, el algoritmo de clasificación de múltiples señales, el método de Prony, el algoritmo de realización de eigensistemas), el método GPoF mostró tener la mejor eficiencia computacional y la mejor respuesta ante ruido.12–14 (13) (17) El voltaje Ṽ3 puede ser tanto un voltaje medido como uno estimado. En este trabajo se supone que es una cantidad medida. Resolviendo para A en (15) y reordenando, se tiene Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. V1n (1 − a2 )a2 = V2n (1 − a1 )a1 , (18) V3n (1 − a1 )a1 = V1n (1 − a3 )a3 . Por lo tanto, las reactancias x1 y x2 se calculan mediante la solución numérica del sistema de ecuaciones no lineales dado por (16) y (18). Cálculo de los voltajes internos Una vez que las reactancias equivalentes, x1 y x2, se han estimado, el cálculo de los voltajes internos es sencillo, ya que las mediciones fasoriales de Ṽ1, Ṽ2 e Ĩ están disponibles. Según la ley de voltajes de Kirchhoff, los voltajes internos están dados por E�1 = V�1 + jx1 I�, (19) E� = V� − jx I�. 2 2 2 Estimación de las constantes de inercia equivalentes Con el fin de calcular las constantes de inercia equivalentes H1 y H2 es necesario relacionar la frecuencia de modo inter-área con los parámetros del sistema. Esto se hace linealizando (11) y resolviéndola para la frecuencia de modo inter-área (en Hz) de la siguiente manera: f = 1 E1 E2 Ω ( H 2 sin(δ 0 + α ) − H1 sen(δ 0 − α ) ) 2π 2( H1 + H 2 ) Hz m , (20) donde Ω = 2πf . Resolviendo para la constante de inercia equivalente H, resulta H= E1 E2 Ω ( H 2 sin(δ 0 + α ) − H1 sen(δ 0 − α ) ) 2( H1 + H 2 ) z m (2πf ) 2 . (21) Si se desprecia la resistencia de la línea, entonces α≈ /2 rad y (21) toma la siguiente forma: E1 E2 cos δ0 Ω H1 H 2 (22) = . H1 + H 2 2( x1 + xe + x2 )(2πf ) 2 La frecuencia del modo inter-área f se calcula a partir de las señales de voltaje utilizando el método GPoF discutido anteriormente. Por otra parte, utilizando el concepto de momento angular total ∫ . . L = 2 H1ω1 + 2 H 2 ω2 = ( H1 ω1 + H 2 ω2 ) dt = ∫ (P m1 − Pe1 + Pm2 − Pe2 ) dt = 0 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 (23) y despreciando las pérdidas y el efecto de amortiguamiento, se tiene H1 ω (24) =− 2. H2 ω1 Aunque ni ω1 ni ω2 puede obtenerse de forma directa a partir de las mediciones fasoriales, pueden calcularse de las frecuencias de los voltajes de los buses ξ1 y ξ2 de la siguiente manera: a ω + b (ω + ω2 ) cos(δ1 − δ 2 ) + c1ω2 ξ1 = 1 1 1 1 , (25) a1 + 2b1 cos(δ1 − δ 2 ) + c1 donde a1 = E12 (1 − r1 ) 2 , b1 = E1 E2 r1 (1 − r1 ), c1 = r12 E22 , r1 = x1 . x1 + xe + x2 De manera similar ξ2 = a2 ω1 + b2 (ω1 + ω2 ) cos(δ1 − δ 2 ) + c2 ω2 a2 + 2b2 cos(δ1 − δ 2 ) + c2 , (26) donde a2 = E12 (1 − r2 ) 2 , b2 = E1 E2 r2 (1 − r2 ), x1 + xe . x1 + xe + x2 Las frecuencias de los voltajes de bus se calculan mediante el procesamiento de los ángulos de voltajes de bus utilizando un filtro derivativo. Después, estas señales son post-procesadas utilizando el algoritmo GPoF con el fin de tener sólo la componente del modo oscilatorio inter-área, como se muestra en la figura 4. Al resolver numéricamente (25) y (26) para ω1 y ω2, y posteriormente resolver (22) y (24), es posible calcular los valores de las constantes de inercia equivalentes H1 y H2. c2 = r22 E22 , r2 = Índices de Seguridad Se proponen dos índices basados en el criterio de áreas iguales con el fin de determinar el límite de estabilidad de primera oscilación de un sistema de potencia radial. Asumimos en esta sección que el sistema en estudio puede reducirse a la forma mostrada en la figura 1, los generadores equivalentes se representarán por el modelo clásico, y todas las pérdidas se desprecian. Para propósitos de análisis, se supone que la potencia mecánica se mantiene constante durante el 43 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. De acuerdo con lo anterior, las curvas ángulopotencia no cambian durante el tiempo de estudio. Las fallas aplicadas se liberan después de un tiempo de liberación t c=83 ms sin cambiar la topología de la red, por lo tanto las curvas ángulopotencia de pre- y post-falla son idénticas. Índice de Seguridad 1 La idea es estimar δ̂ de tal manera que maximiza la potencia transmitida (véase la figura 5), por lo tanto, E1 E2 Pe = sen δ → max, (28) x1 + x2 + xe δ=δˆ sujeto a ∫ ˆ δ+δ c δˆ Fig. 4. Ángulos, frecuencias y componentes modales de los voltajes de bus: línea continua, bus 1, línea discontinua, bus 2. Se consideran fallas trifásicas sólidas para formular los índices propuestos, ya que son éstas las que tienen el mayor impacto en la estabilidad del sistema de potencia. tiempo de estudio y es igual a la potencia eléctrica antes de la perturbación. Se puede demostrar que es posible evaluar la estabilidad transitoria del sistema en primera oscilación mediante el análisis de sólo la curva ángulo-potencia correspondiente a un único generador7,8, como indica. δ� = Ωω, ( Pe − Pe falla ) d δ − ∫ δmáx ˆ δ+δ c ( Pe post − Pe ) d δ = 0, (29) donde ω0 Pac 2 (30) tc , 4H y suponiendo una falla trifásica sólida Pac = Pm = Pe . δc = δˆ + (27) Fig. 5. Criterio de áreas iguales aplicado a la estimación de índices de seguridad. con δ=δ1-δ2. Por lo tanto, la curva ángulo-potencia asociada a (27) es suficiente para evaluar la estabilidad de todo el sistema. Se hicieron las siguientes suposiciones: Como los generadores se supusieron representados por modelos clásicos, los voltajes internos se asumen constantes. Los parámetros estimados x1, x2, xe, H1 y H2 se mantendrán constantes mientras se realiza el cálculo de los índices de seguridad. Así, el índice de seguridad propuesto para la máxima transferencia de potencia, SI1, se define como ⎛ P ⎞ SI1 = ⎜1 − e0 ⎟ , (31) ⎝ Pe lím ⎠ donde Pe0 es la potencia eléctrica a través de la interconexión antes de una perturbación, y Pe lím es la potencia máxima estimada que el sistema es capaz de transmitir antes de perder la estabilidad. Este algoritmo calcula el límite de transferencia de potencia admisible y la expresa como un índice. De esta manera, el operador puede tener una idea clara de HH E1 E2 � = Pm1 − 2 1 2 ω sen δ, H1 + H 2 x1 + x2 + xe 44 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. la cantidad de energía que todavía se puede transmitir sin comprometer la estabilidad del sistema. Índice de Seguridad 2 En esta sección, se propone un criterio para el tiempo de liberación de falla, basado en el ángulo crítico y la curva ángulo-potencia de post-falla. Si la curva paramétrica C dada por f (δ) = δ g (δ) = Pmáx sen d a ≤ δ ≤ b, (32) donde E1 E2 (33) Pmáx = , x1 + x2 + x3 es suave en el intervalo [a,b], entonces se puede demostrar que su longitud está dada por s= ∫ b 1 + (Pmáx cos δ ) d δ. 2 a (34) La longitud s:R2→R fue elegida para mapear las curvas ángulo-potencia a distancias angulares escalares como se muestra en la figura 6. Nótese que aunque δc-δb=δb-δa, la longitud δa-b no es igual a la longitud δb-c. Por lo tanto, el índice de seguridad, para un máximo tiempo de despeje de falla, SI2, se define como ⎛ s ⎞ SI2 = ⎜ c ⎟ . (37) ⎝ smáx ⎠ Fig. 7. Sistema de estudio de dos áreas y cuatro máquinas. Aplicación El sistema de estudio es un sistema de dos áreas que consta de cuatro generadores de 900 MVA y 20 kV, dos generadores por área como se muestra en la figura 7. Los parámetros de los generadores son: x´d, =0.25 pu, H=6.5 s en la base de sus MVA y kV nominales. Los parámetros de la red de 230 kV aparecen en la tabla II en una base de 900 MVA. Cada transformador elevador tiene una reactancia x=0.15 pu en una base de 900 MVA. Tabla II. Parámetros de la red. Bus de envío Bus de recepción Reactancia, x (p.u.) 1 3 0.495 1 6 0.090 Fig. 6. Longitud de una curva paramétrica C. 1 8 0.045 La distancia crítica, Sc, se define como 2 3 0.495 2 11 0.090 2 13 0.045 5 6 0.225 10 11 0.225 sc = ∫ δc 1 + (Pmáx cos δ ) d δ, 2 δrelé (35) donde δrelé es el ángulo en que la falla se puede liberar por el relé de protección, y Sc es el ángulo crítico. Además, la distancia máxima, Smáx, se define como δmáx 2 (36) smáx = 1 + (Pmáx cos δ ) d δ, ∫ δrelé donde δmáx, π2 ≤ δmáx ≤ π , es el ángulo en el que la potencia mecánica y la curva de potencia eléctrica post-falla se intersecan. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 La tabla III muestra el punto de operación del sistema, con una transferencia de potencia entre áreas de 300 MW. El análisis comprende dos escenarios: el análisis de la estabilidad transitoria del sistema después de una gran perturbación y la respuesta dinámica16 ante pequeñas perturbaciones aleatorias. Se realizaron 45 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. simulaciones utilizando el toolbox PSAT para MATLAB con el fin de comparar el comportamiento dinámico del modelo de orden reducido con la respuesta del sistema de prueba. Tabla III. Solución de flujo de cargas para la red predisturbio. Bus Voltaje de bus (p.u.) Pgen (MW) Pcarga (MW) Qcarga (MW) 1 0.9597 - - - 2 0.9511 - - - 3 0.9390 - - - 4 1.05 588.29 - - 5 1.0193 - - - 6 0.9903 - - - 7 1.05 690.25 - - 8 0.9536 - 972.99 90.33 9 1.05 594.0 - - 10 1.0177 - - - 11 0.9866 - - - 12 1.05 594.0 - - 13 0.9431 - 1485.5 88.95 Caso 1: Análisis de Estabilidad Transitoria Para el caso de estudio 1, se aplicó una falla trifásica en la mitad de la interconexión (bus 3). La falla se liberó después de 5 ciclos. Esta falla es capaz de excitar los modos electromecánicos del sistema de potencia, como se ve en las oscilaciones de la potencia transmitida a través de la interconexión mostrada en la figura 8. La figura muestra también, la magnitud, el ángulo del voltaje en los nodos 1, 2 y 3. Aunque se llevó a cabo una simulación de 10 segundos, se utilizaron ventanas estudio de 2 segundos (200 muestras), como se mencionó anteriormente. El proceso de agrupamiento de los generadores se muestra en la figura 9. En este caso, el plano de fase presenta la respuesta oscilatoria de generadores de frecuencias y ángulos. Con la topología del sistema definida por el proceso de agrupamiento, se inicia la estimación de los parámetros del modelo equivalente reducido. La frecuencia del modo inter-área se calcula en cada ventana de estudio usando el método GPoF con el fin de obtener los voltajes modales como se muestra en la figura 10. 46 Fig. 8. Potencia transmitida, magnitudes y ángulos de voltajes (línea continua, bus 1, línea discontinua, bus 2, línea de puntos, bus 3) tras el despeje de una falla trifásica. Fig. 9. Agrupamiento de los generadores en un plano de fase (ángulo vs. frecuencia): (a) ventana de análisis 1 (1–3 s), (b) ventana de análisis 2 (3–5 s), (c) ventana de análisis 3 (5–7 s), (d) ventana de análisis 4 (7–9 s). La componente modal de los ángulos de tensión se muestra en la figura 11. Una vez que se estima el modelo reducido, es posible calcular los índices de seguridad en una base ventana por ventana. Estos índices se muestran en la tabla IV, así como la frecuencia estimada del modo inter-área. La respuesta dinámica del modelo reducido se compara con la respuesta dinámica correspondiente del modelo de orden completa como se muestra en la figura 12. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Fig. 10. Voltajes modales en los buses 1 (línea continua), 2 (línea discontinua) y 3 (línea de puntos). Fig. 12. Comparación de la respuesta dinámica del modelo completo (línea continua) con respecto a la del modelo de orden reducido (línea discontinua). Fig. 11. Ángulo de los voltajes modales en los buses 1 (línea continua), 2 (línea discontinua) y 3 (línea de puntos). Tabla IV. Frecuencia estimada del modo inter-área e índices de seguridad para el caso 1 Ventana de análisis Frecuencia modal (Hz) Índice de seguridad 1 (p.u.) Índice de seguridad 2 (p.u.) 1 0.6196 0.4451 0.4044 2 0.5739 0.4325 0.3923 3 0.5651 0.4105 0.3745 4 0.5745 0.4073 0.3724 Caso 2: Respuesta del Sistema a Perturbaciones Pequeñas En esta sección, la plataforma de análisis se prueba para pequeñas perturbaciones aleatorias que se producen durante la operación normal del sistema. Se evaluaron tres ventanas de estudio (300 muestras por ventana). La figura 13 muestra la potencia de la interconexión, la magnitud y los ángulos de los voltajes de los nodos 1, 2 y 3, mientras que la figura 14 muestra las frecuencias de los buses de Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 generación para la respuesta del sistema a pequeñas perturbaciones mientras se transmiten 300 MW. Después del agrupamiento jerárquico, con el fin de calcular los índices de seguridad, se estimaron los parámetros reducidos del sistema. La tabla V muestra los parámetros del modelo de orden reducido para el sistema, así como el agrupamiento jerárquico de los generadores. Se puede observar que los parámetros estimados del caso 2 son muy próximos a los estimados para el caso 1. La metodología propuesta logra resultados precisos sin la necesidad de que ocurra una perturbación en el sistema, es decir, la plataforma de análisis es capaz de estimar los parámetros de orden reducido y los índices de seguridad con sólo la respuesta de estabilidad dinámica del sistema de potencia. Para el caso 2, el sistema tiene un índice medio de seguridad 1 SI1medio=0.4246 pu. Es decir, el sistema tiene un margen de potencia de transmisión del 42.46% en comparación con el límite de potencia estimada de 0.5811 pu. En otras palabras, es posible enviar 0.247 pu adicionales a través de la interconexión antes de perder la estabilidad. A fin de conocer la exactitud de la estimación de límite de potencia, se llevaron a cabo varias simulaciones. La potencia máxima que el sistema fue capaz de transmitir a través de la interconexión 47 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. Tabla V. Reducción de orden del sistema de prueba e índices de seguridad. Caso 1 2 Ventana Área Área de 1 2 análisis x1 (p.u.) x2 (p.u.) H1 (s) H2 (s) E1 (p.u.) E2 (p.u.) δ1 (deg) δ2 (deg) SI1 (p.u.) SI2 (p.u.) 1 G1,G2 G3,G4 0.4501 0.0023 15.9081 12.8802 1.0055 0.9513 17.6966 -12.6520 0.4451 0.4044 2 G1,G2 G3,G4 0.4467 0.0545 16.0654 15.7804 1.0051 0.9545 17.6329 -13.7566 0.4325 0.3923 3 G1,G2 G3,G4 0.4806 0.0905 19.5808 12.9060 1.0095 0.9569 18.2733 -14.5125 0.4105 0.3745 4 G1,G2 G3,G4 0.5247 0.0575 18.6534 12.5056 1.0154 0.9547 19.1001 -13.8199 0.4073 0.3724 1 G1,G2 G3,G4 0.4817 0.0487 17.7730 15.6803 1.0096 0.9541 18.2953 -13.6339 0.4256 0.3859 2 G1,G2 G3,G4 0.4817 0.0486 19.1571 14.9459 1.0096 0.9541 18.2945 -13.6305 0.4259 0.3860 3 G1,G2 G3,G4 0.4817 0.0487 17.9170 15.5720 1.0096 0.9541 18.2938 -13.6338 0.4256 0.3859 antes de perder la estabilidad resultó ser 0.644 pu, es decir, un índice de seguridad 1 SI1=0.4828 pu, con un error del 9.7%. Además, el sistema tiene un índice medio de seguridad 2 SI1medio=0.3859 pu. Esto significa que la protección de la línea de enlace tiene un margen de tiempo máximo eficaz de 38.59% para liberar la falla con respecto a smáx. Es decir, el ángulo medio del sistema de orden reducido δ0medio=1.361 rad, lo que equivale a un tiempo crítico de liberación tcmedio=407 ms (24 ciclos), mientras que el tiempo crítico de liberación del sistema de modelo de orden completo tcmedio=416.7 ms (25 ciclos), es decir, un error del 4%. Fig. 13. Potencia transmitida, magnitudes y ángulos de voltajes (línea continua, bus 1, línea discontinua, bus 2, línea de puntos, bus 3) sin una gran perturbación en la red. Fig. 14. Frecuencia de buses de generación: bus 1, línea continua; bus 2, línea discontinua; bus 3, línea de puntos; bus 4, línea de puntos y rayas. 48 CONCLUSIONES Los resultados presentados muestran que la agrupación jerárquica así como el uso de modelos de orden reducido permiten la estimación de índices de seguridad precisos que indican la potencia restante a ser transmitida y los tiempos de máximos permisibles de liberación de fallas sin que el sistema de potencia pierda la estabilidad en el sentido de primera oscilación. El algoritmo GPoF como herramienta de extracción modal mostró ventajas computacionales, así como una mejor respuesta ante el ruido en comparación con otras técnicas de descomposición de la señal, por ejemplo el método de Prony, los métodos basados en Fourier, el algoritmo de realización de eigensistemas, o el algoritmo de clasificación de múltiples señales. La plataforma de análisis propuesta muestra un buen desempeño, siendo capaz de estimar el límite Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Índices de seguridad para sistemas de potencia basados en equivalentes dinámicos... / Eduardo Manuel Guardia Ramírez, et al. de transferencia de potencia en líneas de enlace. Ésta es información crítica para la operación exitosa del sistema, ya que el operador sabría de antemano que tan cerca está el sistema de perder la estabilidad. REFERENCIAS 1. P. M. Anderson y A. A. Fouad, Power System Control and Stability, 2a ed. New York: IEEE Press; Wiley-Interscience, 2003. 2. J.W. Pierre, D. J. Trudnowski, y M. K. Donnelly, Initial results in electromechanical mode identification from ambient data, IEEE Transactions on Power Systems, vol. 12, no. 3, pp. 1245–1251, 1997. 3. J. F. 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New York: McGraw-Hill, 1994. 49 �Evaluación de la nitrificación a través de perfiles operacionales en un reactor aerobio Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, Oscar Bravo Bolaños, José Manuel Ortega Aguirre, Antonio Hidalgo Millán Universidad Autónoma de Nayarit (UAN). Área de Ciencias Básicas e Ingenierías. Programa Académico de Ingeniería Química. mangelespinosa@hotmail.com RESUMEN La nitrificación ocurre durante el tratamiento biológico de aguas residuales y depende de las características del agua y de los parámetros de operación en la planta. Este estudio está enfocado en evaluar los perfiles operacionales de OD, T, PH, OUR y alcalinidad en los reactores aerobios de una planta del tipo de lodos activados con el fin de detectar el grado de nitrificación. Los resultados de OD (> 2 mg/L), temperatura de 23.9°C, la caída del PH de 7.5 a 7.1, el alto consumo de oxígeno (50 a 70 mg/L.h) y el consumo de alcalinidad (de 399.0 a 187.5 mg/L), indicaron la ocurrencia de nitrificación. PALABRAS CLAVE Nitrificación, reactor aerobio, lodos activados, perfiles operacionales. ABSTRACT The nitrification occurs during the biological treatment of wastewater and depends on the characteristics of water and of the operation parameters in the plant. This study is focused in evaluating the operational profiles of OD, T, PH, OUR and alkalinity in the aerobic reactors of a plant of the type of activated sludge in order to detect the degree of nitrification. The results of OD (> 2 mg/ L), temperature of 23.9 °C, the fall of the PH from 7.5 to 7.1 , the high oxygen consumption (50 to 70 mg/L. h) and the consumption of alkalinity (from 399.0 to 187.5 mg/L), indicated the occurrence of nitrification. KEYWORDS Nitrification, aerobic reactor, activated sludge, operational parameters. INTRODUCCIÓN La nitrificación es el proceso a través del cual las bacterias nitrificantes transforman el ion amonio en nitrato. Las bacterias autotróficas Nitrosomonas sp., y Nitrobacter sp., son las responsables para esta conversión que se realiza en dos etapas: en la primera de ellas el amoníaco es convertido en nitrito y en la segunda etapa, el ion nitrito es convertido en ion nitrato.1 50 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. En el tratamiento de las aguas residuales urbanas, el crecimiento de los Nitrobacter sp, es siempre más rápido que el de los Nitrosomonas sp, debido a esto: 1) La velocidad de crecimiento de los Nitrosomonas es el factor crítico o limitante, y servirá de base para el dimensionamiento de la nitrificación, y, 2) La concentración en nitritos siempre será muy baja.2 Sin embargo, estas bacterias nitrificantes se caracterizan por su gran sensibilidad a los siguientes factores: a) Alcalinidad y pH En el proceso de nitrificación se destruye alcalinidad por oxidación del amonio. Por cada gramo de amonio oxidado a ion nitrato, la alcalinidad del agua residual es consumida, como CaCO3, a un ritmo de 7.14 g. 2 Como la nitrificación reduce el nivel de HCO3- y aumenta el de H2CO3 el pH disminuye. También durante la nitrificación, la alcalinidad del agua residual se incrementa ligeramente debido al consumo de CO2 de las bacterias autotróficas (el pH se incrementa), pero en una contra reacción, ésta decrece drásticamente debido a la formación de ácido (el pH decrece desde arriba del nivel neutro hasta niveles ácidos). Si la capacidad buffer (amortiguadora) del agua residual es débil, el pH caerá por abajo de 7 dando lugar a una rápida disminución de la tasa de nitrificación. 3 El pH tiene una gran influencia sobre el grado de crecimiento de los Nitrobacter sp y principalmente sobre los Nitrosomonas sp, de tal manera que la tasa máxima de nitrificación en un sistema de lodos activados ocurre a pH entre 7.5 y 8.0, y normalmente para mantener la tasa de nitrificación se debe operar a pH entre 7.0 y 7.2.4 b) Necesidades de oxígeno La demanda estequiométrica de oxígeno en el proceso de nitrificación es de 3.43 gO2/gN-NH4+ convertido a nitritos y 1.14 gO2/gN-NO2- convertido a nitratos, lo que resulta en un total de 4.57 gO2/gN oxidado. 3 Adicionalmente, al conocer que las bacterias autótrofas encargadas de la nitrificación son estrictamente aerobias, se suele considerar que para concentraciones de oxígeno disuelto (OD) entre 3 y 4 mg/L, la tasa máxima de crecimiento de los microorganismos nitrificantes empieza a disminuir, con una reducción significativa debajo de 2 mg/L. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 A concentraciones menores de 0.5 mg/L el efecto de la reducción en la nitrificación es más grande para los Nitrobacter que para los Nitrosomonas. El requerimiento de oxígeno para lograr una nitrificación completa es relativamente alto. Para la gran mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales de tipo doméstico, se incrementaría el requerimiento de oxígeno en un 30 a 40% y por consiguiente, el de energía, en caso de que se requiera nitrificar.4 El proceso de lodos activados es altamente dinámico debido a las variaciones de flujo en el influente, así como en las concentraciones y composiciones, por ello para mantener el efluente en condiciones estándar y con costos mínimos, se deben aplicar estrategias que puedan competir con las características dinámicas del proceso. La respirometría, es una variable que es de interés para el control del proceso de lodos activados y representa la medida e interpretación de la tasa de consumo de oxígeno (OUR) en condiciones experimentales bien definidas.5 c) Temperatura En un sistema de lodos activados, la nitrificación se alcanza cuando la temperatura del proceso es mayor de 15 °C. 2 Se han obtenido tasas máximas de crecimiento de microorganismos nitrificantes (μN) de 0.25 y 0.5 d-1 a temperaturas de 8 y 20 °C respectivamente; en otras pruebas se obtuvieron μN de 1.08 y 1.44 d-1 a 23°C, mientras que a 12 y 21°C se alcanzaron μN de 0.4 y 0.85 d-1 respectivamente. El efecto de la temperatura en la tasa de oxidación del amonio por Nitrosomonas en un sistema de lodos activados también han sido estudiados; de los resultados obtenidos se observó que a medida que aumentaba la temperatura, la tasa de oxidación del amonio también se incrementaba; así por ejemplo, para una temperatura de 15 °C se obtuvo un 20% de oxidación del amonio, a 20 °C un 35%, a 25 °C un 56% y a 28 °C un 100%.6 d) Edad del lodo (SRT) La nitrificación en un sistema de lodos activados no es posible si no se dota al sistema de tratamiento de una edad del lodo suficiente para que las bacterias nitrificantes puedan crecer y oxidar el amonio. Dado que las bacterias encargadas de la nitrificación 51 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. son estrictamente autótrofas, tienen una tasa de crecimiento mucho más lenta que las heterótrofas (encargadas de la degradación de la materia orgánica) y por tanto requieren un SRT mayor al normal. 4 En climas cálidos la nitrificación ocurre con SRT tan cortos como de 3 días, mientras que en climas fríos, la nitrificación ocurre a SRT tan largos como de 20 días. Cuando ocurre el consumo de materia carbonácea y nitrogenada en un mismo tanque, el rango de SRT para que se dé la nitrificación es de 8 a 10 días a temperaturas de 16 °C a 21 °C, pero a temperaturas menores de 16 °C el rango de SRT es de 12 a 20 días. 2 Se asegura una adecuada nitrificación en un sistema de lodos activados manteniendo un SRT de 15 días o más a una temperatura definida. 7 e) Sustancias tóxicas Los organismos nitrificantes son más sensibles a las sustancias tóxicas que los organismos heterótrofos y por tanto es frecuente que se vean afectados ante cualquier tipo de descarga tóxica y por tanto se inhiba el proceso de nitrificación durante largos períodos de tiempo. Las descargas de tipo industrial con metales pesados, son en la mayoría de las veces los responsables de este tipo de problemas.8 En suma, dentro de los procesos de tratamiento de aguas residuales existen tres clases de variables que afectan el funcionamiento de la planta de manera determinante: 2 1) Las características físicas y químicas del agua residual (composición de acuerdo a su procedencia), 2) Las condiciones ambientales del lugar en que se ubica la planta, y 3) Las características hidráulicas del reactor biológico utilizado. Las primeras dos clases de variables son difíciles de controlar, sin embargo la tercera si es controlable, por lo que se convierte en la parte más importante para el control operacional de la planta y representa el objetivo principal de este trabajo de investigación. METODOLOGÍA Para evaluar el proceso de nitrificación en la planta de tratamiento de aguas residuales “Dulces Nombres” ubicada en Monterrey, Nuevo León, se llevó a cabo la caracterización del agua residual, para lo cual se desarrolló una campaña intensiva de muestreo durante 7 días, en los que se tomaron muestras del tipo compuesta-tiempo (en base al gasto) durante 24 horas. Se seleccionaron puntos estratégicos de toma de muestras (figura 1), con el fin de obtener la mayor cantidad de resultados que ayudaran a evaluar el comportamiento de la planta. Fig. 1. Localización de puntos de muestreo (PTAR “Dulces Nombres”). 52 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Como se observa en la figura 1, se tomaron muestras en: influente crudo (influente después del desarenador, punto 3); lodo primario (muestra tomada en cárcamo de bombeo de lodos primarios, punto 5); efluente de la sedimentación primaria (muestra tomada en caja repartidora que alimenta a reactores, punto 6); efluente del reactor 5 (muestra tomada en caja repartidora a clarificador secundario 2, punto 9); efluente del clarificador secundario 2 (muestra tomada en canal de CS2, punto 10); recirculación del reactor 5 (muestra tomada en estación de recirculación de lodos del R5, punto 13); efluente del R1_4 (muestra tomada en caja repartidora a CS1, punto 15); efluente de CS1,3,4,5,6 (muestra tomada en cárcamo de descarga sin cloro, punto 16) y recirculación de R1_4 (muestra tomada en estación de recirculación de lodos, punto 22). Nótese que la línea del R5 es independiente y para el caso de los reactores 1, 2, 3 y 4 se muestreó sólo uno de ellos, ya que los resultados deben ser similares en cualquiera de ellos. Por otra parte, para evaluar de manera específica el comportamiento de los reactores y el proceso de lodos activados (figura 2), se realizaron estudios de perfiles operacionales en una segunda campaña de monitoreo: • Oxígeno disuelto (OD). Se monitoreó con un oxímetro durante la primera campaña de muestreo en cada una de las celdas de los reactores 4 y 5 durante 5 días (dos veces por día, 9:00 y 17:00 horas), y durante 3 días en cada una de las celdas de los 5 reactores. En una segunda campaña se monitoreo el OD durante 12 horas (cada hora durante un solo día) con la finalidad de observar la variación diurna, en cada una de las celdas de los reactores 4 y 5. • Temperatura (T). Durante la primera campaña, se hicieron mediciones con equipo portátil durante 5 días en las 4 celdas de los reactores 4 y 5 y durante 2 días en las 4 celdas de los 5 reactores. En la segunda campaña se midió la temperatura durante 12 horas (cada hora en un solo día) en las 4 celdas de los reactores 4 y 5. • Tasa de consumo de oxígeno (OUR). Para analizar este perfil, se realizaron pruebas de respirometría en las celdas B y D de los reactores 4 y 5. Estas pruebas se desarrollaron a las 9:00 AM y 17:00 PM durante los 7 días de la primera campaña. En la segunda campaña (primer día) se hicieron pruebas en las celdas B de los 4 primeros reactores (9:00 y 17:00 horas), mientras que en el segundo día se realizaron durante 12 horas (cada hora) en celdas B y D de los reactores 4 y 5. Fig. 2. Proceso de lodos activados de la PTAR “Dulces Nombres”. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 53 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Tabla I. Características fisicoquímicas afines al proceso de nitrificación en diferentes puntos de muestreo. Muestra Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Domingo Lunes 05/02 06/02 07/02 08/02 09/02 10/02 11/02 Punto 3: Influente después del desarenador (en mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 34.9 37.2 36.6 36.5 N-NO2 (0.45 μm) 0.3 0.2 0.3 2.3 - Alcalinidad como CaCO3 420 414 420 417 pH 7.36 7.34 7.43 7.43 Punto 6: Efluente de sedimentación primaria (en mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 37.2 40.8 38.5 36.03 36.5 41.7 40.2 N-NO2- (0.45 μm) NA NS 0.006 NS 0.009 NS NA N-NO3 (0.45 μm) 0.6 NS 0.2 NS 0.4 NS 2.6 Alcalinidad como CaCO3 404 403 398 393 394 405 396 pH 7.39 7.415 7.45 7.485 7.5 7.505 7.56 N-NH3 (0.45 μm) 1.96 <0.2 1.624 1.736 4.89 2.83 4.34 N-NO2 (0.45 μm) NA 0.02 0.005 0.043 0.054 0.05 0.1 - Punto 9: Efluente de reactor 5 (en mg/L) - N-NO3 (0.45 μm) NA 8.9 11.6 11.6 5.4 13.7 9.2 Alcalinidad como CaCO3 533 387 460 480 516 468 433 pH 7.17 7.06 7.18 NA NA 7.19 7.14 N-NH3 (0.45 μm) 10.02 2.83 3.16 4.2 1.092 1.316 3.22 N-NO2 (0.45 μm) NA 0.025 0.004 0.084 0.7 0.052 0.105 - Punto 15: Efluente de reactor 1_4 (en mg/L) - N-NO3 (0.45 μm) NA 5.9 5.2 7.7 4.7 11.4 8.3 Alcalinidad como CaCO3 533 485 483 482 585 489 450 pH 7.11 7.03 7.1 NA NA 7.19 7.16 0.5 5.5 1.95 0.1 4 3.3 1.75 3.05 - Punto 13: RASR5: Recirculación R5 (en g/m ) 3 N-NO3- (0.45 μm) NA 0.7 3.4 2.7 Punto 22: RASR1_4: Recirculación R1_4 (en mg/L) N-NO3 (0.45 μm) NA - 0.6 0.6 NA Punto 10: Efluente de Clarificador Secundario 2 (en g/m3) N-NH3 (0.45 μm) 0.252 N-NO2 (0.45 μm) 0.19 NS N-NO3- (0.45 μm) 3.5 8.2 Alcalinidad como CaCO3 7.52 7.42 7.58 - 0.504 0.327 0.392 4.62 0.25 NS 0.37 NS 0.274 14.5 12.9 5 9.6 12.1 NA 7.63 7.6 7.6 <0.2 1.624 pH Punto 16: Efluente de Clarificadores Secundarios 1,3,4,5,6 (en mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 8.91 2.3 1.073 3.08 N-NO2 (0.45 μm) 0.27 NS 0.22 NS 0.2 NS 0.19 N-NO3- (0.45 μm) 1.4 8 8.2 12 7.2 7.4 11.5 Alcalinidad como CaCO3 244 195 195 207 215 174 182 pH 7.57 7.475 7.6 NA 7.72 7.67 7.63 - 3.22 N.S: No solicitado; N.A: No analizado 54 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Tabla II. Resultados promedio de la primer campaña de muestreo. CONCENTRACIONES PROMEDIO PARÁMETROS (mg/L) N-NH3 (0.45 μm) 3 36.3 N-NO2- (0.45 μm) 6 9 15 13 22 10 16 38.7 2.9 3.7 1.6 3.4 0.008 0.05 0.2 0.3 0.2 9.4 8.0 N-NO3 (0.45 μm) 0.78 0.95 10.1 7.2 Alcalinidad (como CaCO3) 417.8 399 468.1 503.9 173.3 201.7 7.4 7.5 7.15 7.1 7.6 7.6 - pH 2.5 1.72 • PH y alcalinidad. Estos parámetros se midieron en diferentes puntos de la planta de tratamiento incluyendo influente y efluente de reactores dentro de la primera campaña de muestreo. RESULTADOS En la tabla I, se muestran los resultados obtenidos durante la caracterización intensiva de 7 días afines al proceso de nitrificación del sistema de lodos activados de la PTAR “Dulces Nombres”, y en la tabla II, se presentan los resultados promedio de dicha caracterización. Con respecto a la tabla II, se observa que el pH presenta variaciones significativas a través del sistema de lodos activados, mientras que la alcalinidad decrece alrededor del 45% desde el influente crudo (punto 3) hasta el efluente en clarificadores secundarios (puntos 10 y 16), lo cual es un indicativo del consumo de ésta durante el proceso de nitrificación. Este proceso de nitrificación se da principalmente en los reactores lo cual se muestra y se explica a través de la figura 3 y figura 4. En el caso del R5 (figura 3), existe un proceso de oxidación del N-NH3 a N-NO3- ya que la concentración del N-NH3 se reduce de 38.7 mg/L a 2.9 mg/L, mientras que los N-NO3- aumentan de 0.95 a 10.1 mg/L. Esto mismo ocurre en la línea R1-4 (figura 4), el N-NH3 se reduce de 38.7 mg/L a 3.7 mg/L, y la concentración de NNO3- aumentan de 0.95 a 7.2 mg/L. Fig. 3. Proceso de nitrificación y desnitrificación en la línea del R5. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 Fig. 4. Proceso de nitrificación y desnitrificación en la línea del R1-4. Además de la nitrificación, también en los reactores se presentó una desnitrificación simultánea parcial ya que es conocido que en el núcleo de los flocs existen zonas anóxicas.9,10 De acuerdo a las figuras 3 y 4, esto se pone en evidencia por un simple balance de nitrógeno (N). Considerando el caso del R5 (figura 3), si entran 38.7 mg/L de N-NH3 y salen sólo 2.9 mg/L de N-NH3, el resto (35.8 mg/L) debería estar en forma de N-NO3- (si sólo existiera nitrificación) de los cuales solo hay 10.1 mg/L; la única manera de explicar esta diferencia, es que se emite como N2 (gas) en una desnitrificación. Desarrollando el balance para la línea del R1-4 (figura 4) sucede lo mismo; entran 38.7 mg/L (N-NH3) y salen 3.7 mg/L de N-NH3 y 7.2 mg/L como N-NO3-, el resto (35 mg/L) se escapa como N2 (gas). Este mismo caso de desnitrificación también ocurre en los clarificadores secundarios (condiciones anóxicas) y para ello se describe solo el caso de la línea del R5 (figura 3), aunque esto se puede observar en la línea del R1-4 (figura 4). Se supone que la concentración de N-NO3- en el efluente del clarificador (9.4 mg/L) debe ser igual que la del RAS (2.5 mg/L) ya que son resultados de muestras solubles, sin embargo y debido a la desnitrificación en la cama de lodo, cierta cantidad de N2 (gas) se escapa disminuyendo por tanto la concentración de N-NO3- en el lodo (RAS). 55 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Por otra parte, si se observa en las figuras 3 y 4, la alcalinidad se incrementa desde el influente hasta el efluente de los reactores producto del consumo de CO2, mientras que el pH disminuye debido a la formación de ácido, más no por abajo de 7, que es el pH de referencia en donde la tasa de nitrificación empieza a decrecer significativamente. Los valores de pH se mantienen en un valor de 7.15 para R5 y 7.1 en R1,4, esto debido a la capacidad buffer (amortiguadora) de la alcalinidad en el sistema, manteniéndose con ello la nitrificación. Por el contrario, durante la desnitrificación en los sedimentadores secundarios, la alcalinidad disminuye desde el influente hasta el efluente de los clarificadores y por tanto el pH se recupera en ambas líneas (7.6) casi al valor inicial del influente a reactores (7.5). También, para que se llevara a cabo la nitrificación en los reactores, tuvo mucho que ver la temperatura y el oxígeno disuelto (OD). En la tabla III, se presentan los resultados del perfil de temperaturas medidos durante 5 días en las 4 celdas de los reactores 4 y 5. Nótese que la temperatura se mantuvo con variaciones desde 0.5 a 2 °C en las celdas del R4, no así en el R5 donde la variación fue de alrededor de 0.5 °C. En la figura 5, se presenta la variación diurna monitoreada durante la segunda campaña en la que se muestra que las temperaturas fueron relativamente uniformes (± 1°C) en los reactores y celdas. De acuerdo a los resultados obtenidos durante las dos campañas, la temperatura promedio para cada uno de los reactores fue de 23.9°C. Según la bibliografía2, la nitrificación se alcanza a temperaturas mayores de 15°C. Para el caso del OD, durante la primera campaña se mostró el mismo comportamiento en la concentración de OD en todos los reactores, tanto a las 9:00 horas como a las 17:00 horas, las mañanas eran menos cargadas (9:00 horas) por lo que se registraban concentraciones más altas de oxígeno comparado con las 17:00 horas, tal como se muestra en la tabla IV. Durante la segunda campaña, la variación diurna del OD a través de las celdas de los reactores, se comportó según se observa en la figura 6. Tomando en consideración la evolución presentada en la figura 6, donde por la mañana se observa una alta concentración de OD y por la tarde disminuye, fue viable y representativo determinar a través de un promedio la concentración en cada celda de los reactores. Los resultados de la concentración de OD se mantuvieron por arriba de 2 mg/L en las celdas B, C y D (efluente) de los reactores. Debajo de esta Tabla III. Perfil de T (°C) promedio en reactores R4 y R5 durante 5 días. Celdas de R4 (°C) 1a Campaña Hora A Celdas de R5 (°C) B C D A B C D Promedio 9:00 AM 23.1 23.3 22.9 22.7 23.6 23.7 23.8 23.9 Promedio 17:00 PM 23.9 23.6 24.2 24.9 23.9 23.9 24.0 24.2 23.5 23.4 23.6 23.8 23.7 23.8 23.9 24.0 Promedio general Fig. 5. Variación diurna de la temperatura en R4 y R5. 56 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Tabla IV. Concentraciones de OD (mg/L) promedio en reactores R4 y R5 durante 5 días. 1a Campaña Celdas de R4 Celdas de R5 Hora A B C D A B C D Promedio 9:00 AM 2.6 3.7 5.7 5.0 1.9 3.8 4.3 6.4 Promedio 17:00 PM 1.1 0.8 0.9 0.9 1.2 0.7 0.9 3.5 1.8 2.3 3.3 3.0 1.6 2.2 2.6 5.0 Promedio Total (5 días) Fig. 6. Variación diurna de la concentración de OD en R4 y R5. concentración de 2 mg/L, según la bibliografía3, 4 la tasa máxima de crecimiento de los microorganismos nitrificantes empieza a disminuir significativamente. Aún y cuando la concentración de OD en las celdas A de los reactores estuvo por debajo de los 2 mg/L, se mantuvo la nitrificación en el sistema. Con respecto a la tasa de consumo de oxígeno (OUR), en la figura 7 se presenta el comportamiento respirométrico durante la primera campaña de monitoreo. En el perfil de las 9:00 AM, se observan valores en general relativamente bajos de la tasa de utilización de oxígeno (15 a 30 mg/L•h), ya que a esta hora la carga de la planta (gasto del influente) está en su nivel mínimo. En la celda D del reactor 5 la tasa de consumo es relativamente constante y baja a las 9:00 AM, lo cual significa un efluente de calidad constante durante la mañana para abastecer de agua tratada a la industria. Sin embargo en la tarde (17:00 PM) los niveles de OUR en la celda D del R5 siguen bajos 5 días de 7, pero en 2 días se muestran altos (60 mg/L•h) lo que implica que la calidad del agua en estos momentos no es buena (mayor concentración de nitrógeno amoniacal probablemente). Por otra parte el OUR de la celda D del R4 alcanzó valores altos en la mayor parte de los días (50 a 70 mg/L•h) a las 17:00 horas, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 lo que indica que la calidad del agua se deteriora más frecuentemente en este reactor por las tardes. Esto se puede entender debido a que a esta hora se observaron las horas pico en el gasto del influente. En cuanto a las celdas B en las tardes (17:00 PM), el OUR es casi siempre alto (>60 mg/L•h) debido a que en los periodos de caudal alto, la concentración de sustrato también se mantiene alta en esta celda. Para analizar de forma más global el comportamiento descrito anteriormente, en la figura 8 se observa la evolución de la OUR promedio de los 6 días en ambos reactores; el hecho de que decrece la tasa de consumo de oxígeno de la celda B a la D, se explica porque disminuye la DQO soluble (SS) a medida que el agua se acerca a la salida del reactor. La correlación entre el aumento de caudal y el incremento de la OUR durante el transcurso del día se observó durante el monitoreo diurno en la segunda campaña (figura 9), donde la tasa de consumo de oxígeno en las celdas B del reactor 4 y 5, aumenta OD (mg/L)) Reactor Celda A Celda B Celda C Celda D R4 1.8 2.4 3.9 3.3 R5 1.5 2.1 2.5 4.8 57 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. Fig. 7. Comportamiento de OUR en R4 y R5. Fig. 8. Evolución de OUR promedio en R4 y R5 (primera campaña). conforme va pasando el tiempo. En la celda D del reactor 4 se presenta un comportamiento diferente con respecto a la celda D del reactor 5 a partir de las 16:00 horas como si hubiera en la salida del reactor 4 repentinamente carga orgánica o bien nitrificación; lo normal sería que se comportara como en el efluente (D) del reactor 5, el cual se mantuvo con una tasa de consumo relativamente baja de alrededor de 20 mg/L•h. La súbita alza de la OUR en (D) del R4 es una vez más una señal de degradación de la calidad del agua tratada en la tarde debido a las sobrecargas de caudal. CONCLUSIONES Desde la obtención de los resultados de laboratorio, se detectó que en los reactores se presentaba una nitrificación y desnitrificación simultánea, aún y cuando no están diseñados con zonas anóxicas adecuadas para este último propósito. Sin embargo, el proceso de nitrificación-desnitrificación en el 58 Fig. 9. Variación diurna de OUR en R4 y R5. sistema de lodos activados de la PTAR “Dulces Nombres” no se hubiera podido dar, si el agua altamente mineralizada en el influente a la planta no hubiera tenido suficiente alcalinidad (417.8 mg/L), ya que de lo contrario hubiera habido un descontrol en el proceso de biodegradación por efecto del pH en los reactores, y por tanto no se mantendría o se inhibiría la nitrificación. Otros factores que influyeron para que se diera la nitrificación en los reactores, fueron la temperatura y el oxígeno disuelto, además de la edad de lodos (SRT), el cual fue de 14.8 días en la línea del R5 y de 14.1 en los R1-4 (obtenido por simulación) a una temperatura de 23.9°C. Ahora bien, en materia de impacto ambiental, si el objetivo que se pretende es limitar la demanda de oxígeno y la toxicidad asociada al amoníaco, se necesita una nitrificación vigorosa, por el contrario, para erradicar los potenciales de eutrofización en cuerpos de agua receptores (ríos, lagos, lagunas, arroyos) donde el flujo no es turbulento, se requiere llevar el tratamiento hasta la desnitrificación. En Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 �Evaluación de la nitrificación a travé de perfiles operacionales en un reactor aerobio / Miguel Ángel Espinosa Rodríguez, et al. este sentido el llevar el proceso hasta la nitrificación y desnitrificación, depende de las características fisicoquímicas del agua residual que llega a la planta, de los parámetros de operación (T, OD, OUR, SRT), del objetivo de cada PTAR (reuso del agua tratada), y de las regulaciones ambientales (límites máximos permisibles para descarga del agua tratada en cuerpos de agua). REFERENCIAS 1. Burrell P., Keller J. and Blackall L. (1999). Characterisation of the bacterial consortium involved in nitrite oxidation in activated sludge. Water Science and Technology 39(1), 45-52. 2. Water Environment Federation (1996). Operation of municipal wastewater treatment plants. Manual of practice, No. 11, (MOP-11); Fifth Edition, 1358 pp. 3. Jördening H. J. and Winter J. (2005). Environmental biotechnology. Concepts and aplications. Ed. Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim, 463 pp. 4. Environmental Protection Agency (2009). Nutrient control design manual. State of Technology Review Report. EPA/600/R-09/012, 104 pp. 5. Espinosa, M. A., Flores, N., Esparza, M. y Fall, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Vol. XVII, No. 62 C. (2012). Efecto de la temperatura en la tasa de crecimiento y decaimiento heterotrófico en el rango de 20-32°C en un proceso de lodos activados. Revista Mexicana de Ingeniería Química 11(2), 309-321. 6. Environmental Protection Agency (1975). Process design manual for nitrogen control. Office of Technology Transfer. EPA/630902, 102 pp. 7. Merton L. A. (2004). What SRT and MCRT mean to treatment plant design and operation. Water Environment and Technology 16(6), 65-66. 8. Grüttner H., Winther-Nielsen M., JArgergensen, L., BAgebjerg P. and Sinkjaer O. (1994). Inhibition of the nitrification process in municipal WWTP by industrial discharge. Water Science and Technology 29, 69-77. 9. Klangduen P. and Keller, J. (1999). Study of factors affecting simultaneous nitrification and denitrification (SND). Water Science and Technology 39, 61-68. 10. Naidoo K., Ndlovu V., Mjadu J., Goatley K.T. y Kerdachi D.A. (2002). The exceptional simultaneous removal of carbon, nitrogen and phosphorus in a simple activated sludge treatment system at Kinsburgh wastewater treatment works. Water SA Special Edition, 67-72. 59 �Eventos y reconocimientos I. MUJERES EN LA CIENCIA El pasado 11 de octubre tuvo lugar la inauguración del Programa “Mujeres en la Ciencia: Descubriendo la Investigación, la Innovación y el Desarrollo Tecnológico”, en el cual se mostró la amplitud de las posibilidades de vida y carrera para las jóvenes, a través de un espacio de interacción con investigadoras de diferentes centros de investigación. Entre las participantes se encontraban la Dra. Julia Verde Star y Dra. Leticia M. Torres Guerra investigadoras de la UANL reconocidas a nivel nacional e internacional por sus aportaciones en ciencia y tecnología. Regional Noreste del CONACYT; la Dra. Martha Leal González, Directora de Planeación, Posgrado, Divulgación y Cooperación Internacional del Instituto de Innovación y Transferencia de Tecnología de Nuevo León; y el Lic. Alejandro Galván Martínez, Director de Educación Media Superior. Participantes del Programa “Mujeres en la Ciencia: Descubriendo la Investigación y el Desarrollo Tecnológico”. Reconocimientos CACEI e Las autoridades presentes durante la inauguración fueron: el Dr. Juan Manuel Alcocer González, Secretario Académico de la UANL, en representación del Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; el Dr. Mario César Salinas Carmona, Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado de la UANL; el MC Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, la Lic. María Eugenia Vargas Pascal, Subdirectora de Desarrollo Regional Norte en la Delegación 60 II. 66 ANIVERSARIO DE LA FIME Durante la semana del 19 al 27 de octubre de 2013, se llevó a cabo la “Semana Cultural FIME 2013” que incluyó diversos eventos académicos, culturales y deportivos, para celebrar el 66 aniversario de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Entre los eventos se encuentra el Almuerzo de la Fraternidad con el que inician los festejos, el XX Congreso Internacional sobre Educación, Ciencia y Tecnología, el Coloquio de Investigación Conjunta FIME-Industria, el segundo concurso “Pelea de Robots”, la Expo Laboral Industrial, la Expo “Un día para leer ... y los demás también”, por citar algunos. ISO 9901:2008 El pasado 21 de octubre, en una ceremonia presidida por el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; la Ing. María Elena Barrera Murillo, Directora General del Consejo de Acreditación de Enseñanza de la Ingeniería (CACEI); y el Dr. Leonardo Cárdenas Costas, Director General de México, Centroamérica y el Caribe de TÜV Sudamérica de México, se entregó a la FIME el certificado por parte del CACEI en el que se acreditan 7 programas de licenciatura (IME, IMA, Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Eventos y reconocimientos IMT, IAS, IEC, IEA y IMF) de la FIME. En este mismo acto, el MC. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, recibió el certificado ISO 9901:2008 por parte de la empresa TÜV Sudamérica de México por mantener una gestión con estándares de calidad internacional. Los jefes de las diferentes carreras mostrando los certificados correspondientes del CACEI. De izquierda a derecha: MC. Alejandro Aguilar Meraz; Director de Administración de la Calidad de la UANL; MA. Emilia Edith Vásquez Farías, Directora de Estudios de Licenciatura de la UANL; Ing. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL; Ing. María Elena Barrera Murillo, Directora del CACEI; Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; MC. Martha Elia Garcia Rebolloso, Coordinadora del Centro de Calidad de la FIME; MC. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME; Dr. Leonardo Cárdenas Costas, TÜV Sudamérica de México; y Dr. Arturo Torres Bugdud, Subdirector de Desarrollo Institucional y Humano de la FIME. Competencia de Enfriamiento Evaporativo El pasado 23 de octubre se llevó a cabo una competencia que consistió en el diseño de un sistema de enfriamiento evaporativo más simple que proporcionara aire con la mínima temperatura y humedad posibles. Participaron 78 estudiantes de la FIME distribuidos en 26 equipos, quienes diseñaron y fabricaron sus dispositivos para la competencia. El primer lugar lo obtuvieron: Paola Cavazos Zertuche, Marco A. Torres Martínez, y Jorge L. Velázquez Rosales; el Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 segundo fue para: Carlos E. Muñoz Bernal, Luis E. Omaña Tijerina, y Karla M. Tamez Lucio; y el tercer lugar fue para: Jesús I. Morales Barboza y Emma A. Contreras Reyna. Los ganadores del primer lugar: Marco A. Torres Martínez, Paola Cavazos Zertuche y Jorge L. Velázquez Rosales, junto con la MC Yumei Mata Hi (segunda desde la izquierda), quien es profesora de la FIME y Consejera de la Rama Estudiantil UANL de ASHRAE. Concurso de Creatividad El pasado 24 de octubre se efectuó el decimocuarto concurso de creatividad, organizado por el Departamento de Ingeniería Hidráulica, en el que los concursantes, estudiantes de la FIME, utilizaron sus conocimientos y habilidades para diseñar y construir prototipos que lograran recorrer la mayor distancia empujando una carga. El equipo ganador está formado por: Adriana Méndez Guzmán, Ángel Miguel Gómez Ortega y Oscar Gómez Ortega. Un momento del concurso de creatividad. Coloquio de Investigación Conjunta FIMEIndustria El pasado 25 de octubre se llevó a cabo el Coloquio Investigación Conjunta FIME-Industria. Correspondió al Dr. Rafael Colás Ortiz, Coordinador del CIDET FIME-UANL, moderar la mesa en la que participaron: Frisa Forjados S.A. de C.V. a través 61 �Eventos y reconocimientos del Dr. Alejandro Vladimir Lara Mendoza, Ternium México S.A. de C.V. con el Dr. Omar García Rincón, Cuprum S.A. de C.V. con su director de Investigación y Desarrollo, MC. Francisco Manrique Montalvo Puente, Whirlpool S.A. de C.V. con el MC. Eduardo Domínguez Gómez, y de la propia FIME-UANL con la Coordinadora del Programa de Maestría y Doctorado en Ingeniería de Materiales, Dra. Martha Patricia Guerrero Mata. Los participantes explicaron cómo se lleva a cabo la investigación en sus centros de trabajo en vinculación con la FIME-UANL. Se concluyó con una discusión sobre los estudios de posgrado, las estancias en el extranjero, y la experiencia y la preparación universitaria. Gerardo Quintero Flores, profesor-investigador de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), y miembro de la Honorable Junta de Gobierno de la UANL, en “Investigación Científica”, Paola Michelle Longoria López, estudiante de la FIME, en “Juventud y Deporte”, Diego Alonso Roque Montoya, estudiante de la Facultad de Físico Matemáticas de la UANL, en “Juventud y Conocimiento”, y la Sra. Liliana Melo de Sada, miembro del Consejo para la Adquisición y Conservación del Patrimonio Cultural de la UANL, en “Promoción Cultural”. Otros galardonados son: la Profesora Blanca Lea García Murillo en “Labor Magisterial”, los futbolistas Hiram Ricardo Mier Alanís e Israel Sabid Jiménez Náñez, en “Juventud y Deporte”, el Lic. Joaquín Humberto Garza Salas en “Docencia Universitaria”, el General Noé Sandoval Alcázar en “Solidaridad Social”, el Ing. Sergio Gerardo García Kabande en “Reto a la Adversidad”, y el Ing. Sergio Gutiérrez Muguerza en “Labor Empresarial con Responsabilidad Social”. Expositores del Coloquio de Investigación Conjunta FIMEIndustria. III. PRESEA ESTADO DE NUEVO LEÓN El pasado 21 de noviembre el Gobernador del Estado de Nuevo León, Lic. Rodrigo Medina de la Cruz, entregó la Medalla al Mérito Cívico “Presea Estado de Nuevo León” edición 2012 a un grupo de ciudadanos ejemplares. Entre ellos están el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, en la categoría de “Educación Superior”, el Dr. Raúl 62 De izquierda a derecha, Diego Alonso Roque Montoya, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Paola Michelle Longoria López, y el Dr. Raul Gerardo Quintero Flores. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Septiembre - Diciembre 2013 Diana Garza Rocha, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 2 de septiembre de 2013. José Antonio Juárez, Covarrubias, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 3 de septiembre de 2013. Omar Dávila Saucedo, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Por materias), 4 de septiembre de 2013. Héctor Perfecto Molina Reyna, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 5 de septiembre de 2013. Ricardo Jonas Galván Gallardo, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 5 de septiembre de 2013. Myrna Melissa Ramos García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 11 de septiembre de 2013. Luis Gilberto Tristán Garza, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), de 12 septiembre de 2013. Eduardo Moreno Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 20 de septiembre de 2013. Álvaro Armando Domínguez Sánchez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 Control Automático, “Estudio de la Controlabilidad de Sistemas lineales invariables en el tiempo”, 20 de septiembre de 2013. Juan Carlos Márquez Leal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 23 de septiembre de 2013. Francisco Saucedo Espinosa, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 23 de septiembre de 2013. Baltazar Rojas Serrato, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 25 de septiembre de 2013. Gricelda Yahibe Rodríguez Dávalos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 26 de septiembre de 2013. Ofelia Patricia Carrera Reyes, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. Daniel Reséndiz Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. Erika Pamela Cárdenas Cisneros, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. Víctor Hugo Aquino Hernández, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Informática, (Por materias), 27 de septiembre de 2013. 63 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL José Antonio Islas Mascareñas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de aleación de aluminio reforzada con materiales compuestos para la reducción de peso en la industria automotriz”, 14 de octubre de 2013. Daniel Alejandro Olguín Ramírez, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 28 de octubre de 2013. Rosenda Nelida Esparza García, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 30 de octubre de 2013. Luis Alberto Martínez Cantú, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 31 de octubre de 2013. Luis Andrés Flores González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 31 de octubre de 2013. Nancy Olivia Zamarripa Ocampo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis, (Por materias), 31 de octubre de 2013. Heber Alvan Ortiz Salinas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 4 de noviembre de 2013. Jesús Antonio Romero Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 7 de noviembre de 2013. Nuvia Cristina Moreno Sánchez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 7 de noviembre de 2013. Ariana Lisseth Alvarado Gutiérrez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Análisis microestructural y de propiedades mecánicas a temperaturas elevadas de aceros avanzados de alta resistencia para el conformado en caliente”, 8 de noviembre de 2013. Luis Lauro González Estrada, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Redes neuronales embebidas con aprendizaje en línea”, 11 de noviembre de 2013. 64 Victoria Campos Tapia, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Preparación y caracterización de grafeno modificado con nanopartículas metálicas y bimetálicas”, 21 de noviembre de 2013. Leopoldo III de la Garza Bernal, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 22 de noviembre de 2013. Milton Flores Guerrero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 22 de noviembre de 2013. Canek Chapa Zapata, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 25 de noviembre de 2013. Rafael Alfredo Cavázos Martínez, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Inteligencia Artificial, (Por materias), 26 de noviembre de 2013. Esma Sarahí González Álvarez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 29 de noviembre de 2013. Emigdio Ríos Baltazar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 29 de noviembre de 2013. Claudia Nayeli Ramón Reyna, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Degradación a altas temperaturas de un acero inoxidable AISI 321 en hornos industriales”, 29 de noviembre de 2013. Carlos Eduardo Villarreal Vázquez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la sustitución de material feldespático y silicoso por “chamota” en una matriz porcelánica triaxial”, 29 de noviembre de 2013. Jésus Alejandro Arizpe Zapata, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Difracción de electrones con iluminación Quasiparalela en modo STEM”, 29 de noviembre de 2013. Paloma Berenice Jiménez Bara, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Preparación de materiales compuestos Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL poliméricos de politereftalato de etilenglicol con óxido de grafeno reducido”, 2 de diciembre de 2013. Rubén Hernández Alemán, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Control descentralizado de formación y seguimiento coordinado de robots móviles tipo uniciclo”, 2 de diciembre de 2013. Alan Jiresse Celis Llanes, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 2 de diciembre de 2013. Alma Judith Vidal Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), de 2 diciembre de 2013. Laura Patricia Hernandez Casillas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la obtención de nanopartículas de PBS bajo distintas condiciones de síntesis”, 2 de diciembre de 2013. Rubén Hernández Alemán, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Control descentralizado de formación y seguimiento coordinado de robots móviles tipo uniciclo”, 2 de Diciembre de 2013. Alan Jiresse Celis Llanes, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 2 de diciembre de 2013. Alma Judith Vidal Hernández, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), de 2 diciembre de 2013. Oscar Aguilar Dorbecker, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio del efecto de esfuerzos residuales en el fenómeno de recuperación elástica, por método hole-drilling”, 5 de diciembre de 2013. Emmanuel Francisco Herrera Esquivel, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 6 de diciembre de 2013. David Eugenio Garza Gómez, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 6 de diciembre de 2013. Douglas Iván Quiñones Salinas, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Incremento de la productividad a través de la optimización del proceso de maquinado y Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 control de microestructura de una pieza de trabajo”, 6 de diciembre de 2013. William Christian Vásquez Fuentes, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 9 de diciembre de 2013. Luis Jairo Fuentes Mejía, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 9 de diciembre de 2013. Israel García Madrigal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 11 de diciembre de 2013. Ángel Oswaldo Salas Garza, Maestría en Logística y Cadena de Suministro, con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 11 de diciembre de 2013. Manuel Sergio Caballero Hernández, Maestría en Ingeniería, con orientación en Mecánica, (Por materias), 16 de diciembre de 2013. Violeta Reyes Jaimes, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 18 de diciembre de 2013. Daniel Enrique Rivas Cisneros, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, con orientación en Control Automático, (Por materias), 18 de diciembre de 2013. Alfredo López Vázquez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, “Estrategia de gestión académico-administrativa en función del docente universitario”, 19 de diciembre de 2013. Omar Alexis Figueroa Armendáriz, Maestría en Ciencias en Ciencias de Ingeniería de Sistemas en, “Pronostico de la demanda de efectivo en una institución financiera en México”, 19 de diciembre de 2013. Miguel Ángel Flores Guerrero, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica, con orientación en Control Automático, “Control para sistemas LPV basado en la parametrización de controladores estabilizantes”, 20 de diciembre de 2013. Rolando Aguilera Hernández, Maestría y Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de diciembre de 2013. 65 �Acuse de recibo JOURNAL OF THE MEXICAN CHEMICAL SOCIETY GEOFÍSICA INTERNACIONAL El Journal of the Mexican Chemical Society (J. Mex. Chem. Soc.), anteriormente Revista de la Sociedad Química de México (Rev. Soc. Quím. Méx.), desde 1957 está dedicada a facilitar el avance del entendimiento de la química. Publica contribuciones originales de investigación en todas las áreas teóricas y prácticas de la química en el contexto más amplio, así como revisiones críticas de autores que han realizado contribuciones científicas significativas. La revista se publica trimestralmente, en inglés, en forma impresa (ISSN 1870-249X) y está disponible en línea (ISSN 16859686) en http://www.jmcs.org.mx/. El tercer número de 2013 (Vol. 53) de esta revista está dedicado al área de química bionorgánica, y llama la atención un artículo sobre la relación sangre a plasma, y otro sobre compuestos de metales de transición que se unen al ADN. Geofísica Internacional es una revista que se publica, en inglés, trimestralmente (ISSN 0016- 7169) por el Instituto de Geofísica de la Universidad Nacional Autónoma de México. En el último ejemplar (Vol 53, número 1) se presenta un artículo sobre un terremoto que ocurrió en la cuenca oceánica Salsipuedes en el Golfo de California, y otro sobre la sedimentación reciente en la Presa Cerro Prieto en el Noreste de México. Este artículo tiene la participación de investigadores de la UANL. También presenta artículos con resultados de investigaciones geológicas realizados en otras partes del mundo. La revista se puede consultar en http:// www.geofisica.unam.mx/unid_apoyo/editorial/ publicaciones/investigacion/geofisica_internacional/ index.html , en donde también se puede encontrar más información. JMCS Juan Antonio Aguilar Garib 66 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Colaboradores Acevedo Campos, Javier Sebastián Licenciado en Química Industrial por la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. ctualmente es ingeniero de producción en PYOSA. Aguirre Espinosa, José Estudiante de 6º semestre de la Licenciatura en Química Industrial en la UANL. Andrade Soto, Manuel Antonio Recibió el grado de Ingeniero Eléctrico del Instituto Tecnológico de Saltillo, Saltillo, México, en 2000, y los grados de maestría y doctorado en ciencias, ambos enIngeniería Eléctrica, del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), Guadalajara, México, en 2002 y 2007, respectivamente. En 2007, se incorporó a la Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México, donde actualmente es profesor asociado al programa de posgrado en Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Bravo Bolaños, Oscar Licenciado en Biología egresado de la UNAM en 1992. M. en C. en Geografía egresado de la UNAM en el año 2008. Actualmente cursa el Programa de Doctorado en Biodiversidad y Conservación en la UAEH. Imparte cátedra en el programa académico de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde el año de 1997, y participa en proyectos de importancia científica sobre contaminación del medio ambiente con enfoque en biodiversidad y conservación para el estado de Nayarit. Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 Espinosa Rodríguez, Miguel Ángel Ingeniero Químico Industrial egresado de la UAN en 1987. M. en C. en Ingeniería Ambiental egresado de la UANL en 1997. Dr. en Ingeniería egresado del Centro Interamericano de Recursos del Agua (CIRA) dependiente de la Facultad de Ingeniería de la UAEM en 2010. Imparte cátedra en el programa de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde el año 2000, y participa en proyectos de importancia científica sobre contaminación del agua para el estado de Nayarit. Franco Urquiza, Edgar Adrián Ingeniero Aeronáutico egresado del Instituto Politécnico Nacional (IPN) y Doctor en Ciencia de Materiales por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), donde actualmente es profesor asociado al departamento de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal•lúrgica. Garza Méndez, Francisco Javier Ingeniero Mecánico Metalúrgico por la FIMEUANL. Maestría en Ingeniería Cerámica por la FCQ-UANL. Doctor en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Profesor investigador FCQ. SNI candidato González-González, Virgilio A. Químico Industrial con Maestría en Química Orgánica por la FCQ-UANL y Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Ha sido investigador en el campo de polímeros desde 1975. Es miembro del SNI nivel II. Es investigador de tiempo completo de UANL desde 1998. 67 �Colaboradores Guardia Ramírez, Eduardo Manuel Obtuvo el grado de Ingeniero Eléctrico en 2003 por la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima, Perú, y el grado de maestro en ciencias en ingeniería eléctrica por la Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México, en 2010. Se ha desempeñado como profesor de prácticas en la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima, Perú. .Actualmente trabaja en el Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional de Perú, Lima, Perú, en el área de planificación de la transmisión. Hernández Torres, Edith Margarita Ingeniero Mecánico Administrador (2008) con Maestría en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2012) por la FIME-UANL. Actualmente es estudiante de Doctorado en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. Hidalgo Millán, Antonio Ingeniero Químico (2001), M. en C. en Ingeniería Química (2003) y Doctor en Ingeniería Química (2010) por la UNAM. Imparte cátedra en el programa de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde el año 2012 y participa en proyectos de importancia científica sobre reología con énfasis en contaminación del agua. Martínez Alonso, Gabriel Fernando Maestría en Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Estatal de Moscú “M. V. Lomonosov”, Rusia, con especialidad en Física Nuclear de bajas energías. Especialidad en Educación Superior, de la Universidad de Camagüey, Cuba. Profesor Investigador de la Coordinación de Ciencias Básicas y Jefe de Investigación Educativa de la FIME. Líneas de Investigación principales: enseñanza de la Física, currículos basados en competencias y aprendizaje activo. Cuenta con el Perfil deseable para profesores de tiempo Completo (PROMEP). Miembro de la Red de Investigadores Educativos RIE de la UANL. Responsable del proyecto de investigación “Desarrollo y evaluación de competencias profesionales específicas”, del nodo 1 de la REI UANL. 68 Maspoch Rulduà, Maria Lluïsa Doctora en Ciencias Químicas por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). Catedrática de la UPC y Directora del Centre Català del Plàstic (CCP) en Terrassa, España. Ortega Aguirre, José Manuel Ingeniero Químico Industrial egresado de la UAN en 1996. Maestro en Ciencias en Química por la UDG (2008). Imparte cátedra en el programa académico de Ingeniería Química del Área de Ciencias Básicas e Ingenierías de la UAN desde 1986. Rodríguez González, Francisco Javier Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Coahuila (1989) con Maestría en Tecnología de Polímeros por la Universidad Autónoma de Coahuila (1994). Doctor en Ingeniería Química por L´Ecole Polytechnique de Montréal, Montreal, Canadá (2002). Actualmente es Investigador Titular del Centro de Investigación en Química Aplicada. Es miembro del SNI Nivel I. Sánchez-Cervantes, Eduardo Maximino Licenciado en Ciencias Químicas por el ITESM. Doctorado en Química del Estado Sólido por la Arizona State University. Profesor investigador de la FCQ. SNI nivel 2. Vázquez Martínez, Ernesto Recibió el grado de Doctor en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por la UANL, México, en 1994. Desde 1996, ha trabajado como profesor investigador en ingeniería eléctrica en la UANL. En 2000 y 2011, hizo estancias de investigación en la Universidad de Manitoba y la Universidad de Alberta, respectivamente. Sus principales intereses de investigación son la protección de sistemas de eléctricos de potencia y técnicas de inteligencia artificial aplicadas a los sistemas de potencia. Vázquez Rodríguez, Sofía Ingeniero Químico por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (1998). Doctor en Polímeros por el Centro de Investigación en Química Aplicada (2004). Actualmente es Profesor-Investigador de la FIME-UANL. Es miembro del SNI Nivel I Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año XVII, No. 62 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por e-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 15 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 69 �70 Ingenierías, Enero-Marzo 2014, Año. XVII, No. 62 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2014 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 17 Número Número de la revista 62 Mes de publicación Mes cuando se publicó Enero-Marzo Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2014, Año 17, No 62, Enero-Marzo Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/01/2014 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020825 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Biodiesel Cloruro de polivinilo Materiales nanocompuestos Organoarcillas Zirconia https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20784/Ingenierias_2013_Ano_16_No_61_Octubre-Diciembre.pdf 2c59cb4d8ad2b0fcf06b028478c5ff91 PDF Text Text 61 ISSN 1405-0676 Bacteria magnetotáctica Laboratorios en ingeniería Eliminación de contaminantes Resistencia química de hormigones OCTUBRE - DICIEMBRE 2013, Año XVI, No. 61 REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN �Contenido Octubre-Diciembre de 2013, Año XVI, No. 61 61 2 Directorio 3 Editorial: La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería María Idalia Gómez de la Fuente 6 Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria magnetotáctica Carlos Luna Criado, Raquel Mendoza Reséndez 17 Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación de contaminantes orgánicos de agua Diana Berenice Hernández Urésti, Azael Martínez de la Cruz 27 Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique Sandra Pinzón Galvis 38 Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias de coque de petróleo Rodrigo Puente Ornelas, Carlos Javier Lizcano Zulaica, Tushar Kanty Das Roy, Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Bertha Alicia Vázquez Méndez 48 Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas en concreto polimérico Rodolfo Morales Ibarra, Elsa Abigail Duncan Flores, Saida Mayela García Montes, Alma Gisela Martínez Arellano, Juan Francisco Barrón Garanados, Denisse Arantxa Cepeda Mújica 54 Eventos y reconocimientos 57 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 61 Acuse de recibo 62 Colaboradores 65 Información para colaboradores Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 1 �Ingenierías, Año XVI, N° 61, octubrediciembre 2013. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de octubre de 2013. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Las opiniones expresadas por los autores no necesariamente reflejan la postura del editor de la publicación. Prohibida su reproducción total o parcial de los contenidos e imágenes de la publicación sin previa autorización del Editor. Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2013 revistaingenierias@uanl.mx DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Dr. Jesús Ancer Rodríguez Rector M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario General Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario Académico Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Secretario de Extensión y Cultura Dr. Celso José Garza Acuña Director de Publicaciones FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA M.C. Esteban Báez Villarreal Director Dr. Juan Antonio Aguilar Garib Editor responsable y director de la revista Ingenierías Lic. Julio César Méndez Cavazos Redacción Gregoria Torres Garay M.C. Jesús G. Puente Córdova Melody Lizeth Cortés Gonzaléz Tipografía y formación Dr. César Guerra Torres Indización M.A. José Luis Martínez Mendoza Diseño M.C. Jesús E. Escamilla Isla Fotografía Ing. Cosme D. Cavazos Martínez Ing. Dagoberto Salas Zendejo Webmaster René de la Fuente Franco Impresor CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Prof. Ruth Kiminami, Brasil. UFSC, San Pablo / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianopolis / Dr. Zarel Valdez Nava, Francia. UPS-INPT-LAPLACE-CNRS CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. Chacón Mondragón, FIME-UANL / M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, FIME-UANL / Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Moisés Hinojosa Rivera, FIME-UANL / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FCQ-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karissova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIMEUANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIME-UANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH 2 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 �Editorial: La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería Dra. María Idalia Gómez de la Fuente Editora de la revista Química Hoy Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas Idalia.Gomezd@uanl.edu.mx En la actualidad comienza a darse una corriente que afirma que el proceso enseñanza-aprendizaje se puede generar de manera virtual a través de programas en que se desarrollan actividades no presenciales. Es indudable que las nuevas tecnologías de la información y comunicación (TIC) ofrecen una oportunidad importante para que cada vez sea más común que haya seminarios, diplomados o cátedras en línea. La popularidad de las TIC influye en que se esté modificando la estructura básica de los cursos científicos y sus prácticas de laboratorio, y en la actualidad es común tener “prácticas demostrativas”, incluso mediante el uso de sitios web, por ejemplo youtube. Si nos enfocamos en el área de las ciencias de la ingeniería, podemos encontrar videos demostrativos de ensayos mecánicos de tensión, compresión y dureza, entre otros. Pero, ¿cómo se puede asegurar que el alumno adquirió la competencia o el conocimiento esperado? o bien, ahora con el enfoque curricular de la enseñanza por competencias, ¿realmente adquiere el alumno las competencias de una unidad de aprendizaje, sin hacer uso de la experiencia presencial que involucra el desarrollar una práctica de laboratorio? No hay manera de sustituir completamente las experiencias que se desarrollan en el laboratorio con actividades no presenciales, ya que cuando un alumno realiza una práctica, en primer lugar aprende a integrarse a un equipo de trabajo, aplicando sus competencias de socialización, el respeto a sus compañeros y la responsabilidad de entregar resultados individuales que serán parte del resultado del equipo. Estas competencias serán indispensables para el éxito del futuro profesional de las ciencias de la ingeniería, pues al tratar de resolver un problema en planta deberá colaborar en equipo con el técnico, el obrero o el encargado del laboratorio para lograr la resolución del problema. En segundo lugar, se da de manera natural la enseñanza por pares, pues son los mismos alumnos los que se explican entre ellos el fenómeno observado y lo discuten. Este modelo de aprendizaje, es la base del modelo constructivista, el cual define al proceso enseñanza-aprendizaje como la organización de métodos de apoyo que permitan a los alumnos construir su propio saber. Entonces, la discusión por pares, permite el realizar preguntas (exponer dudas) que frente al profesor no se harían, debido a que quizás el alumno considere que su pregunta no sea interesante, pero a su compañero sí se la formula, porque es su igual existe Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 3 �La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería / María Idalia Gómez de la Fuente. un clima de confianza, de apertura. Estas mismas experiencias le permitirán al futuro ingeniero, llamar a algún colega para consultarlo sobre la mejor forma de resolver un problema. En tercer lugar el conocimiento adquirido se integra de manera natural al cúmulo de conocimientos previos, dando pie al método de enseñanza de la escuela filosófica de René Descartes, de la cual podemos mencionar una de sus características, el método deductivo: A partir de las ideas y principios innatos que son elaborados por el entendimiento, se desarrolla deductivamente todo el conocimiento. Por otro lado, las actividades no presenciales sugieren que el proceso de aprendizaje se efectúe mediante la autoguía o la ayuda de un “facilitador” cuya presencia virtual le impide interactuar directamente con los alumnos, perdiendo la oportunidad de detectar las deficiencias de éstos, ya que los alumnos se dirigen a él sólo cuando tienen dudas que se atrevan a expresar, además de que se dificulta la transmisión de consejos y la compartición de experiencias porque no hay comunicación en vivo, ni con el facilitador ni con otros compañeros. La presencia de un profesor en el laboratorio es sumamente importante, pues es el guía, el que domina la ciencia a enseñar, y el que responde de manera asertiva a las dudas, independientemente de que los alumnos las expresen o no. El profesor es quien se asegura de que los alumnos dedican tiempo suficiente y de calidad a las prácticas, y promueve la integración del nuevo conocimiento en el quehacer del futuro profesional de la ingeniería. Para esto resulta más que obvio que las competencias académicas del profesor en el laboratorio deberán ser amplias, además de identificarse por tener una actitud positiva de la práctica experimental, que genere en sus estudiantes expectativas de éxito en el aprendizaje y en el crecimiento personal y con una amplia disposición de atención a los requerimientos del grupo. Las actividades mencionadas sólo pueden ser llevadas a cabo de manera presencial y es por eso que numerosos programas de estudio en el mundo que ofrecen cursos virtuales, aun exigen que los alumnos desarrollen actividades presenciales en aulas y laboratorios. Las habilidades y capacidades que obtienen de este modo son fundamentales en el desenvolvimiento profesional de los ingenieros, especialmente en el trabajo para los desarrollos tecnológicos, aunque no se limita a ellos, pues labores de supervisión efectiva y solución de problemas de campo aprovechan intensivamente lo aprendido con este tipo de formación. A continuación cito algunos ejemplos de éxito que no habrían sido posibles si los protagonistas no hubieran tenido una formación teórica y práctica. Intencionalmente están narrados de la manera típica en que se suelen presentar los inventos y descubrimientos, en la que incluso se llega a atribuir mayor peso a la buena suerte que al trabajo arduo, pero esperando que el lector aprecie que es la formación de los ingenieros la que llevó a los desarrollos tecnológicos correspondientes en estos ejemplos. • El ingeniero Percy Lebaron Spencer descubrió el efecto de las microondas en los alimentos de una forma inesperada. Spencer estaba probando un tubo de vacío, denominado magnetrón, el cual se utilizaba en ese entonces en la fabricación de radares. Al estar trabajando, descubrió que un chocolate que traía en la bolsa se había derretido. Intrigado, probó colocando unas semillas de maíz 4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 �La importancia de los laboratorios en la enseñanza de la ingeniería / María Idalia Gómez de la Fuente. cerca del tubo, y las observó agitarse y estallar en forma de palomitas. Spencer repitió el experimento con un huevo, el cual estalló ante sus ojos. El ingeniero dedujo que el calentamiento de los alimentos se debía a la exposición de la energía electromagnética en la frecuencia de las microondas, y así, creó el primer horno que revolucionó la industria de los alimentos desde 1947. • El químico Roy J. Plunkett estaba trabajando en 1938 para la empresa DuPont en una forma para producir un nuevo refrigerante. En uno de sus experimentos encontró un residuo de polvo blanco en una válvula. Al probar esta sustancia en reacción con otras, descubrió que era inerte a todas las bases y ácidos conocidos. La empresa se interesó en el hallazgo de Plunkett y lo registró como parte de sus polímeros como politetrafluoroetileno (PFTE), aunque es conocido popularmente por su nombre comercial, Teflón. Esta sustancia es muy reconocida por sus aplicaciones en los utensilios de cocina, pero también se le han dado múltiples aplicaciones industriales y comerciales, como en la manufactura de farmacéuticos y de semiconductores entre otros. • El marcapasos fue creado por el ingeniero Wilson Greatbach, quien estaba trabajando en un sistema para registrar los latidos del corazón. Pero un error al elegir un componente produjo un fenómeno nuevo: una emisión rítmica de impulsos eléctricos. El genio de Greatbatch pudo darse cuenta de que ese patrón podía identificarse con el de un corazón, tras recordar las charlas con algunos médicos en las que estos le explicaban que en el fondo el corazón es un motor que se alimentaba con electricidad, puso manos a la obra hasta que consiguió el primer marcapasos implantable. Éste se probó con éxito en perros en 1958 y lo patentó en 1962. En los ejemplos anteriores podemos identificar tres características: la práctica experimental real, la duda sobre los resultados obtenidos y la deducción; habilidades y capacidades desarrolladas indudablemente en los laboratorios de ciencias e ingeniería. Otra forma de enfatizar la importancia que tienen las prácticas de laboratorio en el medio laboral se puede dar en la famosa experiencia que los empleadores suelen exigir a los candidatos a contratación. La primera experiencia, que es en sí la combinación de conocimientos y competencias, de campo, puede provenir de la escuela, no es raro que sus laboratorios cuenten con equipos similares, y muchas veces superiores, a los que se encuentran en las empresas. Estos equipos están dedicados a la enseñanza por lo que los estudiantes tienen la oportunidad de conocerlos y trabajar con ellos durante sus estudios. El campo del trabajo es una forma de laboratorio que es altamente valorado, los estudiantes buscan hacer prácticas y los empleadores prefieren a personas con experiencia, es decir que hayan trabajado presencialmente. En sentido estricto, las prácticas de laboratorio contribuyen a que los egresados cuenten con alguna experiencia aunque aún no hayan tenido su primer empleo, y ya que se entiende que tanto los académicos y alumnos, como los empleadores valoran la experiencia, entonces no hay duda de que sin dejar de considerar las bondades de las TIC, cualquier propuesta de actualización de los programas educativos en las ingenierías deberá continuar reforzando la necesidad del trabajo presencial en los laboratorios. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 5 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria magnetotáctica Carlos Luna Criado*, Raquel Mendoza-Reséndez** *Facultad de Ciencias Físico Matemáticas-UANL **FIME-UANL carlos.lunacd@uanl.edu.mx, raquel.mendozars@uanl.edu.mx RESUMEN En esta investigación se proponen y analizan algunas estrategias de síntesis para la preparación de nanoelipsoides magnéticos uniformes con microestructuras diseñadas, que presentan claras similitudes con el arreglo de los magnetosomas (pequeños nanocristales magnéticos) biomineralizados por la bacteria magnetotáctica. Dadas sus propiedades magnéticas duras a temperatura ambiente, el material resultante puede emplearse como imanes permanentes nanoscópicos en campos tan diversos como el registro de información de alta densidad, biosensores y bioseparadores magnéticos, y en terapias basadas en el suministro de fármacos y/o tratamientos de hipertermia localizados. PALABRAS CLAVE Nanoelipsoides, nanoestructuras magnéticas, cadenas de monodominios magnéticos, bacteria magnetotáctica. ABSTRACT In the present contribution, we propose and analyze some synthetic strategies for the preparation of uniform magnetic nanoellipsoids with tailored microstructures that exhibit similarities to the arrangement of the magnetosomes (small magnetic nanocrystals) biomineralized by magnetotactic bacteria. Given their hard magnetic properties at room temperature, the resulting nanoellipsoids can be used as permanent nanomagnets in a large variety of technological fields, including information recording media, magnetic bioseparators and biosensors, localized hyperthermia therapies and drug delivery. KEYWORDS Nanoellipsoids, magnetic nanostructures, chains of magnetic monodomains, magnetotactic bacteria. INTRODUCCIÓN Las nanoestructuras magnéticas con morfologías anisótropas son de gran interés científico y tecnológico. Su estudio nos ofrece oportunidades excepcionales para identificar y entender principios fundamentales de la física del magnetismo, asociados a fenómenos tales como los de la anisotropía magnética y el transporte eficiente de electrones polarizados. Por otra parte, el alcance tecnológico de estos 6 Artículo basado en el trabajo “Nanoelipsoides de Fe y FeCo con Microestructuras Diseñadas Bioinspiradas en la Bacteria Magnetotáctica: Síntesis y Estudios Magnéticos”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2013, en la categoría de Ciencias Exactas, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 29 de agosto de 2013. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. fenómenos es todavía difícil de imaginar, dando lugar a áreas aplicadas, todavía en construcción, tan promisorias como el registro magnético de información, tratamientos terapéuticos asistidos mediante campos magnéticos, el diseño de nuevos transductores y la emergente espintrónica, que está revolucionando el modo de almacenar y procesar la información. Cabe destacar que, hasta hace poco, las investigaciones de las nanoestructuras magnéticas con morfologías anisótropas han avanzado relativamente poco en comparación con las de otros materiales de baja dimensionalidad, debido principalmente a que los materiales magnéticos suelen presentar hábitos de crecimiento isótropos. Es por ello que hay pocas técnicas y protocolos disponibles que han permitido obtener nanoestructuras magnéticas con morfologías alargadas de forma controlada. Algunas de ellas están basadas en técnicas de litografía,1 de electro-hilado2 o bien implican el uso de plantillas nanotexturadas o nanoporosas.3 Estas limitaciones conllevan que varios problemas fundamentales y aplicados concernientes a los sistemas de baja dimensionalidad magnéticos estén dentro de los retos de la ciencia moderna. Entre las nanoestructuras magnéticas unidimensionales, tales como nanoalambres y nanotubos, las cadenas de nanopartículas magnéticas monodominio merecen una atención especial, ya que son fundamentales para el estudio de interacciones magnéticas entre partículas monodominio y la comprensión de los procesos de la inversión de la magnetización en nanopartículas con morfologías alargadas.4,5 Es por ello que es necesario disponer de modelos experimentales apropiados para el estudio de nanocadenas magnéticas, contrastando y complementando diversos modelos micromagnéticos. Es interesante señalar al respecto que los nanocristales magnéticos biomineralizados intracelularmente por un tipo de bacterias microaerófilas, denominadas bacterias magnetotácticas, presentan excelentes cualidades para el estudio fundamental y la aplicación tecnológica de nanopartículas magnéticas. Estos nanocristales biomineralizados se conocen con el término magnetosomas, y por lo general se ensamblan en el interior de la bacteria en una o más cadenas lineales con sus ejes de fácil imanación orientados a lo largo del eje de la cadena.6,7 Estas nanopartículas son nanocristales ferrimagnéticos de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 magnetita (Fe3O4) o greigita (Fe3S4).6,7 Sus tamaños son típicamente de 35 a 100 nm, los cuales se encuentran dentro del rango del tamaño de partículas monodominio para estos materiales, y por encima del tamaño crítico superparamagnético a temperatura ambiente. Todas estas características están diseñadas biológicamente para proporcionar un momento magnético permanente a cada bacteria, que le permite orientarse y moverse paralelamente con las líneas del campo geomagnético.6,7 Desafortunadamente, las dificultades para lograr un cultivo masivo de las bacterias magnetotácticas obstaculizan su explotación científica y comercial.7 Por estas razones, el desarrollo de rutas sintéticas para preparar cadenas de nanocristales magnéticos análogos a los magnetosomas es un objetivo de gran relevancia. Este reto nos motivó recientemente8-11 a revisar algunos métodos de preparación sintéticos de nanoestructuras aplicando nuevos enfoques y estrategias, para obtener nanopartículas elipsoidales de Fe y de FeCo que presentan microestructuras diseñadas muy peculiares, similares a las cadenas de magnetosomas de las bacterias magnetotácticas. El método empleado se basa en los resultados previos encontrados en la reducción con hidrógeno de nanopartículas de hematites.12-14 En la contribución presente se describen y analizan los fundamentos de dichas metodologías, y se muestra como aplicando las estrategias propuestas se logró controlar de manera flexible la composición y la elongación de los nanoelipsoides de Fe y de FeCo, la orientación de los cristalitos monodominio magnéticos (con las direcciones <110> ó <001> aproximadamente orientadas a lo largo del eje longitudinal del nanoelipsoide), su tamaño (de 32 a 16 nm) y el tipo de sus arreglos en cadenas simples o cadenas dobles. TÉCNICAS EXPERIMENTALES Reactivos químicos empleados En la síntesis de las muestras se utilizaron los siguientes reactivos tal como se recibieron: perclorato de hierro (III) (Fe(ClO4)3, >98%, Fluka), urea (>99%, Merck), fosfato dihidrogenado de sodio (NaH2PO4,> 97%, Fluka), hidróxido de amonio (NH4OH, 99.99+%, Sigma-Aldrich), nitrato de itrio (Y(NO3)3 6H2O, 99.9%, Aldrich) y nitrato de cobalto 7 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. (Co(NO3)2 6H2O, >99%, Merck). El agua añadida en todos los experimentos se destiló tres veces. Síntesis de las partículas de hematites precursoras Para preparar las muestras de hematites (α-Fe2O3) con relación axial (i.e. la relación entre la longitud de las partículas y su anchura) controlable, se calentaron en un horno a 98°C soluciones acuosas con perclorato de hierro (III) 0.1 M, urea 0.1 M y una concentración variable (0, 3.5, 4.5 o 5.5 mmol dm-3) de fosfato dihidrogenado de sodio. En este proceso, las soluciones se mantuvieron inalteradas en tubos de ensayo cerrados durante 48 horas. Después de enfriar la mezcla resultante a temperatura ambiente, se separó el sólido precipitado de la solución madre mediante centrifugación, y se purificó varias veces con agua. Finalmente, se secó el polvo obtenido a 50°C en una estufa de secado. Las muestras resultantes se identificaron de acuerdo a la concentración de fosfato empleada: H-0mM, H3.5mM, H-4.5mM y H-5.5mM, respectivamente. Reducción térmica de las partículas de hematites a hierro metálico (α-Fe) Para obtener partículas de hierro constituidas por nanocristales monodominio alineados en cadenas, las muestras de hematites precursoras (H-3.5mM, H-4.5mM y H-5.5mM) se redujeron a α-Fe mediante tratamientos térmicos bajo un flujo continuo de gas hidrógeno (99,99%) de 40 l/h a 400°C. El tiempo de reducción en la mayoría de los experimentos fue de 4 horas. No obstante, se hicieron algunos experimentos con tiempos de reducción menores (1 ó 2 horas) con la finalidad de obtener mayor información acerca del proceso de reducción. Después de estos tratamientos térmicos, la fuente de calentamiento se retiró y las muestras se dejaron enfriar a temperatura ambiente. Posteriormente, con el fin de pasivar la superficie de las partículas de α-Fe y evitar una oxidación posterior de la muestra al ponerla en contacto con el aire, se hizo incidir sobre las muestras gas N2 previamente burbujeado en un matraz que contenía etanol. Las muestras resultantes obtenidas con tiempos de reducción de 4h se identificaron con los nombres: Fe3.5mM, Fe-4.5mM y Fe-5.5mM, respectivamente. 8 Obtención de nanoelipsoides de FeCo Con el fin de obtener partículas de FeCo con morfología elipsoidal, los nanoelipsoides de hematites fueron recubiertos con una capa de cobalto antes de proceder al tratamiento térmico de reducción.10 Para ello, se dispersaron 5 mmol de partículas de hematites (muestra H-4.5mM) en 150 ml de agua destilada empleando un baño de ultrasonido. A continuación, se añadieron 50 ml de una solución acuosa de nitrato de cobalto con una relación molar [Co]/[Co+Fe] del 10%. Después, el pH de la solución se ajustó a 10 con una solución de NH4OH y la muestra se mantuvo bajo agitación durante 1 h. A continuación, se separaron las partículas por centrifugación, se purificaron con agua destilada y se secaron a 50°C durante 12 horas. La reducción de esta muestra se llevó a cabo en dos etapas. En la primera etapa, la muestra de hematites recubierta con cobalto se calentó a 200°C en vacío durante 3 horas, y después se redujo a una ferrita en una atmósfera de hidrógeno a 360°C. Posteriormente, esta muestra se recubrió con una cantidad adicional del 20% molar de cobalto para obtener nanoelipsoides finales de Fe70Co30. A continuación, los nanoelipsoides recubiertos se redujeron a la fase metálica por medio de calentamiento a 400°C durante 4 horas en presencia de un flujo de hidrógeno de 40 l/h. Luego, la muestra se enfrió a temperatura ambiente bajo atmósfera de H2. Finalmente, se hizo pasar a través de la muestra gas N2 humedecido con etanol con el fin de oxidar moderadamente la superficie de los nanoelipsoides para estabilizarlos. La muestra final fue identificada como FeCo-4.5mM. Nanoelipsoides de hierro recubiertos con itrio Para recubrir los nanoelipsoides de hematites con un compuesto de itrio nos inspiramos en el método descrito por Aiken y Matijevic.15,16 Brevemente, se dispersaron 50 mg de nanoelipsoides de hematites (muestra H-4.5mM) en 30 ml de agua destilada empleando un baño de ultrasonido durante 5 minutos. A continuación, se añadieron a la dispersión de partículas 50 ml de una solución acuosa de nitrato de itrio con 1.8 M de urea en agitación mecánica durante 15 minutos. En estos experimentos, el porcentaje molar de itrio Y/(Y+Fe) se ajustó a 2, 4 y 6. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Posteriormente, la solución resultante se mantuvo en tubos de ensayo cerrados y se envejeció en un horno durante 2 horas a 90°C. Por último, las partículas fueron recuperadas por centrifugación y lavadas varias veces con agua destilada. La recolección del precipitado se realizó por filtración y se secó a 50°C en una estufa de secado. Posteriormente, estos nanoelipsoides fueron reducidos a su estado metálico mediante tratamientos térmicos bajo un flujo continuo de gas hidrógeno (99,99%) a 500°C. Las muestras obtenidas se identificaron con los nombres: Fe-4.5mM@Y2%, Fe-4.5mM@Y4% y Fe-4.5mM@Y6%, respectivamente. Técnicas de caracterización Se realizaron mediciones de difracción de rayos X (DRX) para identificar las fases presentes en las muestras utilizando un difractómetro Siemens D5000 con radiación Kα de Cu. Las longitudes de coherencia promedio (LCP) perpendiculares a los planos cristalográficos de las muestras (determinados mediante los índices de Miller h, k y l) se denotaron con Dhkl y se calcularon a partir de la anchura a media altura (FWHM) del pico de la reflexión correspondiente utilizando la ecuación de Scherrer:17 Dhkl = 0.9λ β Cosθd (1) donde λ es la longitud de onda de los rayos X, β es el ancho del pico de difracción y θd es el ángulo de difracción. El tamaño y forma de las partículas fueron examinados por microscopía electrónica de transmisión (MET) utilizando un microscopio FEI-TITAN 80-300 kV operando a 300 kV. Las muestras fueron depositadas sobre rejillas de cobre tipo “lacey-carbon”. Durante los estudios de MET no hubo evidencia de transformaciones estructurales o químicas de las muestras. Los valores promedio y desviación estándar de la longitud y anchura de las partículas se determinaron mediante un análisis estadístico de las dimensiones observadas en las micrografías MET de más de 100 partículas. La media y desviación estándar de la relación axial se determinó a partir de los valores obtenidos para cada partícula. Para obtener más información acerca de la microestructura de las partículas se utilizó difracción de electrones de área seleccionada (DEAS) y Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución fueron analizadas haciendo transformadas rápidas de Fourier (FFT) con el programa informático Digital Micrograph 3.11.1 (Gatan software, Inc). Los elementos presentes en las muestras se determinaron mediante espectrometría de emisión atómica con inducción de plasma acoplado (ICP-AES, Perkin-Elmer 5500), y en partículas individuales se llevaron a cabo análisis de espectrometría de energía dispersiva (EED). Las propiedades magnéticas de las partículas se estudiaron con un magnetómetro de muestra vibrante SQUID-VSM (Quantum Design). Las curvas de histéresis magnética se midieron con un campo máximo aplicado de 3T a temperatura ambiente. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización de las nanoestructuras de hematites precursoras Para obtener nanoelipsoides magnéticos se sintetizaron, primeramente, nanoestructuras de hematites (α-Fe2O3) alargadas mediante la hidrólisis de soluciones de hierro (III) inducida térmicamente en presencia de urea e iones fosfato. Estas nanoestructuras, a diferencia de las nanoestructuras de hierro metálico y las aleaciones de FexCo100-x, pueden crecer con una gran variedad de morfologías anisótropas que dependen fuertemente de las condiciones de síntesis, tales como la presencia de agentes surfactantes. La figura 1a muestra los patrones de difracción de las nanoestructuras precursoras sintetizadas en presencia de diferentes concentraciones de fosfato dihidrogenado. Dichos patrones corresponden a una única fase cristalina consistente con la estructura tipo corundum de la hematites (Joint Committee on Powder Diffraction Standards fichero No. 33-0664). Las imágenes de MET (ver figura 2) mostraron que la presencia de pequeñas concentraciones de fosfato de sodio en el medio de reacción modificaron substancialmente la morfología y uniformidad de las nanoestructuras de hematite. De esta forma, se encontró que la uniformidad y la relación axial de las partículas de hematites aumentó con el incremento de la relación de concentraciones entre iones fosfato y Fe+3 (ver figuras 1b y 2a-d). Este cambio de 9 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Fig. 1. a) Patrones de DRX de las muestras H-0mM, H4.5mM y H-5.5mM. b) Dependencias de la relación axial y los valores de D104 de las muestras de hematites en función de la relación de concentraciones [PO4-3]/[Fe+3] empleada en su síntesis. Fig. 2. Micrografías de MET de las muestras de hematites sintetizadas a) en ausencia de iones fosfato y con concentraciones de NaH2PO4 de b) 3.5, c) 4.5 y d) 5.5 mmol dm-3. 10 morfología, de partículas equiaxiales a nanoelipsoides, también se evidenció con el cambio de la relación de intensidades de los picos de DRX correspondientes a los planos (104) y (110), ver figura 1a. Las imágenes MET de campo brillante y campo oscuro de los nanoelipsoides de hematites (figuras 3a y b) mostraron que los nanoelipsoides de αFe2O3 tienen una estructura interior constituida por cientos de nanopartículas primarias ensambladas con diámetros en torno a un orden de magnitud menor que la anchura de los nanoelipsoides. Por otra parte, las imágenes de MET de alta resolución revelaron que estas nanopartículas primarias son monocristales que están altamente orientados con la dirección <001> dirigida a lo largo del eje del nanoelipsoide. Como ejemplo ilustrativo, la figura 3c muestra una imagen de MET de alta resolución cuya transformada rápida de Fourier es presentada en la figura 3d. El patrón observado en esta última imagen está constituido por puntos ligeramente alargados (formando pequeños arcos) que pueden indexarse en el eje de zona [1-10] de la hematites. Esto confirma que los nanocristales de α-Fe2O3 comparten la misma orientación dentro del nanoelipsoide. Por otra parte, se observa que la dirección cristalográfica [006] cae a lo largo del eje largo del nanoelipsoide. Otra evidencia de la alta orientación de los nanocristales es que las longitudes de coherencia promedio, D104 (figura 1b), presentan valores más próximos al ancho de los nanoelipsoides que al tamaño de los nanocristales. Estos resultados sugieren que el mecanismo de formación de los nanoelipsoides de α-Fe2O3 se basa en la agregación espontánea de nanopartículas monocristalinas primarias de hematites para formar estructuras ordenadas con morfología elipsoidal. Para verificar esta hipótesis, se tomaron alícuotas del medio de reacción a diferentes tiempos y se examinaron por MET. En la figura 4a se muestra una imagen de MET obtenida para una alícuota extraída transcurridas 30 horas de reacción en el experimento H-4.5 mM. En esta imagen se observan claramente nanopartículas primarias que tienden a agregarse en estructuras nanoelipsoidales. La relación entre la relación axial de los nanoelipsoides y la concentración relativa de aniones PO4-3 (ver figuras 1b y 2a-d), así como la alta orientación de los nanocristales de α-Fe2O3 dentro de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Fig. 3. Imágenes MET de a) campo brillante y b) de campo oscuro de una partícula de la muestra H-4.5mM. c) Micrografía MET de alta resolución de la partícula estudiada en la imagen anterior. La dirección del eje largo de la partícula está resaltada con una flecha doble. d) Transformada rápida de Fourier de la imagen c. Los puntos de este patrón han sido indexados al eje de zona [1-10] de la hematites. las nanoarquitecturas elipsoidales, son consecuencias de la adsorción preferencial de los aniones PO4-3 por las caras superficiales paralelas al eje c de la hematites. Esta adsorción selectiva puede explicarse teniendo en cuenta las relaciones estereoquímicas entre los aniones PO4-3 y los huecos que presenta la estructura de la hematites en las mencionadas caras (ver fig. 4b).18 De este modo, esta adsorción selectiva provee una cierta distribución de cargas eléctricas en la superficie de los nanocristales, la cual introduce nuevas interacciones anisótropas en el sistema que determinan la dirección [001] como la dirección preferencial para la agregación de los nanocristales, favoreciendo la formación de nanoarquitecturas con una morfología alargada (ver esquema representativo en figura 4c). Caracterización de los nanoelipsoides de α-Fe Los patrones de DRX de las muestras obtenidas después del tratamiento térmico (ver por ejemplo patrón de la muestra Fe-4.5mM en la figura 5) pueden indexarse considerando una única fase cristalina de hierro metálico (Joint Committee on Powder Diffraction Standards fichero No. 06-696). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Fig. 4. a) Micrografía de MET de una alícuota extraída transcurridas 30 horas de reacción en el experimento H4.5mM. b) Representación esquemática de la adsorción selectiva de aniones PO4-3 por las caras paralelas al eje c de la hematites. c) Representación idealizada del proceso de auto-ensamblaje de nanocristales de hematites en una nanoarquitectura con forma elipsoidal. Es importante destacar que los valores de D110 fueron los mismos, dentro del error experimental, para las muestras Fe-3.5mM, Fe-4.5mM y Fe-5.5mM, siendo próximos a 30 nm. Los estudios por MET mostraron que la uniformidad y morfología de las partículas no experimentaron cambios significativos después de aplicar los tratamientos térmicos reductores (ver figuras 6a y b), sin embargo, se observó que las dimensiones de los nanoelipsoides se redujeron ligeramente. Las imágenes de altos aumentos de MET (figura 6b y c) indicaron que, con el tratamiento térmico en presencia de flujos de hidrógeno, los nanoelipsoides de hematites no solo experimentaron una transformación cristaloquímica, sino que también aumentó el tamaño de los cristalitos. De este modo, en estas imágenes se observa que los nanoelipsoides están constituidos por sub-unidades con un núcleo oscuro de unos 30 nm de diámetro recubierto por una capa de pocos nm, asociada a la superficie de óxido formada durante el proceso controlado de pasivación, la cual aparece con un tono más claro. 11 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Fig. 5. Patrones de DRX de las muestras H-4.5mM, Fe4.5mM, FeCo-4.5mM y Fe-4.5mM@Y6%. Este óxido no fue detectado por difracción de rayos X (figura 5), probablemente debido a su pequeño tamaño de cristal. La distribución de las subunidades en el interior de los nanoelipsoides dependió de las dimensiones de los nanoelipsoides de hematites iniciales y el tiempo de reducción, tal como se estudió con detalle en las referencias 8 y 10. En particular, se encontró que los nanoelipsoides después de un tratamiento térmico de 1 ó 2 horas, solo presentaron una cadena de sub-unidades alineadas. Esta estructura de una sola cadena de cristales se observó también en los nanoelipsoides de la muestra Fe-5.5mM. En cambio, los nanoelipsoides de las muestras Fe-3.5mM y Fe-4.5mM exhibieron una peculiar estructura formada por una sub-unidad en cada punta de la partícula y dos cadenas lineales de sub-unidades en el centro de la partícula (ver figuras 6b y c). A este tipo de arreglo lo llamamos cadenas dobles frustradas. En la figura 7a se muestra una representación esquemática de estos cambios. Caracterización de los nanoelipsoides de FexCo100-x Tal como se demostró en otros trabajos,10,12 es factible modificar la composición de los 12 Fig. 6. a), b) y c) Imágenes de MET de la muestra Fe4.5mM. En la imagen c, algunos núcleos metálicos están resaltados con líneas discontinuas. d) Imagen de MET de la muestra FeCo-4.5mM. e) Micrografía de MET de alta resolución de un nanoelipsoide de FeCo-4.5mM. f) Transformada rápida de Fourier de la imagen e. nanoelipsoides y obtener nanoelipsoides de FexCo100-x (0 ≤ x ≤ 30) recubriendo las nanopartículas de hematites iniciales con una capa de óxido de cobalto. Al reducir estos nanoelipsoides con el tratamiento térmico en atmósferas de hidrógeno, el cobalto se difunde dentro de la partícula obteniendo nanoaleaciones de FexCo100-x. Esto es posible dado que el radio de los átomos de Co es muy próximo al de los átomos de Fe. La figura 7b muestra una representación esquemática de este proceso. Los nanoelipsoides de FexCo100-x presentaron las mismas características estructurales que los nanoelipsodes de α-Fe. De este modo, presentaron núcleos metálicos monocristalinos, con una estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc, por sus siglas en inglés), recubiertos por una capa de óxido. En la figura 6d se presenta una imagen de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. MET de bajos aumentos de la muestra FeCo-4.5mM, donde se puede observar la uniformidad de estos nanoelipsoides. En la figura 6e se muestra una imagen MET de alta resolución de un nanoelipsoide de Fe70Co30. La transformada rápida de Fourier de esta imagen (figura 6f) muestra un patrón de puntos que pueden indexarse con el eje de zona [100] de una aleación FexCo100-x con estructura bcc. De las imágenes 6e y f podemos concluir que la dirección [011] (que es la dirección del eje magnético medio para un cristal αFe con anisotropía magnetocristalina predominante) cae a lo largo del eje del nanoelipsoide. Además, se detectaron puntos de difracción que se pueden asociar al eje de zona [110] de una ferrita, asociada a la capa superficial de óxido protectora, siendo la dirección <100> coincidente con la dirección <001> del Fe70Co30. Fig. 7. Representaciones esquemáticas de las transformaciones estructurales y de composición observadas: a) durante el proceso de reducción de nanoelipsoides de hematites, b) durante el proceso de reducción de nanoelipsoides de hematites recubiertas con cobalto, y c) durante el proceso de reducción de nanoelipsoides de hematites recubiertos con itrio. Nuevas estrategias para el diseño de la microestructura de nanoelipsoides de α-Fe y FexCo100-x Los estudios presentados en la sección anterior han demostrado que los nanoelipsoides obtenidos presentan el gran atractivo de combinar una morfología elipsoidal con una microestructura constituida por cadenas de nanocristales magnéticos alineados, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 mostrando claras semejanzas con los magnetosomas de la bacteria magnetotáctica. Esto los convierte en excelentes modelos experimentales útiles para la contrastación y complementación de diversos modelos teóricos micromagnéticos.8,10 No obstante, con los protocolos descritos no se logró controlar ni el tamaño de los cristalitos metálicos ni su orientación dentro del nanoelipsoide, siendo ambos parámetros determinantes en las propiedades físicas de los nanoelipsoides. Es por ello que buscamos nuevas estrategias que mejoraran nuestra capacidad de controlar la microestructura de los nanoelipsoides. Con este fin, se trató de modular el crecimiento de los nanocristales durante el proceso de reducción mediante la introducción de tensiones internas adicionales dentro de los nanoelipsoides. Para ello, se recubrieron los nanoelipsoides de hematites iniciales con compuestos cuyos coeficientes de dilatación térmica lineal son diferentes a las fases en las que se transforma el nanoelipsoide durante el tratamiento térmico (magnetita y α-Fe). De este modo, estos recubrimientos generan tensiones internas transversales producidas por las diferencias en la expansión térmica entre el nanoelipsoide y su recubrimiento durante el proceso de reducción con tratamientos térmicos en atmósferas de hidrógeno.10 En este protocolo, el espesor y la naturaleza del recubrimiento son factores de control de las propiedades microestructurales de los nanoelipsoides finales.9 En el trabajo presente mostraremos los resultados obtenidos empleando recubrimientos de óxido de itrio. El itrio no se difunde al interior de las partículas, permaneciendo principalmente en la superficie del nanoelipsoide después del proceso de reducción térmica, tal como demostramos mediante caracterizaciones de XPS y otras técnicas analíticas en la referencia 10. No obstante, la presencia de estos recubrimientos no se detectó por difracción de rayos X debido a su naturaleza amorfa. Estos recubrimientos tuvieron una fuerte influencia en el tamaño de los monocristales metálicos de los nanoelipsoides finales. En la figura 8f se muestra el valor de la longitud de coherencia promedio D110 de los nanoelipsoides tratados térmicamente en función de la relación molar [Y]/[Y+Fe]. De esta dependencia se puede deducir que el tamaño de los núcleos de los nanoelipsoides disminuye significativamente según aumenta el espesor del recubrimiento. 13 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. Por otra parte, los análisis realizados mediante difracción de electrones y MET de alta resolución indicaron que los recubrimientos también tuvieron una influencia en la orientación de los cristales metálicos y el tipo de arreglo que forman. Como ejemplo ilustrativo, mostraremos el caso de una muestra de nanoelipsoides de hierro recubiertos con itrio con una relación molar [Y]/[Y+Fe] del 6% (figura 8a). En la mayoría de estos nanoelipsoides, no se evidenció una estructura tipo cadenas dobles frustradas, sino que los nanocristales de Fe aparecieron alineados en solo una cadena recubiertos por un material amorfo, tal como se puede observar en las figuras 8b y c. La figura 8d muestra una imagen de MET de alta resolución de uno de los núcleos de hierro metálico de un nanoelipsoide de la muestra Fe-4.5mM@Y6%. En ella se observan franjas reticulares que pueden asociarse a la estructura bcc del hierro proyectada a lo largo de la dirección <100> (véase también la imagen de FFT correspondiente en la figura 8e). Fig 8. a), b) y c) Micrografías de MET de la muestra Fe-4.5mM@Y6%. d) Imagen de MET de alta resolución correspondiente a la región resaltada en la imagen c) con un cuadro discontinuo. e) Transformada rápida de Fourier de la imagen d. f) Dependencia de las longitudes de coherencia D110 de los nanoelipsoides de α-Fe en función de la cantidad de itrio en sus recubrimientos. 14 Además, se encontró que la dirección <001> (es decir, la dirección del eje de fácil magnetización para un cristal α-Fe con anisotropía magnetocristalina predominante) es aproximadamente paralela al eje largo del nanoelipsoide. Estas mismas características la presentaron el resto de los núcleos de este nanoelipsoide. Propiedades magnéticas de los nanoelipsoides de α-Fe y de Fe x Co 100-x , y su potencial tecnológico La peculiar microestructura de los nanoelipsoides obtenidos, constituida por nanocristales magnéticos alineados en cadenas, y el alto nivel de control que nos aportan los métodos de preparación propuestos sobre el tamaño, tipo de arreglo y orientación de los nanocristales dentro de los nanoelipsoides, convierten a este sistema de partículas en un excelente modelo experimental útil para la contrastación y complementación de diversos modelos teóricos micromagnéticos 8,10, el estudio de los efectos de las interacciones dipolares en un sistema de nanopartículas8 y el estudio de la competencia de diversas fuentes de anisotropía en partículas alargadas.11 Es importante resaltar que el tamaño de los núcleos metálicos de los nanoelipsoides es menor que el tamaño crítico monodominio esperado para nanopartículas de α-Fe y de FeCo,19 por lo que es esperable que éstos núcleos sean monodominios magnéticos. Esta hipótesis fue corroborada en las referencias 8 y 10 realizando diversos estudios magnéticos. La figura 9 muestra los ciclos de histéresis medidos a temperatura ambiente de algunas de las muestras estudiadas en la contribución presente. En estas curvas se observa que estas muestras presentan valores altos de campo coercitivo, magnetización remanente e imanación de saturación debido a su anisotropía de forma. Estos valores varían dependiendo del tamaño de los núcleos, el tipo de alineamiento de los núcleos (cadenas simples o dobles frustradas) arreglo y su composición.10 En relación con estas propiedades, es importante destacar que los valores del campo coercitivo encontrados son considerablemente más grandes que el campo coercitivo máximo esperado para una partícula monodominio de α-Fe con una anisotropía magnetocristalina predominante (2K1/MS ≈ 560 Oe, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. tratamientos térmicos localizados se basarían en que los nanoelipsoides disipan energía en forma de calor cuando se encuentran en el seno de un campo magnético alterno por medio de la rotación de su momento magnético (relajación de Néel) y la rotación de los nanelipsoides producida por el torque ejercido por el campo aplicado (relajación browniana). Fig. 9. Ciclos de histéresis obtenidos para las muestras Fe-4.5mM, FeCo-4.5mM y Fe-4.5mM@Y6% a temperatura ambiente. donde K 1 es la constante de anisotropía 20), y notablemente mayor que los valores observados experimentalmente en nanopartículas de hierro con un diámetro alrededor de 30 nm a temperatura ambiente. 21 Esto sugiere que la anisotropía de forma es la fuente de anisotropía predominante en el sistema a temperatura ambiente. Por otra parte, estos valores se incrementan considerablemente si la temperatura de medición se reduce a pocos grados Kelvin,8,11 lo cual es esperable para un arreglo de cristales ferromagnéticos con tamaños de pocas decenas de nanómetros. Las propiedades magnéticas duras de nuestro sistema de nanopartículas implican elevadas pérdidas de energía durante su histéresis, factor que junto a las reducidas dimensiones de los nanoelipsoides los hacen muy atractivos para su uso como material base para el diseño de medios flexibles de almacenamiento de información o de energía. Por otro lado, podrían presentar un futuro prometedor en diversas aplicaciones dentro del área biomédica. Por ejemplo, se podrían emplear en el diseño de biosensores y bioseparadores basados en el reconocimiento, anclaje y recolección magnética de biomoléculas y agentes patógenos. Asimismo, los nanoelipsoides magnéticos podrían emplearse en terapias de tumores cancerígenos transportando fármacos antineoplásicos y a su vez emplearse como diminutos centros de irradiación de calor (42-55°C) para destruir selectivamente células cancerígenas sin dañar a los tejidos sanos adyacentes. Estos Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 CONCLUSIONES En la contribución presente se han establecido procedimientos de preparación de nanoelipsoides de Fe y FeCo con una microestructura constituida por nanocristales monodominio alineados con la misma orientación formando una o dos cadenas dentro de los nanoelipsoides, de forma similar a como aparecen alineados los magnetosomas de la bacteria magnetotáctica. Las técnicas desarrolladas permiten modificar de forma controlada y reproducible la composición y la elongación de los nanoelipsoides magnéticos, la orientación de los nanocristales, su tamaño y el tipo de sus arreglos. Esto conduce a su vez a la modulación de sus propiedades magnéticas, las cuales se caracterizan por sus altos valores de coercitividad, magnetización remanente y de magnetización de saturación debido a que presentan una alta anisotropía magnética gobernada principalmente por su morfología alargada. Estas propiedades magnéticas duras, adaptables a las necesidades específicas de una aplicación determinada, proveen a estos nanoelipsoides de un gran potencial tecnológico. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al M. C. Enrique Díaz Barriga su excelente ayuda técnica en el MET. Asimismo, agradecen al Dr. Carlos J. Serna y a la Dra. M. Puerto Morales sus valiosos comentarios. Esta investigación fue financiada por CONACYT con los proyectos CB84478 y CB83468, y la UANL con el proyecto Paicyt2009-IT 147-09. REFERENCIAS 1. T.-K. Chung, S. Keller, G. P. Carman. Electricfield-induced reversible magnetic single-domain evolution in a magnetoelectric thin film. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 132501. 15 �Nanoelipsoides de Fe y FeCo con microestructuras diseñadas bioinspiradas en la bacteria... / Carlos Luna Criado, et al. 2. H. Wu, R. Zhang, X. Liu, D. Lin, W. Pan. Electrospinning of Fe, Co, and Ni Nanofibers: Synthesis, Assembly, and Magnetic Properties. Chem. Mater. 2007, 19, 3506-3511. 3. V. M. Prida, K. R. Pirota, D. Navas, A. Asenjo, M. Hernández-Vélez, M. Vázquez. Self-Organized Magnetic Nanowire Arrays Based on Alumina and Titania Templates. J. Nanosci. Nanotechnol. 2007, 7, 272-285. 4. I. S. Jacobs, C. P. Bean. An Approach to Elongated Fine-Particle Magnets. Phys. Rev. 1955, 100, 1060-1067. 5. L. Zhang y A. Manthiram. Experimental study of ferromagnetic chains composed of nanosize Fe spheres. Phys. Rev. B 1996, 54, 3462-3467. 6. R. E. Dunin-Borkowski, M. R. McCartney, R. B. Frankel, D. A. Bazylinski, M. Pósfai, P. R. Buseck. Magnetic microstructure of magnetotactic bacteria by electron holography. Science 1998, 282, 1868-1870. 7. D. Schüler. Formation of magnetosomes in magnetotactic bacteria. J. Molec. Microbiol. Biotechnol. 1999, 1, 79-86. 8. Carlos Luna Criado, Raquel Mendoza Reséndez. Estudio del mecanismo de inversión de la magnetización en nanoelipsoides de Fe con microestructuras diseñadas, bioinspiradas en la bacteria magnetotáctica. CiENCiAUANL 2013 (aceptado). 9. Raquel Mendoza Reséndez, Carlos Luna Criado. Método de control de las propiedades microestructurales y magnéticas de partículas elipsoidales mediante la modulación de sus tensiones internas a través de recubrimientos con una relación de sus coeficientes de expansión térmica. Patente MX/a/2013/005103. 10. R. Mendoza-Reséndez, C. Luna, E. D. BarrigaCastro, P. Bonville y C. J. Serna. Control of Crystallite Orientation and Size in Fe and FeCo Nanoneedles. Nanotechnology 2012, 23, 225601. 11. R. Mendoza-Reséndez, C. Luna. Shape 16 Anisotropy and Exchange Bias in Magnetic Flattened Nanospindles with Metallic/oxide Core/Shell Structures. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 2012, 12, 7577-7581. 12. Raquel Mendoza-Reséndez, Raul Pozas, M. Puerto Morales, Pierre Bonville, Manuel Ocaña, Carlos J. Serna. FeCo magnetic nanoneedles obtained by Co-coating haematite. Nanotechnology 2005, 16, 647–654 13. R. Mendoza-Reséndez, O. Bomati-Miguel, M. P. Morales, P. Bonville, C. J. Serna. Microstructural characterization of ellipsoidal iron metal nanoparticles. Nanotechnology 2004, 15, S254S258. 14. R. Mendoza-Reséndez, M. P. Morales, C. J. Serna. Reduction mechanism of uniform iron oxide nanoparticles to metal used as recording media. Mater. Sci. Eng. C 2003, 23, 1139-1142. 15. B. Aiken, E. Matijevic. Preparation and properties of uniform coated inorganic colloidal particles. IV. Yttrium basic carbonate and yttrium oxide on hematite. J. Colloid and Interface Sci. 1988, 126, 645-649. 16. E. Matijevic. Preparation and properties of uniform size colloids. Chem. Mater. 1993, 5, 412-426. 17. B. D. Cullity, S. R. Stock. Elements of X-ray diffraction. Prentice may: New Jersey. 2001. 18. V. Barron, M. Herruzo, J. Torrent. Phosphate Adsorption by Aluminous Hematites of Different Shapes. Soil. Sci. Soc. Am. Proc. 1988, 52, 647651. 19. A. Aharoni. Angular dependence of nucleation by curling in a prolate spheroid. J. Appl. Phys. 1997, 82, 1281-1287. 20. C. Kittel. Physical theory of ferromagnetic domains. Rev. Mod. Phys. 1949, 21, 541-583. 21. R. Fernández-Pacheco, M. Arruebo C. Marquina, R. Ibarra, J. Arbiol and J. Santamaría. Highly magnetic silica-coated iron nanoparticles prepared by the arc-discharge method. Nanotechnology 2006, 17, 1188-1192. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación de contaminantes orgánicos de agua Diana Berenice Hernández Urésti, Azael Martínez-de la Cruz CIIDIT-FIME-UANL azael70@gmail.com RESUMEN El molibdato de plomo (PbMoO4) fue sintetizado en forma de polvo mediante cinco rutas de síntesis (reacción en estado sólido-SS, coprecipitación-Cop, hidrotermalH60, sonoquímica-Sono y por radiación con microondas-MW). Las muestras resultantes fueron caracterizadas por técnicas experimentales convencionales. La actividad fotocatalítica de PbMoO4 fue evaluada bajo irradiación UV en la reacción de degradación de rodamina B (RhB), índigo carmín (IC), naranja G (OG) y naranja de metilo (MO). En general, la actividad de las muestras preparadas siguió la secuencia MW > Sono > H60 > Copp > SS mostrando una importante correlación con la ruta de síntesis del material. Esta situación fue asociada con las propiedades texturales y morfológicas del óxido. Bajo condiciones ácidas, para el caso de RhB, IC y OG, las soluciones fueron rápidamente decoloradas. El análisis de carbón orgánico total (TOC) de las soluciones irradiadas de los colorantes reveló que un alto grado de mineralización de los compuestos orgánicos es posible por acción de PbMoO4 luego de 96 h de radiación UV. PALABRAS CLAVE Fotocatálisis heterogénea, PbMoO4, molibdato, colorantes orgánicos Artículo basado en el trabajo “Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación de contaminantes orgánicos de agua”, el cual obtuvo el Premio de Investigación UANL 2013, en la categoría de Ingeniería y Tecnología, otorgado en la Sesión Solemne del Consejo Universitario de la UANL, celebrada el 29 de agosto de 2013. ABSTRACT Lead molybdate powder (PbMoO4) was successfully synthesized by using five routes of synthesis (solid state reaction-SS, coprecipitation-Cop, hydrothermalH60, sonochemistry-Sono and microwave irradiation-MW). The resulting samples were characterized by conventional experimental techniques. The photocatalytic activity of PbMoO4 samples was evaluated under UV irradiation for the degradation reaction of rhodamine B (RhB), indigo carmine (IC), orange G (OG), and methyl orange (MO). In general, the activity of samples synthesised follows the sequence MW > Sono > H60 > Copp > SS showing a strong correlation with the route of synthesis. This fact was associated with the textural and morphological properties of oxide. The bleaching of the organic dye solutions over PbMoO4 photocatalyst was quickly reached for RhB, IC, and OG under acidic conditions. Total organic carbon (TOC) analysis of samples irradiated revealed that mineralization of organic dyes by the action of PbMoO4 is feasible after 96 h of UV irradiation. KEYWORDS Heterogeneous photocatalysis, PbMoO4, molybdate, organic dyes Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 17 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. INTRODUCCIÓN La búsqueda de nuevas tecnologías de oxidación para la purificación de agua que resulten eficientes y económicamente factibles a escalas industriales se ha centrado en el uso de la energía solar como fuente energética. Una de las aplicaciones fotoquímicas que ha despertado más interés en las últimas décadas entre la comunidad científica internacional es la fotocatálisis heterogénea. Debido a que la velocidad de recombinación hueco-electrón en el seno del semiconductor es muy superior a la velocidad de oxidación-reducción de especies contaminantes en su superficie, es indispensable establecer condiciones experimentales para promover esta separación y hacer ineficiente el proceso de recombinación de cargas. Lo anterior puede realizarse, bien mediante la modificación estructural/electrónica del semiconductor, o bien mediante la variación del medio de reacción. El material semiconductor por excelencia utilizado como fotocatalizador es el TiO 2 en su forma cristalina de anatasa debido a su alta actividad catalítica bajo radiación ultravioleta, alta inercia ante procesos de fotocorrosión y bajo costo. Diversos trabajos han sido realizados con el fin de desarrollar fotocatalizadores con alta eficiencia en la región visible del espectro solar, como ejemplo basta mencionar a los óxidos In1-xNixTaO4, CaIn2O4, InVO4 y Bi2MoO6.1-5 Desde el punto de vista tecnológico, la fotocatálisis heterogénea se encuentra actualmente en una fase temprana de investigación y desarrollo tecnológico. No obstante, existen dispositivos comerciales que operando bajo este principio son utilizados para la purificación de aire, principalmente en la eliminación de óxidos de nitrógeno (NOx) y de compuestos orgánicos volátiles (VOC´s) presentes en interiores de oficinas, casas y automóviles. Asimismo, el desarrollo comercial de superficies autolimpiantes como ventanas y piezas cerámicas, así como cubiertas de focos de alumbrado que operan por la presencia de un fotocatalizador es una realidad.6 Aunque notables avances se han reportado en el empleo de la fotocatálisis heterogénea para la remoción de contaminantes en medio acuoso, el camino a recorrer para su aplicación en grado masivo de volumen y empleo de radiación solar aún es largo. 18 Entre los principales problemas a los que se enfrenta la aplicación de la fotocatálisis heterogénea en medio acuoso se encuentran la dificultad en el manejo de grandes volúmenes de agua, un proceso efectivo de separación del fotocatalizador del medio una vez concluido el proceso, así como la necesidad de aumentar la eficiencia fotocatalítica del semiconductor preparado. En contraparte, el uso de esta herramienta tecnológica presenta la ventaja de requerir una fuente de energía gratuita e inagotable como lo es la energía solar, el tratarse de un proceso no selectivo para la oxidación y mineralización de prácticamente cualquier compuesto orgánico, así como su aplicación en niveles de concentración de contaminantes donde otras técnicas son inoperantes. En las reacciones fotocatalíticas existen factores que pueden influir de manera positiva o negativa para que éstas se puedan llevar a cabo de manera eficiente. Es precisamente objeto de estudio de la presente investigación el atender a estos factores para la consecución y desarrollo de un fotocatalizador con alta eficiencia en procesos de remoción de contaminantes en medio acuoso. La presente propuesta incluye la selección de un semiconductor (PbMoO4) y la modificación de sus propiedades fisicoquímicas para potenciar su actividad fotocatalítica en reacciones de degradación de colorantes orgánicos. Lo anterior mediante el empleo de diversas rutas de síntesis química que emplean diferentes condiciones de tratamiento térmico/enfriamiento para la preparación de óxidos semiconductores con propiedades morfológicas y texturales diferentes que incidan en la actividad fotocatalítica del material. EXPERIMENTACIÓN El material PbMoO4 fue preparado en forma policristalina mediante diferentes métodos: reacción en estado sólido (SS), coprecipitación (Cop), hidrotermal (H60), sonoquímica (Sono) y radiación con microondas (MW). Para la preparación del molibdato por el método de reacción en estado sólido se pesaron cantidades en relación estequiométrica apropiada del óxido MoO3 y la sal Pb(NO3)2, se homogeneizaron y la mezcla reactiva se compactó en forma de pastilla por medio de una prensa mecánica. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. Las pastillas fueron calcinadas a 950˚C en un horno eléctrico durante 72 horas. Posteriormente la muestra fue enfriada a temperatura ambiente. Para la síntesis por coprecipitación se utilizaron como precursores Pb(NO3)2 y (NH4)6Mo7O24•4H2O. A partir de dichas sales, se prepararon dos soluciones acuosas. La solución de Pb(NO3)2 fue vertida lentamente gota a gota en la solución de (NH4)6Mo7O24•4H2O manteniendo una agitación vigorosa y originando una suspensión de color blanco. Se ajustó a pH= 11 utilizando NH4OH, manteniendo la suspensión en agitación durante 30 minutos adicionales. Una vez formado el precipitado, éste fue separado por filtración. En la preparación de PbMoO4 mediante el método hidrotermal se utilizaron como reactivos H2MoO4 y Pb(NO3)2, los cuales fueron disueltos en 75 mL de agua desionizada. Posteriormente, la disolución se mantuvo en agitación vigorosa dentro de un baño de ultrasonido y se ajustó a pH= 11 por adición de NH4OH. La suspensión se transfirió a una autoclave de acero inoxidable. El proceso hidrotermal se realizó a 60˚C con una velocidad de calentamiento de 2˚C. min-1 durante 10 minutos. Transcurrido este tiempo, se realizaron varios lavados con agua desionizada al precipitado resultante con el fin de neutralizar el pH (~7) y después se procedió a la evaporación del solvente a 70˚C. En la síntesis del método por sonoquímica se partió de los reactivos H2MoO4 y Pb(NO3)2 y se siguió el procedimiento experimental descrito a detalle previamente.7 Para la preparación de la muestra por radiación con microondas se vertieron 15 mL de etilenglicol anhídrido en un vaso de precipitado y fueron añadidos 5 mmoles de H2MoO4 y de Pb(NO3)2 con agitación constante y se ajustó a pH= 11 utilizando NH4OH. La dispersión de color blanca fue transferida a un equipo de microondas para someterla a un calentamiento mediante la aplicación del 50% de la potencia del horno de 120W durante 20 minutos. Posteriormente, el sólido obtenido fue separado por filtración. La caracterización estructural del óxido PbMoO4 fue realizada por difracción de rayos-X en polvo (DRX) usando un difractómetro Bruker Advanced X-Ray Solution D8 con radiación Kα del Cu (λ= 1.5418 Å). Las mediciones se realizaron en Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 un intervalo 2θ de 10° a 60° con un tamaño de paso de 0.05° y un tiempo de 0.05 segundos por cada paso. La banda de energía prohibida (Eg) se determinó mediante espectroscopia de reflectancia difusa (DRS) utilizando un espectrofotómetro Perkin Elmer Precisely Lambda 35 UV/Vis con esfera de integración. El área superficial de los fotocatalizadores fue determinada mediante fisisorción de nitrógeno (método BET) utilizando un analizador Bel-Japan Minisorp II. La morfología de las muestras fue analizada mediante la técnica de microscopía electrónica de barrido (SEM) utilizando un microscopio FEI Nova Nano SEM de bajo vacío con un voltaje máximo de aceleración de 3 kV. Las reacciones de degradación fotocatalítica se llevaron a cabo en un reactor de inmersión de borosilicato con chaqueta de enfriamiento para mantener la temperatura de reacción en 25°C± 1°C. Como fuente de radiación UV fue utilizada una lámpara heterocromática de Xe de 10,000 K. La intensidad de la radiación UV fue de 1,380 μW.cm-2. La actividad fotocatalítica de PbMoO4 se evaluó en la reacción de degradación de los colorantes orgánicos rodamina B (RhB), índigo carmín (IC), naranja G (OG) y naranja de metilo (MO) en solución acuosa, véase figura 1. En un vaso de precipitado se agregaron 200 mL de una solución del colorante orgánico que contenía 200 mg de PbMoO4 y posteriormente se transfirió a un baño de ultrasonido para la eliminación de agregados. Considerando el coeficiente de absorción molar de cada colorante, las concentraciones iniciales fueron 5, 30, 20, y 20 mg. L-1 para RhB, IC, OG y MO, respectivamente. A fin de asegurar que Fig. 1. Estructura molecular de colorantes de distintas familias de compuestos orgánicos. 19 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. el equilibrio de adsorción-desorción del colorante en la superficie de catalizador se hubiera alcanzado la solución se mantuvo en reposo en la oscuridad por 1 h. Después de este tiempo, la lámpara se encendió. Durante la reacción, las muestras se tomaron del reactor a diferentes intervalos de tiempo y luego se analizaron mediante un análisis colorimétrico tomando como referencia el máximo de absorción de cada colorante para determinar su concentración. Se llevaron a cabo experimentos en condiciones ácidas y básicas a pH= 4 y 10 añadiendo HNO3 ó NH4OH, respectivamente. El grado de mineralización fue seguido mediante el análisis del contenido de carbón orgánico total (TOC) de las soluciones con diferentes tiempos de irradiación. Se utilizaron 250 mL de la solución del colorante (50 mg.L-1 para RhB, OG y MO; y 100 mg.L-1 para IC) conteniendo 250 mg de fotocatalizador. Las muestras irradiadas se analizaron en un analizador de TOC Shimadzu VSCN8. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las muestras obtenidas por los diferentes métodos de síntesis fueron caracterizadas estructuralmente mediante difracción de rayos-X en polvo. Los difractogramas obtenidos mostraron la presencia de la fase tetragonal de PbMoO4 sin la presencia de impurezas de acuerdo a la tarjeta JCPDS No. 01-0714910, como se muestra en la figura 2. En particular, la muestra PbMoO4 (MW) presentó la mayor cristalinidad como lo demuestra su Fig. 2. Difractogramas de PbMoO4 obtenidos mediante el método de reacción en estado sólido (SS), coprecipitación (Copp), hidrotermal (H60), sonoquímica (Sono) y radiación con microondas (MW). 20 difractograma con líneas de difracción bien definidas y altas intensidades. La energía de banda prohibida se obtuvo mediante los espectros de reflectancia difusa (DRS), y los valores son mostrados en la tabla I. Todas las muestras obtenidas presentaron un valor de Eg mayor a 3 eV lo cual define que son fotocatalizadores que pueden ser activados mediante radiación UV. Para determinar el área superficial de los materiales sintetizados se realizaron análisis de fisisorción de nitrógeno utilizando el método BET, véase tabla I. La muestra PbMoO4 (SS) fue la que exhibió el menor valor de área debido a que la alta temperatura de síntesis promovió un proceso de crecimiento de partícula mediante un mecanismo de sinterización. Cuando el PbMoO4 fue sintetizado por el resto de los métodos de síntesis, el área superficial del material se incrementó en aproximadamente un orden de magnitud, alcanzando un valor máximo de 5.98 m2.g-1 para PbMoO4 (Sono). Tabla I. Propiedades físicas de PbMoO4 preparado por diferentes métodos de síntesis. Método de Síntesis Temperatura Energía Área de calcinación de banda superficial (°C) prohibida (eV) (m2.g-1) Estado sólido (SS) 950 3.10 0.20 Coprecipitación (Copp) 350 3.16 1.18 Hidrotermal (H60) 70 3.09 2.71 Sonoquímica (Sono) 70 3.19 5.98 Microondas (MW) 70 3.17 2.52 La figura 3 muestra algunas imágenes de SEM representativas de la morfología de las muestras preparadas. De acuerdo al análisis por SEM la muestra (SS) no presentó una morfología definida en particular, con ausencia de aglomerados y de tamaños superiores a 2 μm (3a). La fase obtenida mediante el método de coprecipitación presentó una morfología irregular tipo oval en sus partículas con un tamaño menor al observado para PbMoO4 (SS), del orden de 350 nm (3b). La muestra obtenida mediante el método hidrotermal presentó una morfología de sus partículas en forma octaédrica Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. Fig. 3. Micrografías SEM de las muestras de PbMoO4 (SS) (a), PbMoO4 (Copp) (b), PbMoO4 (H60) (c), PbMoO4 (Sono) (d) y PbMoO4 (MW) (e). o de bipirámide con tamaño de 150-300 nm (3c). Esta morfología es ocasionada por la temperatura y la presión utilizada en el reactor hidrotermal, ya que es capaz de promover el mecanismo de nucleación, agregación y recristalización. En el proceso de coalescencia se incrementó la concentración de partículas, que durante su crecimiento probablemente causó la formación de defectos superficiales en sus caras.8 Las partículas presentaron una orientación preferencial al plano cristalográfico [001], ya que los cristales tendieron a formarse con una mayor velocidad de crecimiento en esa dirección.9 Las partículas obtenidas mediante el método de sonoquímica mostraron una morfología semiesférica utilizando como medio dispersante etilenglicol (EG) (3d). Los efectos físicos del ultrasonido como la cavitación originaron núcleos limitados durante la etapa de crecimiento de las partículas, debido al tiempo de duración de los colapsos de implosión de las burbujas en el líquido (> 1ns). Dicha implosión ocasionó una distribución homogénea en el tamaño de cristal y tamaño de partícula, disminuyendo la formación de aglomerados y obteniendo una morfología definida. La muestra de PbMoO4 (MW) está formada por partículas con una morfología en forma ovalada Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 (3e). La radiación con microondas produjo un calentamiento muy rápido de toda la suspensión que favoreció la nucleación de los cristales alcanzando una distribución de tamaño de partícula homogénea. El EG absorbe las ondas de alta frecuencia, al formarse la fase PbMoO4 también absorbió las microondas produciendo partículas de tamaño homogéneo mediante el mecanismo de Ostwald Ripening.10 En este mecanismo, los centros de nucleación se aglomeran y disuelven generando pequeñas partículas, donde los aglomerados grandes crecen a partir de los aglomerados de partículas más pequeñas, que se disuelven y desaparecen. En la figura 4 se resumen los resultados obtenidos para la degradación de los cuatro colorantes orgánicos utilizando como fotocatalizador PbMoO4 sintetizado por reacción en estado sólido, co-precipitación, hidrotermal, sonoquímica y microondas bajo condiciones ácidas de pH= 4. Dado que los tiempos de vida media obtenidos para naranja de metilo fueron considerablemente grandes con respecto a los del resto de los colorantes, los datos de t1/2 para este colorante fueron divididos entre 2 para ser representados y ser mejor visualizados en la figura 4. Independientemente del método de síntesis, la actividad fotocatalítica de PbMoO 4 para la 21 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. Fig. 4. Tiempo de vida media de los colorantes rodamina B (RhB), índigo carmín (IC), naranja G (OG) y naranja de metilo (MO) utilizando PbMoO4 sintetizado por 5 rutas de síntesis. (*MO = tiempo de vida media dividido entre 2 para una mejor visualización de la figura). degradación de los colorantes fue en la dirección IC > RhB > OG > MO. Este hecho es aún más notable dado que el IC fue el colorante utilizado a una mayor concentración inicial en los experimentos (30 ppm) con respecto a OG y MO (20 ppm) y aún más que con respecto a RhB (5 ppm). La dificultad para degradar OG y MO se puede asociar con la presencia de grupos funcionales azo (-N=N-) en sus respectivas estructuras moleculares, como se muestra en la figura 1. De acuerdo con reportes previos,11 la fotodegradación de un colorante azo está asociada con el rompimiento del enlace -N=Nen una etapa inicial de la reacción. No obstante, este proceso es complicado debido a que la energía promedio del enlace azo es cercano a 420 kJ mol-1, considerablemente mayor al valor de energía de 286 kJ mol-1 requerido para la ruptura del enlace -N-C- en las sucesivas de-etilaciones en el caso de la RhB. Aún bajo esta circunstancia, es a destacar la diferencia en la dificultad de degradar las moléculas de los dos colorantes azo. En este sentido, la presencia de un grupo hidroxi- ligado a un anillo aromático en la molécula de OG puede constituir un punto de ataque para un ataque más efectivo al anillo aromático y su posterior apertura. Por su parte, la mayor velocidad en la degradación de la molécula de IC con respecto a RhB puede correlacionarse con la apertura del anillo aromático en la etapa temprana de la degradación, a diferencia de RhB donde la etapa inicial está dominada por la de-etilación de su molécula. El análisis de los espectros de absorción de ambos colorantes parece soportar esta hipótesis (figura 5), aunque es necesario a futuro un análisis de cromatografía de líquidos acoplado a masas para 22 Fig. 5. Espectros de absorción característico de los colorantes rodamina B (a) e índigo carmín (b) bajo condiciones ácidas en el curso de su degradación en presencia de PbMoO4 (MW). la identificación de intermediarios de reacción y corroborar lo anterior. Analizando la figura 4 desde el punto de vista del método de síntesis, en términos generales para los cuatro colorantes analizados, la actividad de PbMoO4 fue en la dirección de MW > Sono > H60 > Copp > SS. La única excepción a esta secuencia fue la degradación de RhB por PbMoO4 (Sono), donde se observó un descenso notable en la actividad fotocatalítica que no pudo ser justificada con la información experimental disponible. Las condiciones experimentales de la síntesis de PbMoO4 por reacción en estado sólido (SS) impiden que la reacción entre reactivos se dé de manera completa, esto debido a que el crecimiento de la capa del producto entre los dos reactivos elimina la Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. interfase reactivo-reactivo obligando a la migración de las especies móviles a recorrer más distancias a través de la estructura cristalina del producto a medida que transcurre el tiempo de reacción. Lo anterior da como resultado un material de naturaleza heterogénea, aunque es importante señalar que por difracción de rayos-X no fue observada la presencia de impurezas (al nivel de resolución de la técnica). Adicionalmente, la alta temperatura empleada durante la síntesis de PbMoO4 produce partículas de tamaño del orden de los 10-50 μm (análisis SEM) lo que conlleva a obtener un material con área superficial muy baja. Por último, el tamaño grande de partícula obtenido para PbMoO4 (SS) dificulta conseguir una buena dispersión en la solución del colorante lo que sin duda afecta el área del fotocatalizador expuesta a la radiación. Por su parte, el método de co-precipitación es susceptible a la obtención de materiales heterogéneos dada la dificultad de la precipitación estequiométrica de las especies participantes al 100%. Esta condición puede afectar ligeramente la estequiometría del óxido y ser la causa de una menor actividad fotocatalítica. Las muestras de PbMoO4 con mayor actividad fotocatalítica (MW>Sono>H60) tienen la característica en común de haber sido preparadas en un medio líquido de reacción, situación que favorece reacciones completas y la obtención de materiales más homogéneos. De las tres muestras mencionadas, H60 fue obtenida sin un tratamiento térmico posterior a la reacción hidrotermal llevada a cabo a 60ºC. Lo anterior conduce a la obtención de un material con baja cristalinidad debido a la temperatura empleada durante su síntesis. La baja cristalinidad puede ser un factor negativo en el proceso fotocatalítco debido a que los defectos en el material pueden actuar como centros de recombinación de cargas. La formación de PbMoO4 (MW) y PbMoO4 (Sono) fue llevada a cabo a temperaturas de reacción locales difíciles de determinar por técnicas convencionales. No obstante, en ambos casos, por la naturaleza de ambos métodos se estiman temperaturas locales altas por lapsos de tiempo cortos, así como procesos de enfriamiento muy rápidos. Estos factores pueden promover un material con alta cristalinidad, con una baja concentración de defectos que ayude a evitar la indeseable recombinación de cargas durante el proceso fotocatalítico. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Para ambas muestras, MW y Sono, el análisis por SEM reveló la presencia de partículas pequeñas y discretas, poco propensas a la aglomeración, lo que sin duda facilita una mejor dispersión del fotocatalizador en la solución del colorante y una mayor área de exposición a la radiación de la lámpara. En este punto es importante remarcar la diferencia existente entre el área expuesta de un catalizador y la de un fotocatalizador. En el primer caso existe una relación directamente proporcional entre área superficial y concentración de sitios activos en la superficie del catalizador, mientras que para un fotocatalizador es necesario que exista una buena iluminación, en la mayor parte del tiempo, en todos los sitios para hacerlos activos al proceso. La eficiencia en el aprovechamiento de la irradiación que incide sobre las partículas del fotocatalizador depende principalmente de la morfología y el tamaño de las partículas irradiadas, en relación con la longitud de onda y la distancia a la partícula. Estos factores pueden operar para determinar las diferentes actividades fotocatalíticas observadas entre PbMoO 4 (MW) y PbMoO 4 (Sono). Las partículas PbMoO 4 (Sono) son las de menor tamaño con una morfología semiesférica pero presentan a su vez más aglomerados que PbMoO4 (MW). Las partículas de PbMoO4 (MW) son partículas de tamaño intermedio, con una distribución homogénea y morfología ovalada, dichas propiedades físicas podrían estar operando para aumentar la intensidad de la luz dispersa. Así, una mejor dispersión de la radiación por parte de las partículas de PbMoO4 (MW) produce una mayor iluminación en promedio de las partículas del óxido, situación que podría permitir la optimización de la radiación incidente para el proceso fotocatalítico para esta muestra. Se realizaron experimentos consecutivos de degradación de IC utilizando de manera representativa al fotocatalizador PbMoO4 (H60), con la finalidad de determinar la estabilidad del fotocatalizador ante sucesivos ciclos de uso. La figura 6 muestra la estabilidad de PbMoO 4 (H60) para 4 usos consecutivos del fotocatalizador en la degradación de IC, como se desprende del perfil de las curvas y del hecho que se mantuvo la eficiencia del mismo 23 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. para alcanzar un t1/2 de 16 min. Posteriormente se analizó el fotocatalizador por difracción de rayos-X antes y después de su uso durante cuatro ciclos, como es mostrado en la figura 6b y 6c, confirmándose nuevamente la estabilidad de PbMoO4. Finalmente, se determinó la lixiviación de iones de Pb del catalizador PbMoO4 durante la reacción fotocatalítica mediante la espectroscopía de absorción atómica. El análisis de la solución acuosa separada del fotocatalizador mediante centrifugación reveló que la concentración de iones de Pb es menor a 0.10 mg.L-1 (límite de detección del equipo) después de 4 horas de irradiación, lo cual satisface el estándar de descarga industrial de aguas residuales TCVN 5945. La decoloración total de la solución del colorante orgánico no indica su descomposición a intermediarios no tóxicos, menos aún su mineralización total. Como es bien sabido, la decoloración indica la destrucción de los grupos cromóforos, que son la parte de la molécula capaz de absorber luz visible para emitir diversos colores pero no da indicios del grado de conversión de la molécula compleja del colorante Fig. 6. Pruebas de estabilidad en la degradación fotocatalítica del índigo carmín utilizando como fotocatalizador PbMoO4 (H60). 24 a CO2, H2O y otras especies iónicas solubles. Para este propósito se realizó un análisis de carbón orgánico total (TOC) a muestras de colorante expuestas a diferentes tiempos de irradiación UV en presencia de PbMoO4, véase la figura 7. Como una tendencia natural del sistema, la degradación de RhB por los cuatro fotocatalizadores exhibió un alto grado de mineralización durante las primeras 24 h de irradiación de la dispersión con luz UV, para posteriormente estabilizar el TOC durante las siguientes 72 h. Este fenómeno puede ser explicado por la formación de intermediarios en las reacciones iniciales que producen la decoloración de la solución, pero cuya naturaleza recalcitrante frena el proceso de mineralización. En los colorantes IC y OG se observó un comportamiento similar al detallado para el caso de RhB, donde la mayor mineralización se alcanzó durante las primeras 24 h de irradiación UV, hasta obtener subproductos recalcitrantes los cuales frenaron la mineralización en etapas intermedias de la mineralización del colorante. Cabe mencionar que para las muestras PbMoO4 (Copp) y PbMoO4 (Sono) la mineralización de OG no fue detenida del todo a las 24 horas de irradiación UV observándose un ligero descenso en la concentración para tiempos posteriores. Los resultados obtenidos para la mineralización de MO merecen mención aparte, y fueron caracterizados por dos comportamientos bien definidos. En un tipo de comportamiento, la mineralización del colorante se hizo de manera gradual y con un pequeño grado de conversión a lo largo de las 96 h del experimento cuando se utilizaron como fotocatalizadores PbMoO4 (Copp) y PbMoO4 (Sono). Lo anterior indica el grado recalcitrante del colorante, así como de los intermediarios primarios formados, situación que está acorde con lo observado durante los experimentos de decoloración de MO. En un segundo tipo de comportamiento, observado en PbMoO4 (H60) y PbMoO4 (MW), la mineralización se conduce de manera lenta y similar a la observada para el otro par de fotocatalizadores, pero variando abruptamente después de 72 h. Esto no sólo indica un mayor grado de conversión de MO para PbMoO4 (H60) y PbMoO4 (MW), sino una mayor velocidad de reacción. Lo anterior puede prever un comportamiento similar para PbMoO4 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. (Copp) y PbMoO4 (Sono) para más allá de las 96 h de irradiación UV. No obstante, el descenso abrupto a las 72 h en la mineralización de MO por PbMoO4 (H60) y PbMoO4 (MW) se ve nuevamente frenado para tiempos más largos debido a la oxidación a compuestos más estables. Fig. 7. Contenido en carbón orgánico total (TOC) de los contaminantes orgánicos utilizando PbMoO4 como fotocatalizador obtenido mediante coprecipitación (a), hidrotermal (b), sonoquímica (c) y radiación de microondas (d). Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 CONCLUSIONES En el presente trabajo de investigación se propone al óxido semiconductor PbMoO4 como potencial fotocatalizador en la reacción de fotodegradación de colorantes orgánicos en medio acuoso bajo radiación UV. Partiendo de la hipótesis de que la modificación de las propiedades fisicoquímicas del óxido puede potenciar su capacidad como fotocatalizador, se han propuesto 5 métodos de síntesis para revisar esta posibilidad. Los resultados mostraron una notable diferencia en la actividad de PbMoO4 en función del método de síntesis, observándose que la actividad fotocatalítica sigue la dirección MW > Sono > H60 > Copp > SS. La naturaleza de los métodos de síntesis, y por ende el tipo de material que produjeron (homogeneidad del material, tamaño de partícula, área superficial, morfología) son los factores que determinaron este orden de actividad fotocatalítca. Los mejores resultados mostraron la capacidad de la muestra MW para reducir el tiempo de vida media de los colorantes rodamina B, índigo carmín y naranja G de 100, 87 y 223 min hasta sólo 7 min en los tres casos. Por un lado, esto muestra la versatilidad de PbMoO4 para actuar efectivamente ante diferentes familias de compuestos orgánicos; y por otro lado, la efectividad del fotocatalizador al reducir el t1/2 a valores más que competitivos para pensar en una potencial aplicación tecnológica. Independientemente del método de síntesis, la actividad fotocatalítica de PbMoO 4 para la degradación de los colorantes fue en la dirección IC > RhB > OG > MO. La dificultad para degradar OG y MO se puede asociar con la presencia de grupos funcionales azo (-N=N-) en sus respectivas estructuras moleculares y con la formación de compuestos intermediarios estables en el curso de la reacción. El grado de mineralización alcanzado para los cuatro colorantes estudiados, así como la estabilidad 25 �Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación... / Diana Berenice Hernández Urésti, et al. del fotocatalizador ante sucesivos ciclos de uso y su insolubilidad en el medio de reacción son factores que justifican su potencial aplicación en procesos de purificación de agua. A la luz de los resultados obtenidos, como trabajo futuro se vislumbra buscar las condiciones experimentales para preparar PbMoO4 en forma de película delgada y evaluar su actividad ante un mayor espectro de especies orgánicas contaminantes (fármacos, insecticidas y plaguicidas) en aras de encaminar la posible aplicación comercial del semiconductor. REFERENCIAS 1. R. Jain, M. Mathur, S. Sikarwar, A. Mittal, Removal of the hazardous dye rhodamine B through photocatalytic and adsorption treatments, J. Environmental Management 85 (2007) 956. 2. Z. G. Zou, J. H. Ye, K. Sayama, H. 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PALABRAS CLAVE Cemento Portland, fibra de fique, resistencia a compresión, resistencia a flexión. ABSTRACT The use of natural fibers in concrete reinforcement is rare even more than fiber-reinforced concrete with sisal fiber. The aim of this work is find alternative materials that mitigate the environmental impact by using a byproduct of the fique industry called residue or tow; to analyze the effect produced by the addition of sisal fiber to compressive and bend strength of concrete; and give an application according to the results obtained from the tests. KEYWORDS Portland cement, sisal fiber, compressive strength, flexural strength. INTRODUCCIÓN Hoy en día se ha desarrollado aún más la posibilidad de obtener nuevas alternativas pensando en lo ambiental y en lo natural incentivando el desarrollo social y económico reduciendo costos en los procesos para así garantizar sostenibilidad a las generaciones futuras. Uno de los elementos que perdura en el tiempo y no permite cambios drásticos en sus cuatro componentes principales, agregado fino (arena), agregado grueso (piedras gradadas), agua y material aglutinante (cemento Portland) conformando el material estructural más extraordinario y utilizado en el mundo de la construcción, el concreto u hormigón, con una serie de propiedades mecánicas como lo es su alta resistencia a la compresión, dureza, manejabilidad a la aplicación, y no tan buen comportamiento Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 27 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis a la flexión, por poseer limitaciones como una alta fragilidad, baja capacidad de deformación o arqueamiento antes de las fisuras y rompimiento en las vigas. Una opción adoptable para superar estas restricciones es la implementación, introducción y preparación de fibras al concreto: fibras sintéticas, fibras de asbesto, fibras de vidrio y las fibras de acero en la construcción civil con el propósito de disminuir la fragilidad que singulariza a este material y exponiendo una resistencia secundaria seguida a las fisuras por medio de la unión de las fibras con la matriz del concreto. Cada vez toma más fuerza la idea de utilizar concretos reforzados con fibras ya sean metálicas, sintéticas o naturales, como la del caso de la fibra de fique usándose como insumo para la elaboración del concreto y morteros. En Colombia, por ser un país productor e impulsor del sector fiquero, se toma la decisión de hallarle mayor utilidad a este material en la industria de la construcción, puntualmente en la fabricación del concreto en diferentes estructuras y procesos constructivos; aprovechando la producción de la fibra sostenible y amigable con el medio ambiente por tratarse de cultivo e industrialización de bajo impacto ambiental, además de fomentar el crecimiento del campesinado colombiano, contribuyendo al desarrollo económico y social de los dos sectores involucrados. La utilización de fibras en la construcción no es nueva, pues nuestros antepasados usaban paja y pasto en el barro para mayor adherencia ya fuera en los muros o en mismo bloque de arcilla, en este caso se analiza y evalúa el comportamiento del concreto con la adición de la fibra de fique, para saber si aporta favorablemente a las propiedades de compresión y flexión del concreto, la adición de fibra de fique y en efecto encontrar un uso específico de acuerdo a los resultados obtenidos, teniendo en cuenta las características de los concretos: economía, resistencia, durabilidad y fácil aplicación. MATERIALES Y MÉTODOS Localización El trabajo de investigación se realizó en los laboratorios de la Universidad Piloto de Colombia – Seccional Alto Magdalena, a una temperatura aproximada de 33 ºC. 28 Materiales El fique es una planta nativa de la América tropical, especialmente de la región andina de Colombia y Venezuela, luego se fue expandiendo hacia las Antillas y hacia la costa oriental del Brasil. Esta planta pertenece al género Furcraea de donde comprenden cerca de 20 especies diferentes de donde se extrae de sus hojas fibra textil conocida popularmente como fique. Biológicamente es distinta del género Agave con la que suele confundirse frecuentemente.1 El Fique (Fourcroiaspp.), es una planta grande, de tallo erguido, su altura varía entre 2 y 7 m, densamente poblado de hojas de color verde, en forma radial, largas (1 a 3 m), angostas (10 y 20 cm), carnosas, puntiagudas, acanaladas, y dentado espinosas, en algunas variedades, presentando líneas o estrías tenues de unos 3 mm de largo (figura 1); Fig. 1. Planta de Fique. www.veoverde.com/2009/07/fibra-de-fique/ las plantas jóvenes consisten en un rosetón de hojas gruesas, carnosas de color verde azuloso, a medida que la planta crece, se desarrolla en la base un tronco corto que lleva de 75 a 100 hojas cuya longitud varía de 150 a 200 cm y su anchura de 15 a 20 cm en la parte más ancha cerca de la mitad, angostándose a 10 cm cerca de la base, la cual tiene un espesor de 6 a 8 cm. Su flor es de color blanco verdoso, llamada maguey o escapo, sólo florece una vez en su ciclo de vida y luego le sobreviene la muerte (magueciada). Las semillas germinan en la misma planta y sus propáguelos (bulbillos) caen ya formados al suelo por lo que se considera al fique una planta vivípara. 2 Pueden encontrarse plantas con más de 50 años de edad, pero su período típico de vida varía entre 10 y 20 años. Poseen gran cantidad de raíces que se Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis expanden y enraízan profundamente haciéndola una planta anti-erosiva. Su vida útil (producción de fibra, jugos, etc.) comienza entre los 3 y 6 años, dependiendo de las condiciones que enfrente.3 La fibra extraída apenas constituye un 4% máximo del peso total de la hoja. Esta fibra muestra propiedades mecánicas dadas en la tabla I,1 también constituye la estructura principal de las paredes celulares del tejido vegetal y está compuesta por celulosa, y algunas impurezas como ligninas y pigmentos (tabla II).1 Cada filamento está constituido por fibrillas elementales soldadas entre sí por una goma (lignina). Los extremos de las fibrillas se sobreponen para formar filamentos multicelulares a lo largo de la hoja y son éstos los que conforman la fibra de fique. Tabla I. Propiedades mecánicas de la fibra de fique. Propiedades Promedio Mínimo Máximo Resistencia a la tensión (MPa) 305.15 200.00 625.20 Módulo de elasticidad (Gpa) 7.52 5.50 25.50 Porcentaje de elongación a la fractura (%) 4.96 3.20 5.70 Tabla II. Composición química de la fibra de fique. Cenizas 2.60% Fibras 1.58% Pentosas 17.65% Lignina 12.00% Celulosa 62.70% La fibra de fique utilizada en la investigación fue adquirida en Rionegro (Antioquia), se cortó en fracciones de 6 cm (figura 2) tomando la recomendaciones del subgrupo de fibras de la Secretaria Técnica del Comité de Concreto del Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC). Con base en la experiencia internacional se categoriza el fique como macrofibra y se recomiendan longitudes variables entre 13 mm y 70 mm y proporciones comprendidas entre 9 y 18 kg/m3, se decide utilizar cuatro porcentajes de adición de fibra de fique, 0.5%, 1.0%, 1.5% y 2.0% del peso del agregado fino, encontrándose dentro de este rango. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Fig. 2. Tamaño de la fibra de fique. El concreto se hizo a partir de mezclas especificadas para 14 MPa (2000 psi), 17.5 MPa (2500 psi), 21 MPa (3000 psi), 24.5 MPa (3500 psi) y 28 MPa (4000 psi). Los agregados utilizados en las distintas mezclas fueron adquiridos en la trituradora “Agregados Nacionales”, ubicada en el municipio del Guamo, Departamento del Tolima. Este material es extraído del río Saldaña y llevado a la planta, que es la encargada de efectuar su trituración. Teniendo los materiales listos para ser mezclados en una pasta homogénea, son vertidos a una mezcladora con capacidad para ½ bulto o 25 Kg de cemento (figura 3). Fig. 3. Mezcla del concreto y adición de fibra de fique. 29 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Una vez obtenida la mezcla y antes de ser vaciada en los cilindros se realiza la prueba del slump o asentamiento el cual se le hace a las mezclas que no contienen fibra de fique, el asentamiento resultante es de 7,5 cm. (figura 4). moldes de cilindros y vigas (figura 5), para realizar ensayos a compresión y a flexión, para así determinar la resistencia del concreto convencional y del concreto con adición de fibra de fique. Fig. 5. Concreto vaciado en moldes de cilindros y vigas La mezcla se vacía en moldes y se deja fraguar, los ensayos de resistencia a compresión se realizaron a 6 cilindros por cada diseño, 2 a los 7 días, 2 a los 21 días y 2 a los 28 días, por otra parte para los ensayos a flexión se realizaron 2 vigas por cada diseño a los 28 días. Los resultados obtenidos de los ensayos se promediaron para así determinar el resultado final. Culminadas las pruebas, se organizó la información obtenida para efectuar el análisis de los resultados y así concluir si en realidad la adición de fibra de fique mejora o no la resistencia y las propiedades mecánicas del concreto hidráulico. Etapa III. Después de los análisis de resultados y de la información se determinó un porcentaje óptimo con el cual se tomaron nuevas pruebas de resistencia a compresión y flexión a un solo diseño de mezcla para evaluar las propiedades mecánicas del concreto hidráulico con la nueva adición del porcentaje de fibra de fique. DISEÑO METODOLÓGICO Etapa I. Consiste en la recolección de información como antecedentes, teoría y proyectos relacionados con esta investigación. Luego se dispuso a buscar la obtención de los materiales para la elaboración de la mezcla, determinando el asentamiento, tamaño máximo y nominal del agregado, contenido de agua, cemento y los agregados de gruesos y finos, 4 para proseguir con la dosificación de fibra de fique a emplear y fabricar las muestras en forma de cilindros para la compresión y en forma de vigas para la flexión. Etapa II. En esta etapa se realizaron las pruebas de laboratorio donde se vació concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique en diferentes porcentajes, reemplazando el agregado fino, en ANÁLISIS DE RESULTADOS Resistencia a la compresión En el laboratorio de estructuras de la Universidad Piloto de Colombia seccional Alto Magdalena se realizaron los ensayos a compresión y flexión de los modelos de concreto fabricados con y sin adición de fibra de fique. Las medidas de los cilindros es de 0.30 m de alto x 0.15 m de diámetro (figura 6). La resistencia que presentan las muestras de concreto con adición de fibra de fique para 14 MPa (2000 psi) tabla III, alcanzan su mayor valor en el fique al 1.0% en los períodos de 7, 21 y 28 días con respecto a los demás porcentajes de fique. El dato más alto se da en el período de los 28 días con 8.08 MPa (1154 psi) que corresponde a un 58%, con un 48% por debajo de diseño de mezcla y a un Fig. 4. Ensayo del slump o asentamiento. 30 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Fig. 6. Preparación de cilindros para ensayo a compresión. Tabla III. Resultados de los ensayos a compresión del concreto 14 MPa (2000 psi). Edad de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 1061 7.42 53% Fique al 0.5% 366 2.56 18% Fique al 1.0% 856 6 43% Fique al 1.5% 143 1 7% Fique al 2.0% 121 0.847 6% Concreto convencional 1609 11.3 80% Fique al 0.5% 533 3.73 27% Fique al 1.0% 1030 7.21 51% Fique al 1.5% 189 1.32 9% Fique al 2.0% 250 1.75 12% Concreto convencional 2043 14.30 102% Fique al 0.5% 555 3.89 28% Fique al 1.0% 1154 8.08 58% Fique al 1.5% 205 1.44 10% Fique al 2.0% 260 1.82 13% 50% por debajo de la resistencia que presentó el concreto convencional a un total de 102%. Se destaca que los cilindros fallan en su mayoría en una forma diferente a la fractura presentada por los cilindros de concreto convencional, debido a que el fique se adhiere a la matriz haciendo que no sea explosiva su Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 deformación, al contrario de la falla de los cilindros de concreto convencional pues estos estallan y fallaron en un ángulo de 45° (figura 7). En segundo lugar, la muestra con adición de fique con mejor comportamiento a la compresión es el que tiene porcentaje del 0.5% alcanzando a los 28 días unos 3.89 MPa (555 psi) que corresponde a un 28% del diseño de mezcla. La adherencia de la fibra de fique ayuda a que la deformación de la muestra sea lenta y progresiva, con deformación en grietas verticales en los extremos del cilindro. Los especímenes con aditivo del 1.5% de fibra de fique con un alcance del 10% que corresponde a 1.75 MPa (250 psi) y 2.0% de fibra de fique con un alcance del 13% que corresponde a 1.82 MPa (260 psi) de fibra de fique presentaron las resistencias más bajas. Las deformaciones suceden en forma de esponja y no hay desprendimiento de matriz, pues la fibra impide que ocurra. En el caso del diseño de 17.5 MPa (2500 psi), tabla IV, el porcentaje de fibra de fique, que más se acerca al diseño es el de 0.5% dominando los tres períodos de 7, 21 y 28 días, con un 76% de resistencia que corresponde a 13.37 MPa (1910 psi) en el último período, con un 24% por debajo del diseño de mezcla y a un 51% por debajo de la resistencia de los especímenes de control alcanzando un valor de 22.16 MPa (3166 psi) equivalente al 127%. La falla de estos cilindros se presenta de forma similar a los especímenes de control en ángulo de 45°, sin presentar estallido repentino como lo es el caso de los especímenes de concreto convencional. 31 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Fig. 7. Rotura a compresión de concreto sin adición de fibra de fique (izquierda) y con adición de fibra de fique (derecha). Tabla IV. Resultados de los ensayo a compresión concreto 17.5 MPa (2500 psi). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 2117 14.82 85% Fique al 0.5% 1369 9.6 55% Fique al 1.0% 800 5.6 32% Fique al 1.5% 758 5.31 30% Fique al 2.0% 92 0.64 4% Concreto convencional 2800 19.6 112% Fique al 0.5% 1692 11.84 68% Fique al 1.0% 964 6.75 39% Fique al 1.5% 761 5.33 30% Fique al 2.0% 106 0.74 4% Concreto convencional 3166 22.16 127% Fique al 0.5% 1910 13.37 76% Fique al 1.0% 1085 7.60 43% Fique al 1.5% 1531 10.42 61% Fique al 2.0% 89 0.62 4% Le sigue en resistencia el porcentaje del 1.5% con un 61% que equivale a 10.72 MPa (1531 psi) a los 28 días, pero estando por debajo en los períodos de 7 días y 21 días de la adición del 1.0%. La 32 deformación en el momento de la falla se presenta en forma de grietas en los extremos del cilindro, pues la fibra ayuda a que la matriz se deforme lenta y progresivamente. Le prosigue la resistencia de la adición de fibra de fique del 1.0% con un 43% que corresponde a 7.6 MPa (1085 psi.) El fallo ocurrió en forma diferente que la que se acostumbra observar con una adherencia considerable de la fibra de fique a la matriz del concreto. De último se encuentra la resistencia presentada por el porcentaje más alto de 2.0% que muestra un 4% en los tres períodos sin variación significativa en resistencia. En cuanto al fallo en la prensa hidráulica se da en forma de grietas tomando consistencia de esponja. En el caso de 21 MPa (tabla V) la resistencia que se acerca al diseño es la adición del 0.5% con un 67% que corresponde a 13.97 MPa (1995 psi), por debajo de un 33% del diseño de mezcla y por debajo de la resistencia presentada por los cilindros de control a un 55% que le correlaciona a unos 25.70 MPa (3671 psi). La falla en la prensa ocurre en ángulo de 45° muy similar a la falla en los cilindros de control, con una adherencia apenas perceptible por la fibra de fique a la matriz del concreto. Le sigue el porcentaje de adición de 1.0% con un 39% que equivale a 8.14 MPa (1163) psi de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Tabla V. Resultados de los ensayos a compresión concreto 21 MPa (3000 psi). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado Tabla VI. Resultados de los ensayos a compresión concreto 24.5 MPa (3500 psi). Tiempo de curado Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 2704 18.93 77% Fique al 0.5% 1083 7.6 31% Fique al 1.0% 193 1.35 6% 6% Fique al 1.5% 257 1.8 7% 4% Fique al 2.0% 250 1.75 7% 83% Concreto convencional 3446 24.12 98% Fique al 0.5% 1428 10 41% Fique al 1.0% 226 1.58 6% (PSI) MPa Concreto convencional 2490 17,43 Fique al 0.5% 1642 11,49 55% Fique al 1.0% 938 6,57 31% Fique al 1.5% 168 1,18 Fique al 2.0% 108 0,76 83% 7 Días Concreto convencional 2484 17,39 Fique al 0.5% 1995 13,97 66% Fique al 1.0% 1045 7,32 35% Fique al 1.5% 158 1,11 5% Fique al 1.5% 402 2.81 11% Fique al 2.0% 105 0,74 3% Fique al 2.0% 242 1.69 7% Concreto convencional 3671 25,70 122% Concreto convencional 3643 25.50 104% Fique al 0.5% 1995 13,97 67% Fique al 0.5% 1425 10 41% Fique al 1.0% 1163 8,14 39% Fique al 1.0% 210 1.47 6% Fique al 1.5% 187 1,31 6% Fique al 1.5% 454 3.18 13% Fique al 2.0% 117 0,82 4% Fique al 2.0% 282 2 8% resistencia a los 28 días, con un 61% debajo del diseño de mezcla y debajo de la resistencia de los especímenes de control a un 83%. Presentó la falla en forma diferente en sus extremos a la que por lo regular se observa en el concreto convencional, con una adherencia de la fibra de fique evidente, pues no deja que la matriz del concreto estalle como el concreto convencional. La adición de 1.5% y 2.0% genera resistencias muy bajas en los tres períodos. La cantidad de fibra de fique es suficiente para que falle en forma de esponja generando una resistencia irrisoria, la adherencia de la fibra la matriz del concreto, es alta ya que no deja que se desprenda del conjunto. La resistencia a compresión para el diseño de 24.5 MPa (3500 psi), tabla VI, que más se acerca es la de adición de fibra de fique de 0.5% con un 41% que corresponde a 10 MPa (1428 psi), situándose por debajo del diseño de mezcla a in 59% y debajo a un 63% de la resistencia presentada por los cilindros de control a un 104% que le corresponde a 25.5 MPa (3643 psi). La falla se da en forma de 45° en el Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 21 Días 28 Días tercio medio del espécimen con una adherencia de la fibra apenas apreciable para que la falla no estalle abruptamente. Para las adiciones restantes de un 1.0%, 1.5% y 2.0% las resistencias obtenidas en la prensa hidráulica son similares e irrisorias apenas superando el de 2.0% al de 1.5% en 5 puntos porcentuales y superando a de 1.0% en 7 puntos porcentuales. Las fallas se presentan de forma semejante con grietas en los extremos y adherencia de la fibra a la matriz del concreto haciendo que se torne esponjoso. En el diseño de mezcla para 28 MPa (4000 psi), tabla VII, es donde se alcanza mayor dato que le corresponde al porcentaje de 0.5% de adición de fique para un 77% con 21.46 MPa (3065 psi) de resistencia a los 28 días, poniéndose a un 23% del diseño de mezcla y a un 33% de la resistencia de las muestras de control que alcanzaron unos 110% con 30.93 MPa (4419 psi). Su comportamiento en la falla se da en forma de 45° con adherencia de fibra de fique en la matriz que permite que el concreto no estalle abruptamente. 33 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Tabla VII. Resultados de los ensayo a compresión concreto 28 MPa (4000 psi). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 3060 21.42 76% Fique al 0.5% 2384 16.7 60% Fique al 1.0% 739 5.17 18% Fique al 1.5% 1061 7.43 27% Fique al 2.0% 228 1.60 6% Concreto convencional 4038 28.27 101% Fique al 0.5% 2900 20.3 72% Fique al 1.0% 115 0.81 29% Fique al 1.5% 502 3.51 13% Fique al 2.0% 465 3.26 12% Concreto convencional 4419 30.93 30,93 Fique al 0.5% 3065 21.46 77% Fique al 1.0% 1152 8.06 29% Fique al 1.5% 1219 8.53 30% Fique al 2.0% 542 3.79 14% Las muestras con aditivo al 1.0%, 1.5% y 2.0% no superan el 30% de resistencia comparados con el diseño de mezcla y teniendo cambios muy pequeños en los tres períodos evaluados, siendo el de 2.0% la resistencia más baja. Se presenta la falla en forma distinta como ha sucedido en casos anteriores para los porcentajes del 10% y 1.5% y de grietas en los extremos para el de 2.0% en forma de esponja, la adherencia es similar para las muestras mencionadas, pues la fibra no deja que la matriz del concreto se separe después de fallar. Después de observar el comportamiento de las pruebas y determinar que las muestras que más se acercan al diseño de 28 MPa (4000 psi) son los de menor porcentaje de adición de fique. Se tomó la decisión de hacer un nuevo ensayo, consistente en adicionar un 0.3% de fibra de fique a la pasta de concreto, arrojando pruebas muy satisfactorias, incluso superando el diseño de mezcla, pero por debajo de la resistencia de las muestras de control con excepción del período de los 7 días en donde 34 superó en 23.96 MPa (3423 psi) con un 10% más que la arrojada por el espécimen de control a ese período. Demostrando que en este caso, estos porcentajes de adición de fique, el concreto da una resistencia inicial excelente. A los 21 días alcanzó un 95% con 26.65 MPa (3807 psi) apenas con un 6% por debajo del concreto de control que presento 101% con 28.27 (4038 psi) y a los 28 días la resistencia llegó a 104% superando el diseño y apenas con un 6% por debajo de la resistencia mostrada por los cilindros de control. La falla es similar a los cilindros de control en forma de 45° y grietas verticales en el tercio medio, observándose adherencia de la fibra de fique con la matriz haciendo que el concreto no estalle de forma abrupta como es el caso de los cilindros con concreto convencional. RESISTENCIA A LA FLEXIÓN Se realizaron los ensayos de resistencia a la flexión de las muestras tomadas del concreto con y sin adición de fibra de fique. Las dimensiones de las vigas son 0.15 m x 0.15 m x 0.53 m (figura 8). Fig. 8. Rotura a flexión de concreto con adición de fibra de fique. Los datos arrojados por las pruebas en laboratorio para la flexión (tablas VIII a X), se destacan por mantenerse por debajo del 17% 2.36 MPa (11.6 Módulo de Rotura, M.R.) en los cinco diseños de mezcla, mientras que las muestras de concreto convencional superan el diseño de mezcla con un buen margen. Las vigas que alcanzaron la más alta resistencia son la de diseño de 14 MPa con un 17% 2.36 MPa (11.6 M.R), seguida por la viga de diseño de 28 MPa con un 16% (4.5 MPa) (16 M.R), siguiendo el diseño de17.5 MPa con 16% (2.9 MPa) (12.8 M.R) le sigue el diseño de 21 MPa Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Tabla VIII. Concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique 28 MPa (4000 PSI). Tiempo de curado 7 Días 21 Días 28 Días Resistencia Diseño %Alcanzado (PSI) MPa Concreto convencional 3060 21.42 76% Fique al 0.3% 3423 23.96 86% Concreto convencional 4038 28.27 101% Fique al 0.3% 3807 26.65 95% 28 Días 4419 30.93 110% Fique al 0.3% 4152 29.06 104% Tabla IX. Concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique (14 MPa (2000 psi), 17.5 MPa (2500 psi), 21 MPa (3000 psi), 24.5 MPa (3500 psi) y 28 MPa (4000 psi). Tiempo de curado Resistencia Diseño % F‘c MPa Alcanzado (psi) Concreto 14 MPa 29.1 2113 14,8 106% psi fique al 1.5% 11.6 2,36 17% 32.4 2625 18,4 105% fique al 1.5% 12.8 2,9 16% Concreto 21 MPa 38 3611 25,3 120% fique al 1.5% 9.3 215 Concreto 17.5 MPa 28 Días M.R. Concreto 24.5 MPa 337 410 1,51 41.5 4300 30.1 fique al 1.5% 8.3 Concreto 28 MPa 44.1 4871 34.1 fique al 1.5% 16 174 7% 123% 1,22 640 4,5 5% 122% 16% Tabla X. Concreto convencional y concreto con adición de fibra de fique 48 MPa (4000 psi). Tiempo de curado 28 Días Resistencia Diseño M.R. %Alcanzado F‘c MPa (psi) Concreto 28 44.1 4871 34.1 MPa 122% fique al 0.3% 110% 42 4412 31 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 con un 7% (1.51 MPa) (9.3 M.R) y en último lugar, la resistencia presentada por el diseño de 24.5 MPa con un 5% (1.22 MPa) (8.3 M.R). Las muestras en su totalidad fallaron en el tercio medio como las vigas de concreto convencional, la adherencia de la fibra de fique a la matriz de concreto es mínima ya que al fallar se desprende con facilidad quedando expuesta en forma de pelos en toda la sección transversal exhibida por la ruptura. De la misma manera que en las muestras para los ensayos a compresión, las vigas para la flexión de diseño de mezcla a 28 MPa, son los que poseen mejor comportamiento mecánico, en este caso alcanza un 17% (2.36 MPa) (11.6 M.R). Se tomó la decisión de hacer un nuevo ensayo con el mismo diseño a 28 MPa con modificación en la adición de fibra de fique en un porcentaje total de un 0.3% al igual que el ensayo a compresión, en donde presenta un excelente comportamiento, pues las vigas superan a los 28 días en un amplio margen al diseño, llegando a un 110% (31 MPa) (42 M.R), pero estando aún por debajo de la resistencia presentada por los especímenes control que alcanzó 122% para (34.1 MPa) (44.1 MR). La falla ocurre al igual que en las vigas de control en el tercio medio, la adherencia de la fibra de fique a la matriz del concreto es buena pero la fibra no es suficientemente fuerte para mitigar la fractura principal, sin embargo es suficiente para controlar que en la fractura no ocurra desprendimiento de la matriz del concreto. CONCLUSIONES Resistencia a compresión Se determinó mediante las pruebas realizadas en la investigación que un porcentaje óptimo para la adición de fibra de fique al concreto es de un valor cercano a 3.3 Kg/m3 de concreto o 0.3% de peso con respecto al agregado fino. Los contenidos de fibra de fique adicionados al concreto no causan ni producen mayor resistencia a la compresión en ninguna de las probetas, al contrario la resistencia presentada estuvo por debajo de la de los cilindros de concreto convencional, a excepción de los datos arrojados para el diseño de 28 MPa que con una adición de 0.3% de fibra de fique se obtuvo una resistencia de 29.06 MPa. 35 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis Se evidenció que en el ensayo de falla en los cilindros con porcentajes de fibra de 1.5% y 2.0% no hubo rotura sino esponjamiento, mientras que en los de 0.3%, 0.5% y 1.0% si se produjo la rotura. Al incrementar porcentajes de fibra por encima de 0.5% se presentaron disminuciones considerables en la resistencia a la compresión y en su densidad haciéndolo más liviano y más susceptible a la falla. Ejemplo: para el diseño de 28 MPa con adición de 2.0%, la resistencia fue de 3.79 MPa con una densidad de 1755.66 Kg/m3 y para el porcentaje de 1.5% la resistencia fue de 8.53 MPa y su densidad fue de 1967.64 Kg/m3. Concluyéndose que entre más cantidad de fibra de fique se adicione a la mezcla menor será su resistencia. En algunas ocasiones el concreto con fibra de fique después de la falla, el cilindro continúa soportando la presión, deformándose lentamente hasta su aplastamiento sin desprendimiento de la matriz, dándole como una característica de flexibilidad pero controlando su fisuración. Este fenómeno se hace más evidente en las probetas con 2.0% y 1.5%, donde no se superó el 15% y el 61% respectivamente de la resistencia de diseño. La adición de fibra de fique al concreto por encima de 1.0% que equivale a unos 11 Kg/m3 de concreto, no tiene buena manejabilidad, haciendo que su aplicación en los moldes y en la obra sea tediosa. Lo anterior ocasionado por la gran cantidad de aire generado en la mezcla, lo que reduce la densidad del concreto. Resistencia a flexión Los contenidos de fibra de fique adicionados al concreto no causaron aumento en la resistencia a la flexión. La adición de 1.5%, redujo considerablemente el Módulo de Rotura. Para el caso de 14 MPa con un módulo de rotura de 29.1 Kg/cm2 el módulo de rotura con 1.5% de adición de fibra fue de 11.6 Kg/cm2. Sin embargo, con la adición de fibra de fique de 0.3%, la resistencia a la flexión alcanzo un valor para 28 MPa de diseño de 31 MPa correspondiente a 42 kg/cm2. Las fibras de fique le dan al concreto capacidad de cohesión, observándose que aun fracturada la viga, la fibra de fique sigue adherida a la matriz del concreto hasta que se separan los dos fragmentos de la viga por la acción de la presión. 36 Los concretos diseñados por esfuerzos a la flexión como sucede en la pavimentación de calles y vías, por recomendación de la PCA se encuentran entre 40 y 45 Kg/cm2 según la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO, Asociación Americana de Carreteras Estatales y Transportes Oficiales). El resultado de 42 Kg/cm2 obtenido con una cantidad de cemento de 421 Kg/m3 de concreto con una relación agua cemento de 0.48 deja ver que la adición de 0.3% de fibra de fique, para este caso permite trabajar concretos con módulos de rotura confiables. RECOMENDACIONES Se recomienda trabajar con cantidades iguales o inferiores a 3 Kg de fibra de fique por metro cúbico de concreto. También se aconseja que se trabaje con longitudes de fibra de fique entre 2 a 5 centímetros por su manejabilidad, para no correr el riesgo de que se adhieran las fibras entre sí. Para que la fibra de fique en el concreto funcione adecuadamente debe quedar distribuida homogéneamente. El uso de las fibras en el concreto con un porcentaje menor o igual a 0.3% de peso con respecto al agregado fino o 3.3 Kg/m3 de concreto, pueden sustituir parcialmente o reducir los aceros y mallas metálicas que cumplan la función de evitar fisuras. Se puede aplicar el concreto fibroreforzado en la construcción de losas, dinteles y vigas de mediana longitud no superiores a 3 metros, para controlar su fisuramiento pero sin llegar a prescindir de su refuerzo principal. La fibra de fique afectó la resistencia a la compresión y flexión en adiciones superiores a 0.5% con respecto al agregado fino, pero inferior a esta cantidad muestra un comportamiento aceptable en su resistencia a compresión y flexión, lo cual enseña que la utilización de la fibra natural en las construcciones es viable. REFERENCIAS 1. Pérez, Jorge. El fique, su taxonomía, cultivo y tecnología. Compañía de Empaques, Medellín, Colombia, 1974. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Análisis de la resistencia a compresión y flexión del concreto modificado con fibra de fique / Sandra Pinzón Galvis 2. Mahecha Vega, Gilberto Emilio. Vegetación del territorio CAR: 450 especies de sus llanuras y montañas, Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca, 2004. 3. Guía ambiental para el sub sector fiquero, Ministerio del medio ambiente, Bogotá, Colombia, Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 p. 21, 2002. 4. Sánchez de Guzmán, Diego. Colección básica del concreto 4, Concretos y morteros manejo y colocación en obra, Bogota: Asociación Colombiana de Productores de Concreto, 2001. 37 �Comportamiento físicoquímico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias de coque de petróleo Rodrigo Puente OrnelasA,B, Carlos Javier Lizcano ZulaicaB, Tushar Kanty Das RoyB, Guadalupe Alan Castillo RodríguezB, Bertha Alicia Vázquez MéndezC Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA), FIME-UANL B Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CIDET), FIME-UANL C Centro de Investigación, Innovación y Desarrollo en las Ciencias y Adminisitrativas (CIIDECSA), FACPYA-UANL ropuor@gmail.com A RESUMEN En el presente trabajo se diseñaron y fabricaron hormigones refractarios de Al2O3-MgAl2O4 utilizando como aditivo una fibra de alcohol polivínilo, variando la granulometría y temperatura de sinterización. Se evaluaron algunas propiedades físicas como la resistencia a la compresión, módulo de ruptura en caliente, porosidad, así como la resistencia a la penetración por el coque de petróleo a 1650 y 1820ºC. Los resultados mostraron que la variación en la temperatura de sinterización y en la distribución granulométrica de los hormigones refractarios, promovió cambios significativos en las propiedades mecánicas obtenidas y en los niveles de penetración y corrosión de los refractarios en la interfaz con las cenizas generadas por el coque de petróleo. PALABRAS CLAVE Horno gasificador, coque de petróleo, corrosión, refractarios, propiedades físicas. ABSTRACT Refractory concretes based on Al2O3-MgAl2O4 with fiber of polyvinyl alcohol additive, particle size variation and sintering temperature were designed, manufactured and evaluated. Cold crushing strength, hot modulus of rupture, porosity and slag penetration resistance in contact with petroleum coke at 1650 and 1820 °C were obtained. The results showed that the variation effect on sintering temperature and particle size distribution in refractory concretes promote significant changes in final mechanical properties, slag penetration levels and corrosion in the refractory in contact with the ash generated by the petroleum coke. KEYWORDS Gasifiers furnance, petroleum coke, corrosion, refractories, physical properties. 38 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. INTRODUCCIÓN Las industrias siderúrgicas dependientes del gas natural se han visto afectadas por el constante incremento en el precio de adquisición de este combustible en los últimos años, lo cual ha repercutido significativamente en la rentabilidad de dichas industrias. Por lo tanto, se ha optado por buscar otras fuentes de gases combustibles entre las que destacan la utilización de la biomasa, el carbón y los residuos de coque de petróleo, mediante su proceso de gasificación. El proceso de gasificación llamado “syngas” para la conversión de materiales sólidos o líquidos en gases combustibles como H 2 y CO, es una tecnología que en los últimos años ha cobrado gran fuerza debido a su alta eficiencia, a la diversidad de combustibles que pueden emplearse y a la reducción de emisiones contaminantes al medio ambiente. En el proceso “syngas” intervienen un combustible y un agente gasificante (aire, oxígeno o vapor de agua) que reaccionan a temperaturas entre los 700 y 1600 °C. La energía contenida inicialmente en el combustible se transfiere a los productos primarios del proceso obteniendo la máxima conversión a gases combustibles (H 2, CO, H2S, amoniaco, metano) y algunos productos no deseados como alquitranes, hollín y cenizas.1-7 Para lograr un proceso de gasificación eficiente es indispensable utilizar materiales refractarios de alto desempeño en el revestimiento de los gasificadores puesto que presentan excelentes propiedades tales como altos puntos de fusión, resistencia al choque térmico y alta resistencia en contacto con medios agresivos. Es común que las fallas en los materiales refractarios sean causadas por fenómenos de corrosión/disolución o penetración de la escoria y posterior desprendimiento, éstas no sólo causarían el paro de los gasificadores, sino también de todos los procesos dependientes de éstos.8-14 Cuando se quema carbón/coque de petróleo se produce la precipitación de cenizas (impurezas contenidas en el material de alimentación) que contienen óxidos de Si, Fe, Al y Ca y niveles elevados de óxidos de K, Na, Mg, Ni y V, que varían con el tipo de material sólido utilizado. Estas cenizas impactan de manera drástica en la vida en servicio del material refractario ya que pueden penetrar a través de los poros y bordes de grano de la cara caliente del refractario propiciando Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 una disolución en sus fases y la posterior formación de fases de bajo punto de fusión y ulteriormente un debilitamiento en su microestructura.15 Los materiales refractarios elaborados con mullita, alúmina y aluminato de magnesio (espinela) se han sometido a ensayos de corrosión en gasificadores en los que se han observado interacciones químicas con el H2, H2S, CO y álcalis a temperaturas de 1000ºC por un lapso de 100 horas. Después de los experimentos, estos materiales presentaron degradaciones como corrosión, erosión y choque térmico, así como la presencia de fases de bajo punto de fusión con Na.16 Los refractarios monolíticos de alúmina y de magnesia sometidos a corrosión por escorias (composición nominal: 60-75% Na2CO3, 20-38% Na2SO4, 1-4% Na2S, y 1-4% Na2S2O3), en un rango de temperaturas entre 900-1000 °C, presentaron baja resistencia a la corrosión por estas escorias, en cambio los refractarios de alúmina-magnesia (espinela) mostraron una buena resistencia después de un lapso de 20 horas.17 Existen estudios post-mortem de corrosión18 en materiales de hormigones refractarios de alta alúmina con espinela de alúmina y magnesio tratados en la línea de escorias de cucharas de acería, que incluso determinaron el mecanismo de corrosión imperante durante este proceso utilizando un diagrama de equilibro de fases cuaternario. También se ha analizado el comportamiento a la corrosión de refractarios de alta alúmina adicionando espinela (MgAl2O4)19 frente a escorias de acería con altos índices de basicidad (CaO/Al2O3= 4.14 y 9.02), formulando los materiales en el sistema CaOAl2O3-MgO y utilizando como materia prima de Al2O3 diferentes materiales de partida como alúmina tabular, corindón electrofundido, alúmina calcinada, espinela sintética (MgAl2O4), magnesia calcinada a muerte, dolomita (Mg,Ca(CO3)2 y de cementos de aluminatos cálcicos. Los experimentos en todos los casos se llevaron a cabo utilizando el método del crisol a nivel de laboratorio, los resultados mostraron aumento en la corrosión al aumentar el contenido de MgO, mientras que la corrosión por penetración bajó al adicionar espinela. Por otro lado existen trabajos basados en refractarios de alúmina sinterizada y hexaluminato de calcio,20 estudiados frente a una escoria ferrítica 39 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. de bajo índice de basicidad (CaO/SiO2 = 2.17) y utilizando el método de reacción estática a nivel laboratorio, cuyos resultados mostraron un buen comportamiento de resistencia a la corrosión hasta temperaturas de 1650ºC con exposición de ataque por 3 horas. Se ha reportado21-23 que escorias de cenizas de coque de petróleo han resultado altamente agresivas al contacto con refractarios de espinela y alúmina, tratados a temperaturas menores de 1820 °C. La distribución del tamaño de partícula en los materiales refractarios es un tema de gran interés, desde el uso de tamaños de partícula óptimos hasta los refractarios con empaquetamiento de densidad máxima donde se utilizan aditivos orgánicos e inorgánicos, lo que permitiría optimizar su temperatura de sinterización y a su vez un mejoramiento en sus propiedades finales como resistencia mecánica, densificación y altas resistencias al ataque térmico. En la presente investigación se estudia el comportamiento que exhiben los hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 de bajo contenido en cemento (% de CaO ~ 0.22), ante su variabilidad en la temperatura de sinterizado, tamaño de grano y exposición frente a las cenizas de coque de petróleo. EXPERIMENTACIÓN El procedimiento experimental se realizó en 2 etapas. La primera consistió en evaluar el efecto de la temperatura de sinterizado sobre las propiedades físicas y mecánicas de hormigones refractarios y la segunda en evaluar el efecto de la granulometría en formulaciones de hormigones refractarios sobre los fenómenos de corrosión frente a las cenizas generadas por coque de petróleo. Etapa 1 Durante la etapa 1 se diseñaron y fabricaron piezas de hormigón refractario rectangulares de 13.97x13.97x7.62cm utilizando 2 tipos de materiales. El material 1 estaba constituido por granos de alúmina electrofundida, magnesia y aluminato de magnesio que en conjunto formaban una dispersión granulométrica en un rango de 4.76 mm a 37 μm, con un aditivo orgánico de fibra 40 de alcohol polivinílico (p.f. = 300ºC). Por otro lado, el material 2 estaba formado solamente por granos de alúmina electrofundida de 50 mm. Cada material fue caracterizado mediante difracción de rayos X (DRX) método de polvos. Las piezas de hormigones refractarios se formularon mezclando los materiales 1 y 2 con agua empleando una relación agua/(material 1 y material 2) de 0.12 que equivale a 1/(7.05 y 1.28 respectivamente). Posteriormente la mezcla del hormigón refractario ya preparada fue depositada en moldes rectangulares, utilizando vaselina en la superficie interna de los moldes para evitar adherencias después del fraguado el cual se llevó a cabo a temperatura ambiente (26ºC) por un lapso de 24 horas. Después de ese tiempo, los hormigones refractarios fueron sacados del molde y secados a una temperatura de 110ºC durante 8 horas para posteriormente ser sometidos al proceso de sinterización en el horno túnel con atmósfera de aire y gas natural como combustible y empleando dos temperaturas, 1600 y 1720ºC (temperaturas para obtener los hormigones refractarios), con tratamiento previo de 300ºC/30 min. para reaccionar el aditivo polivinílico y promover la densificación final del hormigón refractario. Determinación de las propiedades físicas y mecánicas de los hormigones refractarios Una vez concluido el proceso de sinterizado, los hormigones refractarios fueron cortados para obtener probetas de acuerdo a especificaciones de las normas y equipos donde se midieron las propiedades físicas como porosidad aparente (PA), resistencia a la compresión en frío (CCS) y módulo de ruptura en caliente (HMOR). La determinación de la porosidad se realizó siguiendo el procedimiento estipulado por la norma ASTM C-830-00 basada en el principio de Arquímedes.24 La determinación de la resistencia a la compresión en frío se realizó con base en las especificaciones de la norma Alemana DIN EN993,25 utilizando dos tipos de probetas, cilíndricas y cúbicas, las cilíndricas de 5 cm de diámetro y 5 cm de altura y las cúbicas de 5x5x5cm; los ensayos se llevaron a cabo en una máquina universal. La determinación del módulo de ruptura en caliente se realizó de acuerdo a la norma ASTM C 583-80 26 empleando probetas rectangulares de 15.2x2.5x2.5 cm, las cuales fueron Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. sometidas a una temperatura de 1400 °C, en horno eléctrico con atmósfera controlada de gas argón. Etapa 2 Para la etapa 2 se diseñaron 2 diferentes formulaciones de hormigones refractarios cúbicos de 5x5x5cm. Para su elaboración, fueron utilizados los mismos materiales empleados en la etapa 1 (material 1 y material 2). Para fabricar la primera formulación, los materiales 1 y 2 fueron sometidos a un proceso de trituración y molienda hasta alcanzar partículas inferiores a las 149 μm en ambos materiales. Para elaborar la segunda formulación, se mezclaron el material 1 que conservó la granulometría original (entre 4.76 mm y 37 μm), mientras que el material 2 fue sometido a un proceso de triturado hasta obtener un tamaño de grano de 6 mm (ya que este era de 50 mm), por lo tanto, la granulometría utilizada en la segunda formulación osciló entre 6 mm y 37μm. Las formulaciones de hormigones refractarios fueron elaboradas en moldes cúbicos utilizando en la parte interior del molde vaselina para ayudar a desmoldear. En la primera formulación, los materiales 1 y 2 con agua fueron mezclados empleando una relación agua/(material 1 y material 2) de 0.24 que equivale a 1/(3.53 y 0.642 respectivamente), mezclando por 2 min para conseguir una buena homogeneización. En la segunda formulación, los materiales 1 y 2 con agua fueron mezclados empleando una relación agua/(material 1 y material 2) de 0.12 que equivale a 1/(7.05 y 1.28 respectivamente), mezclando por 3 min para conseguir una buena homogeneización. Posteriormente, las mezclas fueron vaciadas en los moldes siguiendo el mismo procedimiento empleado en la elaboración de los hormigones refractarios durante la etapa 1, requiriendo un proceso de vibrado de 2 min (primera formulación) y 4 min (segunda formulación). El fraguado se llevó a cabo bajo techo a una temperatura ambiente de 27ºC por un tiempo de 48 horas y el proceso de sinterizado se realizó al 1720 °C en horno túnel con atmósfera de aire y gas natural como combustible. Ya sinterizadas las diferentes formulaciones de hormigones refractarios, se caracterizaron mediante fluorescencia de rayos X (FRX) y DRX método de polvos. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Evaluación de los fenómenos de corrosión en los hormigones refractarios frente a las cenizas generadas por coque de petróleo Los experimentos para las pruebas de corrosión de los hormigones refractarios frente a las cenizas de coque de petróleo se efectuaron siguiendo dos métodos. El primero empleó el método de reacción estático llevado a cabo a nivel laboratorio y el segundo, el método de perforación directa al hormigón refractario (conocido como método de copa) llevado a cabo a nivel planta piloto. Para las pruebas llevadas a cabo a nivel laboratorio, fueron elaboradas probetas de coque de petróleo en forma de tabletas o pastillas en una prensa hidráulica isostática, utilizando 1 gramo de coque de petróleo y aplicando una carga de 3 toneladas por espacio de 2 min. Una vez manufacturadas las probetas, se procedió a colocarlas en el centro de la parte superior de cada formulación de hormigón refractario a evaluar. Seguidamente, el par difusor coque de petróleohormigón refractario (sinterizado a 1720 °C) fue sometido a una subida de temperatura para evaluar la corrosión a través de interacciones químicas dentro de un horno eléctrico a 1650ºC por un tiempo de 4 horas. En el segundo método realizado a nivel planta piloto, se aplicó a los hormigones refractarios la prueba de copa bajo el procedimiento descrito por la norma alemana DIN 1069,27 que consistió en perforar los hormigones refractarios con una broca (diámetro = 38mm), para depositar en dicha perforación 5 g de coque de petróleo como material de ataque. Los hormigones refractarios se colocaron en el interior de un horno gasificador, calentado con gas natural hasta alcanzar una temperatura de 1820ºC, con el fin de estudiar las interacciones químicas del ataque de corrosión entre el coque de petróleo y los hormigones refractarios, los cuales habían sido sinterizados a 1720 °C. Después de realizadas las pruebas, los hormigones refractarios fueron cortados de forma transversal para inspeccionar visualmente si presentaban ataque químico o corrosión, enfocando la atención sobre el área que presentaba mayor penetración. Esta área se caracterizó por DRX método de polvos para encontrar las fases formadas. Finalmente, se determinó su composición y perfil de penetración mediante microscopía electrónica de barrido con dispersión de energías (MEB-EDX). 41 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Etapa 1: propiedades físicas y mecánicas a) Materiales utilizados en la elaboración de los hormigones refractarios Los resultados obtenidos de la caracterización realizada al material 1 y material 2 vía DRX método de polvos se muestran en los difractogramas de la figura 1, en los cuales se pueden observar los espectros correspondientes a las fases identificadas de acuerdo a las reflexiones hkl principales. Al material 1 corresponden las fases de: espinela de magnesia alúmina, corindón, periclasa e hidróxido de aluminio; mientras que al material 2 le corresponden el corindón y también hidróxido de aluminio. Fig. 1. Difractogramas obtenidos en los análisis por DRX de los materiales de partida y de los hormigones refractarios después de los ataques de corrosión frente a las cenizas de coque de petróleo. b) Pruebas físicas y mecánicas en hormigones refractarios Los resultados obtenidos de las pruebas físicas y mecánicas realizadas a los hormigones refractarios, son presentados en la tabla I. Tras efectuar un análisis en estos resultados, podemos decir que existe un error despreciable en todas las pruebas ya que los valores de desviación estándar obtenidos son muy mínimos. De los resultados de porosidad aparente (%PA) se deduce que esta disminuye al aumentar la temperatura de sinterización. La resistencia a la compresión en frío (CCS) fue mejor en las probetas sinterizadas a menor temperatura porque la cantidad de espinela de magnesia y alúmina formada es menor.28 42 Tabla I. Resultados de las pruebas físicas y mecánicas realizadas a hormigones refractarios. La espinela de magnesia y alúmina tiene un coeficiente de expansión térmica (α251500ºC=6,6•10-6 ºC-1) muy diferente al corindón (α25-1500ºC=13•10-6 ºC-1) por lo que durante el enfriamiento, estas diferencias en los coeficientes de dilatación, han podido dar lugar a la formación de grietas que disminuirían significativamente las propiedades mecánicas en las muestras con más cantidad de espinela. Así las probetas a 1720ºC que tiene mayor contenido de espinela, tienen una menor resistencia mecánica en frío (CCS). Por el contrario durante la realización de los ensayos a alta temperatura (1400 °C), el módulo de ruptura en caliente (HMOR), ha podido continuar la sinterización de los hormigones refractarios, por lo que las probetas sinterizadas a 1600 °C mostraron menor HMOR en comparación con el mostrado por las probetas sinterizadas a 1720 °C ya que en estas últimas, la temperatura a la que habían sido sinterizadas fue ideal para que se formaran pequeñas cantidades de fase líquida, misma que influenció de manera negativa en los ensayos de CCS, pero de manera positiva en los ensayos de HMOR. Tomando como referencia resultados de proveedores que producen este tipo de ladrillos refractarios e investigaciones realizadas sobre el comportamiento de estos, se puede decir que los resultados obtenidos son favorables ya que están dentro de los rangos de literatura.29 Etapa 2: post-mortem de los hormigones refractarios utilizados en los ensayos de corrosión a) Caracterización de hormigones refractarios utilizados en los ensayos de corrosión La caracterización vía DRX realizada en los materiales 1 y 2 que se emplearon en las formulaciones de los hormigones refractarios en la etapa 2 ya fueron discutidos, puesto que estos son los mismos resultados de la etapa 1. Por otro lado, los resultados obtenidos para los hormigones Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. refractarios correspondientes a las dos formulaciones diseñadas en la etapa 2, son mostrados en la figura 1; de acuerdo con los resultados es posible apreciar que ambos hormigones refractarios (formulación 1 y 2) muestran de forma mayoritaria la fase alúmina y minoritaria la fase espinela de magnesia alúmina. De acuerdo al análisis químico realizado por FRX (tabla II) se aprecia que ambos hormigones refractarios (formulación 1 “F1” y formulación 2 “F2”) presentan un 70% de fase alúmina y un 30% de fase aluminato de magnesio ó espinela. b) Escoria de coque de petróleo utilizada en los ensayos de corrosión Los resultados de la caracterización realizada al coque de petróleo y las cenizas generadas por éste, empleando la técnica de DRX, son también mostrados en la figura 1. En el difractograma correspondiente al coque de petróleo, se puede apreciar que presenta el halo amorfo característico del carbón, lo que muestra una alta concentración de carbón contenido en el coque de petróleo empleado en esta investigación; respecto a las cenizas de coque de petróleo (generadas cuando es quemado a temperaturas superiores a los 800ºC), el difractograma revela la presencia de la fase anhidrita y cuarzo. De acuerdo al análisis Tabla II. Análisis químico obtenido por FRX (*), de los materiales empleados para los ataques de corrosión. * Análisis químico proporcionado por el proveedor. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 químico realizado por FRX (tabla II) se aprecia que el coque de petróleo (CP) utilizado para las pruebas de interacción química indica que está constituido por un 90% de carbón y 10% de materiales volátiles (análisis químico proporcionado por el proveedor). Por otro lado, las cenizas generadas a través de la combustión del coque de petróleo (CCP), las cuales interactuaron químicamente con los hormigones refractarios sinterizados previamente antes de ser atacados, exhibieron compuestos como sulfatos, óxidos de calcio, de silicio, de hierro, de níquel así como pentóxido de vanadio, que fueron determinantes en efectos negativos al estar en contacto con los hormigones refractarios. c) Ensayos de corrosión en hormigones refractarios El estudio post-mortem de las pruebas de corrosión como una interacción química realizado a 1650 °C mostró la formación (en ambos hormigones refractarios) de espinela desvitrificada rica en Mg, con alto contenido en Fe2+ y Ni2+, cuya fase espinela es identificada mediante flechas y mostrada en las imágenes de la figura 2; también apareció hibonita en su hábito de cristalización en forma de agujas, validada también por DRX método de polvo y mostrada también en la figura 2, identificada con estrellas; además se observó la formación de gehlenita identificada mediante alveolos, la cual desvitrificó en el centro de agujas de la hibonita (figura 2). La formación de estas fases puede ser atribuida a la reacción de los granos de alúmina con los óxidos de calcio y la sílice presentes en la escoria, lo que favoreció la formación de las fases hibonita (CaO + 6Al2O3 = CaAl12O19 = CA6) y gehlenita (2CaO + Al2O3 + SiO2 = C2AS), fases que fueron identificadas por sus morfologías y composición química características. En la figura 2 pueden observarse en las zonas delimitadas como rectángulos, fenómeno que se ha presentado en otros estudios.18-20 Los iones de Ni2+ y Fe2+ también presentes en la escoria fueron adsorbidos en solución sólida por la fase espinela (MgAl2O4), sustituyendo en la estructura química los iones - 2+ por (Mg2+, Fe2+, Ni2+) y los iones 3+ por (Al3+, Fe3+), los cuales son identificados en la figura 2 por un triángulo. 43 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. identificadas con un triángulo. Una vez analizados los hormigones refractarios a magnificaciones más altas para observar a detalle la disolución de los granos, se encontró agrietamiento que indica reacción entre la interfase de los hormigones refractarios y las cenizas del coque de petróleo, esta área se señala con rectángulos en la figura 3. También se detectó la presencia de una fase que de acuerdo a su composición química se propone como vanadato de aluminio (AlVO4) y es identificada en las imágenes de la figura 3 mediante alveolos. Cabe señalar que en el análisis microestructural no fueron detectadas las fases hibonita y gehlenita como en el caso de las pruebas efectuadas a 1650 °C. Los resultados de ambos experimentos indican que la disolución de los hormigones refractarios es causada por la penetración de elementos fundidos a través de la porosidad y las fronteras de grano, las Fig. 2. Fenómeno de penetración y corrosión presentado en límites de granos en: formulación 1 de hormigón refractario (A) y formulación 2 de hormigón refractario (B), después del ataque a 1650ºC en un horno eléctrico. Respecto a los resultados de los hormigones refractarios sometidos a los ensayos realizadas a 1820 °C y después de ser analizados de forma microestructural por MEB-EDX, se observó una disolución de granos, tal como puede apreciase en las imágenes de la figura 3, dicha disolución es identificada mediante flechas. También fue detectada la presencia de espinelas ricas en Ni 2+ y Fe 2+, 44 Fig. 3. Fenómeno de corrosión presentado en la formulación 2 de hormigón refractario después del ataque de corrosión a 1820ºC en un horno gasificador. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. cuales reaccionan preferentemente con los granos de alúmina para formar la fase CaAl12O19 (hibonita30), cuya morfología característica de agujas alargadas y alto punto de fusión ayuda a disminuir y detener la penetración de la fase líquida y por tanto el progreso de la corrosión. El exceso de los óxidos de calcio y aluminio combinado con iones de silicio propician la formación de la fase gehlenita (2CaO.Al2O3.SiO2)31-33 ya que en ambas temperaturas (1650 y 1820ºC) la espinela coexiste y se mantiene en solución sólida con capacidad para incorporar en su estructura iones como hierro y níquel, de manera que produce cambios en la composición de la escoria generándose una reducción en la penetración y la subsecuente disolución o ataque de los materiales refractarios. CONCLUSIONES La temperatura de sinterizado influyó significativamente en las propiedades físicas y mecánicas de los hormigones refractarios, obteniéndose de manera general mejores resultados en los hormigones que fueron sinterizados a 1720ºC. La variación en la distribución granulométrica de las formulaciones diseñadas en la etapa 2 influyó drásticamente en los niveles de penetración y corrosión en los hormigones refractarios, ya que los elaborados con tamaños de partículas inferiores a 149 μm (formulación 1) mostraron mayor corrosión en comparación con los elaborados en el rango de partícula de 6 mm a 37μm (formulación 2) cuando fueron puestos frente a la ceniza generada por el coque de petróleo en las pruebas efectuadas a 1650 y 1820ºC. La penetración de la escoria fundida de la ceniza de coque de petróleo a través de fronteras de grano y porosidad de los hormigones refractarios fue reducida debido a la presencia de espinela de alúmina magnesia y a su capacidad de incorporar en su estructura iones de Fe2+ y Ni2+. La formación de la fase hibonita ayudó a disminuir la penetración de la escoria en el hormigón refractario debido a su estabilidad térmica. De manera general, los estudios realizados a los hormigones refractarios respecto a las pruebas físicas, mecánicas y de corrosión mostraron que estos son buenos materiales refractarios pero no Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 para emplearse en hornos gasificadores de coque de petróleo en el que las temperaturas de trabajo sean superiores a los 1650 y 1820 °C, debido a que en estas condiciones de trabajo se generan fases con punto de fusión inferior a 1900 °C, temperatura para la cual habían sido diseñados. REFERENCIAS 1. Lee, S. J., Kim, S. 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Fuel Processing Technology. 87, 487-495, 2006. 7. Asadullah, M., Miyazawa, T., Ito, S., Kunimori, K., Yamada, M., Tomishige, K. Gasification of different biomasses in a dual-bed gasifier system combined with novel catalysts with high energy efficiency, Applied Catalysis A: General, 267, 95-102, 2004. 8. Rabou, L. P. L. M. Biomass tar recycling and destruction in a CFB gasifier, Fuel, 84, 577-581, 2005. 9. Kurkela, E., Kurkela, M. Advanced biomass gasification for high-efficiency power. Publishable final activity report of BiGPower Project, VTT Tiedotteita – Research notes. 2511, 2009. 10. González-Rocha, J.C., Longoria-Ramírez, R., y Urquiza-Beltrán, G. Results of the Simulation 45 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. of Gasification on the Mexican Petroleum Coke From the Refineries of Ciudad Madero and Cadereyta. Ingeniería Investigación y Tecnología. 2, 99-111, 2008. 11. Yun, Y., Chung, S. W. 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Refractory testing and evaluation at Oak Ridge National Laboratory for black liquor gasifier applications. Refractories Applications and News. 9, 14-20, 2004. 18. Aza, A. H., Pena, P., Aza, S., Raigon, M., GomezMillan, J., Domínguez, C. Estudio post-mortem de un hormigón refractario colocado en la línea de escorias de una cuchara de acería. Bol. Soc. Esp. Ceram. 42, 375-378, 2003. 19. Diaz, L. A., Torrecillas, R., De Aza, A. H. Effect of spinel content on slag attack resistance of high alumina refractory castables. J. of the European Ceramic Society, 27, 4623-4631, 2008. 20. Vázquez, B. A., Pena, P., De Aza, A. H., Sainz, M. A., Caballero, A. Corrosion mechanism of polycrystalline corundum and calcium hexaluminate by calcium silicate slags. J. of the European Ceramic Society, 29, 1347-1360, 2009. 46 21. Puente-Ornelas, R. Factibilidad de uso de los refractarios Al2O3 y Al2O3-MgAl2O4 en la gasificación de coque de petróleo, Tesis de Maestría, Programa doctoral de Ingeniería en Materiales, FIME-UANL, Nuevo León, México. 2005. 22. Puente-Ornelas, R., Guzmán-Hernández, A.M., Zambrano-Robledo, P.C., Lizcano-Zulaica, C.J., Das Roy, T.K. Deterioro de refactarios diseñados para el revestimiento de un gasificador de petcoque. Ingeniería Mecánica, Tecnología y Desarrollo. 3, 207-212, 2011. 23. Puente-Ornelas, R., Lizcano-Zulaica, C.J., Guzmán, A.M., Zambrano, P.C., Das-Roy, T.K. Dissolution of refractories for gasification process of petroleum coke for the steel industry. Fuel, 93, 581-588, 2012. 24. ASTM C-831-83: Standard test methods for apparent porosity, liquid absorption, apparent specific gravity, and bulk density of refractory shapes by vacuum pressure. 2006. 25. DIN EN993-5: Methods of test for dense shaped refractory products: Determination of cold crushing strength. 1998. 26. ASTM C 583-80: Standard test method for modulus of rupture of refractory materials at elevated temperatures. 27. DIN1069: Sicherheitstechnische Anforderungen Und Prüfverfahren. 28. Gutiérrez-Campos, D., Diaz, J. I. and Rodríguez, R. M. Evolution of an alumina-magnesia/selfforming spinel castable. Part I. Microstructural features Cerâmica, 45, 93-98, 1999. 29. Knizek, I. Parámetros de Refractarios Moldeables y Prefabricados. Barro Mex., S.A de C.V. 1ª edición. 1989. 30. Qafssaoui, F., Poirier, J., Ildefonse, J. P., Hubert, P. Influence of the liquid phase on the slag corrosion of andalusite-based refractaories. Refractories Applications Transactions. 1, 1-8, 2005. 31. Vázquez B. A. Influencia de la espinela de aluminio y magnesio en el comportamiento frente a la corrosión de hormigones refractarios de bajo contenido de cemento”. Tesis doctoral, Universidad Autónoma de Madrid, Instituto de Cerámica Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Comportamiento físico-químico de hormigones refractarios base Al2O3-MgAl2O4 ante escorias... / Rodrigo Puente Ornelas, et al. y Vidrio Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC-ICV), Madrid, España. 2004. 32. Triantafyllidis, D., Stott, F.H., Li, L. The slag corrosion behavior of laser surface treated refractory ceramics. Conference Corrosion Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 Science in the 21st Century. 2003. 33. Vázquez, B. A., Caballero, Á., Pena, P. Quaternary system Al2O3-CaO-MgO-SiO2: II Study of the cristallization volume of MgAl2O4. J. Am. Ceram. 88, 1949-1957, 2005. 47 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidriopoliéster como cargas en concreto polimérico Rodolfo Morales IbarraA, Elsa Abigail Duncan FloresA, Saida Mayela García MontesA, Alma Gisela Martínez ArellanoB, Juan Francisco Barrón GranadosB, Denisse Arantxa Cepeda MújicaA FIME-UANL Reacciones Químicas S.A. de C.V. rodolfo.moralesbr@uanl.edu.mx A B RESUMEN En el presente trabajo se utilizaron materiales compuestos de fibra de vidrio y resina poliéster considerados de fin de ciclo de vida pulverizados como cargas en concreto polimérico para analizar su efecto en las propiedades mecánicas de concreto polimérico. El objetivo de esta investigación fue sustituir la mayor cantidad de carbonato de calcio contenido en el concreto polimérico(20%) por material reciclado manteniendo sus propiedades mecánicas y a la vez reduciendo su porcentaje de volumen de resina utilizado, en busca de la reducción de costos de fabricación con un impacto medio ambiental positivo. Los resultados que se obtuvieron como consecuencia de reducir la fórmula a 10% de resina con 90% de carga con un máximo de 2% de material reciclado corresponde en propiedades relativamente buenas. PALABRAS CLAVE Vidrio-poliéster, concreto polimérico, reciclado. ABSTRACT Recycling of composite materials was studied using pulverized fiberglasspolyester composite materials as fillers in polymeric concrete for this research. The objective of this research was to increase as much as possible the amount of recycled filler in the polymeric concrete without maintaining the mechanical properties of the material, reducing the percentage of volume of resin used and thus, reducing manufacturing costs with a positive environmental impact. Positive results were obtained: resin percentage has been reduced to 10% with 90% fillers using up to 2% of recycled material while maintaining relatively good mechanical properties. KEYWORDS Polyester-glass, polymeric concrete, recycling. INTRODUCCIÓN El concreto polimérico es un material relativamente nuevo de alto rendimiento que ha sido comercializado desde 1960. Este material se produce a partir de una 48 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. resina líquida y agregados inorgánicos figura 1. La producción del concreto polimérico es la siguiente: pequeñas dosis de iniciadores y promotores se añaden a una resina para iniciar el curado o el proceso de endurecimiento. Donde los iniciadores dan partida a la polimerización y los promotores aceleran la reacción. Inmediatamente después de la adición del iniciador y promotores, la resina líquida se mezcla con los agregados gruesos y finos tales como piedra, grava o arena triturada. Después del curado, el material se compone de agregados inorgánicos bien graduados unidos entre sí por un aglutinante de resina. El curado puede ser tan corto como unos pocos segundos o largo como unas horas , dependiendo de la cantidad de iniciador y promotor añadido a la resina poliéster. El uso de concreto polimérico en la producción de componentes prefabricados parece muy prometedor. Las ventajas del concreto polimérico son su buena resistencia y buena durabilidad. El rápido tiempo de curado es otra importante ventaja en muchas aplicaciones estructurales e ingenieriles ya que el concreto cura en pocos minutos u horas cuando a materiales a base de cemento les toma días o semanas curarse por completo. Comercialmente, la principal desventaja del concreto polimérico es su alto costo comparado con otros materiales a base de cemento. La mayor parte del costo de los concretos poliméricos proviene de la resina; los costos de las cargas son comparativamente insignificantes. No es de extrañar que existan estudios recientes sobre reducción de costos en la resina como futura necesidad de concreto polimérico.1 Una de sus principales propiedades es la resistencia a la compresión, donde los sistemas prefabricados llegan a soportar hasta 30.2MPa frente a los 7-9MPa que soporta el concreto tradicional. Otra de sus principales propiedades es la de evacuación de fluidos, que es gracias a su superficie tipo espejo, y facilita el rápido desalojo de los fluidos. Su resistencia a productos químicos es otra de su propiedades, la resistencia a la helada, desgaste por abrasión y resistencia al choque son mas propiedades que lo caracterizan. En cuanto a sus aplicaciones el concreto polimérico en sistemas prefabricados se ha ganado un lugar importante en la industria de la construcción gracias a sus principales propiedades. Principalmente en los sectores de edificación para la elaboración de Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 vierteaguas, albardillas y jambas, en prefabricados para drenaje tanto para la canalización de fluidos como la conducción de instalaciones y servicios, y en fachadas como revestimiento de edificios que es tanto una característica estética como en términos de aislamiento y por lo tanto de ahorro. El crecimiento del uso de materiales poliéster reforzado con fibras en las industrias de construcción y transporte implica cantidades mayores y el aumento de desechos de este material, producidos en diferentes etapas de su ciclo de vida. La mayor preocupación es en relación a las soluciones limitadas para la gestión de los residuos de estos materiales termostables no re procesable.2 Los compuestos fabricados en plásticos reforzados con fibra de vidrio son ampliamente utilizados en todo tipo de industria alrededor del mundo. Actualmente en nuestro país se producen más de 1,030,648 toneladas por año y se consumen alrededor de 497,914 toneladas por año de fibra de vidrio,3 pero ¿qué pasa cuando las piezas que están hechas de este material terminan su ciclo de vida?. En México solo existen 8 empresas dedicadas a la recolección de residuos sólidos4 y solo el 11% del material recuperado en sitio de disposición final es reciclado lo cual es un problema ya que el resto se queda desechado en el medio ambiente.5 Las técnicas para el reciclado de materiales poliéster reforzados con fibra se identifican en dos principales grupos: métodos mecánicos, que involucra técnicas de trituración para reducir el tamaño de los residuos y métodos térmicos que consisten en el uso de calor para descomponer los residuos en las materias primas y finalmente, energía.6 EXPERIMENTAL Para la matriz polimérica del concreto se utilizó una resina poliéster PCP 9652 de Reacciones Químicas S.A. de C.V., que es una resina de muy baja viscosidad; cuenta con muy buenas características de humectación a fibra de vidrio y cargas minerales, excelentes propiedades de resistencia a la compresión y buena velocidad de liberación de burbujas de aire atrapadas en la pasta; lo que la hace adecuada para trabajar con estos tipos de materiales. Se utilizaron arenas sílicas de distintos tamaños de mallaje 10/20, 20/30 y 40/50 donde las arenas 10/20 y 20/30 representan las arenas gruesas y las 40/50 junto 49 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. con el carbonato de calcio que se utiliza para la reducción de costo y mejorar las propiedades del material son parte de las arenas finas. El conjunto de estas dos arenas (finas y gruesas) conforman las cargas o refuerzos del concreto polimérico, además se utilizaron residuos de compuestos de fibra de vidrio/poliéster que sustituiría un 2% y 4% el contenido en peso de carbonato de calcio en el concreto polimérico. El proceso de preparación de mezcla tal como lo muestra la figura 1.consiste en integrar todas las arenas con el carbonato de calcio y/o los residuos de fibra de vidrio/poliéster; una vez que los materiales están completamente integrados se agregan a la resina que ya contiene el catalizador y se mezclan hasta la homogeneidad con una mezcladora Hobart N50; la mezcla es vertida en los moldes de compresión(cubos) y flexión(barras); una vez que el material ya ha polimerizado se dejan reposar por un lapso de 7 días, pasando este período las muestras están listas para ser sometidas a los ensayos requeridos. En base a la composición original para la elaboración de concreto polimérico que se maneja en la industria siendo 88% cargas y 12% resina se hizo un diseño de experimentos como se muestra en la tabla I. Donde el experimento 1 es la composición original y a partir de esta formulación se varió el porcentaje de resina contenido en el concreto polimérico hasta un 2% menos del porcentaje usado y a la vez se varió la cantidad de material reciclado hasta un 4% como sustituto del carbonato de calcio. Se llevaron a cabo un total de 8 experimentos cada uno con 6 muestras esto acorde a las normas ASTM (American Society for Testing and Materials) Tabla I. Diseño de experimentos. Experimento Cargas (%) Resina Poliéster (%) Material Reciclado (%) 1 88 12 0 2 88 12 2 3 88 12 4 4 89 11 0 5 89 11 2 6 89 11 4 7 90 10 0 8 90 10 2 Fig. 1. Proceso de mezclado del concreto polimérico. 50 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. que en el caso del concreto polimérico corresponde a las normas C-579 y C-580 para los ensayos de compresión y flexión respectivamente. RESULTADOS Se tomaron imágenes con Microscopía de Barrido de Electrones figura 2 (SEM, Scanning Electron Microscope) a los diferentes granos de arenas, al carbonato de calcio y a los residuos de fibra de vidrio/poliéster. Se observa la morfología de las arenas sílicas que es básicamente granular en donde resultaba interesante y de particular necesidad conocer exáctamente los tamaños de las partículas para diferir en los métodos a ser utilizados de acuerdo a ASTM, los cuales dependen básicamente del tamaño de los agregados; en el caso del carbonato de calcio resulta interesante observar su morfología la cual difiere de la del material pulverizado de fibra de vidrio-poliéster. La figura 3. muestra una grafica de esfuerzodeformación con las curvas promedio de cada uno de los experimentos. Se observa la curva del experimento 1 que corresponde a la producción de línea o producción de base y se puede observar que las curvas que corresponden a los experimentos 2 y 7 son mayores que el experimento 1 y las demás curvas son inferiores a ésta lo cual nos dice que la variación de resina y material reciclado si afecta significativamente en el concreto polimérico. En los ensayos de flexión no se obtuvo una gran variación en cuanto a los esfuerzos ya que presentaban un esfuerzo promedio máximo muy similar o con una diferencia muy insignificante figura 4; en cuanto al ahorro de resina se obtuvieron muy buenos resultados ya que si las propiedades mecánicas no se afectan eso quiere decir que es posible utilizar una configuración de cargas/resina con un porcentaje de resina menor al utilizado actualmente (experimento 1) y así lograr un ahorro de la resina de más de un 8% como se muestra en la tabla III que por ejemplo el experimento 4 que tiene formulación de 88% de cargas y un 11% de resina muestra una ganancia en propiedades mecánicas de hasta un 2.06% en comparación con el experimento 1 y un importante ahorro de más del 8% de total de resina consumida. Fig. 2. Imagen de SEM de: a) arena 10/20 a 36X, b) arena 20/30 a 36X, c) arena 40/50 a 36X, d) carbonato de calcio a 400X, e) compuesto de fibra de vidrio/poliéster a 40X, f) compuesto de fibra de vidrio/poliéster a 400X. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 51 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Fig. 3. Grafica de esfuerzo/deformación donde se muestran las curvas promedio de los 8 experimentos. CONCLUSIONES Después de efectuar esta investigación y observar detenidamente los resultados presentes se puede decir que el método presentado es adecuado para la caracterización del concreto polimérico además que se sugiere una revisión en el proceso de mezcla porque al sustituir un material denso por uno menos denso se dificulta preparar la mezcla, por lo que se propone partir de la composición 90% de carga, 10% de resina y 2% de material reciclado de fibra de vidrio/poliéster ya no es posible trabajar con composiciones que contengan mayor cantidad de material reciclado. Los experimentos 1, 4 y 7 que son experimentos que no contiene ningún porcentaje de material reciclado las muestras presentan un capa en la superficie de resina lo cual indica que la resina no está completamente en el material y esto se debe a que cuando el material esta curando la resina, al ser menos densa que las arenas, sube a la superficie, por lo tanto se recomienda usar períodos de curado más cortos. En cuanto a las pruebas de compresión el experimento 5 presenta propiedades mecánicas relativamente altas y presenta un interesante ahorro del mas de 8% del consumo de resina además de un sustituto de carbonato de calcio por material de fibra de vidrio/poliéster de 2%. Por otro lado en flexión es el experimento 4 el que más destaca teniendo una ganancia en propiedades mecánicas y un importante ahorro en el consumo total de la resina. Fig. 4. Curvas esfuerzo-deformación de las muestras del experimento 1 en flexión. 52 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Vol. XVI, No. 61 �Uso de materiales compuestos reciclados de fibra de vidrio-poliéster como cargas... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Tabla II. Resultados de los análisis de propiedades mecánicas de compresión. Experimento Cargas (%) Resina poliéster (%) Material reciclado (%) Esfuerzo (Mpa) Δ propiedades mecánicas (%) Porcentaje de ahorro (%) 1 (baseline production) 88 12 0 49.22 0 0 2 88 12 2 50.52 2.6 0 3 88 12 4 35.03 -28.8 0 4 89 11 0 41.83 -15 8.3 5 89 11 2 45.48 -7.5 8.3 6 89 11 4 40.11 -18.5 8.3 7 90 10 0 51.39 4.4 16 8 90 10 2 45.01 -8.55 16 Tabla III. Resultados de los análisis de propiedades mecánicas de flexión. Experimento Cargas (%) Resina poliéster (%) Material reciclado (%) Esfuerzo (Mpa) Δ propiedades mecánicas (%) Porcentaje de ahorro (%) 1 (baseline production) 88 12 0 25.69 0 0 2 88 12 2 23.99 -6.6 0 3 88 12 4 22.18 -13.66 0 4 89 11 0 26.22 2.06 8.3 5 89 11 2 22.37 -12.92 8.3 6 89 11 4 22.13 -13.85 8.3 7 90 10 0 23.46 -8.68 16 8 90 10 2 23.53 -8.4 16 REFERENCIAS 1. K. S. Rebeiz. Precast use of polymer concrete using unsaturated polyester resin based on recycled pet waste Construction and Building Materials, Vol. 10, No. 3, pp. 215-220, 1996. 2. joão R. 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Asokan, Assessing the recycling potential of glass fibre reinforced plastic waste in concrete and cement composites, Journal of Cleaner Production 17 (2009) 821–829. 10. Mehmet Saribiyik, The effects of waste glass powder usage on polymer concrete properties, Construction and Building Materials, Volume 47, October 2013, Pages 840-844. 53 �Eventos y reconocimientos I. CLAUSURA DEL VERANO INFANTIL La décima edición del Campamento de Verano Infantil “Aprende Ciencia Jugando” concluyó el pasado 26 de julio y se llevó a cabo una ceremonia de clausura presidida por el Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Subdirector de Posgrado, en representación del director de la FIME, el M.C. Esteban Báez Villarreal, acompañado de la Dra. Guadalupe Maribel Hernández Muñoz, Coordinadora de Administración y Logística del Verano Infantil, en representación de la Dra. Patricia Zambrano, Coordinadora General del Verano Infantil, y el Ing. Francisco Gastelum Camacho, Coordinador de Actividades Estudiantiles del Dra. Guadalupe Maribel Hernández Muñoz, Coordinadora de Administración y Logística del Verano Infantil; Dr. Moisés Hinojosa Rivera, Subdirector de Posgrado, e Ing. Francisco Gastelum Camacho, Coordinador de Actividades Estudiantiles del Capítulo Monterrey de ASHRAE, entregando un reconocimiento. 54 Capítulo Monterrey de ASHRAE, entregó un reconocimiento a cada participante del campamento, quienes tuvieron la oportunidad de realizar diversas actividades de robótica, aeromodelismo y computación, además de que conocieron algunos laboratorios de la FIME. II. INAUGURACION DEL LIITE-FIME El pasado 16 de agosto fue inaugurado en la FIME el Laboratorio de Investigación e Innovación en Tecnología Energética (LIITE) en el que se desarrollarán trabajos científicos orientados a aspectos energéticos y fuentes alternas. La ceremonia de inauguración fue presidida por el Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, y por el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME. En ese mismo evento se firmó un convenio entre la UANL y la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC, Brasil), representada por la Dra. Roselane Neckel, Rectora de esa universidad, para proyectos de intercambio académico, fortalecimiento del posgrado y en materia de investigación; así como la puesta en marcha de una planta de energía solar que se instaló en el Polideportivo FIME. También se incluyó un convenio específico entre la FIME-LIITE y el Laboratorio de Investigación en Refrigeración y TermofísicaPolo de la UFSC, buscando un esquema de colaboración LIITE de la FIME con Whirlpool, México, similar al que opera entre el laboratorio Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Eventos y reconocimientos Polo de la UFSC con Whirlpool, Brasil. A este respecto se contó con la presencia del Ing. Raúl García Martínez, Director de Tecnología de Whirpool de México. IV. PREMIO A LA MEJOR TESIS El pasado 29 de agosto se entregaron los premios a la mejor tesis de licenciatura y maestría. La M.C. Karen Adriana Bustos Torres, de la FIME, fue distinguida con el Premio a la Mejor Tesis de Maestría en el área de Ingeniería, Tecnología y Arquitectura, con el trabajo “Influencia de la Morfología de ZnO en la fotooxidación de polipropileno”, asesorada por la Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, Autoridades e invitados presentes en la inauguración del Laboratorio de Investigación e Innovación en Tecnología Energética. III. WORKSHOP MÉXICO-BRASIL El pasado 15 de agosto el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) de la FIME llevó a cabo el Workshop México-Brasil, en el que se tuvieron talleres especializados, donde el Dr. José Enrique De Sousa Damiani, Investigador Titular de la División de Ingeniería MecánicaAeronáutica del Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) de Brasil, pudo constatar los trabajos desarrollados en el CIIIA. Participantes del Workshop México-Brasil. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Desde la izquierda, M.C. Karen Adriana Bustos Torres, premiada de la FIME; M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME; Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL; y Dra. Sofía Vázquez Rodríguez, profesora del Programa de Doctorado de la FIME. V. PREMIO DE INVESTIGACIÓN UANL El pasado 29 de agosto se entregó el Premio de Investigación UANL 2013, con el cual se reconocen los mejores trabajos del quehacer universitario en siete áreas del conocimiento: Ciencias Sociales, Exactas, Naturales, de la Salud, de la Tierra y Agropecuarias, Humanidades e Ingeniería y Tecnología. La FIME fue reconocida en dos áreas: en Ingeniería y Tecnología con el trabajo “Síntesis y caracterización de PbMoO4 fotoactivo para la eliminación de contaminantes orgánicos de agua” desarrollado por el Dr. Azael Martínez de la Cruz y la Dra. Diana Berenice Hernández Uresti; y en el área de Ciencias Sociales con el trabajo “Modelo Probabilístico de Quiebra para pequeñas y medianas empresas mexicanas. 55 �Eventos y reconocimientos Una herramienta para la toma de decisiones” presentado por el Dr. Juvencio Jaramillo Garza y el Dr. Jesús Fernando Issac García. de la UANL. El evento estuvo encabezado por el Gobernador del Estado de Nuevo León, Lic. Rodrigo Medina de la Cruz, y el Rector de la UANL. En esta ocasión se impuso el nombre “Los Rectores” al Circuito Interior de CU y se develaron estelas conmemorativas al pie de la escultura “Flammam”. Dr. Azael Martínez de la Cruz (izq.), premiado en el área de Ingeniería y Tecnología, y el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME. VI. 80 ANIVERSARIO DE LA UANL El pasado 25 de septiembre se reunió la comunidad universitaria en la explanada de la rectoría para celebrar el octagésimo aniversario 56 Autoridades universitarias e invitados durante la celebración del 80 aniversario de la UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Junio - Agosto 2013 Marisa Elizabeth Vigil Ramírez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 3 de junio de 2013. J a v i e r Tre v i ñ o G u e r re ro , M a e s t r í a e n Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 4 de junio de 2013. Raúl Cesar Lozano Guerra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 5 de junio de 2013. Francisco Hazael Moreno Rivera, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Análisis comparativo del sistema ligante en las propiedades mecano-físicas en concretos refractarios aluminosos”, 10 de junio de 2013. Gerardo Antonio Betancourt Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 10 de junio de 2013. Fernando Elizalde Ramírez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Planificación dinámica de rutas del transporte público a partir de los requerimientos del usuario”, 11 de junio de 2013. Jesús Gabino Puente Córdova, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis y caracterización de un material híbrido de matriz polimérica de polivinil butiral”, 12 de junio de 2013. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Luis Ernesto Jasso Ramos, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Nanopartículas de poli(dimetilsiloxano) con grafeno o nanopartículas cortas de nylon”, 12 de junio de 2013. Alma Lilia Pérez García, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, “Factores en la gestión logística mexicana que intervienen en la competitividad global de las empresas”, 14 de junio de 2013. Carlos Alberto Rosas Aguilar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 18 de junio de 2013. Omero Santillán Milán, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 18 de Junio de 2013. Alan Arturo Moreno Gutiérrez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 18 de junio de 2013. María Elena de Jesús Alvarado Jasso, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 18 de junio de 2013. Iván Bosque Leal, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de junio de 2013. Carlos Eduardo Castillo Alonso, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de junio de 2013. 57 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Humberto Gámez Rabago, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 26 de junio de 2013. Cristina Maya Padrón, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Modelación de planes de estudio usando técnicas avanzadas de planificación”, 27 de junio de 2013. Jorge Tanos Susarrey, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 28 de junio de 2013. Sergio Vladimir Garza Mendoza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 28 de junio de 2013. Gisela Rodríguez Hernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 28 de junio de 2013. Víctor Hugo Ponce Galicia, Maestría en Ingeniería de la Información, Informática, (Por materias), 1 de julio de 2013. Selene Treviño Medina, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, (Por materias), 1 de julio de 2013. Verónica Camarillo Castro, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio in vivo de oseointegración en implantes dentales de Ti- 6 AI -4V con superficies modificadas”, 3 de julio de 2013. José Alfredo Ávila Cardona, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 4 de julio de 2013. Jorge Martínez Paredes, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecánica, (Por materias), 4 de julio de 2013. Juan Carlos García Álvarez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 8 de julio de 2013. Enrique Alejandro González Cantú, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 8 de julio de 2013. 58 Meng Yen Shih, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Sistemas Eléctricos de Potencia, “Real time coordination of overcurrent reloys by means of optimization algorithm”, 8 de julio de 2013. Victoria Marisela Gutiérrez López, Maestría en Ciencias de la ingeniería Mecánica con especialidad en materiales, “Síntesis y caracterización de resinas de curado rápido para la elaboración de componentes herméticos de iluminación automotriz”, 11 de julio de 2013. Manuel Alejandro González Abrego, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Preparación de fibras de TiO2 mediante la técnica de hilado por soplado”, 11 de julio de 2013. Jesús Cázares Coronado, Maestría en Ingeniería con orientación Mecánica, (Por materias), 11 de julio de 2013. Víctor Hugo Garza Cárdenas, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 12 de julio del 2013. Cindy Johena Niño Partida, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Influencia del reuso de porcelana de desecho sobre las propiedades de una porcelana triaxial”, 12 de julio de 2013. Julio Martínez Torres, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 15 de julio del 2013. Alejandro Elizondo Almaguer, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 15 de julio de 2013. Fernando Salinas Garibay, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 16 de julio de 2013. Allan Giovanni Soriano Sánchez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con Orientación en Control Automático, “Sincronización de redes complejas con atractores caóticos de multiples enrrollamientos: Aplicado al encriptado de datos”, 16 de julio de 2013. Rafael Olivares Arredondo, Maestría en Ingeniería de la Información, Informática, “Construcción Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL de perfiles de usuario a partir de repositiorios de información personal”, 16 de julio de 2013. Fernando Manuel Rodríguez Aldape, Maestría en Ingeniería de la Información, “Inteligencia Artificial, Cuantificación del interés de un usuario en un tema mediante minería de texto y análisis de sentimiento”, 16 de julio de 2013. Carlos Alberto Vázquez Rodríguez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización del comportamiento de corrosión en pruebas aceleradas para acero galvanizado y pintado”, 17 de julio de 2013. Adrian Esau Contreras Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Optimización del proceso de forja abierta para evitar defectos internos”, 18 de julio de 2013. Carlos Eduardo Márquez de la Torre, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Tratamiento térmico en anillos de acero AISI 4140”, 18 de julio de 2013. Gabriela Melissa Valadéz Sánchez, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de julio de 2013. Ali Gabriel Sánchez Luna, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 23 de julio de 2013. Carlos Alfonso Rodríguez Vázquez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Patrones y mecanismos de fractura en los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras”, 25 de julio de 2013. Karla Alejandra Leyva González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Caracterización de la precipitación en un material compuesto aleación 7075 realizada con grafeno”, 26 de julio de 2013. María Eugenia Gómez González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 29 de julio de 2013. Rosarito Falcón Zertuche, Maestría en logística y cadena de suministro, “Diseño y análisis, Establecer el flujo de procesos de los mantenimientos a vehículos dentro de una empresa”, 29 de julio de 2013. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Elisa María Gallo González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 1 de agosto de 2013. Deissy Nallely Pérez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 7 de agosto de 2013. Reynaldo Esparza Robles, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 12 de agosto de 2013. Hiram Overlin Flores Cruz, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 13 de agosto de 2013. Arturo Nieto Méndez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 15 de agosto de 2013. Jorge Luis Rivera Pacheco, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 15 de agosto de 2013. Perla Janeth Rodríguez Guevara, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 15 de agosto de 2013. Andrés Gómez Torres, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 16 de agosto de 2013. Edgar Andrade Drías, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, con orientación en Producción y Calidad, 19 de agosto del 2013. Brenda Marisol Meza Torres, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 21 de agosto de 2013. José Raúl García Lugo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Sistemas Eléctricos de Potencia, “Control directo del par de un motor de inducción usando un convertidor multinivel”, 22 de agosto de 2013. Selene Escobar Rodríguez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 22 de agosto de 2013. 59 �Jorge David Bacelis Lara, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Dirección y Operaciones, 22 de agosto de 2013. Carmen Guadalupe González Galindo, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Logística Global, (Por materias), 22 de agosto de 2013. Meztli Natalia Martínez Pérez, Maestría en 60 Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 26 de agosto de 2013. Ricardo Cortés Frías, Maestría en Ciencias de la Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Influencia de la Familia en el aprovechamiento escolar del adolescente”, 29 de agosto de 2013. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Acuse de recibo PHYSICS EDUCATION JART El Institute of Physics es una sociedad científica basada en Inglaterra que, entre otras actividades, edita la revista Physics Education. El objetivo de la revista es la enseñanza de los fundamentos de la física a estudiantes de todos los niveles educativos, elemental a pregrado. Para lograr los objetivos pedagógicos, se presentan experimentos sencillos que aplican los principios básicos de la física con los recursos disponibles en un ambiente escolar. Un artículo reciente, en su edición de septiembre de 2013, presenta cómo construir en el aula una balanza para la medición precisa de la masa de los objetos utilizando un electroimán, con el mismo principio que utilizan los equipos más modernos y precisos. El acceso a artículos selectos es gratuito. La revista se encuentra disponible en http:// iopscience.iop.org/0031-9120/ El Journal of Applied Research and Technology (ISSN 1665-6423) se publica cada cuatro meses por el Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico de la Universidad Nacional Autónoma de México. La cobertura contempla acústica y vibraciones, biotecnología, cibernética y sistemas, computadoras y tecnologías de la información, electrónica e ingeniería eléctrica, ambiental, biomédica, de producto, industrial, mecánica y térmica, química, sísmica, materiales y sensores, metrología, nanotecnología, óptica, procesamiento de señales e imágenes, sistemas de control, software y tecnología educativos y telecomunicaciones. A pesar de la amplia cobertura de las áreas científicas-tecnológicas, los números particulares tienden a agrupar los diferentes tópicos hasta que en conjunto todos tienen su lugar. Esta revista se puede encontrar http://www.jart.ccadet. unam.mx Zarel Valdez Nava Juan Antonio Aguilar Garib Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 61 �Colaboradores Barrón Granados, Juan Francisco Gerente del departamento de investigación y desarrollo de Reacciones Químicas S.A. de C.V. Castillo Rodríguez, Guadalupe Alan Ingeniero Mecánico Electricista, Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Maestro en Ciencia de Materiales por la Technische Universität Clausthal, Alemania. A sido colaborador en el CIDT del Grupo Peñoles, Subdirector de la División de Estudios de Posgrado de la FIME, así como Director de Investigación de la UANL. Es Profesor/Investigador de la FIME-UANL y Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Sus líneas de interés son los materiales cerámicos y refractarios. Cepeda Mújica, Denisse Arantxa Estudiante de 7mo. semestre de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica en Ingeniería en Aeronáutica. Se desempeña actualmente como Becaria en el Laboratorio de Materiales Aeroespaciales en el Centro de Investigación e Innovación de Ingeniería en Aeronáutica y está llevando a cabo sus prácticas profesionales en la empresa denominada Reacciones Químicas S.A. de C.V. La estudiante ha realizado trabajos de investigación en colaboración con el CIIIA en relación al concreto polimérico Das Roy, Tushar Kanty Bachelor of Science por la Universidad de Calcuta en India, Maestría en Ingeniería de Metalurgia y Cerámica por la Universidad Técnica 62 de Berlín, Alemania, Doctor en Ingeniería de Materiales, por la Facultad de Minería, Metalurgia y Mecánica de la Universidad Técnica Clausthal, Alemania. Tiene una amplia experiencia laboral de investigación en empresas como Didier Werke, A.G. Alemania Financial, Mining, Industrial and Shipping Corporation, Atenas, Grecia y en Grupo Peñoles, México. Es Profesor/Investigador de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Sus líneas de interés son los materiales cerámicos y refractarios. Duncan Flores, Elsa Abigail Estudiante de la UANL-FIME, se desempeña actualmente como becaria en el laboratorio de materiales aeroespaciales en el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA)de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. La estudiante cuenta con una participacion en XXII International Material Research Congress por su investigación en concretos poliméricos. Actualmente cursa el 8º semestre de la carrera de Ingeniería en Aeronáutica. García Montes, Saida Mayela Licenciada Química Industrial (2008) y Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2011) por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es candidata a Doctora en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Gómez de la Fuente, María Idalia Doctora en Ciencia de Materiales (1998) y Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (1994) por la Facultad de Ingeniería Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Colaboradores Mecánica y Eléctrica de la UANL. Licenciada en Física (1988), Universidad Autónoma de Tamaulipas. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel 1, y actualmente es profesora-investigadora en la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL y editora de la revista Química Hoy, publicada en esa misma facultad. Hernández Urésti, Diana Berenice Ingeniero Mecánico Administrador por la UANL y Maestro en Ciencias con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Obtuvo su Doctorado en Ingeniería de Materiales en el área de fotocatálisis heterogénea en la FIME-UANL. Ha realizado estancias de investigación en Francia y Corea del Sur. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel C. Lizcano Zulaica, Carlos Javier Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Diplomado en siderurgia en la república federal de Alemania y una amplia experiencia laboral y científica de más de 30 años en la industria siderúrgica en compañías como Fundidora Monterrey, Hylsa y Ternium. Profesor/Investigador jubilado de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Investiga los fenómenos mecánicos en diferentes materiales, especialmente en acero; desarrollo de nuevos aceros y nuevos procesos de fabricación de acero, así como también desarrollo de modelos termodinámicos y termomecánicos de procesos siderúrgicos. Luna Criado, Carlos Doctorado en Física con especialidad en Física de la Materia Condensada y licenciado en Ciencias Físicas con especialidad en Física Teórica por la Universidad Autónoma de Madrid, España. Durante sus estudios doctorales participó en varios proyectos de investigación en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, España, y realizó una estancia postdoctoral en el Laboratorio de Magnetismo Molecular de la Universidad de Florencia, Italia. Actualmente es profesor-investigador de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 Autónoma de Nuevo León. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores con nivel I y cuenta con el reconocimiento de Perfil deseable para Profesores de Tiempo Completo (PROMEP). Es líder del cuerpo académico “Física de los sistemas de baja dimensionalidad y sus aplicaciones” de la FCFM de la UANL. Es coordinador del laboratorio “Física de los sistemas de baja dimensionalidad” del Centro de Investigación en Físico Matemáticas (FCFM, UANL). Martínez Arellano, Alma Gisela Maestra en Ciencia y Tecnología de Polímeros, actualmente ocupa el cargo de Jefa de Investigacion y Desarrollo de la empresa Reacciones Quimicas. Egresada de la Licenciatura en Química Industrial de la UANL generación 2004, estudió una maestría en Ciencias en el Centro de Investigación en Química Avanzada concluyendo dichos estudios en el 2007. Ingresa a laborar a Reacciones Químicas en ese mismo año como Investigadora de Recubrimientos y posteriormente continua su trayectoria como Investigador de Procesos, el éxito en este trabajo le ha llevado a cosechar entre otros logros la Jefatura del departamento de Investigación y Desarrollo desde el año 2011. Martínez de la Cruz, Azael Licenciado en Química Industrial por la UANL y Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid. Actualmente es profesor Investigador en FIME- CIIDIT-UANL, ha obtenido 5 premios de Investigación UANL, 2 reconocimientos Como asesor de la mejor Tesis de Maestría por la UANL y 3 Premios Nacionales de Investigación. Miembro del SNI, nivel 2. Mendoza Reséndez, Raquel Ingeniera Química y Maestra en Ciencias con orientación en Ingeniería Cerámica por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Doctora en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid, España. Realizó una estancia posdoctoral en la Universidad de Florencia, Italia. Es Profesora Investigadora de Tiempo Completo, en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Cuenta con el reconocimiento del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel 1 y con el Perfil deseable para Profesores de Tiempo Completo (PROMEP). 63 �Colaboradores Morales Ibarra, Rodolfo Profesor-Investigador de la UANL-FIME, desempeña actualmente el cargo de jefe del laboratorio de materiales aeroespaciales en el Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA) de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. El Profesor Morales es Ingeniero en Materiales egresado de la FIME-UANL, donde cursó también una Maestría en Administración de Negocios Industriales; posteriormente cursó una Maestría en Ciencias de la Ingeniería Aeroespacial con orientación en Estructuras y Materiales Compuestos en la Université de Bordeaux en Francia. Actualmente está concluyendo el Doctorado en el Programa de Ingeniería de Materiales de la FIME-UANL sobre un proyecto en colaboración con la Universidad de Kumamoto en Japón, con apoyo de CONACYT. Pinzón Galvis, Sandra Sandra Pinzón Galvis: Ingeniera civil de la Universidad Santo Tomás de Aquino, sede Bogotá. aspirante a Magister en Gestión Urbana de la Universidad Piloto de Colombia, sede Bogotá. Docente tiempo completo de la Universidad Piloto de Colombia- Seccional Alto Magdalena, sede GirardotColombia, Director de la línea de investigación en materiales de la región. Puente Ornelas, Rodrigo Ingeniero Mecánico Administrador, Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad 64 Materiales y Doctor en Ingeniería de Materiales por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Profesor/Investigador de la FIME-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Investiga los fenómenos de corrosión en materiales refractarios y aceros de refuerzo, desarrollo de nuevos materiales refractarios, cementicios y termoeléctricos, así como la utilización de materiales suplementarios y desechos industriales para el mejoramiento de las propiedades fisicoquímicas y de durabilidad de pastas, morteros y concretos. Vázquez Méndez, Bertha Alicia Lic. en Química Industrial (FCQ-UANL), Maestra en Ciencias con especialidad en Ingeniería Cerámica (Posgrado FCQ-UANL) y Doctora en Ciencias con especialidad en corrosión de materiales refractarios por la Universidad Autónoma de Madrid en España, llevado a cabo en el Instituto de Cerámica y Vidrio del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICV-CSIC). Profesor/ Investigador actualmente de la FACPYA-UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Líneas de Investigación: Ciencia de los Materiales Tradicionales y Avanzados, Química del Estado Sólido, Diagramas de Equilibrio de Fases, Materiales Refractarios, Síntesis y Caracterización de Materiales, Reutilización de Materiales de desecho para su aplicación en el mejoramiento de las propiedades de la industria cerámica (cemento, vidrio, refractarios, materiales funcionales, etc) y Corrosión de Materiales Refractarios. Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año XVI, No. 61 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 65 �66 Ingenierías, Octubre-Diciembre 2013, Año. XVI, No. 61 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2013 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 16 Número Número de la revista 61 Mes de publicación Mes cuando se publicó Octubre-Diciembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2013, Año 16, No 61, Octubre-Diciembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/10/2013 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020824 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Coque de petróleo Corrosión Fotocatálisis heterogénea Horno gasificador Nanoelipsoides Refractarios https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20783/Ingenierias_2013_Ano_16_No_60_Julio-Septiembre.pdf 838909f61d84d7fc75c52e02c13128d4 PDF Text Text �Contenido Julio-Septiembre de 2013, Año XVI, No. 60 60 2 Directorio 3 Editorial: Generación de conocimiento frente a propiedad intelectual Antonio García Loera 7 Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio Ana María Guzmán Hernández, Claudia Elizabeth Amaro Cortés, Guadalupe Alan Castillo Rodríguez 14 Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP Daniel Guillén, Gina Idárraga Ospina 20 27 35 Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad Edmundo Derbez García Microinterruptor magnético con material híbrido Fralett Suárez Sandoval, Beatriz Cristina López Walle Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos David Coureaux Mustelier, Alexey Goéz Úsuga, Blanca Reig López, Luis Miguel Llanes Pitarch 41 Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol bencílico en estados subcríticos y supercríticos Rodolfo Morales Ibarra, Mitsuru Sasaki, Motonobu Goto, Armando T. Quitain, Saida Mayela García Montes 53 Eventos y reconocimientos 56 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 59 Acuse de recibo 60 Colaboradores 63 Información para colaboradores Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 1 �Ingenierías, Año XVI, N° 60, julioseptiembre 2013. Es una publicación trimestral, editada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854, Fax +52 81 83320904. Editor responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib. Reserva de derechos al uso exclusivo No. 04-2011-101411064600-102, ISSN: 1405-0676. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, otorgado por la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. 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Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH 2 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 �Editorial: Generación de conocimiento frente a propiedad intelectual Antonio García Loera FIME-UANL drgloera@live.com.mx En la historia reciente se han considerado como elementos fundamentales para el desarrollo de una nación la educación, y la generación y aplicación del conocimiento. Esta afirmación toma mayor énfasis tras la formación de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE), y se puede observar que estos factores se incluyen cada vez con mayor frecuencia en los planes de desarrollo de los países. La generación de conocimiento puede llevarse a cabo mediante acciones individuales de hombres de ciencia, o bien a través de esfuerzos conjuntos de estructuras sociales tales como el clero, el gobierno y, sobre todo, las universidades e incluso de las empresas. A través de la historia, las universidades se han caracterizado por su labor como entes generadores de conocimiento en diversos ámbitos que incluyen las ciencias sociales, ciencias de la salud, física, química e ingeniería. La motivación para llevar a cabo actividades que llevan a la generación de conocimiento puede ser la satisfacción de una necesidad, o bien simplemente por el deseo filosófico de conocer. Independientemente del motivo se requieren recursos para que estas actividades se desarrollen, tanto para la investigación en sí como para el sustento de los investigadores. Las primeras universidades eran por definición una estructura en la que se reunían profesores y académicos cuyas actividades estaban patrocinadas por príncipes o prelados, cuyos proyectos contribuían a la sustentación de su poder en su momento de la historia. Estos proyectos corresponderían en la actualidad a aquellos clasificados arbitrariamente como “aplicados” porque tienen su origen en una demanda específica en contraste con los proyectos “básicos” que se suponen de interés público, sin que el momento en que se produce tenga un cliente o usuario específico. La investigación básica normalmente es financiada por el gobierno y patrocinadores interesados en la formación de recursos humanos, mientras que la investigación aplicada tiene un solicitante que tiene una demanda específica. Sin embargo, la universidad no renuncia a su interés de poner a disposición de la sociedad los conocimientos generados y cada vez se organiza mejor, como se puede constatar con la creación de centros de investigación en los que se llevan a cabo estas actividades que le permiten aprovechar su capacidad para desarrollar investigación tanto básica como aplicada. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 3 �Generación de conocimiento frente a propiedad intelectual / Antonio García Loera. La intención de satisfacer los requerimientos de un solicitante particular provocó el nacimiento de un nuevo tipo de transacción mercantil: La venta del conocimiento. Ahora el conocimiento era generado para una entidad física y/o moral, no necesariamente en universidades, obteniendo un beneficio material a partir de esta venta. Lo anterior dio pie a una nueva incógnita: ¿Cuánto cuesta generar el conocimiento? Esta pregunta resulta difícil de contextualizar y sólo puede ser contestada bajo condiciones particulares; se puede establecer un valor base si se contabilizan los insumos, los costos de operación, de infraestructura utilizada y el salario de los investigadores según el tiempo dedicado. No obstante, la esencia del conocimiento, la idea medular que impulsó a la solución, siempre resultará complicada de tasar debido a las condiciones fluctuantes de oferta y demanda. Las condiciones bursátiles de los productos generados con el conocimiento hacen que el valor monetario de la transferencia de conocimiento tenga una apreciación variable conforme pasa el tiempo, según el impacto económico que se logre en el futuro. Por ejemplo, resulta complicado imaginar el valor económico de los conocimientos generados por Galileo Galilei considerando la posibilidad de aplicación en su tiempo, y aun hoy, aunque no hay duda de que las contribuciones de Galileo son valiosas, resulta difícil cuantificarlas. Se ha dicho “de Galileo” así que fuera de escenarios hipotéticos, se sugiere que el conocimiento puede tener un dueño, y se podría hablar de propiedad intelectual. Bajo este contexto, el conocimiento dejó de ser del dominio público para establecerse como un derecho patrimonial de uno o varios individuos. El incremento en la demanda de conocimiento para fines de aplicación que se hace a las universidades ha derivado en una evolución en la motivación para la generación de conocimiento, que deja de tener carácter público, dejando que los interesados que la financian lo posean para fines particulares, transformándolo en una propiedad intelectual o industrial. Esta evolución indujo reglamentaciones jurídicas alrededor del mundo para proteger el derecho patrimonial de la propiedad intelectual. El vínculo entre el conocimiento y su autor es un derecho innato que no puede transgredirse; el reconocimiento de autoría está protegido por múltiples leyes internacionales con la finalidad de hacer válido dicho derecho moral. Por otra parte, es posible transferir los derechos de explotación hacia terceros con la finalidad de percibir una retribución económica, y esto finalmente es lo que permite concebir la transacción mercantil del conocimiento. Actualmente las transacciones asociadas a la transferencia de tecnología pueden ser negociadas mediante aportaciones económicas fijas o bien a través de porcentajes de participaciones derivadas de las ventas del producto que fue innovado. Dicho lo anterior, podemos señalar que la concepción del conocimiento a priori no implica cauces jurídicos que justifiquen su pertenencia; no obstante al hablar de propiedad intelectual convertimos al conocimiento en un instrumento mercantil que debe ajustarse a la normativa socioeconómica de un entorno regional, nacional o internacional. En la actualidad, las universidades confrontan la dualidad de la generación del conocimiento y la generación de propiedad intelectual. Por una parte, la naturaleza 4 © Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 �Generación de conocimiento frente a propiedad intelectual / Antonio García Loera. de desarrollo y difusión libre de los conocimientos, y por otra, la búsqueda de recursos a través de la privatización y venta del conocimiento; ambas posturas son válidas y loables siempre y cuando exista un balance entre ellas. Se pueden destacar tres escenarios posibles para poder esquematizar un balance apropiado de políticas de investigación y desarrollo dentro de las universidades: A) Generación mayoritaria de conocimiento básico. Al tenor de esta primicia la vinculación con industriales resulta poco viable, por lo cual el fondeo de la investigación tendrá que ser acreditado por instancias no lucrativas, las cuales son escasas y por ende los programas de investigación tendrán limitantes inherentes al presupuesto. La generación de conocimiento en este caso es una función del estado a través de mecanismos de apoyo gubernamentales. B) Generación mayoritaria de propiedad intelectual bajo demanda específica. En este esquema los fondos de investigación deben ser cubiertos por el solicitante, que bien podría ser la industria. No obstante la transferencia propia de la propiedad intelectual es generalmente subestimada en el contexto industrial mexicano, ya que existe predisposición por parte de los solicitantes para pensar que el pago de una investigación se resume a los gastos de operación; es común que se suponga que una función de los investigadores en las universidades es realizar esas tareas por lo que no requieren pago. Ni hablar del pago de la innovación que per se es desestimado y si a esto añadimos el recurrente status de urgencia que se da para iniciar el proyecto, la situación resulta poco favorable para realizar una negociación equitativa en términos del costo – beneficio que obtendrían los industriales. Más allá del problema de una venta no equitativa de la propiedad intelectual, existe el riesgo de caer en una laguna de ausencia de creatividad debido a la falta de generación de conocimiento básico que expanda las ideas que en un momento dado puedan aplicarse a un desarrollo tecnológico industrial. C) Generación mayoritaria de propiedad intelectual sin que exista un solicitante. Esta política representa un riesgo de caer en la tentación de desear patentar todo sin considerar que no existe ningún interés comercial detrás que sustente los costos de investigación realizados. Millones de patentes y derechos patrimoniales han sido registrados, pero es importante destacar que el hecho de establecer una propiedad intelectual no necesariamente significa que deba o tenga que ser utilizada. El hecho de no contar con un vínculo industrial inicial para concebir la propiedad intelectual otorga la libertad de negociar la venta de la misma sin la premura de comenzar el proyecto o bien sin los vicios de un financiamiento industrial que subestime al desarrollo. Es diferente negociar con una idea que necesita ser desarrollada a tratar la venta de un producto que ya fue desarrollado y comprobado. En definitiva, este esquema requiere dos componentes importantes: un análisis de pertinencia industrial para lograr hacerla atractiva al mercado comercial, y una estructura administrativa que realice un trabajo de promoción de los desarrollos previamente patentados para obtener un fondeo recurrente para nuevos desarrollos. Estos escenarios difieren fundamentalmente en el origen de los recursos para desarrollar la generación de conocimiento en función de su posible destinatario. Aunque no se hace una alusión directa al costo de esta generación, si se menciona que el apoyo puede ser gubernamental, donde la negociación Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 5 �Generación de conocimiento frente propiedad intelectual / Antonio García Loera. para la asignación de recursos no es particular, sino que estaría sujeta a un sistema de convocatorias y de demandas, según el análisis que realice el estado a través de diferentes mecanismos, tales como las consultas y las actividades de comisiones específicas. En este caso las universidades pueden llevar a cabo dentro del marco de sus propios reglamentos, la formación de recursos humanos y la generación divulgación del conocimiento libremente. En este modo, el valor de estas actividades está estrechamente relacionado con el costo de operación de los proyectos. El escenario que se da bajo demanda específica es el que requiere mayor atención, pues aquí es donde el valor de los conocimientos integra aspectos de mercado y de potencial de aplicación. Este esquema podría garantizar los recursos económicos y materiales necesarios para la ejecución de un proyecto, e incluso ofrecer una beneficio en términos de rentabilidad para las entidades participantes, pero es el que también requiere mayor atención en cuanto a la negociación de sus condiciones en términos de los compromisos de las universidades y los deseos de los solicitantes. Un escenario en que se genera conocimiento sin que haya ningún solicitante ni una convocatoria gubernamental es más difícil de tratar, porque el éxito de estos proyectos no se puede conocer hasta que se tiene una aplicación que brinde alguna forma de beneficio. Este esquema funcionaría solamente en situaciones en las que haya disposición a invertir capital de riesgo en las condiciones que este tipo de inversionistas establecen. Para lograr equilibrar las políticas de investigación y desarrollo, es necesario fomentar la generación de conocimiento básico para incrementar el acervo de creatividad, y orientar la mayor cantidad posible de estos conocimientos básicos hacia desarrollos tecnológicos de interés industrial para que puedan ser patentados. Establecer vínculos con entidades industriales y desarrollar proyectos de investigación que incluyan la venta de una propiedad intelectual previamente desarrollada permitirá negociar una mayor cantidad de fondos para futuros conocimientos básicos que induzcan un ciclo autosustentable. En resumen, y desde el punto de vista universitario, la relación sana entre una universidad y la industria, o bien entre la generación de conocimiento y la propiedad intelectual, debe contemplar acuerdos o convenios que valoricen la generación de conocimiento como piedra angular de la propiedad intelectual. El éxito en un programa de financiamiento de proyectos de investigación será directamente proporcional a la valorización y plusvalía tecnológica otorgada a nuestro conocimiento generado. Por consecuencia, el enfoque de la propiedad intelectual debe resumirse a la protección del conocimiento. Bajo esta óptica, el conocimiento generado debe imponerse sobre el concepto de la propiedad intelectual, con el fin de lograr acuerdos industriales equilibrados. Nam et ipsa scientia potestas est. Sir Francis Bacon 6 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio Ana María Guzmán Hernández, Claudia Elizabeth Amaro Cortés, Guadalupe Alan Castillo Rodríguez Doctorado en FIME-UANL ana.guzmanhr@uanl.edu.mx RESUMEN Los materiales refractarios más utilizados en hornos de fusión de vidrio son los ladrillos de AZS, los cuales son capaces de permanecer en contacto con vidrio fundido a muy altas temperaturas, sin embargo debido al alto costo de la zirconia es necesario evaluar materias primas alternativas. Se evaluaron dos formulaciones de ladrillos refractarios, la primera utilizando alúmina, zirconia y sílice y la segunda utilizando zircón y bauxita, ambas en contacto con vidrio fundido. PALABRAS CLAVE Bauxitas, refractarios, zirconia, vidrio fundido. ABSTRACT The refractory products most used in glass furnaces are AZS bricks which are able to withstand the contact with molten glass at very high temperatures, however, the cost of zirconia is high and alternative products are worth to study for these process. Two compositions of refractory bricks the first one was alumina-zirconia-silica and the second formulation zircon-bauxite as raw materials in contact with molten glass were evaluated. KEYWORDS Bauxite, refractories, zirconia, molten glass. INTRODUCCIÓN Los materiales refractarios son componentes importantes del equipo utilizado en la producción, refinación y manejo de metales y vidrios; en la construcción de hornos para tratamientos térmicos y en otros equipos de procesos a alta temperatura. Los refractarios deben soportar altas temperaturas sin corroerse o debilitarse por el entorno; los efectos de otras condiciones sobre el medio ambiente tienen un papel significativo en el rendimiento en servicio de los refractarios.1-3 Generalmente, estos productos están compuestos por diversas partículas gruesas de óxidos aglutinadas con un material refractario más fino, el cual al hornearse proporciona la unión. Los óxidos más utilizados para hornos refractarios son Al2O3, MgO, SiO2 y ZrO2. En lo que se refiere a los refractarios utilizados en hornos para la industria del vidrio, una buena alternativa son los refractarios AZS, debido a que el ZrO2 tiene un alto punto de fusión y es uno de los óxidos termodinámicamente más Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 7 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio / Ana María Guzmán Hernández, et al. estables. Cuando se coloca en las paredes de los tanques de fusión de vidrio ayuda a eliminar o reducir el desgaste desigual de la línea de corrosión asociada con el movimiento del líquido y efectos del recorrido por la combinación de vidrio y álcalis libres.5 Con respecto a estos productos se han hecho estudios6-9 que indican tiempos de vida largos bajo las condiciones agresivas de los procesos de fusión de vidrio, sin embargo, su costo es extremadamente alto por lo que se requiere el diseño de productos más económicos para este propósito.10-15 Algunas alternativas en materias primas para la fabricación de refractarios AZS son el uso de zircón1617 y bauxita cuya presencia favorece la formación de fases con propiedades altamente refractarias como la mullita. En base a lo anterior, el presente trabajo se enfoca en el análisis del uso de estas materias primas que pudieran ser más económicas para el desarrollo de productos refractarios AZS. en forma de pastillas por prensado uniaxial entre 10 MPa y 12 MPa y se sinterizaron en un horno marca Linderg/Blue con una rapidez de calentamiento de 10 ºC/min hasta alcanzar una temperatura de 1600 ºC con un tiempo de permanencia de 5 hrs. después del cual, se dejaron enfriar hasta temperatura ambiente dentro del horno. Posteriormente, se realizó la prueba de penetración y ataque con vidrio fundido de acuerdo a la Norma ASTM C 874-77, la cual señala.18 √ Cortar probetas de los refractarios en prueba √ Realizar una perforación cilíndrica √ Rellenar la perforación con vidrio √ Quemar las probetas en un horno a 1450 °C durante 4 horas. Después del quemado, se realizó un corte transversal considerando como cara caliente la región en contacto con el vidrio fundido y como cara fría el otro extremo de la muestra para determinar penetración y ataque por medio del Microscopio Electrónico de Barrido. DESARROLLO EXPERIMENTAL Las materias primas utilizadas fueron alúmina, bauxita, sílice, zircón y zirconia, con las cuales se prepararon dos formulaciones (tabla I) que fueron caracterizadas mediante Difracción de Rayos X (DRX) y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB). Tabla II. Composición química del vidrio sódico-cálcico. Tabla I. Formulaciones de las materias primas. Composición 1 2 Alúmina (99% Al2O3) 43 -- Bauxita (75% Al2O3) -- 48 Zirconia (99.9% ZrO2) 20 -- Zircón (66% ZrO2) -- 29.5 Sílice (99% SiO2) 37 22.5 Posteriormente, se realizó una prueba de penetración y ataque con vidrio fundido (ver análisis químico en la tabla II) y el análisis postmortem de estos materiales se realizó mediante MEB. Preparación de formulaciones Se mezclaron las proporciones adecuadas de cada materia prima utilizando acetona para la homogeneización; posteriormente se secaron en un horno a 110 ºC por 24 h. Los polvos se compactaron 8 Compuesto Valor obtenido (% peso) Potasio 0.226 Aluminio 0.92 Calcio 7.14 Magnesio 0.16 Sílice 71.16 Sodio 7.80 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se determinó la densidad para cada una de las composiciones sinterizadas a 1600ºC (tabla III), en donde puede observarse que la mayor densidad se obtiene en composiciones fabricadas con bauxita y zircón, lo cual se ve reflejado en menor porosidad y por tanto, mayor resistencia a la penetración por sustancias fundidas. Esta diferencia en densidades puede deberse a una mayor homogeneización en tamaños de partícula de las materias primas (ver Tabla III. Densidades de las pastillas sinterizadas durante 5 horas. Composición 1 2 Densidad (gr/cm3) 5 Horas 2.453 2.707 4.67x10-6 9.12x10-6 Cambio lineal Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio / Ana María Guzmán Hernández, et al. tabla IV), ya que polvos con tamaños de partícula más fino pueden ser sinterizados (densificados) más rápidamente que polvos gruesos.19 Es importante mencionar que la densificación o sinterización por difusión en estado sólido implica una contracción o encogimiento del producto lo cual puede ser observado en la tabla III, por lo que este fenómeno debe ser considerado al momento de fabricar el producto, así como la coloración amarillenta al quemado debida a la presencia de cierto porcentaje de hierro en la bauxita (1.26%). Tabla IV. Distribución de tamaños de partícula. Materia prima Tamaño de partícula (μm) Alúmina 200-300 Bauxita 10-20 Sílice 75 Zirconia 4-6 Zircón 5-10 Fig. 2. DRX composición 2, B=Badeleyita, C=Corindón, M=Mullita y Z=Zircón. La microscopía de la formulación 1 (figura 3) señala una distribución uniforme de tamaños de partícula, fases AZS ricas en sílice (1) y/o zirconio (2), así como la presencia de pequeñas agujas de mullita (3). Ver espectros 1-3. Mientras que para la formulación 2 (figura 4) se tienen granos de AZS (1) con hierro y titanio embebidos (2). Ver espectro 5. DIFRACCIÓN DE RAYOS X Los resultados del análisis de DRX para las muestras sinterizadas señalan la presencia de badeleyita, corindón, cristobalita, mullita y zircón para la formulación 1 (figura 1) y badeleyita, corindón, mullita y zircón para la formulación 2 (figura 2). Fig. 3. Microfotografía correspondiente a la composición 1 sinterizada por 5 horas. Fig. 1. DRX composición 1, B= badeleyita, C= corindón, Cr= cristobalita, M= Mullita y Z= Zircón. Es importante notar la disminución en la proporción de badeleyita, ya que a alrededor de 1000ºC existe una transformación de monoclínica a tetragonal que implica cambios volumétricos alrededor del 9%,18 lo cual puede producir agrietamientos cuando el material se encuentre en funcionamiento. Por otro lado, se tiene mayor formación de mullita fase también altamente refractaria con excelentes propiedades de resistencia física y química.19 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Espectro 1. Análisis químico correspondiente a la fase AZS rica en sílice. 9 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio / Ana María Guzmán Hernández, et al. Espectro 2. Análisis químico de los granos blancos. Espectro 3. Análisis químico de las agujas. Fig. 4. Microfotografía de la composición 3 sinterizada por 5 horas. Microscopía electrónica de barrido muestras post-mortem En la figura 5a se puede observar la muestra general correspondiente a la formulación 1, en donde se detecta baja porosidad en la cara caliente debido a la penetración del vidrio fundido, lo cual puede afirmarse por el análisis químico obtenido mediante espectroscopía dispersiva de rayos X (EDS) en esta 10 Espectro 4. Análisis químico de los granos blancos. Espectro 5. Análisis químico de la zona gris con pequeños puntos blancos. región detectándose una fase AZS (alúmina-zirconiasílice) con calcio y sodio embebidos (espectro 6); conforme se avanza hacia la cara intermedia (figura 5b) ya no se tienen indicios de álcalis (calcio o sodio) correspondientes a la formulación del vidrio sódicocálcico, y se detecta mayor porosidad a medida que se avanza hacia la cara fría (figura 5c). Por otro lado, en la figura 6a se observa baja porosidad en la interfase con la cara caliente debido a la penetración de vidrio fundido lo cual puede corroborarse en el análisis químico obtenido por EDS (espectro 7); a medida que se avanza a lo largo de la muestra se llega a la cara caliente (figura 6b) en donde la porosidad es mayor y ya no se detecta la presencia de calcio o sodio provenientes de vidrio sólo aparecen fases rutilo (impurezas de la bauxita) y AZS (espectro 8). En lo que se refiere a la cara fría (figura 6c) no se detecta la presencia del vidrio solo continúa la fase AZS. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio / Ana María Guzmán Hernández, et al. Fig. 5. Composición 1, a) cara caliente, b) cara intermedia, c) cara fría. Espectro 6. Análisis químico de la cara caliente. Fig. 6. Composición 2, a) cara caliente, b) cara intermedia, c) cara fría. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 11 �Estudio del uso de bauxita en la fabricación de refractarios AZS para hornos de vidrio / Ana María Guzmán Hernández, et al. CONCLUSIONES En base a los resultados obtenidos se puede concluir lo siguiente: a) En las dos composiciones se observa una microestructura inalterada con buena liga entre partículas a excepción de la cara caliente en donde se detecta formación de productos de bajos puntos de fusión debido a la penetración de vidrio fundido. b) El análisis comparativo de los dos productos sinterizados indica que la composición con bauxita presenta mayor resistencia a la penetración por vidrio fundido debido a que su densidad es mayor y a la formación de una interfase que impide la penetración por vidrio fundido. c) El uso de bauxita representa una buena alternativa como materia prima en la fabricación de productos refractarios base AZS debido a la presencia de fases refractarias como mullita que proporciona mayor resistencia al ataque. Espectro 7. Análisis químico de la cara caliente. Espectro 8. Análisis químico de la cara intermedia. En la tabla V se presenta una comparación de la penetración por vidrio fundido en las dos formulaciones. Dicha comparación se basa en el análisis químico obtenido por EDS para cara caliente; si se consideran los porcentajes de sodio y calcio, se puede decir que hubo menor penetrabilidad en la formulación 2. Tabla V. Comparación de análisis químico obtenido por EDS en cara caliente. No. 1 2 Aluminio 9.48 11.44 Calcio Oxígeno Silicio Valor obtenido (% peso) 4.12 2.49 51.55 50.70 29.28 20.30 Sodio 3.31 1.33 Zirconio 2.28 13.73 12 BIBLIOGRAFÍA 1. F.H. Norton., Refractarios, Ed. Barcelona Blume, 1972. 2. Refractories Manual, American Foundrymens’s Society, Inc. Des Plaines, Illinois, 1994. 3. F.J. Ferrer, El refractario en la fabricación de acero inoxidable”, Bol. Soc. Esp. Ceram. V., 45(5), 363-366 (2006). 4. J.J. Laraudogoitia, A. Ibarrondo, F. González, et. al., Experiencias en el empleo de refractarios en la siderurgia no integral, Bol. Soc. Esp. Ceram. V. 45(5), 358-362 (2006). 5. 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Caballero, J. Requena, S. de Aza, Refractory bauxites. How processing can improve high temperature mechanical properties, Ceramics International, 12, 155-160 (1986). 12.C. Pascoal, V.C. Pandolfelli, Refractory bauxites: chemical composition, phases and properties- Part II, Ceramica, 46(299), 131-138 (2000). Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 13. X. Zhong, Bauxite-based synthetic refractory raw materials, American Ceramic Society Bulletin, 9101-9105, December 2005. 14. Norma ASTM C874-77: Test method for isothermal corrosion resistance of refractories to molten glass. 15. D.W. Richerson, Modern Ceramic Engineering, Ed. Dekker, 2nd ed. 16. S.C. Carniglia, op. cit., p. 166, 1992. 17. Ibid., pp. 138, 150, 227, 1992. 18. Refractories Manual, op. cit., pp. 7-9, 1994. 19. G.I. Vázquez Carbajal, J.L. Rodriguez Galicia, et al., Microstructure and mechanical behavior of alumina-zirconia-mullite refractory materials, Ceramics International, 38 (2012) 1617-1625. 13 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP Daniel Guillén, Gina Idárraga Ospina FIME-UANL gidarraga@gmail.com RESUMEN El presente trabajo muestra el comportamiento eléctrico que presenta un transformador de potencia cuando se expone a condiciones de corrientes geomagnéticas inducidas (GIC), que lo hacen operar en la región de saturación y el flujo de campo magnético cambia de acuerdo al diseño del núcleo del transformador. Estas características se pueden calcular mediante técnicas de simulación de elemento finito, y en este trabajo se pretende mostrar el comportamiento de la corriente de excitación y magnetización de un trasformador de potencia cuando se expone a condiciones de GIC utilizando simulación mediante Electromagnetic Transient Program (ATP). PALABRAS CLAVE Transformador, corrientes geomagnéticas inducidas. ABSTRACT This work presents the electrical behavior that a power transformer exibits when it is exposed to induced geomagnetic currents (GIC), which makes it to operate in the saturation region and the magnetic flux changes accordingly to the design of the nucleus of the transformer. This characterisitc can be calculated by means of finite element simulation techniques, and in the aim of this work is to show the behavior of the excitation and magnetization currents of a power tranformer when exposed to GIC conditions using Electromagnetic Transient Program (ATP) software. KEYWORDS Transformer, gemagnetic induced currents. INTRODUCCIÓN En la actualidad ha surgido un gran interés por conocer los efectos que provocan la corrientes geomagnéticas inducidas (GIC) en los equipos que conforman el sistema eléctrico de potencia (SEP), en particular los transformadores de potencia debido a que las GIC se introducen por el neutro de la conexión estrella (Y) al sistema eléctrico. El estudio de este fenómeno nace a raíz de mitigar el impacto 14 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP / Daniel Guillén, et al. de los disturbios magnéticos solares (normalmente llamados disturbios geomagnéticos) en sistemas eléctricos de potencia, debido a que desde hace varios años se han reportado una serie de tormentas geomagnéticas, mejor conocidas como tormentas solares, las cuales modifican los campos magnéticos de la tierra en amplias zonas geográficas debido a las partículas solares que interactúan con la magnetósfera, induciendo corrientes que fluyen a través de los sistemas aterrizados. Por está razón el interés de estudiar el efecto que provocan las GIC en transformadores de potencia, considerando que en los próximos años se espera un incremento en la actividad solar. Las GIC se caracterizan por ser señales de baja frecuencia cuyo rango reportado se encuentra entre 0.001 y 0.1Hz,1,2 esto permite que la señal de GIC pueda considerarse como una señal de corriente directa. Entonces, durante el periodo que el transformador de potencia se expone a condiciones de GIC, este se encuentra bajo excitación de corriente alterna (CA) y corriente directa (CD). TEORÍA DEL TRANSFORMADOR Un transformador al ser excitado por una fuente de CD no es capaz de magnetizar su núcleo de acuerdo con la ley de inducción de Faraday,3 sin embargo al ser alimentado con una fuente de voltaje de CA el transformador se magnetiza y como resultado se induce un voltaje en el lado secundario del transformador, este voltaje inducido de acuerdo “al modelo mostrado en la figura 1” se puede expresar de la siguiente manera: eind _ ca = vca − R p iexc − L p diexc dt (1) donde: iexc representa la corriente de excitación, la cual es la suma de la corriente de magnetización (corriente que pasa por la inductancia no lineal, Lm) y la corriente que fluye por la resistencia del núcleo (Rm), vca es el voltaje de excitación de CA, Rp y Lp son la resistencia e inductancia del transformador referida al lado primario. Si ahora se considera que el transformador es alimentado por una fuente de CD y una de CA, el transformador se magnetizará y por lo tanto existe voltaje inducido que provoca un flujo de campo magnético a través de su núcleo diferente al producido por la fuente de CA. Esto es muy similar a lo que ocurre con un transformador de potencia bajo condiciones de GIC, entonces (1) se puede reescribir como: eind _ tot = vcd + vca − R p iexc − L p diexc dt (2) De la ecuación (2), se puede ver que el voltaje inducido depende de la respuesta de ambas fuentes CA y CD, por lo tanto el flujo magnético a través del núcleo del transformador será también la suma de ambas respuestas: φ = φcd + φca (3) En el momento que se comienza a incrementar el flujo magnético a través del núcleo del transformador, este tiende a trabajar en la región de saturación, la cual dependerá de las características propias del material ferromagnético. En la ecuación (3), las respuestas de CA y CD se pueden expresar de la siguiente manera: 1 eind _ ca d (t ) N∫ AN mI cd φcd = l φca = (4) donde: A representa el área de la sección del núcleo, N es el número de vueltas del transformador, μ es la permeabilidad del material ferromagnético, l representa la longitud de la sección del núcleo y finalmente Icd es la corriente de DC o GIC que fluye a través del núcleo. Fig. 1. Modelo simplificado del transformador. EFECTOS GENERADOS POR LAS GIC EN TRANSFORMADORES En el momento que se introducen las GIC por el neutro del transformador, este tiende a cambiar su punto de operación de acuerdo con Masoum Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 15 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP / Daniel Guillén, et al. y Albertson 4,5 el nuevo punto de operación del transformador tiende a estar en la región de saturación, lo cual genera una serie de inconvenientes no deseados para el equipo. Donde: k es factor que depende del diseño del núcleo del transformador, GIC es la corriente que fluye por el neutro del transformador y Q0 es la potencia reactiva en condiciones normales. A. Saturación El flujo de GIC por el núcleo del transformador provoca un flujo magnético mayor que en condiciones normales de operación; si el flujo magnético incrementa a razón de GIC, el núcleo del transformador tiende a saturarse debido a que su nuevo punto de operación estará en la región de saturación, esto provoca que la señal de la corriente de excitación se encuentre saturada cada medio ciclo. En el momento que el transformador alcanza el nuevo punto de operación se dice que está en equilibrio de saturación.6 COMPORTAMIENTO DEL TRANSFORMADOR EN CONDICIONES DE GIC Con el objetivo de ejemplificar el comportamiento de la corriente de excitación en un transformador de potencia bajo condiciones de GIC, se utilizó “el esquema mostrado en la figura 2”, donde el circuito representa el modelo simplificado de un transformador cuyos datos son: 240 MVA, 230/500 kV con una reactancia de dispersión del 8 %. B. Distorsión Armónica En el instante que el núcleo del transformador se satura debido al flujo GIC, la corriente de excitación se distorsiona notablemente provocando un aumento en las magnitudes de las componentes armónicas, las cuales se incrementan a razón del valor de GIC. Entre mayor es el valor de GIC, mayor será la distorsión armónica total (THD) de la corriente de excitación del transformador. Utilizando la ecuación (5), se puede determinar el TDH de la señales de corriente o voltaje según sea el caso. THD = 1 I1 ∞ ∑I n=2 2 n Fig. 2. Transformador bajo excitación de CA y CD. De acuerdo con “el modelo presentado en la figura 1”, el comportamiento eléctrico del transformador de potencia en condiciones normales de operación y sin carga “es el que se presenta en la figura 3”, donde la señal de color verde corresponde a la corriente de excitación y la de color rojo a la corriente de magnetización. (5) donde: I1 es la magnitud de la componente fundamental e In representa la magnitud del enésimo armónico. C. Pérdidas de Potencia Reactiva Otro efecto que provocan las GIC en transformadores de potencia es el incremento en el consumo de potencia reactiva,7 el cual incrementa de forma lineal con el flujo de GIC por el núcleo el transformador, el consumo de potencia reactiva a su vez dependerá del diseño del núcleo del transformador 8 y se puede calcular usando la siguiente expresión: Q( MVar ) = k * GIC + Q0 (6) 16 Fig. 3. Señales de corriente en condiciones normales y sin GIC. En el instante que aparece un flujo de GIC por el neutro del transformador, el punto de operación se mueve a la región de saturación, entonces el nuevo punto de operación se alcanza en el instante que el transformador llega al equilibro de saturación.9 Esto se puede ver en la figura 4, observe que la señal Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP / Daniel Guillén, et al. correspondiente a la corriente de magnetización (color rojo) se incrementa hasta alcanzar un nuevo punto de equilibrio, el cual se lográ en aproximadamente 8s, en este instante el valor promedio de la señal es diferente de cero y se mantiene constante después de los 8s. De forma similar la corriente de excitación (color verde) se incrementa pero en menor cantidad en comparación con la corriente de magnetización. Fig. 4. Señales de corriente para condiciones de GIC. Al momento que la corriente de magnetización alcanza el equilibrio de saturación, ésta provoca un efecto secundario (distorsión de la señal) en la corriente de excitación del transformador. En la figura 5, se puede observar que la corriente de magnetización (color rojo), cada medio ciclo provoca una ligera distorsión en la señal de la corriente de excitación (color verde), debido a que la corriente de magnetización se encuentra saturada cada medio ciclo. Entonces el valor de la distorsión de las señales eléctricas dependerá de forma directa del valor de GIC inducido al transformador por su neutro de la conexión en estrella. CASO DE ESTUDIO El sistema eléctrico utilizado para estudiar el comportamiento eléctrico de transformadores de potencia “se muestra en la figura 6”, en donde la rama de magnetización del transformador de potencia se representa con tres reactancias no lineales conectadas en estrella.10 La conexión del transformador es ∆Y, y alimenta una carga de 120MVA con factor de potencia de 0.8 en atraso. La carga es alimentada a través de una línea de transmisión de 500kV con una longitud de 50 km. Fig. 6. Sistema eléctrico para análisis de transformadores bajo condiciones de GIC. De acuerdo con “el circuito de la figura 6”, el interruptor “S” permanece cerrado durante el primer segundo y enseguida se conecta la fuente de CD, que simula el flujo de GIC a través de la rama de magnetización del transformador de potencia. En el instante que el transformador tiende a alcanzar el nuevo punto de operación, las corrientes por fase de la rama de magnetización se incrementan hasta llegar a la saturación de medio ciclo, como “se observa en la figura 7”. Fig. 7. Corrientes de magnetización bajo condiciones de GIC. Fig. 5. Corriente de excitación y magnetización en condiciones de GIC. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Un transformador al estar operando en la región de saturación provoca una distorsión en las corrientes de línea tanto del lado primario como del 17 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP / Daniel Guillén, et al. lado secundario del transformador, esta distorsión se puede ver en la figura 8. La señal de corriente correspondiente al lado primario es la línea roja, mientras que la línea verde representa la corriente secundaria del transformador. ANÁLISIS DE RESULTADOS En la tabla I, se pueden observar los resultados de la corriente de magnetización para diferentes valores de GIC, así como la distorsión armónica total de la señal. Se puede ver claramente que la distorsión de la señal está directamente ligada con el flujo de GIC a través de la rama de magnetización del transformador, entre mayor es el flujo de GIC mayor será la THD de la corriente. Tabla I. Corriente de magnetización para diferentes valores de GIC. I_ mag GIC 0 2 4 6 8 10 1 0.6795 1.0463 2.3535 4.1677 5.4678 6.7832 2 0.0167 0.3512 1.5168 3.2145 4.4913 5.7757 3 0.0160 0.3015 1.2627 2.7940 4.0374 5.2776 Fig. 8. Corrientes de línea para el lado primario y secundario del transformador bajo condiciones de GIC. 4 0.0151 0.2413 0.9723 2.3184 3.5247 4.7168 5 0.0140 0.1780 0.6902 1.8639 3.0370 4.1873 Al igual que las señales de corriente, también se ven afectadas las señales de voltaje. En la figura 9, se muestran los voltajes por fase, la señal de voltaje del lado primario (línea verde) se observa menos distorsionada debido al flujo de GIC por el transformador, mientras que el voltaje secundario resulta ser el más distorsionado (señal roja), esto se debe al tipo de conexión del transformador. De manera similar ocurre con las corriente por fase, sin embargo cabe recalcar que en la figura 8 se mostraron las corrientes de línea en donde la corriente del lado primario parece ser la más afectada, esto se debe al desbalance que ocasionan las corrientes de magnetización mostradas en la figura 7. 6 0.0128 0.1184 0.4510 1.4855 2.6342 3.7557 7 0.0114 0.0679 0.2722 1.2067 2.3389 3.4433 8 0.0100 0.0300 01563 9 0.0086 0.0053 0.0904 0.9272 0.0460 3.1381 Fig. 9. Voltajes de fase, primario y secundario del transformador bajo condiciones de GIC. 18 1.0302 2.1561 3.2552 10 0.0071 0.0073 0.0575 0.8726 1.9834 3.0656 11 0.0057 0.0106 0.0403 0.8408 1.9396 3.0049 12 0.0043 0.0080 0.0273 0.8179 1.9001 2.9416 13 0.0031 0.0030 0.0139 0.7995 1.8611 2.8729 14 0.0020 0.0018 0.0019 0.7865 1.8237 2.8002 15 0.0010 0.0049 0.0093 0.7808 1.7899 2.7264 THD 5.80% 54.40% 100.86% 160.03% 210.98% 238.92% CORRIENTE DE MAGNETIZACIÓN PARA DIFERENTES VALORES DE GIC Los resultado mostrados en la tabla I, se obtuvieron por medio del programa de simulación ATP, donde la primera columna corresponde a la magnitud de la componente fundamental (1) y las componentes armónicas (2 en adelante), siendo 2 la primera componente armónica de la corriente de magnetización. Se puede observar que para valor de GIC nulo existe una ligera distorsión en la señal debida al pequeño desbalance que presentan las corrientes de magnetización por fase. A medida que se incremente el flujo de GIC por la rama de magnetización la distorsión de las señales eléctricas será mayor, sin embargo la distorsión no es el único efecto que provocan las GIC en transformadores. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento de transformadores eléctricos bajo condiciones de GIC mediante el uso de ATP / Daniel Guillén, et al. Otra razón para estudiar el transformador bajo condiciones de GIC, es el aumento en el consumo de potencia reactiva, así como el incremento de la temperatura del tanque del transformador debido al reordenamiento de los flujos de campo magnético a través de su núcleo ferromagnético, esto último se puede ver usando técnicas de elemento finito.11 CONCLUSIONES El equipo más afectado de un sistema eléctrico bajo condiciones GIC es el transformador de potencia, por lo que sigue existiendo un gran interés por determinar los efectos que ocasionan las GIC en los transformadores, con el objetivo de garantizar el funcionamiento adecuado del equipo bajo estas condiciones. Por está razón, el presente trabajo mostró el efecto secundario que ocasionan las GIC en los transformadores de potencia, siendo la rama de magnetización la parte más afectada. Sin embargo, no solo pueden presentarse problemas de distorsión de las variables eléctricas, sino también, incremento en el consumo de potencia reactiva, problemas en los sistemas de protección y aumento en la temperatura del transformador. REFERENCIAS 1. C. M. Liu, L. G. Liu and R. Pirjola, Geomagnetically Induced Currents in the High-Voltage Power Grid in China, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 24, no. 4, pp. 2368-2374, October 2009. 2. H. C. Tay and G. W. Swift, A Novel Method of Detecting Asymetrical Transformer Core Saturation due to GIC, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-103, no. 1, pp. 183-189, January 1984. 3. S. J. Chapman, Electric Machinery Fundamentals, 4th ed.: McGraw-Hill, 2004. 4. M. A. S. Masoum and P. S. Moses, Influence of Geomagnetically Induced Currents on ThreePhase Power Transformers, in Australasian Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Universities Power Engineering Conference (AUPEC), 2008. 5. V. D. Albertson, J. G. Kappenman, N. Mohan and G. A. Skarbakka, Load-Flow Studies in the Presence of Geomagnetically Induced Currents, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-10, no. 2, pp. 594-607, February 1981. 6. M. Heindl, M. Beltle, M. Reuter, D. Schneider, S. Tenbohlen, D.T. Oyedokun and C.T. Gaunt, Investigation of GIC Related Effects on Power Transformers Using Modern Diagnostic Methods, in XVII International Symposium on High Voltage Engineering, Hannover, Germany, 2011. 7. B. Zhang, Y. Liu, L. Liu, M. McVey, R. M. Gardner and X. Xiao, Effect of Load Current on Leakage Flux of Transformer with Geomagnetically Induced Current, EUROPEAN Transactions on Electrical Power, vol. 21, pp. 65–173, 2011. 8. X. Dong, Y. Liu and J. G. Kappenman, Comparative Analysis of Exciting Current Harmonics and Reactive Power Consumption from GIC Saturated Transformers, in Power Engineering Society Winter Meeting, 2001, pp. 318-322. 9. R.A. Walling and A.H. Khan, Characteristics of Transformers Exciting-Current During Geomagnetic Disturbances, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 6, no. 4, pp. 1707-1714, October 1991. 10. N. Mohan, J. G. Kappeximan and V. D. Albertson, Harmonics and Switching Transients in the Presence of Geomagnetically Induced Currents, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-100, no. 2, pp. 585-593, February 1981. 11. B. Bai, B. Xu and J. Lu, An Analysis to Force Received in Transformer Core under DC Bias Conditions, in International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Shenyang, China, August, 2011. 19 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad Edmundo Derbez García UANL edmundo.derbezg@uanl.mx RESUMEN Se presenta una reseña de los experimentos para lanzar cohetes en trayectoria balística que llevaron a cabo en 1961 maestros y alumnos de la Escuela Industrial Álvaro Obregón (EIAO) y de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Estas actividades estuvieron inspiradas por el deseo de desarrollar aplicaciones prácticas con los conceptos aprendidos en las aulas en el marco de la influencia de la carrera espacial iniciada con el lanzamiento del Sputnik en 1957, el ambiente de creación de agencias espaciales, y en México la discusión para formar la Comisión Nacional del Espacio Exterior. PALABRAS CLAVE EIAO, cohetes, balística. ABSTRACT An outline of the experiments for launching rockets in balisitc trajectory performed in 1961 by the students and faculty of the Escuela Industrial Álvaro Obregón (EIAO) and the Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica of the Universidad Autónoma de Nuevo León is presented. These activities are inspired on the wishes for developing practical applications of the learned concepts in the classroom in the frame of influence of the space race started with the lauch of the Sputnik in 1957, the interest in creating space agencies, and the discussion in México for creating the Comisón Nacional del Espacio Exterior. KEYWORDS EIAO, rockets, balisitics. El impulso de la carrera de ingeniería aeronáutica en la FIME y la de Técnico en Mantenimiento Aeronáutico que ofrece la EIAO, creadas para atender la necesidad de especialistas de este creciente sector estratégico, tuvo sus antecedentes en 1961 durante la construcción y lanzamiento de cohetes por parte de un grupo de maestros y alumnos entusiasmados por la floreciente carrera espacial. Avivado por la carrera espacial sostenida por las potencias en el apogeo de la Guerra Fría, los rusos mediante sus cohetes Vostok y los norteamericanos con el Atlas, la ingeniería aeroespacial despertó a fines de la década de los cincuenta y principios de los sesenta, un gran interés en las instituciones de educación superior del país. 20 Artículo publicado en el Boletín del Centro de Documentación y Archivo Histórico de la UANL. Año 2, número 18, julio 2011. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez Imbuidos de este entusiasmo, maestros y alumnos de la Escuela Industrial y Preparatoria Técnica Álvaro Obregón y de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, que estudiaban de manera teórica estos aspectos, emprendieron el diseño, construcción y lanzamiento de una serie de proyectiles impulsados por combustible sólido dando a la entonces Universidad de Nuevo León el privilegio de ser la primera en realizar este tipo de experimentos, además de marcar una nueva era en la investigación científica y tecnológica en México. Esta labor se realizó bajo la dirección de los maestros Miguel Barrera Díaz y Rodolfo Villarreal Garza con el apoyo del director de la Álvaro Obregón, Santiago Tamez Anguiano quien, entusiasmado por el proyecto, consiguió los recursos económicos y materiales. Barrera Díaz recuerda el día en que surgió la idea: “Cuando estaba dando la clase de física en tiro parabólico, puse varios ejemplos de un cohete porque en esa ocasión estaba de moda al lanzar los rusos a Yuri Gagarin al espacio, entonces uno de los muchachos me dice, ¿por qué sólo en teoría, por qué no hacer un cohete? Le dije, me estás provocando, los invito a todos a hacerlo”. De inmediato los profesores Barrera Díaz y Villarreal Garza se documentaron, principalmente en libros de la Universidad de California y del Massachusetts Institute of Technology (MIT), para elaborar los proyectos de los primeros cohetes cuya concepción resultaron muy útiles para las prácticas de materias como térmica, mecánica de fluidos y dinámica de fluidos. En el Taller de Máquinas Herramientas de la EIAO el ingeniero Barrera Díaz diseñó y construyó un gran simulador “analógico y directo”, bien cimentado para efectuar con minicohetes pruebas y verificaciones, por ejemplo, de variables como diámetros y distancias. Aunque invertían mucho tiempo en ellas, los resultados resultaban evidentes. “Esos están locos”, decían algunos al saber de los planes. Se probaron dos pequeños proyectiles: el EIAO-1 de un kilo 750 gramos que alcanzó mil 500 metros de altura y el EIAO-2 de 40 kilos que, disparado desde el patio de la escuela, en abril de 1961, subió dos mil 100 metros. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Estos disparos, mantenidos en reserva, probaron la factibilidad de efectuar un lanzamiento en campo abierto de un cohete de dos metros y medio de altura, cuatro pulgadas de diámetro y 35 kilos de peso terminado en 10 días de trabajo. La estructura cilíndrica fue construida con tres ángulos de acero reforzadas exteriormente con anillos por excelentes torneros y fresistas de ambas escuelas, entre ellos destacó especialmente el joven José Guadalupe Muraira González, apodado el “Mecánico”, generación 1961-1965 de Ingeniero Mecánico Electricista quien, no obstante la antigüedad de los equipos, realizó un perfecto maquinado de las toberas. Dispuestas en un extremo de la carcaza, resultaba uno de los componentes que requerían mayor precisión en su construcción dado que eran responsables de aprovechar la presión de los gases para lograr la mayor velocidad de salida del cohete. Industrias como Pigmentos y Óxidos y Zinc Nacional cooperaron con su esfuerzo, esta última les proporcionó el zinc para el combustible, mientras otro de los componentes, el azufre, lo adquirieron por kilos en la Farmacia Benavides. Ambos productos se mezclaban en una relación de 75 y 25 por ciento en peso, para luego introducirlo a presión, con sumo cuidado, en la cámara de combustión. El resultado de los trabajos fue el cohete llamado EIAO-3 que, aunque seguía siendo pequeño, poseía todos los principios de los modernos cohetes de su época. Maestros y alumnos preparados para la prueba del cohete EAIO-3. 21 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez Gracias a las gestiones del maestro de la escuela, ingeniero Raúl Chapa Zárate ante la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, donde era además funcionario, les fue concedido un predio como zona de lanzamiento ubicado en una apartada región del desértico y agreste interior del municipio de Mina, conocido como El Macho y llamado en forma graciosa por la gente como “Cabo Mina”. La camioneta Chevrolet de Rodolfo Villarreal, donde se instaló la torre de lanzamiento, llegó al lugar, a kilómetro y medio de la cabecera municipal, escoltada por una patrulla la mañana del viernes 26 de mayo de 1961. Una vez preparada la instalación en aquella superficie que semejaba una amplia plataforma, el cohete fue colocado en posición ligeramente inclinada. Después, alumnos y maestros, conteniendo la emoción, se ubicaron en la llamada “zona de retiro de seguridad”, establecido a un kilómetro de distancia, ante la eventualidad de un estallido durante el arranque. Para el encendido de los motores, el sistema diseñado por Villarreal Garza, aunque simple, permitió arrancarlos de forma segura y controlada desde la distancia en que se encontraba. Se trataba de un sistema de encendido por tiempo para el que utilizó, ante la carencia de recursos económicos, Los ingenieros Rodolfo Villarreal Garza y Guillermo Montoya ajustan la cápsula del EIAO-3. Ingenieros Miguel Barrera Díaz (izq.) y Rodolfo Villarreal Garza mostrando la cápsula del cohete antes de su montaje. 22 un reloj despertador antiguo que al sonar su alarma activaba una de las perillas donde colocó un platino y cerraba el circuito. Tras el despegue, lograron observar la secuencia de vuelo de siete segundos con la aceleración y apogeo pero no la caída a tierra. Como recuerda Barrera Díaz. “Veíamos que salía el cohete, se acababa la estela y ya no veíamos nada, ¿Para dónde se iba?, quien sabe”. Se hicieron esfuerzos por localizar el punto de caída, no obstante que unos afirmaban haberlo visto caer en una parte y otros señalaban una distinta, ubicaron el sitio exacto para conducir los restos de regreso a la escuela. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez Lanzamiento del cohete EIAO-3. Durante el vuelo, los maestros tomaron el tiempo de ascenso y regreso a fin de estimar de manera aceptable la altura alcanzada por el cohete, considerando variables como su masa y diámetro. Si bien estaba diseñado para alcanzar un techo de 5 mil metros, la cifra estimada fue una altitud de tres mil 500 metros debido a que el paracaídas se abrió antes de lo previsto. La velocidad alcanzada fue de dos mil 100 kilómetros por hora, es decir, 600 metros por segundo, una verdadera hazaña considerando la estrechez de recursos de que dispusieron. La Secretaría de Comunicaciones y Transportes había lanzado dos de ellos, el primero alcanzó cuatro mil metros de altura y el segundo 25 mil con un alto costo debido al empleo de combustible líquido con base en alcohol y oxígeno. Por esa razón existía un marcado interés de la dependencia federal en los ensayos de la Álvaro Obregón al reducir ostensiblemente el uso del combustible sólido el costo de las pruebas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Su titular, ingeniero Walter C. Buchanan, pionero de la investigación espacial en México, informado ampliamente del experimento envió al director de la escuela una carta de felicitación y estímulo para los muchachos. La noticia del exitoso disparo fue recibida con entusiasmo por las autoridades de la Universidad, el rector Joaquín A. Mora ofreció a través de un mensaje la ayuda para seguir con las pruebas de balística. “Esto demuestra que el interés por el estudio y por todo aquello que signifique adelanto, puede traducirse en realizaciones prácticas aún dentro de la pobreza de elementos materiales. Las experiencias obtenidas permitirán mayores conocimientos prácticos en muchos campos de la ciencia y de la técnica y por lo tanto, el aprendizaje y preparación de maestros y alumnos será cada día mejor”, escribió. En las instalaciones de la escuela los participantes de la prueba, incluyendo jóvenes de entre 16 y 20 años de edad, recibieron felicitaciones de sus compañeros y de personas ajenas a la institución emocionadas por su logro. Enterado de la prueba el director del plantel Santiago Tamez Anguiano regresó de la Ciudad de México y Chapa Zárate desde la ciudad de Los Angeles, California. Las sociedades de alumnos de las distintas facultades, encabezadas por la de Derecho, presidida por César Lucio Coronado, pensaban convocar a una serie de homenajes dedicados a los alumnos de la Álvaro Obregón. El Ing. Santiago Tamez Anguiano (der) inspecciona los restos recuperados del cohete. Junto a él, hacia la izquierda, están los ingenieros Rodolfo Villarreal Garza y Miguel Barrera Díaz. 23 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez Plana del periódico “El Norte” publicada al día siguiente del lanzamiento. 24 En medio del regocijo no faltaron los comentarios jocosos producto del ingenio popular. La gente afirmó que sólo los regiomontanos podían haber hecho y lanzado un cohete con 600 pesos, que los alumnos parecían técnicos soviéticos al informar del mismo sólo hasta que tuvieron éxito y que en la próxima misión el primer ser vivo lanzado al espacio sería un cabrito: el “cabritonauta”. De hecho se estaba alistando el cuarto cohete compuesto de tres etapas, a semejanza de un Saturno, con sus toberas bien diseñadas para que diera el máximo empuje con mínima cantidad de combustible, a tal grado que al profesor Barrera Díaz le daba temor probarlo. “El alcance iba a ser demasiado grande, presuntamente 18 kilómetros, pero como no teníamos giroscopio para dirigirlo, el miedo era que fuera a caer encima de alguien”. Para evitar la pérdida del cohete de 120 kilos de peso y cuatro metros de altura, el doble del EIAO3, se había ideado colocarle señalizaciones de luz fosforescente a fin de delinear con exactitud su trayectoria durante la noche del lanzamiento al que estaba invitado el ingeniero Chapa Zarate. Incluso tenían el ofrecimiento de un ex alumno, el piloto aviador Manuel J. Leal, de contar con un paracaídas importado de Estados Unidos para el sistema de recuperación. Sin embargo, el “programa espacial” llegó a su fin cuando el Ejército, que observó el lanzamiento de Mina, prohibió la continuación de las pruebas. Villarreal Garza recuerda la impresión de los militares ante lo espectacular de la ignición y despegue. “El combustible necesita una temperatura muy alta de arranque, entonces le poníamos unas lámparas de flash preparadas para el arranque, ellos vieron un relámpago abajo y la nube que se forma, pasaron ese informe a México y dijeron que ya no”. Una forma de justificar la medida fueron los costos que, sin contar la mano de obra, ascendían a 10 mil pesos. Otro aspecto era que al avanzar rápidamente este desarrollo tecnológico, por un lado implicaba involucrar más equipos de investigación y mejores aparatos de seguridad, y por otro, sin advertirlo, los jóvenes maestros y alumnos estaban alterando con sus verdaderos misiles balísticos Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez el orden político mundial. Al menos advirtieron este trasfondo como freno a su entusiasmo por la cohetería experimental. La prohibición por parte del Ejército, los temores de probar un cohete más potente y finalmente un desenlace trágico durante la creación de un proyectil nuevo que costó la vida a un estudiante fueron los factores que influyeron en la cancelación definitiva de estas pruebas. El accidente sucedió el 27 de junio de 1961, horas antes de efectuar su lanzamiento en un terreno de la colonia San Jorge, cuando el joven del cuarto año, Bernardino García Cárdenas, elaboraba en el Taller de Modelado y Carpintería la base de madera para el despegue. Por una causa desconocida tenía consigo la cápsula que contenía mil 350 gramos de combustible sólido que, al estar cerca del esmeril, hizo explosión. No obstante, las prácticas continuaron en el simulador. Para ello empleaban un tanque donado por Petróleos Mexicanos, las probetas eran colocadas en un diafragma para que su fuerza fuera transmitida a un manómetro donde se tomaba la presión con el área y obtener así la magnitud del empuje producido por el motor. De esta forma se obtuvieron mediciones muy importantes de prototipos minimizados a nivel laboratorio, aunque todo se veía reducido de nuevo a lo teórico. De recibir el apoyo del gobierno los alcances de este proyecto hubieran sido amplios. “Hubiéramos llegado hasta mero arriba”, dice Barrera. “Nosotros lo hicimos –agrega Villareal Garza– para que los alumnos fueran agarrándole más cariño y respeto a la escuela y a su profesión” A continuación se transcribe la nota con referencia al lanzamiento publicada por Carlos Landeros en El Porvenir el 27 de mayo de 1961. EIAO-III Modesta pero magnífica hazaña Los regiomontanos no podían quedarse atrás y fue desde los polvorientos montes de Mina, a menos de 50 kilómetros de Monterrey, desde donde se alzó el primer cohete que se lanza en el norte de México, Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 de 35 kilos de peso, dos y medio metros de altura y fruto de un año de esfuerzos y de… ¡600 pesos! Su nombre es simbólico: el EIAO-III, en honor de la Escuela Industrial Álvaro Obregón, el viejo plantel universitario en el que trabajan los maestros y estudiantes que participaron en la modesta pero magnífica prueba. Por la frialdad de las cifras –600 pesos de costo efectivo– la prueba bien podía compararse con cualquiera otra de las realizadas en el planeta. No había allí millones de presupuesto ni maravillosos sistemas técnicos que apoyaran el experimento. Pero había un grupo de jóvenes maestros y estudiantes que por su actitud ante el futuro y por su entusiasmo, hacen abrigar esperanzas mayores en el ya común pero complicado campo de los vuelos espaciales. Estaba al frente un joven profesional, el ingeniero Miguel Barrera Díaz de 26 años de edad y egresado de la Escuela Industrial Álvaro Obregón y de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad de Nuevo León. Con él, un grupo de maestros y alumnos de la Escuela Àlvaro Obregón. Los siete segundos que abarcó la parte central de la prueba transcurrieron entre la ansiedad de quienes participaron en el lanzamiento. Era ésta la prueba de fuego de los ensayos modestos pero ambiciosos de un grupo de jóvenes que ante las hazañas logradas en países muy superiores en el campo de la técnica, tratan de aplicar los conocimientos adquiridos y de entrar, dentro de los recursos disponibles, en la apasionante etapa de los vuelos espaciales que abre un nuevo capítulo en la historia de la humanidad. Faltan palabras para describir lo que significa un ensayo de esta naturaleza, llevado a cabo por maestros y estudiantes de una escuela técnica de modestos recursos pero que han dado al país técnicos y trabajadores especializados que han honrado en el ejercicio de sus actividades al plantel. Ahora, de los recursos modestos y del tesón y afán de aprender que son signo de esa escuela técnica, ha surgido el primer ensayo público que se realiza en el norte de México en el campo de los cohetes de largo alcance. Como símbolo, el pequeño artefacto fue bautizado con las siglas EIAO-III en honor de la Escuela 25 �Los cohetes EIAO: Las pruebas de balística en la Universidad / Edmundo Derbez Industrial Álvaro Obregón. Antes se habían realizado experimentos preparatorios en secreto ya que no existían las condiciones de éxito que ayer permitieron el final feliz de la prueba. Datos sobre la prueba La prueba de ayer, según lo consideran quienes participaron en ella, fue todo un éxito y se han obtenido datos y experiencias para llevar a cabo nuevo ensayo, ahora con un cohete de tres etapas. Ayer, el lanzamiento estaba previsto para las 07:30 horas. Sobre una pequeña torre –tres metros de altura– descansaba el proyectil de 35 kilos de peso que habría de ser lanzado. La torre fue construida en el taller de soldadura y el cohete de aluminio, portaba una cámara de combustible construido de acero rolado y un detonador eléctrico para el lanzamiento del paracaídas cuando el artefacto llegara a su máxima altura. Se utilizó combustible sólido formado por zinc en 80% y azufre en 20%. La pequeña torre de lanzamiento es ajustable para la colocación de cohetes de diámetros que van de las cuatro a las 24 pulgadas. El cohete lanzado ayer tenía un diámetro de cuatro pulgadas. Cinco, cuatro, tres, dos, uno, cero… A las siete y media de la mañana, hora fijada para el lanzamiento, todo estaba preparado. Sin embargo, la duda acerca de ciertas cuestiones técnicas obligó al ingeniero Miguel Barrera Díaz, director del lanzamiento, a ordenar fuera pospuesto por algunos minutos. Fue hasta las ocho cuando el ingeniero Barrera Díaz inició el clásico conteo: 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0: y el ingeniero Juan Armendáriz conectó el switch que encendió el sistema de combustible y el cohete inició su vuelo tras de varios segundos de silbar y cimbrarse sobre la torre. Una nube plomiza quedó como huella en los primeros metros de la ruta. La altura máxima que alcanzó fue de tres y medio kilómetro, punto en el cual funcionó el sistema para lanzar el paracaídas en el cual debería caer el cono metálico de la nave. 26 Todo era perfecto hasta el momento pero entonces los hilos del paracaídas se rompieron y el descenso no tuvo lugar como se había previsto. El cono cayó a menos de 20 metros del sitio del lanzamiento, de cualquier manera la prueba había sido un éxito. Personal técnico del lanzamiento El escenario era un sitio solitario del municipio de Mina. Basta levantar la vista para observar el perfil de las montañas que rodean a Monterrey. No era Cabo Cañaveral. No era un ignorado campo de pruebas de Siberia. Sin embargo, igual ha de haber sido la reacción del equipo humano que ayudó a Gagarin y a Shepard a conquistar las antes invioladas regiones del cosmos. Hubo gritos de júbilo, abrazos, apretones de mano y todos pensaban ya en la próxima prueba. En medio de aquella explosión de alegría sonó la voz reposada del ingeniero Barrera Díaz: “en julio lanzaremos un cohete de tres etapas y debemos tener el éxito de hoy”. Todos asistieron. Allí estaban los ingenieros Mauro González, Guillermo Montemayor, Juan Armendáriz, Rafael Chávez Lugo, Rodolfo Villarreal y los técnicos mecánicos Heriberto Muraira y Rafael Reyes Bueno, integrantes del equipo humano que llevó a cabo la prueba. Después, el regreso a Monterrey y a pensar en qué dirá la gente de lo que se hizo en Mina. Por lo pronto, el eco por los montes contaba todavía de la modesta pero magnífica hazaña. REFERENCIAS Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Fortaleza educativa (1947-2007), UANL, Monterrey, 2008, pp. 146-151. El Porvenir, 27 de mayo de 1961, p. 3-A, 28 de mayo de 1961, p. 1 y 9-B, 29 de mayo de 1961, p. 1-B, 28 de junio de 1961, p. 3. El Norte, 17 de mayo de 1961, p. 1, tercera sección, 28 de junio de 1961, p. 1-B y 29 de junio de 1961, p. 1 y 4. Vida Universitaria, No. 532, 4 de junio de 1961, p. 1. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Microinterruptor magnético con material híbrido Fralett Suárez Sandoval Ingeniería Electrónica, Instituto Tecnológico de Morelia “José María Morelos y Pavón” Beatriz Cristina López Walle FIME y CIIDIT, UANL fralett_520@hotmail.com , beatriz.lopezwl@uanl.edu.mx RESUMEN En este artículo se reporta el diseño de un microinterruptor fabricado con materiales metálicos y aislantes, convencionales, pero cuyo elemento móvil está hecho de una película de material híbrido compuesta de nanopartículas de óxido de hierro dispersas en una matriz polimérica. La contribución principal de este trabajo es el uso de esta película con la que se construyó un prototipo que trabaja con 24 Vdc de alimentación de la bobina y conduce 0.46 A de corriente máxima a una frecuencia de operación de conmutación de 35 Hz. PALABRAS CLAVE Nanopartículas, microinterruptor, material híbrido. ABSTRACT The design of a microswitch fabricated with conventional metalic and isolant materials, but with a movil element made of a film of hibrid material compounded by iron oxide nanoparticles dispersed in a polymeric matrix is reported in this paper. The main contribution of this work is the application of the film that was used for building a protoype that works with 24 Vdc coil feed and is able to conduct 0.46 A of maximum current at a commutation frequency of 35 Hz. KEYWORDS Nanoparticles, microswitch, hybrid material. OBJETIVO El objetivo de este trabajo consistió en diseñar, fabricar y caracterizar un microinterruptor electromecánico cuyo elemento móvil es un material híbrido compuesto de nanopartículas de óxido de hierro dispersas en una matriz polimérica de carboximetilcelulosa, el cual responde a las variaciones de un campo magnético. INTRODUCCIÓN Los materiales magnéticos nanoestructurados ofrecen propiedades novedosas que están revolucionando la tecnología de las aplicaciones magnéticas. Este tipo de material está constituido por partículas magnéticas de tamaño nanométrico (1 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 27 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. a 100 nm) embebidas en una matriz de un material no magnético. La motivación fundamental para su síntesis y estudio es el cambio dramático de sus propiedades magnéticas1 derivado de las dimensiones nanométricas de los constituyentes magnéticos y la relación área superficial contra volumen existente.2 Las partículas llegan a ser tan pequeñas que provocan que cada una se comporte como un magneto independiente3 y el material exhiba fenómenos inusuales como es el superparamagnetismo.4 Entre sus aplicaciones más prometedoras se encuentra el grabado magnético,5 el diagnóstico médico,6 la liberación controlada de drogas o medicinas,7 los sensores,8 etc. Los nanocompósitos magnéticos han sido producidos en una amplia variedad de matrices como óxidos de silicio, 9 óxidos de aluminio, 10 o vidrio poroso.11 En algunos de estos casos los procesos de síntesis y/o incorporación tienen alto grado de dificultad, necesitan equipos costosos o requieren materiales poco comunes. Una gran parte de las investigaciones se han enfocado al desarrollo de metodologías y procesos para la incorporación de nanopartículas magnéticas dentro de matrices poliméricas,12 motivados principalmente por sus interesantes propiedades magnéticas y por su excelente manejabilidad. La película magnética usada en este trabajo fue producto de una tesis doctoral de la Universidad Autónoma de Nuevo León, 13 para la cual ya se habían realizado ciertas investigaciones con el fin de comprobar sus facultades como actuador. 14 El microinterruptor diseñado funciona bajo los principios de un relé o relevador, el cual es un dispositivo electromecánico controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. El relevador fue inventado por Joseph Henry en 1835. En la figura 1 se presenta, de forma esquemática, la disposición de los distintos elementos que forman un relé de un solo contacto. Los contactos de un relé pueden ser normalmente abiertos, NA o NO, (Normally Open por sus siglas en inglés), normalmente cerrados, NC, (Normally Closed), o de conmutación: 28 Fig. 1. Esquema de un relevador. Los contactos normalmente abiertos conectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Este tipo de contactos es ideal para aplicaciones en las que se requiere conmutar fuentes de poder de alta intensidad para dispositivos remotos. Los contactos normalmente cerrados desconectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Estos contactos se utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca cerrado hasta que el relé sea activado. Los contactos de conmutación controlan dos circuitos: un contacto NA y uno NC con una terminal común. La fabricación de los microrelevadores puede realizarse utilizando microtecnologías de fabricación típicamente empleadas en los sistemas microlectromecánicos (MEMS), o mediante el proceso UV-LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung), tecnología que combina patrones litográficos de UV de muy alta fotorresistencia y un depósito de materiales estructurales dentro de surcos resistentes para posteriormente realizar electroformado y moldeado. Este proceso presenta ventajas como la fabricación de microestructuras de cualquier altura, incluso varios cientos de micrómetros, en cualquier forma de sección transversal. Los micro-relevadores son ampliamente usados en diversas industrias para distintas aplicaciones, como interrupción segura, alto aislamiento y bajo consumo de potencia. 15 En este trabajo se realizó la sustitución del elemento móvil de un microinterruptor magnético por Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. un material novedoso híbrido (orgánico/inorgánico). A continuación se presenta la metodología empleada para realizar el diseño del dispositivo, describiendo posteriormente su funcionalidad. METODOLOGÍA Para el diseño del microinterruptor mencionado se propuso y siguió la metodología descrita a continuación. Selección de la bobina En primer lugar, era necesario seleccionar una bobina, la cual debía mostrar la mayor reacción en la película magnética (figura 2). Fig. 3. Circuito implementado en el laboratorio para elegir una bobina. En las figuras 4 y 5 se puede observar una muestra de la película siendo atraída desde una posición inicial hacia la otra deseada. Se seleccionó a una bobina en específico, siendo ésta la que mostraba una mayor generación de campo magnético para atraer a la película magnética. Fig. 2. Muestra de la película magnética utilizada. De acuerdo a los datos arrojados por un magnetómetro durante un análisis previo, se sabe que la película que se desea mover necesita una intensidad de campo magnético de H=100 Oe. 16 Debido a que el objetivo del trabajo no es diseñar una bobina, se optó por encontrar una ya existente con la inductancia capaz de mover lo suficiente a la película antes mencionada. Para llevar a cabo pruebas con distintas bobinas se implementó el circuito de la figura 3 en el laboratorio. De acuerdo a la capacidad para generar un campo magnético de la bobina en funcionamiento se observó la atracción que presentaba la película magnética hacia el polo de la bobina. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Fig. 4. Posición inicial de la película magnética. Fig. 5. Posición final de la película magnética. 29 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. Era conveniente conocer el valor de la inductancia de la bobina seleccionada, para después corroborar esa medición con cálculos teóricos, con el fin de mostrar congruencia en ambos datos. El ángulo de retraso del voltaje en la resistencia según lo medido es θ R = −60° (7) La corriente que circula por el circuito se puede calcular en magnitud y fase conociendo (2), (5) y (7) Caracterización de la bobina Para medir la inductancia de la bobina seleccionada se implementó el circuito de la figura 6 en el laboratorio. VR < θ R 1.4V θ R = = 13.7524 mA < −θ R (8) R 101.8Ω Utilizando la ley de ohm se sabe que V1 = I *Z (8) Lo cual sustituyendo (1), (6) y (8), en magnitud representa I= 3.78V = 13.7524 mA* 101.82 + (376.991L ) (9) 2 Despejando el valor de L de (9) se obtiene: 2 Fig. 6. Circuito implementado en laboratorio para medir la inductancia de la bobina. Como puede observarse, es un circuito RL en serie. La selección de la resistencia adecuada fue en pro de una buena distribución de voltajes entre ambos elementos, es decir, la resistencia y la bobina, esto para que fueran apreciables en el osciloscopio ambas magnitudes, ya que se notó que la bobina tenía asociada una resistencia de magnitud considerable. La fuente de voltaje se obtuvo de un generador de funciones marca TEKTRONIX modelo AFG3021. Las formas de onda se midieron con ayuda de un osciloscopio obteniendo las siguientes amplitudes. V1=3.78V (1) (2) VR=1.4V VL=3.5V (3) Con los resultados obtenidos de las magnitudes de voltajes se prosiguió a hacer uso del análisis fasorial del circuito implementado para obtener el valor de la inductancia L. Se sabe que la impedancia total del circuito es: Z = X R2 + X L2 De la figura 6, sabemos que X R = R = 101.8 Ω (4) (5) X L = ωLj = 2πfLj = 2π (60 )Lj = 376.991Lj Ω (6) 30 ⎛ 3.78 ⎞ 2 ⎜ 13.7524 m ⎟ − 101.8 ⎝ ⎠ L= = 677.2392 mH (10) 376.991 Es necesario comprobar la veracidad del resultado obtenido, por lo cual se recurre en primer lugar, a la simulación del circuito y posteriormente al cálculo teórico. La simulación se llevó a cabo en Capture CIS del paquete de simulación (Orcad 10.5). Se tomaron mediciones de voltajes en los elementos y de la corriente en el circuito. Las figuras 7 a 10 muestran los resultados obtenidos. Para corroborar los valores se debe de recordar que la suma de las caídas de tensiones, en este caso con ángulos de defase, debe ser igual al valor de la fuente de alimentación. Tomando en cuenta lo anterior y considerando el circuito de la figura 6 se puede observar que V1 = VL + VR = 3.5112 < 21.8657° + 1.4 < −68.3883° Pasando de coordenadas polares a cartesianas las expresiones para el voltaje en la bobina y la resistencia. VL = rcos (θ L ) + jrsin (θ L ) = 3.5112cos (21.8657° ) + j 3.5112 sin (21.8657° ) = 3.258602 + 1.307684 j VR = rcos (θ R ) + jrsin (θR ) = 1.4 sin (−68.3883° ) + j1.4 sin (−68.3883° ) = .5156 − 1.301581 j Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. Con lo que se obtiene: V1 = 3.774202 + 6.103181 x10−3 j Convirtiéndola a coordenadas polares se tiene V1 = 3.7742022 + 6.103181 x10−32 6.103181 x10−3 = 3.78 < .0926° 3.774202 Con lo cual se puede observar que la ley de caída de tensiones se cumple. Aún así se observó que existen diferencias entre los ángulos de desfase medidos y los que arroja la simulación. Esto se debe principalmente a que la bobina real no es puramente inductiva y posee una parte resistiva considerable. Se comprobará la medición de la bobina mediante las leyes del electromagnetismo. El calibre del alambre con el cual se encuentra embobinado el núcleo de M36 Si.Fe laminado en frio17 es de 32AWG,18 lo cual dicta que se tiene un diámetro de D = 0.2019mm Y que le circula una corriente máxima de I = .09 A Conociendo la intensidad de campo magnético necesaria para mover la película H = 100 Oe = 7957.75 A / m Se puede calcular la fuerza magnetomotriz tomando en cuenta que la longitud de núcleo de la bobina es de l=.0113m como Fm = (H )l = < tan −1 Fig. 7. Voltaje de entrada de amplitud 3.78 V y 60 Hz de frecuencia. Fig. 8. Voltaje de la bobina de amplitud 3.5112 V, 60 Hz de frecuencia y ángulo de desfasamiento de 21.87˚. A⎞ ⎛ ⎜ 7957.75 m ⎟ (0.0115 m ) = 89.9225 A − v ⎝ ⎠ Fig. 9. Voltaje en la resistencia de amplitud 1.4 V, 60 Hz de frecuencia y ángulo de desfasamiento de -68.13º. Por lo cual se obtiene que el número de vueltas necesarias es de F 89.9225 A − v N= m = = 999.1397 vueltas I .09 A De acuerdo al material del núcleo que se usó se sabe que la permeabilidad magnética relativa es de μr= 500 19 y posee un diámetro de 0.004 m. Con lo cual se puede calcular la permeabilidad absoluta del núcleo como Wb μ = μ 0 μ r = 4π x10−7 (500 ) = 628.31 × 10−6 A − v.m Y el área de sección transversal del núcleo como 2 A = π r 2 = (π )(0.002 ) = 12.5663 × 10−6 m 2 ( Fig. 10. Corriente del circuito de amplitud 13.738 mA, 60 Hz de frecuencia y ángulo de desfasamiento de 68.13˚. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 ) ( ) 31 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. Finalmente se calcula la inductancia de la bobina: L= a) b) c) N 2μ A = l (999.1397 )2 ⎛⎜ 628.31×10−6 ⎝ ( ) Wb ⎞ 12.5663 ×10−6 m 2 A − v.m ⎟⎠ = 0.0115 m En consecuencia, como se puede observar, es un valor muy parecido al obtenido experimentalmente. Las pequeñas variaciones son debidas a la pureza del material utilizado para construir el núcleo. RESULTADOS Diseño del microinterruptor El microinterruptor tiene como características: funcionalidad de un contacto, expandible a cuatro con independencia de cada uno; 14 pines disponibles para montaje en zócalo de los cuales 2 corresponden para energizar a la bobina, 4 de común, 4 de normalmente cerrado y 4 de normalmente abierto; 24 Vdc de alimentación de la bobina; manejo de 0.46 A de corriente a la salida; frecuencia de entrada de operación de 35 Hz; no encapsulado en fase de pruebas para su manipulación, pero diseñado para ser encapsulado; mica de fibra de vidrio como soporte de la película magnética. En la figura 11 se puede observar el interruptor diseñado, las dimensiones se dan en la figura 12. En 12 a) se presenta la vista superior ya con la película incluida, la cual es capaz de atraerse a sí misma, así como a la mica de fibra de vidrio y al común. Como se había mencionado antes, sólo uno de los contactos fue modificado. Fig. 11. Micro-interruptor diseñado. 32 Fig. 12. Vista superior del interruptor: a) con película magnética, b) con mica soporte, c) esquemático acotado (acotaciones en mm). Las figura 13 a 15 muestran respectivamente la vista lateral, la vista trasera del interruptor diseñado, ya las medidas del zócalo. Fig. 13. Vista lateral del interruptor. Fig. 14. Vista trasera, muestra los pines del interruptor (acotaciones en mm). Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. Fig. 17. Circuito real usado para comprobar funcionalidad del microinterruptor (LED encendido). Fig. 15. Vista del zócalo: a) lateral, b) inferior (acotaciones en mm). Como puede observarse en la figura anterior, el abrir y cerrar el contacto del interruptor diseñado se usa para encender y apagar un LED indicador, es decir en el momento en que se cierra el contacto el LED se polariza directamente por medio de un divisor de tensión lo cual ocasiona que se encienda. En la figura 18 se puede observar el proceso inverso, es decir, el contacto se abre y el LED deja de recibir corriente, por lo cual se apaga. Funcionalidad del microinterruptor Se necesitaba comprobar la funcionalidad del microinterruptor diseñado, por lo cual se implementó el circuito de la figura 16 en el laboratorio. Fig. 18. Circuito real usado para comprobar funcionalidad del microinterruptor (LED apagado). Fig. 16. Circuito implementado para comprobar funcionalidad del microinterruptor. El relevador adicional, apreciable en la misma figura, le da el pulso a la bobina del interruptor que se construyó en este trabajo, y que permite remontar el voltaje a 24 V, que es el voltaje de excitación de la misma. El circuito de la figura 16 se muestra en funcionamiento en la figura 17. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 CONCLUSIONES Se construyó un microinterruptor magnético completamente funcional empleando material híbrido (orgánico/inorgánico). Dado que la película magnética es únicamente capaz de conducir corrientes del orden de los microamperes, se hace necesario añadirle elementos conductores. Sin embargo el calibre de los mismos está limitado a la capacidad mecánica de la película, lo cual afecta la capacidad total de corriente de trabajo. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento al MVZ Carlos H. Jiménez González, Coordinador General 33 �Microinterruptor magnético con material híbrido / Fralett Suárez Sandoval, et al. del Programa Delfín, y a la Ing. Obeth Hernández Díaz, Consejera Técnica de dicho programa en el ITM; a la Academia Mexicana de Ciencias, en particular a la Ing. Saraí Malinal Torres Delgado y a la Sra. Ruth Marún; a los doctores Juan Francisco Luna Martínez y Edgar Reyes Melo por facilitar las películas de material híbrido; a la UANL; y a la familia Reynoso Pámanes. REFERENCIAS 1. L. E. Brus R. E. Siegel et al., Cluster and clusterassembled materials, J. Mater. Res., 4, 704 (1989). 2. V. V. Kresin, Photodisintegration sum rule and electron distribution in metal clusters ,Phys. Rep., 220, 1 (1992). 3. C. Kittel, Theoiy of the structureof ferromagnetic domains in films and small particles, Phys. Rep., 70, 965 (1946). 4. C. P. Bean, J. D. Livingson, Superparamagnetism, J. Appl. Phys., 30 120 (1959). 5. R. G. L. Audran, A. P. Huguenard, U. S. 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Bravo (2007). http:// www.pascualbravo.edu.co/buzon/ferney.rendon/ Materiales%20magn%C3%A9ticos.pdf Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos David Coureaux MustelierA, Alexey Goéz ÚsugaA, Blanca Reig LópezB, Luis Miguel Llanes PitarchA Dept. de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal•lúrgica, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona dacm50@yahoo.es B Sandvik Hard Materials – Sandvik Española S.A. A RESUMEN En este trabajo se estudia el comportamiento a rotura de diferentes calidades de carburos cementados WC-Co ultrafinos. Se efectuó una caracterización microestructural y mecánica de dichos materiales, incluyendo un análisis de la fiabilidad de los mismos aplicando la estadística de Weibull a los resultados obtenidos en los ensayos de resistencia a la flexión. Estos resultados se han evaluado mediante un enfoque basado en la mecánica de la fractura elástica lineal para establecer la relación entre el rendimiento de componentes fabricados de metal duro y la presencia de defectos críticos, así como con las propiedades intrínsecas de estos materiales. Para ello, el estudio incluye la determinación de la tenacidad a la fractura de las distintas calidades, implementando técnicas de indentación. PALABRAS CLAVES Carburos cementados, Resistencia a rotura, Tenacidad a la fractura, Mecánica de la Fractura, Calidades ultrafinas. ABSTRACT In this work, the fracture behaviour of different ultrafine hardmetal grades was studied. Microstructural and mechanical characterization of these materials was performed, including a reliability assessment through Weibull statistics analysis of the results obtained in the flexural strength tests. These results have been evaluated on the basis of a linear elastic fracture mechanics approach for establishing the relationship between the performance of parts made of hardmetals and the presence of defects, as well as with the intrinsic properties of these materials. This study includes the fracture toughness evaluation for the different hardmetal grades, by means of indentation techniques. KEYWORDS Cemented Carbides, Fracture strength, Fracture toughness, Fracture mechanics, Ultrafine grades. INTRODUCCIÓN Los carburos cementados WC-Co, también conocidos como metal duro, presentan una microestructura compuesta por partículas cerámicas, WC, aglomeradas por un ligante metálico (generalmente una solución solida rica en Co). Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 35 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos / David Coureaux Mustelier, et al. Esta particular microestructura le confiere una combinación de excelentes propiedades que les permite abarcar un amplio abanico de aplicaciones.1-2 Una de las propiedades mecánicas por la cual el metal duro es más empleado frecuentemente es su resistencia a la rotura transversal, siendo siempre la relación entre esta y la microestructura una cuestión atractiva que ha llamado la atención de muchos investigadores. Trabajos anteriores han dictaminado que el rendimiento de piezas y componentes fabricados de metal duro, está relacionado con los aspectos microestructurales.3-5 Otros reconocen que dicho rendimiento está condicionado además a la presencia de defectos pre-existentes en el material debido al procesamiento.6-7 Lo cual justifica el empleo de la resistencia mecánica como un indicador de calidad en la fabricación de carburos cementados. La tendencia a la miniaturización de herramientas a emplear en algunas aplicaciones, junto a la creciente demanda de materiales con una mayor dureza acompañada de un buen comportamiento mecánico, ha conllevado al desarrollo de calidades de metal duro de tamaños de grano cada vez más finos. Novedosas técnicas pulvimetalúrgicas se han desarrollado con la finalidad de obtener calidades submicrométricas, ultrafinas y nanométricas, en las cuales es imprescindible el uso de inhibidores del crecimiento del grano, así como una mejor clasificación y purificación de las materias primas; con el propósito de disminuir los defectos intrínsecos tanto en número como en tamaño.8 Sin embargo, para tamaños de granos muy pequeños resulta difícil controlar o evitar la presencia de estos defectos,1 lo cual conlleva a una influencia directa en la resistencia mecánica. El empleo de la Mecánica de la Fractura Elástica Lineal (MFEL) en el análisis del comportamiento a fractura de carburos cementados ha sido una acertada herramienta en la descripción del mecanismo de fractura de estos materiales frágiles (gobernada por la propagación inestable de los defectos pre-existentes en el material).9 En este contexto, está bien establecido que la relación entre los defectos pre-existentes en el material y la resistencia a la fractura de éste, a través de la tenacidad a la fractura (KIc), ecuación (1), donde Y es coeficiente adimensional que depende de la geometría de la probeta y el defecto así como la configuración del ensayo, ac es la mitad tamaño del defecto crítico y σrot resistencia a la rotura: 36 K Ic = Y σ rot πa c (1) La tenacidad de la fractura y la dureza son propiedades intrínsecas del material que resultan importantes parámetros para el diseño de herramientas y componentes. En ambas propiedades la microestructura del material juega un papel determinante. En numerosos trabajos reportan que son varios los parámetros microestructurales que influyen en las propiedades mecánicas del material; sin embargo, existe controversia en definir algún parámetro único para establecer estas relaciones. La mayoría de los autores concuerdan que los parámetros normalizadores que permiten una idea más clara de dicha influencia son la contigüidad de los carburos (CWC) y el camino libre medio de cobalto (λCo.)3 El objetivo de este trabajo consiste en evaluar la influencia de los parámetros microestructurales en la dureza, tenacidad de fractura y la resistencia mecánica de carburos cementados ultrafinos; los resultados obtenidos son entonces analizados para establecer una correlación entre la resistencia mecánica y las mencionadas propiedades, en un intento por definir estrategias de optimización microestructural que permitan mejorar el rendimiento mecánico de herramientas y piezas fabricadas de estos materiales. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se evaluaron tres calidades de carburos cementados con distintos parámetros microestructurales, en cuanto a contenido de cobalto y tamaño de carburo medio. La nomenclatura utilizada a lo largo del trabajo para definir las calidades (L21, L12, L22), describiéndose el procedimiento experimental en los siguientes apartados. Preparación de muestras y caracterización microestructural. Para la caracterización microestructural y mecánica del material las muestras fueron previamente desbastadas y finalmente pulidas según el protocolo detallado por Sailer y col.4 El tamaño de grano se determinó mediante micrografías de las calidades a estudiar mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) figura1. Estas micrografías se trataron posteriormente empleando un software de análisis de imágenes. En tanto el análisis de la composición Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos / David Coureaux Mustelier, et al. química del material llevado a cabo mediante la técnica de espectroscopía de difracción de rayos X (EDX), permitió determinar el contenido de cobalto presente en el material. Para determinar los parámetros microestructurales Cwc y (λ Co), se han empleado las expresiones propuestas en el trabajo de Roebuck y Almond,3 que se ajustan para un contenido de Co entre 5-35% en volumen. Así la contigüidad se estimaría a partir de la ecuación (2): evitar la presencia de posibles concentradores de tensión. Para cada calidad estudiada se ensayaron 10 muestras a flexión en cuatro puntos, con separaciones entre puntos de apoyo externos e internos de 40 y 20 mm respectivamente, y con una velocidad de aplicación de la carga de 100 N/s. Los ensayos se realizaron empleando una máquina servohidráulica INSTRON 8511. Finalmente, las superficies de fractura se analizaron a través de un minucioso examen mediante MEB. Fig. 1. Microestructuras obtenidas por MEB de las calidades estudiadas: a) Calidad L21, b) Calidad L12, c) Calidad L22. CWC (VCo ) = D n (2) siendo n y D constantes con valores de 0.45 y 0.2 respectivamente. Por su parte, los mismos autores plantean que para estructuras en las cuales una fase predomina sobre otras, tal que un valor de contigüidad puede ser definido, el camino libre medio viene dado por la ecuación (3): 1 VCo dWC λ Co = dCo = 1 − CWC VWC (3) Caracterización mecánica La caracterización mecánica llevada a cabo incluye la evaluación de la dureza, la tenacidad a la fractura y la resistencia mecánica. La dureza (HV30) y tenacidad a la fractura (KIc) se determinaron a partir de 10 indentaciones Vickers realizadas con un durómetro tipo FRANK 532 aplicando una carga de 294 N, en tanto la tenacidad a la fractura se determinó según la ecuación propuesta por Shetty y col.,10 donde H es la dureza del material y W es la resistencia a la grieta. KIc= 0.0889 (H*W) ½ (4) La resistencia mecánica se evaluó en términos de la resistencia a la rotura transversal, (σrot). Se ensayaron probetas prismáticas con dimensiones de 45x4x3 mm previamente pulidas en la zona sometida a tracción, redondeándose las aristas para Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 Para estimar la fiabilidad mecánica de dichos materiales en cuanto a la resistencia a la rotura transversal, se aplicó la estadística de Weibull. Para ello, se empleó la siguiente función de probabilidad: Pf = n − 0,5 N (4) Donde n es el número de probetas que rompen por debajo de un esfuerzo determinado y N es el número total de probetas empleadas en cada calidad. Se supuso que los valores de fractura siguen la estadística de Weibull de acuerdo a la expresión (5): ⎡ ⎛ σ ⎞m ⎤ P = 1 − exp ⎢− ⎜ rot ⎟ ⎥ ⎢ ⎝ σ0 ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ (5) Donde P es el esfuerzo de rotura que experimenta la probeta y los parámetros m y σ0 son constantes que gobiernan la distribución, donde m se relaciona con la fiabilidad de los materiales, siendo mayor a medida que la distribución de los esfuerzos de rotura es más estrecha.11 DISCUSIÓN Dureza y tenacidad a la fractura Los resultados de la caracterización microestructural y mecánica de las calidades estudiadas se muestran en las tablas I y II. 37 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos / David Coureaux Mustelier, et al. Tabla I. Parámetros microestructurales de las calidades de WC-Co estudiadas. Calidad VCo (%) dWC (μm) λCo (μm) CWC L21 11.4 0.17 0.05 0.53 L12 5,8 0,37 0,08 0,72 L22 13.3 0.40 0.12 0.49 Tabla II. Propiedades mecánicas de las calidades de WCCo estudiadas en este trabajo. Calidad L21 HV30 (GPa) 20,5±0.6 KIc (MPam½) 8,3±0.1 σrot (MPa) 1757±318 Módulo de Weibull 7 Módulo de 632 Elasticidad GPa L12 L22 18,8±0.8 8,7±0.1 2214±473 8 16.9±0,2 9.9±0,1 3287±313 8 667 633 Donde se aprecia la dependencia del comportamiento mecánico con respecto a los parámetros microestructurales. La dureza y tenacidad a la fractura obtenidas se ajustan acorde a lo indicado en la literatura, donde la dureza disminuye al aumentar el tamaño promedio de carburo y/o el contenido de ligante, observándose un comportamiento inverso para la tenacidad a la fractura. Sin embargo, al variar ambos parámetros es imposible establecer una relación simple. Este inconveniente se elimina al utilizar el camino libre medio de cobalto (λCo) como parámetro normalizador de la microestructura, en el cual se contabiliza la influencia tanto del tamaño medio de grano de los carburos como del contenido de cobalto (un aumento de tamaño de grano WC y/o contenido de ligante conlleva a un aumento de λCo), figura 2. De manera general, se observa que la dureza disminuye y la tenacidad aumenta a medida que aumenta el λCo. Resistencia mecánica: Su relación con las propiedades intrínsecas y defectos preexistentes en el material La resistencia mecánica en las calidades estudiadas mostró un incremento al aumentar el λCo, lo cual es acorde con comportamientos referidos en trabajos anteriores3,4 (figura 3a). Atendiendo a esto se puede inferir una relación entre la resistencia mecánica y las propiedades intrínsecas del material donde para un aumento de la dureza del material asociada con 38 Fig. 2. Tenacidad de la fractura y dureza con respecto al camino libre medio de cobalto. la disminución del λCo, los resultados obtenidos muestran una caída de la resistencia y de la tenacidad a la fractura, (figura 3b). Por su parte a medida que aumenta la tenacidad de fractura en el material existe un incremento en la resistencia mecánica. De forma concluyente se puede destacar que para estas calidades ultrafinas, un aumento del tamaño de grano y/o del contenido de ligante resulta una mejora en la resistencia a la rotura. Fig. 3. Resistencia mecánica y tenacidad a la fractura con respecto: a) camino libre medio de ligante, b) dureza del material. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos / David Coureaux Mustelier, et al. Se realizó un análisis fractográfico mediante MEB de las zonas de fractura resultantes de los ensayos de flexión, con la finalidad de observar el origen de la fractura en el material, encontrándose como inicios de fractura defectos intrínsecos al procesamiento: heterogeneidades microestructurales (inclusiones, poros y carburos grandes), mostrados en la figura 4. Posteriormente se realiza una comparación directa entre los tamaños de los defectos críticos medidos experimentalmente y los estimados a partir de un análisis en el contexto de la MFEL (ecuación 1), a partir de los resultados experimentales obtenidos de resistencia a rotura transversal y la tenacidad a la fractura (tabla III). Con el propósito de estimar los tamaños de los defectos que determinan la rotura, se utiliza el factor Y que corresponde a la solución de un defecto circular embebido en la muestra, es decir 2/π. Los resultados indican que la relación entre el defecto crítico y el tamaño de carburo medio, es mucho mayor en las calidades estudiadas a medida que disminuye el tamaño de grano. Este hecho ratifica que a pesar de las mejoras tecnológicas en el procesamiento de los carburos cementados, resulta difícil controlar la presencia de los defectos preexistentes en el material a medida que disminuye el tamaño de grano. Atendiendo al interés comercial sobre estas nuevas calidades, se llevó a cabo un análisis estadístico de Weibull para los ensayos de flexión, cuya distribución se muestra en la figura 5. Como era de esperarse para materiales con un comportamiento frágil característico, se percibió un comportamiento disperso de la resistencia mecánica, arrojando como resultado valores bajos del módulo de Weibull (m entre 7 y 8) (tabla II). La distribución de tensiones Fig. 4. Defectos críticos a partir de los cuales se origina la fractura del material: a) Calidad L21, b) Calidad L12, c) Calidad L22. Tabla III Tamaño de defecto crítico (experimental y estimado con un modelo de MFEL). Calidad 2ac estimado (μm) 2ac experimental (μm) L21 36 19-37 L12 24 14-34 L22 14 6-33 Mediante esta comparación se puede constatar el buen ajuste del enfoque de la MFEL con los resultados experimentales, así como la relación entre la tenacidad a la fractura y la resistencia a la rotura. Todas las calidades estudiadas presentan valores similares del tamaño de los defectos críticos experimentales, debido a lo cual un aumento de la tenacidad de fractura en el material se refleja en una mayor resistencia mecánica del mismo, como muestran los resultados alcanzados, Ello permite racionalizar el comportamiento mostrado en la figura 3a) con respecto a la variación del camino libre medio de cobalto. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 mostrada en la figura 5 y la inspección fractográfica efectuada a la superficie de fractura, sugieren un comportamiento bimodal en cuanto a σrot, y esto se debe a la naturaleza y tamaño de los defectos. Fig. 5. Distribución de Weibull de la resistencia a rotura en las calidades estudiadas. 39 �Comportamiento a fractura de carburos cementados WC-Co ultrafinos / David Coureaux Mustelier, et al. Dicha tendencia acompañada de la variación en la ubicación de los defectos dentro de las muestras, serán responsables de la dispersión de los valores obtenidos de los ensayos y de la fiabilidad mecánica de estas calidades. Atendiendo a lo anteriormente dicho, los menores valores de σrot estarán asociados a un mayor tamaño de los defectos o a una mayor cercanía de los mismos a la superficie sometida a los mayores esfuerzos de tracción en los ensayos realizados. CONCLUSIONES Atendiendo a los resultados obtenidos en este trabajo se puede arribar a las conclusiones generales que se resumen a continuación: 1) El comportamiento mecánico varió atendiendo a la microestructura de las calidades estudiadas. Tal influencia se racionalizó empleando el camino libre medio de cobalto (λCo); permitiendo relacionar a la vez el comportamiento a la fractura con la tenacidad a la fractura y la dureza del material. El aumento del camino libre de cobalto conllevó un incremento en la tenacidad de fractura y la resistencia mecánica, así como a una menor dureza del material. 2) La resistencia a la rotura transversal está asociada a los defectos pre-existentes en el material. Encontrándose una buena correspondencia entre los valores de tamaños de defectos estimados y los experimentales. Este hecho indica que el comportamiento a la fractura está racionalizado satisfactoriamente mediante un análisis en el marco de la MFEL. 3) La fiabilidad mecánica de estos materiales podría mejorarse al intentar disminuir las heterogeneidades microestructurales encontradas en los mismos, las cuales se consideran las responsables de la fractura. AGRADECIMIENTOS Este trabajo es parte de las tareas desarrolladas por SANDVIK y UPC en el proyecto Forma0, financiado por el CDTI dentro del programa CENIT. Los autores reconocen la labor y el apoyo de todos los miembros del grupo Forma0, liderado por SEAT. Adicionalmente D. Coureaux agradece a la Agencia Española de Cooperación Internacional para el Desarrollo por la concesión de una beca MAEC-AECID. 40 REFERENCIAS 1. Upadhyaya, G. S.,Cemented tungsten carbides: production, properties and testing, Noyes Publications, New Jersey, USA, (1988), pp. 254261. 2 Davis, J. R., Cemented carbides, Tool Materials, ASM Specialty Handbook, ASM International, Materials Park, USA, (1998), pp. 36-58. 3 Roebuck, B. y Almond, E. A., Deformation and fracture processes and the physical metallurgy of WC-Co hardmetals, Int. Mat. Rev., (1988), 33, 90-110. 4 Sailer T., Herr M., Sockel H. G., Schulte R., Feld H. y Prakash, L. J., Microstructure and mechanical properties of ultrafine-grained hardmetals, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., (2001), 19, 553-559. 5 Fang Z. Correlation of Transverse Rupture Strength of WC-Co with Hardness. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. (2005), 23, 119-127,. 6 B. Liu B, Y. Zhang, S. Ouyang; Study on the relation between structural parameters and fracture strength of WC-Co cemented carbides. Materials Chemistry and Physics, (2000), 62, 35-43. 7 Y. Torres, Comportamiento a fractura y fatiga de carburos cementados WC-Co, Tesis Doctoral, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona (2002). 8 Gille, G., Szesny, B., Dreyer, K., van den Berg, H., Schmidt, J., Gestrich, T. y Leitner, G., Submicron and ultrafine grained hardmetals for microdrills and metal cutting inserts, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., (2002), 20, 3-22. 9 Torres, Y., Casellas, D., Anglada, M. y Llanes, L., Fracture toughness evaluation of hardmetals: influence of testing procedure, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., (2001), 19, 27-34. 10 Shetty, D. K., Wright, I. G., Mincer, P. N. y Clauer, A. H., Indentation fracture of WC-Co cermets, J. Mater. Sci., (1985), 20, 1873-1882. 11 S. Lingyan, Wu. Dongfang, Li. Yongdan; Optimal probability estimator for determining Weibull parameters. Journal of Materials Science Letters, (2003), 22, 1651 – 1653. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol bencílico en estados subcríticos y supercríticos Rodolfo Morales IbarraA, Mitsuru SasakiB,C, Motonobu GotoD, Armando T. QuitainB, Saida Mayela García MontesA Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME, Programa Doctoral en Ingeniería de Materiales B Kumamoto University, Japan, Graduate School of Science and Technology C Kumamoto University, Japan, Bioelectrics Research Center D Nagoya University Department of Chemical Engineering E CIIDIT, UANL rodolfomoralesibarra@hotmail.com A RESUMEN En este trabajo se utilizó agua y alcohol bencílico en condiciones subcríticas y supercríticas para recuperar fibras de carbono de materiales compuestos para su reutilización potencial en componentes de alto desempeño. Los parámetros experimentales fueron la temperatura y el tiempo para la reacción de descomposición. Los métodos fueron evaluados por el índice de descomposición de la resina epóxica, que alcanzó hasta 89.1% y 93.7% con agua supercrítica y alcohol bencílico supercrítico, respectivamente. Las muestras fueron caracterizadas mediante microscopía de barrido de electrones (SEM, Scanning Electron Microscopy), que mostró fibras de carbono recuperadas limpiamente. PALABRAS CLAVE Reciclaje, Fibras de Carbono, Fluidos Subcríticos, Fluidos Supercríticos. ABSTRACT Benzyl alcohol and water in subcritical and supercritical conditions were used in this work for recovering carbon fibers from composite materials aimed to their potential reuse in high performance components. The reaction temperatures and decomposition times were the experimental parameters. The methods were evaluated by the decomposition rate of epoxy resin, which reached up to 89.1% and 93.7% with supercritical water and supercritical benzyl alcohol, respectively. The samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM), that showed cleanly recovered carbon fibers. KEYWORDS Recycling; Carbon Fiber; Subcritical Fluids; Supercritical Fluids. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 41 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. INTRODUCCIÓN Existen varias directrices que promueven el reciclaje de materiales compuestos, tales como el incremento de su uso en la industria aeroespacial, automotriz e industrias relacionadas; la cantidad de aeronaves que están llegando al fin del ciclo de vida; la generación de la legislación y política medioambientalista; el posible desarrollo de una industria de reciclaje de compuestos, por citar algunas. La descomposición de matrices poliméricas de compuestos se lleva a cabo de manera muy rápida por fluidos supercríticos comparado con métodos convencionales y experimentales.1,2 Los fluidos subcríticos y supercríticos tienen el potencial para ser la nueva manera de reciclar materiales compuestos ya que hoy en día estos materiales están siendo confinados o incinerados,3 lo cual no es una solución ideal desde el punto de vista medioambiental. Además, fibras muy limpias pueden ser recuperadas por este método. Por ejemplo, hasta un 79.3% de índice de descomposición puede ser alcanzado utilizando agua supercrítica. La reacción de descomposición puede ser mejorada aun más, alcanzando hasta un 95.4% de índice de descomposición agregando KOH como catalizador4 y hasta un 95% con alcohol supercrítico en sistemas de flujo semicontinuo.5,6 También se ha incrementado el uso de n-Propanol para este propósito.7 Mientras que las fibras retienen hasta un 98% de su resistencia a la tensión comparado a las fibras vírgenes8, el uso de diferentes aditivos ha demostrado que las fibras inclusive pudieran tener mejores propiedades después de tratamientos supercríticos.9 La industria de los compuestos se ha incrementado mundialmente, en el 2000 el consumo Europeo de compuestos termofijos alcanzó las 106 toneladas por año.10 En el 2005, la producción de plásticos en Japón fue de más de 6.1 millones de toneladas3 y de más de 210 millones de toneladas en todo el mundo,1 y en el 2008, la demanda mundial de fibras de carbono alcanzó 20,000 toneladas por año.4 Las ventajas de los materiales compuestos son muchas, incluyendo construcción monolítica de componentes de baja densidad, alta resistencia y relativamente buen comportamiento en fatiga comparado a los metales en aplicaciones aeroespaciales. Consecuentemente, los fabricantes están incrementando el porcentaje de materiales compuestos utilizados en aeronaves 42 y automóviles, de tal manera que algunos diseños de aeronaves comerciales utilizan ya más de 50% de materiales compuestos en relación al peso, específicamente hablando de sistemas, fibra de carbono - resina epóxica. Actualmente, la cantidad de aeronaves que alcanzan su fin de ciclo de vida son más de 100 unidades por año, mientras que los desechos de compuestos del sector automotriz fueron hasta 60,000 toneladas en el año 2011. Todos estos materiales de desecho son manejados en actualidad únicamente en vertederos. La legislación en la Unión Europea demandará a todos los fabricantes de vehículos el reciclaje de componentes que alcanzan el fin de ciclo de vida, con un objetivo de 85% de reciclabilidad de los materiales en vehículos nuevos a partir del 2015.11 La legislación gubernamental está siendo utilizada no solo para proveer de incentivos/ penalidades, sino también para prohibir prácticas actuales (por ejemplo, desechos). De tal manera que la reutilización y el reciclaje sean las únicas buenas opciones para seguir adelante con esta industria. Esta industria tiene gran potencial de desarrollo debido al alto valor invertido en la manufactura de compuestos, costos de materia prima, certificaciones y el desarrollo de las tecnologías necesarias. Este articulo describe un método experimental de recuperación y caracterización de materiales compuestos carbono - epoxy utilizando agua y alcohol sub y supercrítico como medio de descomposición de la matriz polimérica. Ambos solventes pueden ser considerados como “amigables” al medio ambiente debido a su bajo potencial de toxicidad y su capacidad de disolver compuestos epóxicos. El enfoque de este articulo está en el índice de descomposición de las matrices poliméricas y la caracterización de las fibras recuperadas por microscopía de barrido de electrones. EXPERIMENTAL Materiales Para este estudio se utilizaron preimpregnados de fibra de carbono - epoxy. El preimpregnado contiene 40% con respecto al peso en resina. Las condiciones de curado del preimpregnado fueron 60 minutos a 180 °C bajo vacio. Las muestras fueron manufacturadas con 4 capas de material preimpregnado de aproximadamente 0.5 g (1 cm de Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. ancho y 4 cm de largo) como se muestra en la figura 1a. Las fibras de carbono recuperadas se muestran en la figura 1b después de una reacción a 400 °C. Cada muestra fue pesada antes y después de la reacción de descomposición. Fig. 1. a) Muestra de compuestos antes de la reacción de descomposición. b) Fibras de carbono recuperadas después de la reacción de descomposición Reacciones de Descomposición Subcríticas y Supercríticas Un esquema del aparato experimental (AKICO Co. Japan) se muestra en la figura 2, el cual consiste en un reactor de inconel de tipo batch (aproximadamente 8.8 cm3 de volumen interno) y un horno eléctrico. El reactor se agita en forma mecánica en una oscilación cíclica horizontal con amplitud de 2 cm y una frecuencia fija de 60 ciclos por minuto. Se utilizó un volumen fijo de 4.4 cm3 de solvente en cada experimento. Se utilizó agua destilada Fig. 2. Diagrama esquemático del aparato experimental. a) Reactor Batch, b) Horno eléctrico, c) Movimiento mecánico horizontal cíclico. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 para los experimentos hidrotérmicos y alcohol bencílico para los experimentos solvotérmicos. Las propiedades críticas (Tc, temperatura crítica y Pc, presión crítica) del agua y el alcohol bencílico son Tc = 375 °C, Pc = 22.06 MPa y Tc = 403 °C, Pc = 4.57 MPa, respectivamente. El tiempo que el reactor tarda en llegar a la temperatura en el horno es aproximadamente 15 min. Índice de Descomposición El índice de descomposición (DR) de la resina epóxica en los compuestos fue calculado de acuerdo a la cantidad de resina remanente en composición sólida después del tratamiento, como se indica en la ecuación 1: DR = (Mc-Mr) / Me (1) donde DR es el índice de descomposición (porcentaje en peso), Mc es la masa del compuesto antes del tratamiento de descomposición, Mr es la masa del compuesto después del tratamiento de descomposición y Me es la masa de la resina epóxica en el compuesto antes del tratamiento de descomposición. Un DR = 100% indicaría una recuperación de fibras de carbono completamente limpias. Diseño de Experimentos El diseño de experimentos hidrotérmicos se presenta en la tabla I y el de los solvotérmicos en la tabla II. Después de haber medido Mc, el reactor fue cargado con la muestra de compuesto y el solvente. El reactor se colocó entonces en el horno eléctrico, previamente calentado a la temperatura deseada. Después de cierto tiempo, según el diseño de experimentos, el reactor fue enfriado en agua a temperatura ambiente; el producto de la reacción de descomposición fue filtrado y separado en sus fases líquida y sólida. Las fibras de carbono son entonces recuperadas y enjuagadas con etanol y agua destilada; inmediatamente después, las fibras fueron colocadas en baño ultrasónico en agua por 10 minutos y secadas en la campana de extracción por al menos 24 horas para entonces medir Mr. Análisis Termogravimétrico del Compuesto Se llevó a cabo un análisis termogravimétrico en una muestra del compuesto carbono-epoxy 43 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. calentando a 5 °C/min desde temperatura ambiente hasta 900 °C en una atmósfera de N2, utilizando crisoles de platino, uno para la muestra y uno vacío como referencia. El equipo utilizado fue un TG/DTA SII Nanotechnology EXSTAR 6000. Microscopía de Barrido de Electrones (SEM) Se utilizó un SEM FEI Nova NanoSEM 200 para el estudio de las superficies de las fibras de carbono recuperadas. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Análisis Termogravimétrico de la Muestra del Compuesto El termograma del análisis del TGA-DTA del material compuesto se muestra en la figura 3, y sirve de referencia para conocer la temperatura para recuperar las fibras de carbono. La curva derivativa de pérdida de peso en la misma figura (en rojo), DTG μg/min muestra un solo pico en el intervalo de temperatura entre los 300 °C y los 550 °C, indicando que la resina se degrada completamente a esta última temperatura. Las temperaturas máximas utilizadas en los experimentos hidrotérmicos y solvotérmicos fueron 400 °C y 425 °C respectivamente las cuales son relativamente bajas comparadas con las mostradas en el pico del termograma. los experimentos hidrotérmicos se incrementaron conforme a la temperatura y tiempo de reacción. Los experimentos a 250 °C mostraron resultados pobres con respecto al DR. Después de 1 hora, el DR fue 4%; después de 2 horas el DR fue 14%; a 4 horas el DR alcanzó apenas 21%; a 6 horas el DR fue 25% y a 8 horas no superó el 24%. El ligero decremento entre las 6 horas y las 8 horas se debe a los residuos sólidos que inclusive después de la descomposición quedan adheridos a la superficie del compuesto y que es difícil lavarlos. Ninguno de los experimentos a 250 °C produjo fibras de carbono limpias y quedaron como si no se hubieran tratado, con el aspecto de la figura 1a. Los resultados de los experimentos a 300 °C muestran el incremento de DR con respecto al tiempo. La delaminación de los compuestos ocurrió en algún momento entre las 4 horas y las 6 horas. Después de 8 horas, fue posible recuperar algunas fibras de carbono limpias en los extremos del compuesto. Los experimentos a 350 °C alcanzaron su valor máximo después de 2 horas de tratamiento. La delaminación ocurrió después de 4 horas de tratamiento y las fibras libres de resina fueron recuperadas después de 6 horas. Aunque después de 8 horas de tratamiento el DR fue 82%, una gran cantidad de fibras de carbono fueron recuperadas libres de resina. A 375 °C, se llevaron a cabo experimentos más cortos ya que se esperaban valores de DR más altos a temperaturas cercanas al punto crítico. A esta temperatura, después de 30 minutos, el DR fue 34% sin delaminación ni recuperación de fibras de carbono, mientras que a 1 hora el DR alcanzó 82% con delaminación entre Fig. 3. TGA-DTA análisis del compuesto carbono-epoxy. Índice de Descomposición de los Experimentos Hidrotérmicos y Solvotérmicos Las curvas de DR de agua subcrítica y supercrítica se muestran en la figura 4 y los datos de DR también se encuentran tabulados en la tabla I. De manera general, los índices de descomposición de 44 Fig. 4. Índice de descomposición de los experimentos hidrotérmicos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Tabla I. Índice de descomposición de los experimentos hidrotérmicos. Experimento Temperatura1 (°C) Tiempo Masa de Compuesto (g) Índice2 Compuesto/ Solvente (g/mL) Índice de Descomposición (%) 1 250 1h 0.5201 0.118 4.4 2 250 2h 0.5343 0.121 14.7 3 250 4h 0.5246 0.119 21.7 4 250 6h 0.5244 0.119 25.4 5 250 8h 0.5835 0.133 24.1 6 300 1h 0.559 0.127 23.8 7 300 2h 0.5751 0.131 43.9 8 300 4h 0.5512 0.125 70.8 9 300 6h 0.5683 0.129 72.5 10 300 8h 0.5715 0.130 76.1 11 350 1h 0.5563 0.126 77.2 12 350 2h 0.5216 0.119 81.5 13 350 4h 0.548 0.125 81.8 14 350 6h 0.4973 0.113 83.6 15 350 8h 0.53 0.120 82.4 16 375 30 min 0.4956 0.113 34.4 17 375 1h 0.5492 0.125 82.3 18 375 2h 0.5395 0.123 85.1 19 375 4h 0.5288 0.120 84.4 20 375 6h 0.5374 0.122 82.3 21 400 15 min 0.5303 0.121 24.5 22 400 30 min 0.5618 0.128 82.4 23 400 1h 0.5754 0.131 89.1 24 400 2h 0.556 0.126 80.4 25 400 4h 0.5066 0.115 87.2 1. Temperatura - Tiempo en alcanzar la temperatura en reactor: 15 minutos aproximadamente. 2. Índice de masa Compuesto/Solvente: 4.4 mL fijos de volumen de solvente en todos los experimentos. capas. Los resultados de DR fueron 85%, 84% y 82% después de 2, 4 y 6 horas de tratamiento respectivamente. En este caso también quedan residuos. Los experimentos a 400 °C mostraron que después de 15 min el DR alcanzó 24%, y después de 30 minutos el DR fue 82% y la delaminación entre capas fue parte de este resultado. Después de este punto, se recuperaron fibras de carbono limpias. Después de 1 hora el DR alcanzó 89%, pero decreció a 80% después de 2 horas, para tener un nuevo incremento a 87% después de 4 horas. La mejor explicación para el decremento en DR después de 1 hora de tratamiento es la aparición de Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 micropartículas esféricas que permanecen adheridas a las fibras de carbono las cuales incrementan Mr. Por lo tanto, podemos inferir que en realidad hay una mayor descomposición en esos experimentos; debido a la naturaleza gravimétrica del análisis y particularmente en esos experimentos, el DR no refleja de manera precisa la real descomposición de la matriz polimérica y recuperación de fibras de carbono. Las curvas de DR de alcohol bencílico subcrítico y supercrítico se muestran en la figura 5. Los datos de las descomposiciones solvotérmicas también se muestran tabulados en la tabla II. Los 45 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Tabla II. Índice de descomposición de los experimentos solvotérmicos. Experimento Temperatura1 (°C) Tiempo Masa de Compuesto (g) Índice2 Compuesto/ Solvente (g/mL) Índice de Descomposición (%) 1 250 1h 0.547 0.124 -17.0 2 250 2h 0.5365 0.122 -6.7 3 250 4h 0.5783 0.131 10.0 4 250 6h 0.5414 0.123 36.8 5 250 8h 0.5627 0.128 33.2 6 300 1h 0.5436 0.124 92.1 7 300 2h 0.5298 0.120 92.0 8 300 4h 0.5541 0.126 91.2 9 300 6h 0.5113 0.116 92.1 10 300 8h 0.5349 0.122 90.9 11 350 15 min 0.5196 0.118 -1.1 12 350 30 min 0.5605 0.127 92.4 13 350 1h 0.5277 0.120 92.2 14 350 2h 0.5606 0.127 92.3 15 350 4h 0.5441 0.124 93.1 16 400 15 min 0.5576 0.127 67.3 17 400 30 min 0.5586 0.127 93.3 18 400 1h 0.563 0.128 93.7 19 400 2h 0.5261 0.120 92.0 20 400 4h 0.5476 0.124 92.5 21 425 15 min 0.549 0.125 91.9 22 425 30 min 0.5369 0.122 93.4 23 425 1h 0.5132 0.117 90.8 24 425 2h 0.5517 0.125 92.2 25 425 4h 0.5165 0.117 90.7 1. Temperatura - Tiempo en alcanzar la temperatura en reactor: 15 minutos aproximadamente. 2. Índice de masa Compuesto/Solvente: 4.4 mL fijos de volumen de solvente en todos los experimentos. experimentos con alcohol bencílico generaron valores de DR relativamente más altos comparados con los experimentos hidrotérmicos, inclusive a bajas temperaturas y tiempos de reacción cortos. A 250 °C los resultados tienen un comportamiento interesante, a saber de DR -17% y -7% para 1 hora y 2 horas respectivamente. Estos valores negativos pueden ser explicados por el presente propuesto mecanismo de reacción de descomposición bajo la influencia de absorción de alcohol bencílico; en dicho escenario, el alcohol bencílico es absorbido en la matriz orgánica y comienza la solvólisis. En dichos experimentos, los tiempos son cortos y las temperaturas relativamente 46 Fig. 5. Índice de descomposición de los experimentos solvotérmicos. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. bajas, por lo que no se ha suplido suficiente energía ni ha pasado suficiente tiempo para completar o inclusive iniciar la descomposición; por ello el incremento en el valor Mr que provoca valores negativos de DR. El DR fue 10%, 36% y 33% para 4, 6 y 8 horas respectivamente. El delaminado de los compuestos ocurrió después de 2 horas y fue posible recuperar algunas fibras de carbono limpias después de 4 horas. A 300 °C el DR fue similar para los cinco experimentos, 92%, 92%, 91%, 92% y 90% para 1, 2, 4, 6 y 8 horas respectivamente. Es posible inferir que la mayoría de las fibras de carbono del compuesto pueden ser recuperadas inclusive a tiempos cortos de reacción, ya que las muestras recuperadas en estos experimentos muestran fibras de carbono limpias y libres de residuos de resina epóxica. Un comportamiento similar fue observado a 350 °C con DR de -1%, 92%, 92%, 92% y 93% para 15 min, 30 min, 1, 2 y 4 horas respectivamente. En los experimentos a 350 °C se recuperaron fibras de carbono relativamente limpias y libres de residuos. A 400 °C el DR fue 67%, 93%, 93%, 91% y 92% para 15 min, 30 min, 1, 2 y 4 horas respectivamente en donde se encontró delaminación en el experimento de 15 min sin recuperación de fibras de carbono limpias, mientras que en el resto de los experimentos se recuperaron fibras de carbono limpias y libres de residuos epóxicos. A 425 °C en alcohol bencílico supercrítico, el DR alcanzó 91%, 93%, 90%, 92% y 90% para 15, 30, 1, 2 y 4 horas respectivamente; en todos los experimentos a dicha temperatura se recuperaron fibras de carbono limpias. La mayoría de las reacciones de descomposición solvotérmicas mostraron resultados con un alto DR de más de 90% excepto en algunos experimentos a 250 °C o tiempos de reacción demasiado cortos, por ejemplo, 15 minutos a 350 °C. Caracterización mediante SEM La caracterización de las fibras de carbono recuperadas con agua supercrítica a 400 °C mediante SEM se presenta en la figura 6. La figura 6a corresponde a las fibras recuperadas después de 15 minutos de reacción de descomposición, claramente consistente con el DR de 24%, donde la resina aún cubre la totalidad de las fibras; se presentan rompimiento de la integridad física de la resina y múltiples fragmentos de residuos sólidos. La figura 6b. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 muestra algunas fibras limpias recuperadas después de 30 minutos de tratamiento. En la figura 6c se observan las fibras obtenidas después de 1 hora de tratamiento con algunos residuos sólidos adheridos en la superficie de las fibras. Las fibras relativamente limpias de la figura 6d se obtuvieron después de 2 horas de tratamiento y las de la figura 6e después de 4 horas. La espectroscopía de rayos X por electrones dispersados (EDS) de la figura 6f demuestra que el tratamiento superficial original de las fibras de carbono con azufre (sizing) permanece después de la reacción de descomposición por agua supercrítica. La figura 7 presenta las muestras que exhibieron microesferas adheridas a la superficie de las fibras de carbono en agua supercrítica a 400 °C. Se encontraron micropartículas con tamaño de entre 3 y 5 μm adheridas a la superficie de fibras de carbono en los tratamientos de 30 minutos, 1, 2 y 4 horas de descomposición. Se propone que el mecanismo de formación consiste en que la resina epóxica se quiebra en pequeñas residuos y micropartículas, luego la agitación horizontal provoca turbulencia en el reactor y moldea por “boleo” los residuos solubilizados en esferas. Estas microesferas adheridas a la superficie de las fibras incrementan notablemente el valor de Mr, provocando un decremento en el valor de DR en los experimentos de agua supercrítica con duración mayor a 1 hora. Las muestras que presentaron estas microesferas fueron lavadas y enjuagadas de nuevo con agua, acetona y tetrahidrofurano, para ser de nuevo colocadas en baño ultrasónico con los mencionados solventes durante 5, 10, 15 y 30 minutos. Aún después del procedimiento de lavado se observó que las microesferas permanecen adheridas a la superficie de las fibras de carbono. La figura 7a. muestra las microesferas entre 2 y- 3 μm de diámetro después de 30 min de tratamiento, la figura 7b, las microesferas adheridas a una capa residual de resina sólida en una muestra con un tratamiento de descomposición de 1 hora. Es notable y relativamente obvia la afinidad de las microesferas a adherirse a estas capas de resina sólida. La figura 7c muestra las microesferas adheridas también en una muestra con un tratamiento de 1 hora de descomposición, la figura 7d, a las microesferas de entre 2 y 3 μm de diámetro adheridas a fibras de carbono con un tratamiento de 2 horas. En la figura 7e se aprecian microesferas más pequeñas, de 1 a 2 μm lo cual es la base para pensar 47 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Fig. 6. Micrografías SEM de las fibras de carbono recuperadas por el proceso hidrotérmico en agua supercrítica después de: a) 15 min; b) 30 min; c) 1 hora; d) 2 horas; e) 4 horas; f) EDS of fibras de carbono recuperadas con agua supercrítica a 400 °C después de 15 min. 48 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Fig. 7. Micrografías SEM de microesferas en la superficie de las fibras de carbono recuperadas en agua supercrítica a 400 °C después de: a) 30 min; b) 1 hora; c) 1 hora; d) 2 horas; e) 4 horas; f) 4 horas. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 49 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. Fig. 8. Micrografías SEM de fibras de carbono recuperadas por alcohol bencílico supercrítico a 425 °C después de: a) 15 min; b) 30 min; c) 1 hora; d) 2 horas; e) 4 horas; f) EDS de las fibras de carbono recuperadas con alcohol bencílico supercrítico a 425 °C después de 15 min. 50 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. en la posibilidad del mecanismo de descomposición y “moldeado” de las microesferas; la figura 7f. muestra las microesferas adheridas a las fibras de carbono después de un tratamiento de 4 horas. Las muestras de las reacciones con alcohol bencílico supercrítico a 425 °C se reportan en la figura 8. De la figura 8a a la figura 8e se muestran las fibras de carbono recuperadas de las reacciones de descomposición de 15 min, 30 min, 1, 2 y 4 horas respectivamente. El EDS (figura 8f) de fibras de carbono recuperadas con alcohol bencílico supercrítico después de 15 minutos de tratamiento no muestra rastro del tratamiento superficial (sizing) original en las fibras. Las diferencias entre las pruebas con diferentes solventes son visibles en la caracterización SEM y son apreciables de los valores más altos de DR en las reacciones con alcohol bencílico. Además, las fibras de carbono recuperadas con alcohol bencílico se encuentran más limpias y tienen una menor cantidad de residuos sólidos adheridos en la superficie. En cuanto a los mecanismos, se puede decir que la descomposición en los experimentos de agua y alcohol consisten en un proceso de difusión-descomposición de polímeros por rompimiento de los enlaces C-OC y C-N-C, además de la transferencia de masa de monómeros y compuestos. La difusión del alcohol bencílico supercrítico y su absorción en la matriz polimérica explica los valores negativos obtenidos en algunos experimentos. Por otra parte, el mecanismo en agua supercrítica consiste en el rompimiento de la matriz polimérica en piezas pequeñas y monómeros y una posterior disolución de residuos. CONCLUSIONES El agua y el alcohol bencílico son ambos buenos solventes bajo condiciones subcríticas y supercríticas para el reciclaje químico de compuestos de matriz polimérica termofija. El resultado de estos procedimientos es la recuperación de fibras relativamente limpias después de los tratamientos. El alcohol bencílico supercrítico mostró resultados de DR más altos, por encima de 90%. El agua supercrítica mostró resultados de DR por encima de 80%. En algunos casos los DR alcanzados son más altos que los reportados para sistemas de flujo semicontinuos usando solventes orgánicos en presencia de catalizadores. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 La turbulencia generada por el movimiento cíclico horizontal del equipo experimental hace una diferencia importante contra otros sistemas tipo batch. La recuperación de fibras de carbono limpias por el método solvotérmico ha sido corroborado por SEM. Después de la caracterización SEM, se puede inferir que también el método hidrotérmico produce fibras de carbono limpias en cuyo caso, las microesferas encontradas en la superficie están en detrimento del valor de DR mas las descomposición real es mayor. Ambos métodos, solvotérmico e hidrotérmico son factibles para industrialización. El alcohol bencílico pudiera presentar una opción más viable en términos de seguridad industrial debido a la menor presiones presentes en los reactores comparado con el agua supercrítica. Cualquiera de estos métodos deberá ser ajustado a escala industrial tomando en cuenta los factores de costos, tipos de reactores, aspectos medioambientales y las propiedades de las fibras recuperadas. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen las becas doctorales al CONACYT y el apoyo brindado por el personal en los diferentes laboratorios. REFERENCIAS 1. M. Goto, Chemical recycling of plastics using sub- and supercritical fluids, J. of Supercritical Fluids 47 (2009) 500–507. 2. S.J. Pickering, Recycling technologies for thermoset composite materials—current status, Composites: Part A 37 (2006) 1206–1215. 3. Tomoko Iwaya, Shinpei Tokuno, Mitsuru Sasaki, Motonobu Goto, Katsuji Shibata, Recycling of fiber reinforced plastics using depolymerization by solvothermal reaction with catalyst, J Mater Sci 43 (2008) 2452–2456. 4. R. Piñero-Hernanz, C. Dodds, J. Hyde, J. GarcíaSerna, M. Poliakoff, E. Lester, M.J. Cocero, S. Kingman, S. Pickering, K. Hoong Wong, Chemical recycling of carbon fibre reinforced composites in nearcritical and supercritical water, Composites: Part A 39 (2008) 454–461. 5. Raúl Piñero-Hernanz, Juan García-Serna, Christopher Dodds, Jason Hyde, Martyn Poliakoff, 51 �Recuperación de fibras de carbono de materiales compuestos termofijos con agua y alcohol... / Rodolfo Morales Ibarra, et al. María José Cocero, Sam Kingman, Stephen Pickering, Edward Lester, Chemical recycling of carbon fibre composites using alcohols under subcritical and supercritical conditions, J. of Supercritical Fluids 46 (2008) 83–92. 6. J.R. Hyde, E. Lester, S. Kingman, S. Pickering, K. Hoong Wong, Supercritical propanol, a possible route to composite carbon fibre recovery: A viability study, Composites: Part A 37 (2006) 2171–2175. 7. G. Jiang, S.J. Pickering, E.H. Lester, T.A. Turner, K.H. Wonga, N.A. Warrior, Characterisation of carbon fibres recycled from carbon fibre/epoxy resin composites using supercritical n-propanol, Composites Science and Technology 69 (2009) 192–198. 52 8. L. Yuyan, S. Guohua, M. Linghui, Recycling of carbon fibre reinforced composites using water in subcritical conditions, Materials Science and Engineering A 520 (2009) 179–183. 9. Y. Bai, Z. Wang, L. Feng, Chemical recycling of carbon fibers reinforced epoxy resin composites in oxygen in supercritical water, Materials and Design 31 (2010) 999–1002. 10. S.J. Pickering, R.M. Kelly, J.R. Kennerley, C.D. Rudd, N.J. Fenwick, A Fluidised-bed process for the recovery of glass fibres from scrap thermoset composites, Composites Science and Technology 60 (2000) 509-523. 11. The European Parliament and the Council of the European Union: End of Life Vehicles (ELV) Directive; 2000/53/EC, September 2000. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Vol. XVI, No. 60 �Eventos y reconocimientos I. INFORME DEL DIRECTOR DE LA FIME El pasado 24 de abril de 2013 se realizó la junta directiva en la que el Director de la FIME, M.C. Esteban Báez Villarreal, presentó el informe que corresponde a su gestión durante 2012. El MC. Esteban Báez Villarreal presentó los avances que se han llevado a cabo durante este año en referencia a cuatro ejes rectores: Innovación Académica, Capacidad Académica, Competitividad Académica y Gestión. También hizo mención de la importancia de la vinculación, la sustentabilidad, la cultura y los deportes, enfatizando la importancia de la FIME en el desarrollo de la región y del país, y el compromiso que ello significa. II. CEREMONIA DE RECONOCIMIENTO AL MÉRITO ACADÉMICO Y GRUPO DE LOS CIEN El pasado 30 de abril de 2013, se llevó a cabo una ceremonia en la que la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica distinguió a los alumnos con el más alto promedio de su carrera al terminar sus estudios de licenciatura, con el Mérito Académico, entregándoles la medalla Arturo Cárdenas Berrueto. También reconoció a los cien alumnos con los mejores promedios del semestre agosto – diciembre 2012, conocido como el “Grupo de los cien”. En dicha ceremonia estuvieron presentes en representación del Rector de la UANL, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, el Dr. Juan Manuel Alcocer González, Secretario Académico de la UANL; en representación del Director de la FIME, M.C. Esteban Báez Villarreal, el Dr. Arnulfo Treviño Cubero, Subdirector Académico; el Ing. Marco Antonio Ruiz Acuña por parte de Relaciones Interinstitucionales de TERNIUM. Los alumnos reconocidos con el “Mérito Académico” son: El Director de la FIME, M.C. Esteban Báez Villarreal, presentando su informe administrativo correspondiente al período 2012. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 Arturo Javier Leal Treviño (IMT) Marco Alan Fernández Ríos (IMTC) Héctor Alejandro Ríos Perez (IEC) Rubén Angel Montemayor Zamayoa (IEA) Idalia María Salinas Reyna (IMA) 53 �Entre los alumnos del grupo de los cien se distingue el joven Antonio Bernal Moreno, de la carrera de Ingeniero Mecánico y Electricista, quien tiene un promedio de 100. Alumnos reconocidos en la ceremonia al mérito académico y grupo de los cien. III. DÍA DEL MAESTRO El pasado 13 de mayo de 2013, se llevó a cabo el festejo del día del maestro de la FIME, en el cual se rindió homenaje a los maestros que cumplen 40, 35, 30, 25, 20 y 15 años de antigüedad respectivamente. El Director de la FIME, M.C. Esteban Báez Villarreal, entregó los reconocimientos, acompañado por el MEC. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL y Ex Director de la FIME, así como el Dr. Raúl Gerardo Quintero Flores y el M.C. Marco Antonio Méndez Cavazos, integrantes de la H. Junta de Gobierno de la UANL, y los Maestros Eméritos: M.C. Fernando Javier Elizondo El M.C. Arnulfo Treviño Cubero dirige un mensaje a nombre de los homenajeados en el día del maestro de la FIME. 54 Garza, M.C. Manuel Amarante Rodríguez, Dr. José Luis Cavazos García, Ing. René Montante Pardo, Ing, Antonio Garza Garza. Como Ex Director el M.C Lorenzo Vela Peña, así como el M.C. Juan Ángel Garza Garza, Consejero Maestro de la FIME y del Dr. Oscar de la Garza Castro, Secretario General del STUANL. IV. RECONOCEN A DOCENTES DE LA FIME POR SU TRAYECTORIA La UANL realizó el 14 de mayo pasado una ceremonia conmemorativa para reconocer públicamente a un total de 71 docentes de la UANL que han dedicado 40, 45, 50 y 55 años de su vida a la labor magisterial. Entre ellos se encuentra un grupo de 16 catedráticos de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica que recibió este reconocimiento público de manos del Rector, Dr. Jesús Ancer Rodríguez, por su trayectoria docente de 40 años. Los maestros de la FIME reconocidos son: MC. Jesús Antonio del Bosque González MC. María Margarita Cantú Villarreal Ing. Francisco Javier Delgadillo Arreola MC. Fernando Javier Elizondo Garza Dr. César Elizondo González MC. Raúl Escamilla Garza MC. Eliezer Garza Elizondo MEC. Rogelio Guillermo Garza Rivera El M.C. Eliezer Garza Elizondo (centro), con el MEC. Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL y el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 �Eventos y reconocimientos MC. Noé Hortiales Pacheco MC. María Blanca Elizabet Palomares Ruiz MC. Juan Antonio Pérez Patiño MC. María Guadalupe Ramírez López MC. José Guadalupe Ríos Martínez MC. Hugo Enrique Rivas Lozano MC. José Dolores Rivera Martínez MC. Ramiro Robledo Monsiváis V. RECONOCIMIENTO AL MÉRITO ACADÉMICO ANFEI Dentro de las actividades de la XL Conferencia Nacional de Ingeniería “Hacia la consolidación del espacio común de la educación superior en ingeniería”, organizada por la Asociación Nacional de Facultades y Escuelas de Ingeniería ANFEI, realizada del 5 al 7 de junio de 2013, en la Cd. de San Luis Potosí, se llevó a cabo la ceremonia de entrega del Reconocimiento al Mérito Académico ANFEI 2012. En esta ocasión el MC. Joel González Marroquín, profesor de la FIME-UANL, recibió este Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 reconocimiento que ANFEI otorga con el propósito de distinguir a los académicos que están siendo actores para el logro de su excelente trayectoria académica y profesional. También se reconoció al Ing. Ángel Mario García Amaya, egresado de la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista de la FIME-UANL en 2012, como uno de los mejores egresados de ingeniería del país en ese año. El M.C. Joel González Marroquín recibiendo el reconocimiento de ANFEI al mérito académico. 55 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Marzo - Mayo 2013 Orkidea Jazmín Cruz Vega, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 4 de marzo de 2013. Anabel Contreras Cisneros, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 4 de marzo de 2013. Nancy Maribel Arratia Martínez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Metodología de apoyo a la decisión en la selección de carteras de proyectos con beneficios o impactos de carácter social”, 5 de marzo de 2013. Cinthia Alejandra Limas Heredia, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 12 de marzo de 2013. Sergio Queletzu Ballesteros Méndez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 13 de marzo de 2013. Sara Angélica Faz Caballero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de marzo de 2013. Moisés Lino Alfaro, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de marzo de 2013. Paloma Yareth Flores Guerrero, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de marzo de 2013. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. 56 Karla Mercado Aguirre, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de marzo de 2013. José Ernesto Luevano Fernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 20 de marzo de 2013. Anel Berenice Mata Barrios, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 22 de marzo de 2013. Israel Alduncín Alcántara, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 22 de marzo de 2013. Fernando Ibarra Hernández, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable, “Diseño de la geometría y caracterización de un motor híbrido de reluctancia autoconmutado”, 22 de marzo de 2013. Eberth Josué Abundis Márquez, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 10 de abril de 2013. Nephtaly Sifuentes Acosta, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 17 de abril de 2013. Irasema Torres Cavazos, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 18 de abril de 2013. Cutberto Arellano Torres, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de abril de 2013. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Raúl Alejandro Castillo Flores, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 19 de abril de 2013. José Marcelo Velázquez Villarreal, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de abril de 2013. Juan Manuel Villarreal Ochoa, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 19 de abril de 2013. Eli Martín la Fuente Guerra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de abril de 2013. Anton Gonzalo Longoria Ortega, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 19 de abril de 2013. Guadalupe Monserrat Hernández Céspedes, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 22 de abril de 2013. Karla Patricia Uribe Sierra, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 24 de abril de 2013. José Guadalupe Cid Aguilar, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Desarrollo de un vidrio verde azuloso de control solar para mercado arquitectónico y automotriz”, 25 de abril de 2013. Alejandro de Jesús Ibarra García, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 25 de abril de 2013. Oscar Ramón Resendez Cortés, Maestría en Ingeniería con orientación en Manufactura, (Por materias), 26 de Abril de 2013. Karla Elizabeth Treviño Olvera, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 2 de mayo de 2013. José Granados Sifuentes, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 3 de mayo de 2013. Verónica López Saldaña, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 6 de mayo de 2013. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 Luis Fernando Domínguez Ortega, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 6 de mayo de 2013. Arisbeth Sias Chacón, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales, “Desarrollo de propiedades mecánicas de un nuevo acero NiCrMo para la fabricación de anillos para componentes mecánicos”, 8 de mayo de 2013. Mario de la Rosa Limón, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 8 de mayo de 2013. Andrés Castrillón Escobar, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Una Metaheurística para un problema de carga y descarga en la repartición de bebidas embotelladas”, 13 de mayo de 2013. Mauricio Salvador Navarro Torres, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 14 de mayo de 2013. Guillermo González Campos, Maestría en Ingeniería de la Información con orientación en Inteligencia Artificial, “Aplicación de una red neuronal artificial para la simulación y optimización del proceso de síntesis de Y-Bi2MoO6 como fotocatalizador”, 17 de mayo de 2013. Omar Josué Amaya Molina, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Generación y seguimiento de estrategias de operación para el ahorro de combustible y disminución de contaminantes en motores fuel injection”, 17 de mayo de 2013. Luis Fernando Rodríguez Martínez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable, “Decremento del punto de niebla y punto de flujo del biodiesel hecho a base de soja a través del uso de aditivos”, 20 de mayo de 2013. Victoria Rebillas Loredo, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Optimización de un proceso de envío de cerdos de engorda al matadero”, 21 de mayo de 2013. Claudia Eugenia Canales Nañez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Análisis microestructural de 57 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL una superaleación HAYNES 242 bajo diferentes procesos térmico-mecánicos”, 23 de mayo de 2013. Martha Lizeth Montemayor Chacón, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 23 de mayo de 2013. Oscar Rene Robledo Peña, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 23 de mayo de 2013. Eduardo Rodríguez Valdés, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable, “Diseño de un calorímetro para la evaluación de los efectos de la formación de escarcha en intercambiadores de calor”, 24 de mayo de 2013. 58 Rafael Olvera Arévalo, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energías Térmica y Renovable, “Efecto de la inercia térmica de la envolvente sobre la climatización de edificios comerciales”, 24 de mayo de 2013. Miguel Santiago Martínez Tamez, Maestría en Ciencias de la Administración con especialidad en Producción y Calidad, “Calidad en el servicio en capacitación a operadores de montacargas”, 27 de mayo de 2013. María Luisa Alejandra Cavazos Mata, Maestría en Logística y Cadena de Suministro con orientación en Diseño y Análisis, (Por materias), 27 de mayo de 2013. Karla Cecilia González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 30 de mayo de 2013. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 �Acuse de recibo ACTA UNIVERSITARIA RLMM Acta Universitaria es una revista bimestral publicada por la Universidad de Guanajuato que aborda temas de carácter científico sobre distintas disciplinas tales como ciencias biológicas, agropecuarias, de la salud, exactas e ingeniería. El número 7 (octubre-noviembre 2012) presenta el artículo “Análisis del ciclo de vida de la producción de biodiesel a partir del descarne procedente de la industria de la curtiduría”, en donde se plantea aprovechar recursos contaminantes producidos por esta industria. Se presenta también el artículo “Discusión en torno a las macro, meso y microestructuras en la migración masiva MéxicoEstados Unidos: finales del siglo XX e inicios del XXI. Una perspectiva diferente para entender este fenómeno de gran trascendencia en México”, en donde se analiza y discute la naturaleza de la migración internacional entre México y Estados Unidos. Para más información consultar en http://www. actauniversitaria.ugto.mx actauniversitaria@ugto.mx La Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales (RLMM) es una publicación científica, dedicada al campo de la Ciencia y la Ingeniería de Materiales. Publica trabajos de investigación en ciencia e ingeniería de los materiales (metales, polímeros, cerámicas, biomateriales y materiales compuestos) integrando la parte metalúrgica. Como ejemplo de este interés se pueden tomar los títulos de algunos artículos que se publicaron en su número de julio de 2013: “Efecto de la calcinación de hidrocalumitas como soporte de catalizadores sobre la reacción de hidrodesulfuración de tiofeno”, con un proceso en cerámicos que tienen una función aplicado a una reacción específica. Continuando con las propiedades, aquí estructurales y funcionales, por la adición de un elemento, se presenta el artículo “Efecto de la inserción de cerio en las propiedades estructurales, electroquímicas y ópticas de películas delgadas MoO3”. La revista se imprime y además está disponible en internet en el sitio http://www.rlmm.org Melody Cortés Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 Juan Aguilar Garib 59 �Colaboradores Castillo Rodríguez, Guadalupe Alan Ingeniero Mecánico Electricista por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Maestría en Ciencias, Diplomm-Ingeniuer en Ciencia de Materiales, Instituto de Materiales no Metálicos, Universidad Técnica de Clausthal, Alemania. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales y Doctorado en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Colaborador en el CIDT del Grupo Peñoles, Profesor Investigador desde 1999, Subdirector de la División de Estudios de Posgrado de la FIME de 2002 a 2008. Director de Investigación de 2009-2012 Sus líneas de interés son: materiales cerámicos y refractarios. Claudia Elizabeth, Amaro Cortez Ingeniero Mecánico Administrador por la Facultad Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales en el año 2004. Sus líneas de interés son: materiales cerámicos refractarios. Coureaux Mustelier, David Ingeniero Mecánico. Profesor Asistente del Departamento de Mecánica y Diseño. Master en Diseño Mecánico y Dr. en Ciencias Técnicas por la Universidad Politécnica de Cataluña (2012). Miembro del Grupo Tribológico de la Universidad de Oriente. Sus campos de actuación son la ingeniería de materiales compuestos, métodos numéricos aplicados y materiales cerámicos de granos ultrafinos. Ha colaborado en investigaciones conjuntas con las universidades españolas de la Rioja, Politécnica de 60 Valencia y Vigo en la Red iberoamericana “Empresa, Diseño y Producto”. Ha publicado varias de sus investigaciones científicas en varias revistas seriadas como algunas de ellas pertenecientes al SCI como la Journal of Refractory Metals and Hard Materials, la revista Ingenierías de la Universidad Autónoma de Nueva León, México y Tecnología Química. Derbez García, Edmundo Licenciado por la Facultad de Ciencias de la Comunicación (1988) y por la Facultad de Filosofía y Letras de la UANL (2002), además cuenta con un diplomado en Apreciación de las Artes, MarcoUANL (2003). Ha sido reportero, enviado especial, editor y directivo informativo y colaboraciones en revistas de la UANL y externas. De 1985 a 1995 trabajó en el Diario de Monterrey; de 1997 a 2009 en Vida Universitaria y actualmente es director del Centro de Documentación y Archivo Histórico de la UANL. García Loera, Antonio Ingeniero Mecánico Administrador y Maestro en Ciencias de la Ingeniería de los Materiales por la FIME-UANL. Doctor en Ciencias de los Materiales Compositos y Poliméricos en el Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Francia. Actualmente es Catedrático- Investigador en la FIME-UANL. García Montes, Saida Mayela Licenciada Química Industrial (2008) y Maestra en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (2011) por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es candidata a Doctora en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 �Colaboradores Goéz Úsuga, Alexey Ingeniero de Materiales por la Universidad de Antioquia, Colombia (2005). En la actualidad es estudiante de doctorado en Ciencia de los Materiales en la Universidad Politécnica de Cataluña. Su principal línea de investigación recae en el comportamiento mecánico de aceros para trabajo en frio. Presenta publicaciones en revistas seriadas tales como “International Journal of Refractory Metals and Hard Materials”, “Surface and coatings technology”, “Procedia engineering”, entre otras. Goto, Motonobu Ingeniero Químico (1979), Maestro en Ciencias (1981) y Doctor en Ingeniería Química (1984) por la Universidad de Nagoya, Japón. De 1984 a 1988 trabajó en el Departamento de Ingeniería Química de la misma universidad, y de 1988 a 1993 fue profesor asistente en el Departamento de Química Aplicada, en la Universidad de Kumamoto, Japón. Realizó una estancia postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de California, Davies, y luego fue promovido a profesor asociado en el Departamento de Química y Bioquímica Aplicadas, en la Universidad de Kumamoto, y profesor en 2001. De 2007 a 2012 trabajó en el Centro de Investigación Bioeléctrica de la Universidad de Kumamoto. Es profesor del Departamento de Ingeniería Química, en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Nagoya, Japón, desde 2012. Guillén, Daniel Obtuvo el grado de ingeniero eléctrico por el Instituto Tecnológico de Morelia en el 2007 y el grado de Maestro en Ciencias por la Universidad Autónoma de Nuevo León en 2010, donde actualmente cursa sus estudios de doctorado. Sus áreas de interes son análisis de transitorios electromagnéticos en sistemas de potencia y diagnóstico de fallas en transformadores. Guzmán Hernández, Ana María Química por la Facultad de Química de la UNAM, Maestría en Ciencia de Materiales de la Escuela Superior de Física y Matemáticas del IPN y Doctorado en Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Docente desde el año 2001 y Profesor investigador a partir del 2003 en la FIME-UANL. Experiencia en Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 investigación en el Posgrado de la Facultad de Química de la UNAM de 1988-1991, Refractarios Mexicanos S.A. de C.V. de 1991-1995 y Quimiproductos, S.A. de C.V. de 1995-1997. Sus líneas de interés son: materiales cerámicos, refractarios, cementos y vidrios. Idárraga Ospina, Gina Recibió el grado de ingeniero eléctrico por la Universidad Nacional de Colombia, MedellínColombia en 2002 y el grado de Doctor por la Universidad Nacional de San Juan, Argentina en 2007. Desde 2008 es profesora investigadora en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Sus areas de interes son el modelado y simulación de elementos del sistema eléctrico de potencia. Análisis de transitorios electromagnéticos, procesamiento digital de señales usando transforamada wavelet. Llanes Pitarch, Luis Miguel Ingeniero Mecánico. Doctor en Ciencia e Ingeniería de Materiales por la Universidad de Pensilvania, Filadelfia, EE.UU. Profesor Catedrático del Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica (2003) de la Unversidad Politecnica de Cataluña (UPC). Siendo en la actualidad el director de dicho departamento. Su investigación la desarrolla en el Centro de Integridad Estructural y Fiabilidad de los Materiales (CIEFMA). López Walle, Beatriz Cristina Ingeniera Mecánica -opción Mecatrónica- (2003) en la UNAM. Doctora en Microrobótica (2008) en la Université de France-Comté, en Besançon, Francia. Catedrático Investigador de la FIME y el CIIDIT de la UANL. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel 1. Morales Ibarra, Rodolfo Ingeniero en Materiales por la Universidad Autónoma de Nuevo León en 2007. Maestro en Ciencias con especialidad en estructuras y materiales aeroespaciales en la Université Bordeaux 1, Francia–UFR de Physique–Ingénierie et Maintenance Aéronautique (2008). Maestro en Administración Industrial y de Negocios con Especialidad en Relaciones Industriales por la FIME–UANL (2011). Realizó una estancia académica (2009) en la Universidad 61 �Colaboradores de Kumamoto, Japón. Es candidato a Doctor en Ingeniería de Materiales por la FIME-UANL. Trabajó en el Departamento de Ingeniería de Monterrey Aerospace–MD Helicopters– y el Departamento de inspección de Monterrey Jet Center. Quitain, Armando T. Ingeniero Químico (1992) y Maestro en Ciencias en Ingeniería Química (1996) por la Universidad De La Salle, Manila, Filipinas. Doctor en Ingeniería Química por la Universidad de Nagoya, Japón. Es profesor asistente en la Escuela de Graduados en Ciencia y Tecnología de la Universidad de Kumamoto, Japón. Reig López, Blanca Ingeniera de Materiales por la Universidad Politécnica de Cataluña [UPC] (1999), Industrial por la UPC (2000) y de Materiales por la Escuela Europea de Ingeniería, Nancy, Francia (2000). En la actualidad es gerente de ingeniería en Sanvik-Española S.A. 62 Suárez Sandoval, Fralett Ingeniera en electrónica (2011) por el Instituto Tecnológico de Morelia. Graduada con mención honorífica tras haber alcanzado el más alto promedio en la historia del Instituto. Estudiante, y becaria CONACYT, del programa de maestría en Ingeniería de microsistemas en la Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, en Alemania. Sasaki, Mitsuru Ingeniero Químico (1995), Maestro en Ciencias en Ingeniería Química (1997) y Doctor en Ingeniería Química (2000) por la Universidad de Tohoku, Sendai, Japón. Fue investigador en el Genesis Research Institute, Inc., Nagoya, Japón; investigador asociado en el Departamento de Química Aplicada y Bioquímica, Universidad de Kumamoto. Desde 2005 es profesor asociado en la Escuela de Graduados de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Kumamoto, Japón. Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año XVI, No. 60 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 63 �64 Ingenierías, Julio-Septiembre 2013, Año. XVI, No. 60 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2013 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 16 Número Número de la revista 60 Mes de publicación Mes cuando se publicó Julio-Septiembre Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2013, Año 16, No 60, Julio-Septiembre Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Ocañas Galván, Cyntia, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/07/2013 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020823 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores Bauxitas EIAO Material híbrido Nanopartículas Refractarios Transformador https://hemerotecadigital.uanl.mx/files/original/312/20782/Ingenierias_2013_Ano_16_No_59_Abril-Junio.pdf 5362dfe3fb78c98e11b37430dfa0409a PDF Text Text 59 ISSN 1405-0676 Fatiga mecánica Aglomerados de nanopartículas Moldes yeso-cemento Disolución de carburos ABRIL - JUNIO 2013, Año XVI, No. 59 REVISTA DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN �Contenido Abril-Junio de 2013, Año XVI, No. 59 59 2 Directorio 3 Editorial: Divulgación de la ciencia y la tecnología Juan Antonio Aguilar Garib 6 Optimización de dispositivos para prueba de fatiga 13 Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB Moisés Jiménez Martínez, José Martínez Trinidad, Ulises Figueroa López Alejandro Estrada De la Vega, José Gabriel Durán Guerrero, Marco Antonio Garza Navarro, Iván Eleazar Moreno Cortez, Domingo I. García Gutiérrez, René Fabián Cienfuegos Pelaes 21 Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) Adán Juárez Montalvo, José Alfredo Jiménez Bernal, Claudia Del Carmen Gutiérrez Torres, Juan Gabriel Barbosa Saldaña 30 36 Síntesis y caracterización de LaNixCo1-xO3 (x= 0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en celdas de combustible de óxido sólido María Elizabeth Flores-Guerrero, Alan J. Salazar-Rodríguez, Leonardo Chávez-Guerrero, René Fabián Cienfuegos Pelaes, Moisés Hinojosa Rivera Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones Iván L. Samperio-Gómez, Claudia A. Cortés-Escobedo, Félix Sánchez-De Jesús, Ana María Bolarín-Miró 43 Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua Azael Martínez De la Cruz, Selene Sepúlveda Guzmán, Ulises Matías García Pérez 50 Efecto de la temperatura y tiempo sobre la disolución de la fase γ´y carburos sobre la aleación Waspaloy® Saraí Villalpando Hernández, Hugo Guajardo Martínez, Juan Antonio Pérez Patiño, Enrique López Cuellar, Martín Edgar Reyes Melo 58 Eventos y reconocimientos 60 Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL 62 Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL 65 Acuse de recibo 66 Colaboradores 69 Información para colaboradores Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 1 �Ingenierías, Año XVI, N° 59, abril-junio 2013. Fecha de publicación: 15 de abril de 2013. Revista trimestral, editada y publicada por la Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Domicilio de la Publicación: Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Telefono: +52 (81) 83294020 Ext. 5854. Impresa por: Desarrollo Litográfico, S.A. de C.V., M. M. del Llano 924 Ote., Centro, Monterrey, N.L., México, C.P. 64000. Fecha de terminación de impresión: 15 de abril de 2013. Tiraje: 800 ejemplares. Distribuido por: Universidad Autónoma de Nuevo León, a través de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Pedro de Alba S/N, Edificio 7, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450. Número de reserva de derechos al uso exclusivo del título Ingenierías otorgada por el Instituto Nacional del Derecho de Autor: 04-2011-101411064600-102, de fecha 14 de octubre de 2011. Número de certificado de licitud de título y contenido: 15,525, de fecha 27 de marzo de 2012, concedido ante la Comisión Calificadora de Publicaciones y Revistas Ilustradas de la Secretaría de Gobernación. ISSN: 14050676. Registro de marca ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial: En trámite. Ingenierías es una publicación trimestral arbitrada, editada por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, dirigida a profesionales, profesores, investigadores y estudiantes de las diferentes áreas de la ingeniería. Las opiniones y contenidos expresados en los artículos son responsabilidad exclusiva de los autores. Prohibida su reproducción total o parcial, en cualquier forma o medio, del contenido editorial de este número sin previa autorización. Ingenierías está indizada en: Latindex, Periódica, CREDI, DOAJ, Dialnet, Actualidad Iberoamericana, LivRe, NewJour. Versión en extenso en internet: http://ingenierias.uanl.mx/ Impreso en México Todos los derechos reservados © Copyright 2013 revistaingenierias@uanl.mx 2 DIRECTORIO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN Rector: Dr. Jesús Ancer Rodríguez Secretario General: M.E.C. Rogelio G. Garza Rivera Secretario Académico: Dr. Juan Manuel Alcocer González Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado: Dr. Mario C. Salinas Carmona Secretario de Extensión y Cultura: Lic. Rogelio Villarreal Elizondo Director de Publicaciones: Dr. Celso José Garza Acuña FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Director: M.C. Esteban Báez Villarreal Sub-Director de Estudios de Posgrado: Dr. Moisés Hinojosa Rivera Sub-Director Académico: M.C. Arnulfo Treviño Cubero REVISTA INGENIERÍAS Director y Editor Responsable: Dr. Juan Antonio Aguilar Garib, FIME-UANL Redacción: Lic. Julio César Méndez Cavazos CONSEJO EDITORIAL INTERNACIONAL Dr. Mauricio Cabrera Ríos, Puerto Rico. UPRM / Dr. Juan Jorge Martínez Vega, Francia. Universidad de Toulouse III / Dr. Samir Nagi Yousri Gerges, Brasil. UFSC, Florianopolis / Dra. Karen Lozano, USA. UT-Panam / Dr. Juan Miguel Sánchez, USA. UT-Austin CONSEJO EDITORIAL MÉXICO Dr. Óscar L. Chacón Mondragón, FIME-UANL / M.C. Fernando Javier Elizondo Garza, FIME-UANL / Dr. Jesús González Hernández, CIMAV / Dr. Moisés Hinojosa Rivera, FIME-UANL / Dr. Benjamín Limón Rodríguez, FIC-UANL / Dr. José Rubén Morones Ibarra, FCFM-UANL / Dr. Ubaldo Ortiz Méndez, FIME-UANL / Dr. Miguel Ángel Palomo González, FCQ-UANL / M.I.A. Roberto Rebolloso Gallardo, FFYL-UANL / Dr. Ernesto Vázquez Martínez, FIME-UANL COMITÉ TÉCNICO Dr. Efraín Alcorta García, FIME-UANL / Dr. Rafael Colás Ortiz, FIME-UANL / Dr. Jesús De León Morales, FIME-UANL / Dr. Virgilio A. González González, FIME-UANL / Dr. Carlos Alberto Guerrero Salazar, FIME-UANL / Dra. Oxana Vasilievna Karisova, FCFM-UANL / Dr. Azael Martínez De la Cruz, FIME-UANL / Dr. Enrique López Cuellar, FIME-UANL / Dr. Martín Edgar Reyes Melo, FIMEUANL / Dr. Roger Z. Ríos Mercado, FIME-UANL / Dr. Juan Ángel Rodríguez Liñan, FIME-UANL / Dr. Félix Sánchez De Jesús, ICBI-UAEH GRUPO CENTRAL EDITORIAL Tipografía y formación: Gregoria Torres Garay / Jesús G. Puente Córdova Indización: Dr. César Guerra Torres Diseño: M.A. José Luis Martínez Mendoza Fotografía : M.C. Jesús E. Escamilla Isla Webmaster: Ing. Cosme D. Cavazos Martínez / Ing. Dagoberto Salas Zendejo Impresor: René de la Fuente Franco Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 �Editorial: Divulgación de la ciencia y la tecnología Juan Antonio Aguilar Garib FIME-UANL juan.aguilargb@uanl.edu.mx Divulgar significa publicar, extender o poner al alcance del público información, como se hace con un secreto que se da a conocer. En el caso de la divulgación científica y tecnológica, o mejor, divulgación de la ciencia y la tecnología, se refiere a la actividad para dar a conocer a la sociedad los avances científicos y tecnológicos. Hay diferentes niveles de divulgación según las personas a las que vaya dirigida, hay notas para el público en general que pueden estar escritas por “periodistas científicos”, o “reporteros de la ciencia” que obtienen información de diferentes fuentes, tales como entrevistas, reportajes, boletines de prensa de laboratorios y centros de investigación, así como de artículos científicos, y luego condensan esa información y la presentan utilizando un lenguaje accesible para ese público. El periodista científico que escribe notas de ciencia popular debe tener un buen entendimiento de la ciencia, tal que pueda apreciar la relevancia del material científico y su consistencia con conocimiento establecido, a fin de evitar la exageración, la sobresimplificación y los malos entendidos que alimentan mitos. En todo caso, la buena calidad de la divulgación exige que la información que se ofrece sea comprobable. El artículo científico es también un nivel de divulgación de la ciencia, pero está dirigido a personas con formación científica. Estos trabajos deben presentar además de la conclusión, la evidencia que lleva a ella, e información suficiente sobre los planteamientos y experimentos realizados de manera que puedan ser reproducidos por terceros. Este tipo de artículos están sujetos a revisión por parte de pares de los autores antes de ser publicados y aún después de esto continúan siendo juzgados en cuanto a su validez por los lectores. El lenguaje que se utiliza no es el mismo que el de las notas, ya que los artículos van dirigidos a público con cierta formación. Es claro que las características del lenguaje accesible son diferentes para los niños, los estudiantes de niveles básicos y aquellos que se desenvuelven en el medio de la ciencia y la tecnología. Lo mismo es válido en cuanto al vocabulario, que se puede distinguir según el área, no es el mismo para la medicina que para la aeronáutica. Hay un grado de responsabilidad importante en la publicación de artículos científicos, pues son fuente de información tanto para los periodistas científicos como para otros científicos que los utilizan como referencia para sus trabajos de investigación, o para resolver controversias científicas. En ciencias exactas se recurre a pruebas cada vez más rigurosas para resolver una controversia y Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 3 �Divulgación de la ciencia y la tecnología / Juan Antonio Aguilar Garib. muchas veces la fuente de inspiración e información para el diseño de nuevos experimentos necesarios son los reportes que aparecen en estas publicaciones. La descripción presentada para los artículos científicos también es válida para los artículos tecnológicos, solo hay que considerar que los desarrollos tecnológicos los realizan los ingenieros, mas siendo que los ingenieros también saben de ciencia, pues la ingeniería hace uso de los principios científicos para crear sistemas que satisfacen diferentes necesidades de la sociedad, entonces los artículos tecnológicos también observan una forma de rigor y grado de responsabilidad en cuanto a sus declaraciones. No es difícil determinar si una contribución corresponde a la ciencia o a la tecnología. Lo que sí es un problema es que se dan casos en los que se justifica la ligereza con la que se tratan los detalles en una publicación argumentando que se trata de artículos de divulgación cuando se confunde la intención de lenguaje simple con la pérdida de contenido. Este tipo de artículos es con frecuencia más difícil de escribir porque se deben presentar y explicar los detalles en un lenguaje que alcanza a personas que no son especialistas. Es necesario tener presente que la construcción gramatical debe ser adecuada, cuidando la ortografía, lo que es propio del nivel cultural de un divulgador de ciencia y tecnología. La revista Ingenierías Llegado este punto, es oportuno dejar las generalidades y ubicarse particularmente en la revista Ingenierías, la revista de la casa, la cual contempla la divulgación de la ciencia y la tecnología de la manera que ya se ha expuesto. La revista Ingenierías está dedicada a la divulgación científica y tecnológica, artículos humanísticos del quehacer ingenieril, así como reportes de investigación. Los artículos son producto del trabajo directo de los autores y por supuesto están escritos en un lenguaje claro, didáctico y accesible para personas interesadas en estos temas. Los artículos tienen cierto grado de novedad o de originalidad, y cumplen con los aspectos ya mencionados propios del rigor científico. En conjunto esta descripción de la revista conforma su canon, es decir, sus características y normas, que por cierto se corresponden con las aceptadas internacionalmente. Un tema controversial en cuanto a su apego al canon de la revista se refiere a las simulaciones, pues aunque hay trabajos muy interesantes que están validados sólidamente, ya sea con mediciones, con modelación física o con pruebas de campo, también se dan propuestas de artículos que no pueden ser aceptados porque la simulación no se valida, no se hacen comparaciones o se hace contra otros modelos o simuladores de los que no se señala en qué condiciones fueron probados o qué limitaciones tienen. Esta circunstancia lleva a que la prueba no quede clara, o no lo sea, y el análisis y discusión de resultados pierdan su sustento. Es importante que los trabajos que involucran simulación tomen en cuenta que la validación es indispensable para proceder a la discusión, sobre todo porque la simulación es a final de cuentas solo una herramienta. Otros escritos que aunque son interesantes no pueden ser considerados como artículos de divulgación científica o tecnológica son las propuestas de proyecto, propuestas de modelos sin validación, propuestas de herramientas de análisis sin al menos un ejemplo de prueba con datos diferentes a los utilizados para su 4 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 �Divulgación de la ciencia y la tecnología / Juan Antonio Aguilar Garib. creación, los protocolos de tesis y los trabajos con resultados preliminares que no permiten realizar análisis o replicarlos. Los artículos con carácter humanístico frecuentemente pretenden apegarse al canon de revistas de ciencias sociales. Estas ciencias lo son tanto como las exactas y por lo tanto hay hipótesis que pueden ser probadas, con discusión y conclusiones. Es común que en este tipo de artículos la argumentación se sustente con citas en lugar de con pruebas, lo que no corresponde a cumplir con el rigor que las ciencias exigen. El abuso de las citas sugiere más la actitud de validación mediante consenso en lugar de prueba. Con apego a las características de estas ciencias, no hay justificación para omitir los detalles que conforman la reproducibilidad y validación de un trabajo de esta naturaleza. Tanto los artículos de historia, de administración, de educación y en general de ciencias sociales y humanas tienen la posibilidad de concluir en base a pruebas. Es importante que en estos trabajos se observe esta condición para que la discusión que emana del análisis de los resultados no se confunda con una opinión. En general, todo artículo debe cumplir con la oferta que hace en su introducción, debe proveer la información que da el marco a la investigación que se realiza, describir la experimentación o diseño, analizar y discutir los resultados y finalmente presentar una conclusión. Esta descripción del artículo es válida para una gran variedad de temas, mientras que el carácter de la divulgación está dado por el lenguaje empleado, no por el contenido. La revista Ingenierías fue presentada en 1998 y desde entonces ha evolucionado y llamado la atención de profesores y alumnos también en otras instituciones además de la nuestra, por lo que ha ampliado su cobertura. El número de contribuciones que la revista ha recibido a lo largo de poco más de quince años demuestra el interés de la comunidad dedicada a labores académicas, de investigación y docencia en publicar. El número de contribuciones aceptadas para publicación da cuenta de la comprensión de esta comunidad con respecto al carácter de divulgación de la revista. Estamos muy agradecidos con todas las personas que han colaborado con sus trabajos para publicación, con su tiempo y experiencia para arbitrar los trabajos, y con su entusiasmo para promover la revista. Es innegable la importancia de la divulgación que es además promotora de la vocación por las ciencias y es por eso que es del interés común en los centros de investigación e instituciones educativas de nivel superior. Quiero aprovechar esta ocasión para expresar además de mi agradecimiento, nuestra invitación a los estudiantes, investigadores y profesores relacionados con la ingeniería, tal como lo han hecho en diferentes oportunidades los directivos de la FIME-UANL, quienes siempre nos han brindado su apoyo, para que participemos en esta importantísima labor de divulgación de la ciencia y tecnología enviando artículos que por su calidad y pertinencia sean referencia en la sociedad, además de constituir un motivo de satisfación y orgullo para todos los que colaboramos en esta revista. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 5 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga Moisés Jiménez Martínez Volkswagen de México José Martínez Trinidad Instituto Politécnico Nacional Ulises Figueroa López ITESM CEM moisesjimenezmartinez@gmail.com RESUMEN En el diseño de dispositivos para pruebas de fatiga se debe conseguir que tengan la suficiente resistencia para transmitir fuerzas o desplazamientos y evitar que en ellos se genere resonancia. En este trabajo se propone minimizar el tiempo de diseño mediante la optimización multiobjetivo. El caso de estudio es una simulación estática para el dispositivo de pruebas de torsión de eje trasero de automóvil, se realizó la optimización topológica así como una optimización de forma definiendo diferentes perfiles estructurales en el mercado. Se obtuvo una geometría optimizada cumpliendo con la restricción de rigidez del dispositivo para transmitir el desplazamiento al eje de prueba. PALABRAS CLAVE Optimización topológica, Optimización de forma, análisis modal, análisis estático, correlación numérico-experimental. ABSTRACT The design of devices for fatigue test must guarantec that they have enough strength to transmit forces or displacements and avoid resonances in the device. In this work is proposed to apply optimization to reduce design time. The case study is a static simulation for the device of rear axle´s test, is performed the topology optimization to find the geometry and shape optimization defining different structural profiles in the market. It was obtained an optimized geometry meeting the constraint of the device´s stiffness to transmit the displacement to the test´s axle. KEYWORDS Topology optimization, shape optimization, modal analysis, static analysis, numerical-experimental correlation. INTRODUCCIÓN Para realizar las pruebas de durabilidad1 se sigue un proceso que consiste en la adquisición de cargas mediante la instrumentación de un vehículo el cual es sometido a condiciones normales de operación considerando diferentes variables como son los conductores y las condiciones de manejo. Con la información adquirida se construye un colectivo de cargas representando el manejo de un 6 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. porcentaje de la población además de incluir un factor para absorber la dispersión en las variables durante el manejo; este colectivo es extrapolado dependiendo la proyección de vida deseada.2 A partir de esta información se genera el requerimiento de prueba, las cuales pueden ser en dominio del tiempo o en dominio de la frecuencia. La mayoría de las pruebas son realizadas bajo condiciones de carga de amplitud constante, en estas la variable de carga (fuerza, desplazamiento, aceleración, temperatura) es elegida mediante un análisis de daño,3 en el cual se obtiene el número de repeticiones necesarias a determinado nivel de carga para reproducir una falla. Para la realización de estas pruebas se realiza el diseño estructural de los dispositivos, este proceso se puede realizar mediante métodos analíticos, sin embargo debido al incremento en la globalización de los mercados y el crecimiento en la competencia ha inducido a las compañías a implementar herramientas virtuales como la simulación de elementos finitos para lograr reducir los tiempos de desarrollo. Una metodología para este proceso es mostrada en la figura 1. Fig. 1. Metodología para el proceso de simulación. Con este proceso se observa que cuando un diseño no cumple los requerimientos de prueba se regresa al CAD o al preprocesador para modificar el modelo e iniciar nuevamente el análisis, esto se hace hasta que se cumplen los criterios de aceptación. Este proceso puede hacerse manualmente o con diferentes técnicas de optimización,4,5 la cual se realiza en base al espacio de diseño disponible en la geometría (G), Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 las cargas (C) así como los materiales empleados (M), en función de estas variables de diseño se realiza una medición del desempeño Pj.6 Pj = f (C , G , M ) (1) El elemento optimizado tiene una función que es lo que el elemento hace, el objetivo (ψo) que es lo que se maximiza o minimiza y las restricciones (ψi)que son las condiciones que se deben de cumplir. Matemáticamente un problema de optimización puede ser definido como: ψ o ( p ) = min(max) (2) ψ i ( p ≤) ≤ 0 (3) Pi ≤ Pj ≤ Ps (4) Siendo Pi y Ps el límite inferior y superior de las variables de diseño, la distribución del material es realizada por una modificación del módulo de Young de cada elemento en el espacio de diseño; cada elemento es considerado una variable de diseño y puede ser modificada durante el proceso de optimización. Actualmente en el mercado existen diferentes tipos de optimización: topológica,7,8 topográfica y de forma libre.9 La optimización topológica es usada para la determinación de bosquejos básicos de un nuevo diseño. Esto implica la determinación de características tales como el número y localización de agujeros, refuerzos y la geometría en general. Para la optimización de forma se varían dimensiones como alto y ancho, en donde estas variables son evaluadas para cumplir el objetivo de la optimización. En este trabajo se propone el uso de optimización multiobjetivo para mejorar los procesos de diseño de dispositivos para pruebas de fatiga. El caso de estudio es un análisis estático lineal empleando como primer paso la optimización topológica, integrando mediante una optimización de forma diferentes perfiles estructurales en el mercado. Se obtuvieron correlaciones con pruebas experimentales, los cuales muestran la factibilidad de implementar diferentes técnicas de optimización para el diseño de dispositivos de prueba. OPTIMIZACIÓN DE DISPOSITIVO La prueba de torsión del subensamble del eje trasero de automóvil se realiza mediante el 7 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. dispositivo mostrado en la figura 2, el cual tiene que transmitir un desplazamiento en ambos extremos; con esto se simulan condiciones de torsión sobre el cuerpo del eje. Se tiene la problemática de que en el desplazamiento en ambos lados del eje es diferente. Para el lado izquierdo se tiene un valor máximo de desplazamiento de 30.171 mm y el mínimo de -30.82 mm teniendo una amplitud de 30.4955. El objetivo de la optimización es reducir el peso con la restricción que el dispositivo transmita el mismo desplazamiento en ambos lados del eje de prueba y que el esfuerzo máximo esté dentro de la zona de vida infinita para prevenir fallas por fatiga, esto debido a que el dispositivo trabaja todos los días y la frecuencia de prueba es de 3Hz por lo que el dispositivo se somete a 94,608,000 ciclos anualmente. Como primer paso se realiza el análisis del dispositivo. El punto de aplicación de carga en el cilindro está desplazado del punto de aplicación en el eje. Para encontrar el valor de desplazamiento del cilindro nos basamos en los triángulos generados entre el cilindro y el dispositivo que se observan en la figura 4. Lc y Hc corresponden a la longitud y altura que genera el cilindro respecto al centro y Lpm así como Hpm corresponden al punto de medición en el eje. Fig. 2. Prueba de torsión de eje trasero. a) Cilindro, b) Celda de carga, c) Dispositivo para prueba de torsión y d) Eje trasero (Pieza de prueba). Se monitorea el desplazamiento en ambos lados del cilindro, con un equipo de medición QuantumXMX840A de la marca HBMMR con un transductor de hilo con hoja de datos (TEDS) que sirve para almacenar los datos de calibración (figura 3a). La figura 3b muestra la gráfica de desplazamiento, del lado derecho se obtiene un valor máximo de desplazamiento de 40.33 mm y el mínimo de -38.44, teniendo una amplitud de 39.385 mm. Fig. 4. Prueba de torsión de eje trasero. Fig. 3. Medición de desplazamiento, (a) Instrumentación y (b) gráfica de desplazamiento. 8 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. Igualando las ecuaciones 5 y 6 encontramos la relación para conocer el desplazamiento necesario en el cilindro para obtener en el eje 40 mm. Tanβ = Lc (5) Hc Lpm Tanβ = (6) Hpm RESULTADOS DEL ANÁLISIS ESTÁTICO La figura 6a muestra el valor máximo de esfuerzos que es de 223.5 MPa; la figura 6b muestra los resultados de desplazamiento generado que son +/-31.603 mm para el lado izquierdo y -39.6609 mm para el lado derecho. CONDICIONES DE FRONTERA Las restricciones espaciales son mostradas en la figura 5, en donde BC1: 6DOF=0, BC2, BC3: U1, U2, UR1, UR3=0 y BC4 (HC)=U3. Igualando las ecuaciones 1 y 2 y despejando Hc encontramos el desplazamiento para nuestro modelo. Por lo tanto BC4=(+/-)32.7 mm en el cilindro, para obtener en el eje 40 mm. Fig. 5. Restricciones espaciales. El modelo de elemento finito es construido con 25,172 elementos hexaédricos de primer orden y dos elementos resorte para simular la rigidez del eje. Los valores de rigidez son obtenidos de dividir la fuerza encontrada en la celda con el desplazamiento medido. K= F d (7) Con la ecuación 7 se obtiene la rigidez K1= 73.33N/mm que corresponde al lado izquierdo del eje y K2= 56.66N/mm que corresponde al lado derecho del eje de pruebas. PROPIEDADES DEL MATERIAL Las propiedades mecánicas son las de un acero estructural A36: Módulo de Young = 210,000 MPa, coeficiente de Poisson=0.3, densidad de 7.85e-9 tonne/mm3, límite elástico de 248 MPa y la resistencia última (Su) en 400 MPa. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 6. Resultados de la simulación, (a) esfuerzo y (b) desplazamiento. MODELO DE ELEMENTO FINITO PARA LA OPTIMIZACIÓN Una vez validada la metodología con la correlación del desplazamiento encontrado en la simulación y las pruebas experimentales, se realiza el modelo de elemento finito en el software Hypermesh para la optimización topológica, el cual está compuesto por 84 elementos Cpenta, 2 elementos Celas y 304,451 elementos hexaédricos de primer orden (figura 7). Los puntos de fijación del dispositivo al cilindro así como al eje y el punto central de rotación son áreas de no diseño. Los elementos donde puede o no haber material están definidos por el área de diseño. Las condiciones de frontera son las descritas para el análisis estático en la figura 6. Los resultados de desplazamiento en el análisis estático son simétricos por lo que solo se analiza cuando el cilindro se desplaza hacia arriba. 9 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. mover son mostrados en la figura 9; las condiciones de frontera son las mismas que para la optimización topológica así como para el análisis estático. Los resultados de la optimización de forma se muestran en la figura 10, se observa en el inciso a que todos los perfiles se pueden reducir en el ancho y en el inciso b se observa que el perfil superior también puede reducir su altura. Fig. 7. Modelo de elemento finito para la optimización. El objetivo de la optimización es disminuir el volumen con la restricción de que el esfuerzo sea menor al límite a la fatiga Se.10 Se=0.5 Su para Su<1378.9 MPa (8) La ecuación 8 se modifica considerando el factor de confiabilidad CR. Para una confiabilidad del 99.9999%, el valor es de 0.620. Se, R = (0.5Su ) x0.620 = 0.31Su (9) Usando la ecuación 9 se obtiene el valor de límite a la fatiga corregido Se,R que corresponde a 124 MPa. Considerando un factor de seguridad de 2.5 finalmente se obtiene la restricción de esfuerzo máximo en el dispositivo de 50 MPa. MODELO DE ELEMENTO FINITO PARA EL ANÁLISIS ESTÁTICO LINEAL Con el resultado de las optimizaciones topológicas y de forma, se determina el uso de un perfil de 101.6 x 50.8 mm de 4 mm de espesor con el cual se construye el modelo de elemento finito (figura 11), Fig. 9. Vectores para la optimización de forma. R E S U LTA D O S D E L A O P T I M I Z A C I Ó N TOPOLÓGICA Los resultados de la optimización topológica son mostrados en la figura 8. Los elementos que no trabajan se van eliminando; por el tipo de carga algunos elementos centrales van desapareciendo. A la geometría encontrada en la optimización topológica se le realizó una optimización de forma; para realizar esta optimización son definidas formas a la malla en el módulo de HyperMorph, definiendo los siguientes perfiles 101.6 x 101.6 mm y 50.8x 50.8 mm; los vectores generados de cómo la malla se puede Fig. 8. Resultados de la optimización topológica. 10 Fig. 10. Resultados de la optimización de forma. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. Fig.11. Modelo de elemento finito encontrado mediante optimización de forma. el cual tiene las siguientes características 10,845 elementos CQUAD, 143 elementos TRIA y 2 elementos resortes. Fig. 12. Resultados del modelo final (a) esfuerzo, (b) desplazamiento. RESULTADOS DEL ANÁLISIS ESTÁTICO Los resultados de esfuerzos son mostrados en la figura 12a el valor máximo del esfuerzo está en 10.7 MPa cumpliendo el objetivo de que el esfuerzo sea menor a 50 MPa. La figura 12b muestra el resultado del desplazamiento de 40.7 mm en los puntos donde se conecta el elemento resorte al dispositivo, logrando nuestra segunda y mas importante restricción de que el desplazamiento sea el mismo en ambos extremos. PRUEBAS EXPERIMENTALES Para verificar el desplazamiento en el dispositivo se realiza una medición; la figura 13a muestra el dispositivo y los resultados son mostrados en la figura 13b: se obtiene un desplazamiento de 40.6 mm para el lado derecho y 40.34 mm para el lado izquierdo. DISCUSIÓN Los resultados de esfuerzos son bajos comparados con el límite establecido, sin embargo la selección de una geometría diferente tenía como resultado que del lado izquierdo el desplazamiento fuera menor al del lado derecho del mismo; en el valor de 40.7 mm resultado del análisis numérico al compararlo con Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 13. Medición en dispositivo diseñado mediante optimización, (a) dispositivo y (b) resultado de la medición. 11 �Optimización de dispositivos para prueba de fatiga / Moisés Jiménez Martínez, et al. el análisis experimental se encontró una diferencia de 0.1 mm y 0.36 mm respectivamente y un error de 0.26 mm entre el lado derecho e izquierdo lo que se considera despreciable debido a la dispersión inherente a las pruebas de fatiga. El incluir las restricciones de manufactura definiendo diferentes perfiles estructurales permite al ingeniero de diseño disminuir las variables a elegir, lo que permite reducir los tiempos de desarrollo. Sin embargo estos resultados se deben interpretar con experiencia de diseñador, ya que el programa entrega superficies en el caso de la optimización topológica la cual no puede reproducirse muchas veces debido a la complejidad de la misma lo que tendría como resultado una pieza fundida; para este caso de estudio se determinó un perfil estructural por los costos de fabricación del mismo. Para el caso de la optimización de forma el resultado es una variación de la variable, en este caso la altura y el ancho del perfil, el diseño final en un resultado es definido en conjunto con el programa y el diseñador. CONCLUSIONES La optimización es un proceso interativo que requiere juicio humano e intervención en el proceso para combinar la creatividad ingenieril con la velocidad computacional. La aportación del presente trabajo radica en la integración de optimizaciones de forma a los resultados de la optimización topológica con esto se acotaron los resultados y se combinaron el proceso de optimización con la creatividad del diseñador. La optimización de forma permite incorporar restricciones de manufactura obteniendo diseños factibles de fabricación. La validación de los diseños demuestra la confiabilidad de la aplicación de esta metodología para realizar optimización multiobjetivo considerando restricciones de manufactura. AGRADECIMIENTOS MJM agradece el apoyo a desarrollo técnico de VWM por el apoyo para la realización de este trabajo. 12 REFERENCIAS 1. M. Jimenez, J. Martinez, Durability tests, Proceedings of the 13th World Congress in Mechanism and Machine Science (IFToMM), Guanajuato, México, 19-25 June, 2011,A23537. 2. K.L Kotte, Betriebsfestigkeit Studienbrief, Technischen Universität Dresden, 1999, pp 23-64. 3. A. Fatemi, L. Yang, Cumulative fatigue damage and life prediction theories: a survey of the state of the art for homogeneous materials, Int. J Fatigue 20, (1998) 9-34. 4. K. Saitou, K. Izui, S. Nishiwaki, P. Papalambros, “A Survey of Structural Optimization in Mechanical Product Development”, Transactions of the ASME 5 (2005) p. p 214-226. 5. H . E s c h e n a u e r , N . O l h o f f , T o p o l o g y Optimization of Continuum Structures: A review, Appl Mech Rev ASME 54 (2001) 331390. 6. M.F Ashby, Multiobjective Optimization in Material design and Selection, Acta Metalurgica 48 (2000) 359-369. 7. A. Albers, P. Häuβler, K. Puchner, F. Fischer, W. Witteveen, B. Lauber, Topology optimization of dynamic loaded parts using multibody simulation and durability analysis. Institute für Produktenwicklung NAFEMS Seminar: Optimization in Structural Mechanics, Wiesbaden Germany April 27-28, (2005). 8. C.D Chapman, K. Saitou, M. J. Jakiela, “ Genetic Algorithms as an approach to Configuration and Topology design”, Journal of Mechanical Design 116 (1994), 1005-1012. 9. Optistruct V10.0, Altair Engineering Inc. 10. Y. Lee, J. Pan, R. B. Hathaway, M. Barkey, Fatigue Testing and Analysis, Elsevier Buiterworth Heinemann, 2005. pp 126-138. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB Alejandro Estrada de la Vega, José Gabriel Durán-Guerrero, Marco Antonio Garza-Navarro, Iván Eleazar Moreno-Cortez, Domingo I. García-Gutiérrez, René Fabián Cienfuegos-Pelaes FIME-UANL CIIDIT, UANL marco.garzanr@uanl.edu.mx RESUMEN En este trabajo se reporta la síntesis y caracterización de aglomerados basados en nanopartículas de magnetita y bromuro de cetiltrimetil-amonio (CTAB) preparados a partir de emulsiones aceite en agua de nanopartículas de magnetita dispersas en medio orgánico, y el CTAB como surfactante. Las nanopartículas utilizadas en la preparación de los aglomerados se sintetizaron a partir del método del poliol. Las nanopartículas de magnetita y los aglomerados sintetizados se caracterizaron mediante microscopía electrónica de transmisión, y espectroscopia de infrarrojo (FTIR). Los resultados experimentales sugieren que la morfología de los aglomerados es dependiente de la concentración de CTAB, se obtuvieron aglomerados esféricos en los que existe un arreglo compacto de nanopartículas de magnetita. La estabilidad de dichos aglomerados se logra a partir de la adsorción de la sección lipofílica del surfactante CTAB a su superficie. PALABRAS CLAVE Nanopartículas, magnetita, CTAB, emulsión, aglomerados. ABSTRACT Synthesis and characterization of clusters based on magnetite nanoparticles and cetyltrimethyl-ammonium bromide (CTAB) that were prepared from oil-inwater emulsions, and magnetite nanoparticles dispersed into an organic media, using CTAB as surfactant agent. Magnetite nanoparticles, employed on the clusters preparation, were synthesized following a polyol method. Magnetite nanoparticles and their clusters were characterized by transmission electron microscopy and infrared spectroscopy (FTIR). Experimental results suggest that the clusters morphology depends on the concentration of CTAB; spherical clusters with dense nanoparticles arrangement were obtained. Stability of the clusters is due leaded to the adsorption of the lipophilic moiety of CTAB molecules over clusters surface. KEYWORDS Nanoparticles, magnetite, CTAB, emulsion, clusters. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 13 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. INTRODUCCIÓN El desarrollo de nanoestructuras y materiales nanoestructurados ha tenido un gran auge en los últimos 20 años, debido principalmente a su amplia gama de aplicaciones. Un buen número de las contribuciones reportadas en la literatura se enfoca a la obtención de nanoestructuras magnéticas, mismas que hallan sus potenciales aplicaciones en áreas como: la biomedicina, en la cual este tipo de estructuras se aplican como marcadores, separadores de células, ingeniería de tejidos; y en la medicina terapéutica y de diagnóstico, en la que éstas se usan como inductores de hipertermia, vehículos dosificadores y de entrega localizada de fármacos, y de agentes de contraste en imágenes de resonancia magnética o terapia genética y de RNA interferente.1–8 Específicamente, la síntesis de nanoestructuras de óxidos magnéticos, tales como las ferritas espinela, se ha llevado a cabo a partir de diversas rutas. De ellas, es posible mencionar las que involucran la descomposición de dioles en medios orgánicos; esta ruta es conocida como el método del poliol. En ella, sales orgánicas de metales de transición son disueltas en disolventes orgánicos en presencia de dioles y ácidos grasos. Bajo condiciones de atmósfera controlada y alta temperatura, comúnmente cercana a la temperatura de ebullición del disolvente empleado, se logra la hidrólisis de las sales orgánicas y la subsecuente formación de nanopartículas de ferritas espinela.9,10 Un aspecto que distingue a las nanoestructuras obtenidas mediante esta ruta es la buena dispersión de tamaño de partícula, ya que controlando variables como la rapidez de calentamiento de la reacción y concentración de moléculas de ácidos grasos, es posible obtener nanopartículas con tamaño y morfología bien definidos. No obstante, el control del tamaño de partícula, la distribución del mismo y su morfología resultan parámetros limitados en la búsqueda de propiedades magnéticas específicas, ya que éstas también dependen del grado de interacción entre las partículas dispersas en un medio cualesquiera; la dispersión de las partículas en un material nanoestructurado es comúnmente heterogénea, lo cual deriva en que sus propiedades magnéticas sean más bien regidas por la interacción entre partículas. En consecuencia, es relevante que para el control de las propiedades 14 magnéticas de este tipo de materiales, las interacciones partícula-partícula sean consideradas. Al respecto, la preparación de nanoestructuras híbridas promete la obtención de nuevos y novedosos materiales con propiedades magnéticas “ajustables”, en virtud de que éstas pueden controlarse a partir del grado de confinamiento y distribución de partículas en entidades discretas como lo son los aglomerados.6-8 Por ejemplo, se ha reportado que mediante la combinación de las rutas químicas como la co-precipitación o poliol, y microemulsión, es posible la preparación de nanoestructuras híbridas basadas en nanoesferas de poliestireno o sílica, en donde nanopartículas/ nanoaglomerados de magnetita son encapsulados(as).8,11 Más aún, muchos autores recomiendan el uso de polímeros inteligentes y solubles en agua para la estabilización de dichas nanoestructuras.8,12,13 De entre los polímeros sugeridos para este fin sobresalen los polisacáridos y polipéptidos. En la presente contribución se reporta la síntesis de nanoaglomerados de partículas de magnetita, a partir de la combinación de rutas químicas como el método del poliol y microemulsión, como conocimiento básico para la obtención de nanoestructuras híbridas como las descritas anteriormente. Más aún, se establecen las condiciones a partir de las cuales es posible controlar el tamaño y morfología de aglomerados desde emulsiones aceite-en-agua de nanopartículas de magnetita. Es importante señalar que, a diferencia de las aproximaciones descritas en la literatura, siguiendo la aquí propuesta es posible obtener distribuciones de tamaño de aglomerados sumamente estrechas, aun a concentraciones de surfactante inferiores a las reportadas por otros autores. EXPERIMENTACIÓN Reactivos Se utilizaron como reactivos el acetil-acetonato de hierro (III) [Fe(acac)3, 99.9%], 1,2-hexadecanodiol (HDD, 90.0%), ácido oleico (OA, 90.0%), oleilamina (OL, 70.0%), di-fenil éter (DFE, 99.0%), hexano absoluto (HEX-Abs, 99.0 %), etanol absoluto (ETL-Abs, 99.0%), bromuro de cetiltrimetil-amonio (CTAB, 98%) y agua destilada (Millipore, ρ= 13 MΩ-cm). Todos los reactivos fueron provistos por la compañía Sigma-Aldrich y se utilizaron sin ningún tratamiento previo. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. Síntesis de nanopartículas La síntesis de las nanopartículas de magnetita se logró siguiendo la ruta propuesta por Sun y colaboradores 14 aunque, a diferencia de lo ahí propuesto, se controló la rapidez de calentamiento de la reacción y la temperatura a la cual ésta tuvo lugar. La metodología que se siguió se describe a continuación. Primeramente, 2 mmol de Fe(acac)3, 10 mmol de HDD, 6 mmol de OA y 6 mmol de OL se mezclaron en un medio de 20 mL de DFE a temperatura ambiente y bajo un flujo continuo de nitrógeno. Una vez que los sólidos agregados a la reacción se encontraban completamente dispersos en el medio orgánico, la dispersión fue calentada a una tasa de 10 ºC/min, bajo condiciones de reflujo y purga constante con nitrógeno, hasta alcanzar una temperatura de 200 ºC; la reacción se mantuvo a esta temperatura durante 30 minutos. Posteriormente, la temperatura de la reacción se elevó a 250 ºC a una tasa de 5 ºC/min. Luego de 30 minutos, el reactor se retiró de la fuente de calor y el producto se enfrió de manera natural para su posterior recolección. Una vez recolectado, se agregaron al producto 40 mL de ETL-Abs y se centrifugó a 9500 RPM y 4 ºC durante 20 minutos; este proceso se llevó a cabo en dos ocasiones, previa remoción del solvente del sólido precipitado. El producto lavado se dispersó en HEX-Abs, en presencia de 50 μL OA y 50 μL de OL, sometiéndolo a ultrasonido durante 10 minutos. La dispersión se centrifugó a 6000 RPM y 20 ºC durante 10 minutos, para luego descartar el sedimento. El producto disperso en el medio de HEX-Abs fue posteriormente precipitado mediante la adición de ETL-Abs, centrifugado a 6000 RPM y 20 ºC durante 10 minutos, y secado a vacío. Finalmente, la muestra seca se dispersó en HEX-Abs, sometiéndola a ultrasonido por 1 minuto, a una concentración de 19 mg/mL. En lo sucesivo se hará referencia a esta muestra llamándola M19. Síntesis de aglomerados Para la síntesis de los aglomerados, se prepararon muestras a diferentes concentraciones de surfactante, agregando 200 μL de la muestra M19 a 4 mL de disoluciones acuosas de CTAB al 15, 10, 5, 1 ó 0.8 mM; en lo sucesivo se hará referencia a estas muestras llamándolas M19C150, M19C100, M19C050, Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 M19C010 y M19C008, respectivamente. Las mezclas resultantes fueron, primeramente, agitadas manualmente, para luego someterlas a ultrasonido durante 2.5 minutos, utilizando una microsonda controlada por un homogenizador tipo Teckmar. Las emulsiones obtenidas se calentaron indirectamente a 80 ºC (baño María) y agitaron a 500 RPM durante 10 minutos, a fin de evaporar el HEX-Abs utilizado para la preparación de la muestra M19. Finalmente, las muestras fueron almacenadas a 30 ºC en tubos de ensayo para su posterior caracterización. Caracterización Las características cristalinas y morfológicas, y de composición química de las muestras sintetizadas se analizaron por microscopía electrónica de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés) en un microscopio FEI, modelo Titan G2 80-300, empleando técnicas como imagen en campo claro (BF, por sus siglas en inglés), contraste en Z (HAADF-STEM, por sus siglas en inglés) y difracción de electrones (ED, por sus siglas en inglés). Para su caracterización, una gota de cada muestra fue depositada en rejillas de cobre para microscopía electrónica, tipo “lacey-carboncoated”, que fueron adquiridas de la compañía Electron Microscopy Science. La interacción entre las especies que constituyen cada muestra se caracterizó por espectroscopia de infrarrojo (FTIR, por sus siglas en inglés), usando un espectrómetro Thermo Scientific, modelo Nicolet. En este caso, 900 μL de cada muestra se mezclaron con 60 mg de bromuro de potasio (KBr, grado FTIR, ≥ 99%), para posteriormente secarse a 60 ºC durante una noche. Este procedimiento también se siguió para la preparación de muestras tomadas de reactivos como el CTAB, OA y OL, empleados en la síntesis de los materiales aquí reportados. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización cristalina y morfológica La figura 1 muestra imágenes de TEM obtenidas de la muestra M19. En la figura 1(a) se muestra una imagen obtenida a través de la técnica de HAADFSTEM, en donde se aprecia que las nanopartículas sintetizadas presentan una morfología cuasi-esférica. El inserto en esta figura muestra una imagen de BF de una de las nanopartículas, en donde es posible 15 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. Fig. 1. Resultados del estudio por microscopía electrónica de la muestra M19. (a) imagen de HAADF-STEM de varias nanopartículas (en el inserto se muestra una imagen de BF obtenida a altas magnificaciones de una de las nanopartículas observadas en la figura); (b) patrón de ED obtenido de las nanopartículas mostradas en (a); y (c) distribución de tamaño de partícula calculada para esta muestra. distinguir un arreglo regular de planos atómicos; el espaciamiento entre estos planos puede relacionarse con la distancia interplanar reportada para la familia {311} en la estructura cristalina de la magnetita (véase JCPDS: 19-0629). La cristalinidad de las nanopartículas sintetizadas es confirmada por el patrón de ED mostrado en la figura 1(b), en donde es posible distinguir reflexiones atribuibles a las familias de planos {220}, {311} y {400} de la magnetita. Más aún, como se observa en la figura 1(c), la distribución de tamaño de partícula, obtenida a partir de la medición de una población de aproximadamente 600 partículas, es estrecha y tiene como centro un tamaño de 4 nm, así como una desviación estándar de 1.8 nm. La figura 2 muestra imágenes de HAADF-STEM obtenidas de los especímenes M19C150, M19C100, M19C050, M19C010 y M19C008. Como lo sugieren estas imágenes, por debajo de una concentración de 5 mM de CTAB, los aglomerados muestran una morfología esférica y una dispersión que permite distinguirlos como entidades separadas, a pesar de la cercanía entre ellos [véase figuras 2(c) a (e)]. En contraste, a concentraciones superiores de 5 mM, es evidente que los aglomerados tienen una morfología irregular [véase figuras 2(a) y (b)]. Como se aprecia, la irregularidad de los aglomerados es mas evidente al usar una concentración de 15 mM [véase inserto en la figura 2(a)]; mientras que a una concentración de 10 mM, los aglomerados están mas dispersos y unidos por “tiras” de nanopartículas [véase inserto en la figura 2(b)]. 16 Fig. 2. Imágenes de HAADF-STEM obtenidas de las muestras: (a) M19C150, (b) M19C100, (c) M19C050, (d) M19C010 y (e) M19C008. Los insertos en las figuras ilustran imágenes obtenidas a altas magnificaciones (450, 640 ó 910 kX) de cada muestra. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. El cambio en la morfología de los aglomerados sintetizados se puede explicar de la siguiente manera. 15,16 Cuando se añade a una disolución acuosa de surfactante anfifílico como el CTAB, un hidrocarburo, como el HEX-Abs, éste podrá “solubilizarse” en el interior lipofílico de entidades denominadas micelas. Durante este proceso, y dependiendo de la concentración del surfactante, las micelas se incharán hasta el grado de convertirse en microgotas, dando como resultado una microemulsión. Si la concentración de surfactante se incrementa por encima de su concentración crítica micelar (ccm), la solubilidad del medio orgánico se incrementará, aunque las dimensiones de estas microgotas aumentarán más allá de la capa de surfactante, provocando la deformación de las micelas. Por lo tanto, considerando que los aglomerados sintetizados son el resultado de la formación de una microemulsión, la deformación de las micelas conllevarán a la deformación de los aglomerados, cuando se usan concentraciones superiores a la ccm. La ccm del CTAB usado en este trabajo de investigación fue estimada a 30 ºC y tiene un valor de 1 mM. Más aún, como se observa en la figura 3, el tamaño promedio de los aglomerados es prácticamente invariante entre las muestras M19C050, M19C010 y M19C008, aunque la dispersión en su distribución se tiende a estrechar a una concentración de 1 mM de CTAB. Además, la densidad de nanopartículas en los aglomerados tiende a ser mayor para estas muestras, es decir, en aquellas preparadas a concentraciones justo en o alrededor de la ccm estimada para el CTAB. Lo anterior se encuentra asociado al balance hidrofílicolipofílico el cual, bajo estas circunstancias, tenderá a minimizar las fuerzas repulsivas entre la sección hidrofílica de las moléculas de CTAB (formación disoluciones micelares), gracias a la afinidad de su sección lipofílica para con el medio orgánico (emulsificación de sustancias orgánicas en medio acuoso) en que las nanopartículas de magnetita se hallan dispersas.16,17 Este balance promueve la efectiva “solubilización” del medio orgánico a manera de gotas discretamente distribuidas en el medio acuoso, y cuya evaporación aparentemente conduce a la formación de arreglos compactos de nanopartículas. No obstante, a fin de corroborar que las interacciones antes mencionadas son las que Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 3. Imágenes de HAADF-STEM en donde se observa la morfología y densidad de los aglomerados sintetizados en las muestras: (a) M19C050, (b) M19C010 y (c) M19C008, así como su correspondiente distribución de tamaño (a la izquierda de cada imagen). conducen a la formación de los aglomerados, se procedió a caracterizar las muestras sintetizadas por la técnica espectroscópica de FTIR. Caracterización espectroscópica La figura 4 muestra los espectros de FTIR obtenidos de los reactivos OL, OA y del espécimen M19. Como se observa, el espectro de OL muestra las bandas correspondientes a modo flexión del grupo amino (NH2) en 1566 y 795 cm-1; la flexión en el grupos metilo (CH3) en 1466 cm-1; estiramiento del enlace C-N en 1070 cm-1; y estiramiento del enlace C-C en cadena en 721 cm-1.18–20 Asimismo, en el espectro de OA se observan las bandas relacionadas a los modos de estiramiento de carbonilos (C=O) en 1713 cm-1; estiramiento en el plano de hidroxilos (OH) en 1466 cm-1; vibración tipo sombrilla de CH3 en 1414 cm-1; estiramiento de enlace C-O en carboxilos (-COO-) en 1284 cm-1; estiramiento fuera del plano de O-H en 937 cm-1; y balanceo de metilenos (CH2) en cadena en 715 cm-1.19–21 Por su parte, en el espectro obtenido de la muestra M19 (véase figura 4) se observan las bandas asociadas 17 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. Fig. 4. Espectros de FTIR obtenidos de los reactivos (a) oleilamina, (b) ácido oleico y (c) de la muestra M19. a la vibración de enlaces Fe-O, a 633, 598 y 444 cm-1, en sitios tetraédricos y octaédricos de la estructura cristalina de la magnetita.18 Más aún, se aprecia una banda a 1527 cm-1, la cual puede atribuirse a la vibración de grupos COO- en moléculas de oleato adsorbidas a la superficie de las nanopartículas de magnetita; la desprotonación de las cadenas de OA y subsecuente adsorción de éstas en la superficie de nanopartículas de magnetita, es confirmada por la presencia de una banda a 1429 cm-1, que se encuentra relacionada a la vibración del grupo -NH4+ en las moléculas protonadas de OL.20 Además, la ausencia de la banda asociada al estiramiento de C=O en las moléculas libres de OA, a 1713 cm-1, sugiere una eficiente adsorción de moléculas oleato a superficie de las nanopartículas sintetizadas.21 La adsorción de estas moléculas a la superficie de las nanopartículas de magnetita proveen su estabilidad en el medio orgánico y resulta, como lo indican los resultados experimentales obtenidos por TEM, en una estrecha distribución en su tamaño de partícula. Por otro lado, la figura 5 muestra los espectros de FTIR obtenidos del CTAB empleado en esta investigación, así como de los especímenes M19C100, M19C050, M19C010 y M19C008. En el espectro experimental del CTAB se indican las bandas relacionadas a modos de vibración como22–24: estiramiento asimétrico y simétrico de CH3 en sección hidrofílica de la molécula (-N+-CH3), a 1487 y 1431 cm-1, respectivamente; vibración tipo tijera de 18 CH2 en la sección lipofílica de la molécula, a 1473, 1463, 1396 y 1385 cm-1; estiramiento del enlace CN+ en sección hidrofílica de la molécula, a 982, 960, 937 y 912 cm-1; y balanceo de metilenos en cadena [(-CH2-)n], a 731 y 719 cm-1. Además, como se muestra en la figura 5, los espectros obtenidos de las muestras sintetizadas exhiben bandas que se pueden relacionar a las modos de vibración observados en la molécula de CTAB. Sin embargo, es evidente que a medida que disminuye la concentración de CTAB en la muestra, las bandas relacionadas a vibraciones de CH2, modos tijera y balanceo en cadena, tienden a desaparecer. Este fenómeno indica un incremento en la magnitud de la barrera energética asociada a la vibración de CH2. Más aún, el hecho de que la vibración de los enlaces en la sección hidrofílica de la molécula de CTAB ocurran en el mismo intervalo de energía que para el CTAB puro, sugiere la formación de un arreglo compacto de cadenas de surfactante. Este arreglo de cadenas ocurre en torno a la superficie de los aglomerados sintetizados, a través de la adsorción de la sección lipofílica a la superficie de los aglomerados. La existencia de esta adsorción es apoyada por el corrimiento hipsocrómico de la banda relacionada a la vibración de Fe-O. Como se observa, existe un corrimiento de la banda a 444 cm-1, en el espectro de la muestra M19, a un valor de aproximadamente 452 cm-1, en el espectro de las muestras M19C050, M19C010 y M19C008. Fig. 5. Espectros de FTIR obtenidos del (a) CTAB puro, y de las muestras (b) M19C100, (c) M19C050, (d) M19C010 y (e) M19C008. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Aglomerados de nanopartículas basados en magnetita y CTAB / Alejandro Estrada De la Vega, et al. Es importante señalar que estos resultados son congruentes con lo observado a partir de estudio de la morfología de los aglomerados sintetizados, ya que a concentraciones de CTAB en las que no se apreció la formación de aglomerados de morfología regular, tal como la M19C100, no ocurre la desaparición de bandas relativas a la vibración de la sección lipofílica de las cadenas de CTAB, o un corrimiento significativo de la banda asociada a la vibración de Fe-O. CONCLUSIONES En este artículo se reportó la síntesis y caracterización de aglomerados basados en nanopartículas de magnetita y el surfactante CTAB. Los resultados experimentales obtenidos por microscopía electrónica de transmisión sugieren que la morfología de los aglomerados es dependiente de la concentración de CTAB empleada para su síntesis. Además, se encontró que a concentraciones cercanas a la concentración crítica de micela del CTAB es posible la obtención de aglomerados esféricos en los que existe un arreglo compacto de nanopartículas de magnetita. La estabilidad de dichos aglomerados se logra a partir de la adsorción de la sección lipofílica del surfactante CTAB a su superficie. Más aún, a diferencia de las aproximaciones descritas en la literatura, siguiendo la aquí propuesta es posible obtener distribuciones de tamaño de aglomerados sumamente estrechas, aun a concentraciones de surfactante inferiores a las reportadas por otros autores. En vista de ello, los resultados obtenidos en esta investigación servirán de conocimiento básico para la síntesis de nanoestructuras híbridas, basadas en estos aglomerados y polielectrolitos o polipéptidos, con la finalidad de incorporar a su arquitectura entidades como anticuerpos, enzimas o incluso moléculas de drogas. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen los financiamientos otorgados por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (proyecto No. 153482 del fondo SEP-CONACYT), y del Programa de Apoyo a la Investigación Científica y Tecnológica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (proyecto No. IT516-10). Además, los autores agradecen a las coordinaciones de materiales avanzados y del Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 laboratorio de microscopía electrónica del Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología, por las facilidades brindadas para la realización de este trabajo de investigación. BIBLIOGRAFÍA 1. 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El conducto que encierra al escalón tiene una relación de aspecto y contracción de 10 y 2 respectivamente. El número de Reynolds utilizado es función de la altura del escalón h y corresponde a un valor de Reh= 1 250. Se utilizó la técnica de velocimetría mediante imágenes de partículas (PIV) para obtener los campos de velocidad instantáneos y promedio del flujo para las posiciones de x/h = 0.3, 0.5, 1, 1.5 y 2. Estos resultados son comparados cuantitativamente con los de otros trabajos con respecto a la inclinación del perfil con la finalidad de determinar el efecto provocado en la tendencia del perfil cuando se utiliza una sección transversal de menores dimensiones. PALABRAS CLAVE Perfil, inclinación, técnica PIV, sección transversal. ABSTRACT This paper presents an experimental study of the flow in a forward facing step (FFS). The channel enclosing the step has an aspect ratio of 10 and a contraction ratio of 2. The Reynolds number is function of the step height h and corresponds to a value of Reh= 1250. The technique used was particle image velocimetry (PIV) which allowed to obtain the instantaneous and average velocity fields at x/h=0.3, 0.5, 1, 1.5 and 2. These results are compared quantitatively with those from other works in respect to the slope of the profile in order to determine the effect caused on the profile tendency when using a smaller cross-section. KEYWORDS Profile, slope, PIV, cross section. INTRODUCCIÓN Muchos estudios experimentales y numéricos han sido llevados a cabo para comprender la física del flujo con un escalón atrás (BFS) y flujo con un escalón al frente (FFS). Ambos casos constituyen un problema tipo a través del cual se pretende estudiar y comprender los fenómenos de separación, recirculación Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 21 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. y readherencia del flujo1 tan común en diversos dispositivos ingenieriles tales como: canales de superficie abierta, cámaras de combustión, equipo de transferencia de calor, turbinas de gas, etc. En comparación con el flujo con un escalón atrás, el flujo con un escalón al frente ha sido menos estudiado. Este último ha recibido más atención en años recientes debido a que muchos de los complejos fenómenos de flujo que se dan en la industria pueden estudiarse con este caso. La estructura básica del flujo con un escalón al frente comprende dos zonas de recirculación (vórtices), puntos de separación y readherencia y capas límite,2 tal como lo ilustra la figura 1; estas estructuras hacen enriquecedor el estudio del flujo con un escalón al frente ya que son las responsables de la caída de presión, y de una mejor transferencia de calor y masa en el flujo3 (tópicos de gran importancia en mecánica de fluidos). Fig. 1. Flujo con un escalón al frente FFS.1 Diversos trabajos han sido llevados a cabo con la finalidad de estudiar los mecanismos que regulan el comportamiento de dichas estructuras cuando se modifica la geometría del sistema, así como los fenómenos de inestabilidad y ruido que inducen estas estructuras. De forma específica, Marino y Luchini 4 realizaron un análisis adjunto para determinar la sensibilidad y estabilidad del flujo con un escalón al frente a perturbaciones externas; encontraron que la distribución espacial de los valores característicos de los modos de inestabilidad del flujo está fuertemente influenciada por el tamaño de las burbujas de recirculación. En la proximidad del valor del número de Reynolds crítico, se identificó que la burbuja posterior al escalón es la principal responsable de la inestabilidad del flujo. Wilhelm y Kleiser5 llevaron a cabo un estudio numérico del FFS encontrando que la longitud y altura de la zona de recirculación al frente del escalón son casi constantes para números de Reynolds bajos o flujo de Stokes (Re<0.1). En el caso de números de Reynolds 22 grandes (Reh= 1 200), la longitud y altura de la zona de recirculación aumentan proporcionales a Re0.6 y Re0.2 respectivamente. Wang y Gaster6 realizaron un estudio experimental para examinar el efecto de un escalón con borde afilado en la transición de la capa límite, establecieron una correlación entre el número de Reynolds de transición y la altura del escalón para un flujo al frente y atrás del mismo. La posición de transición se asocia con el factor “N” que define el crecimiento integrado de las ondas de inestabilidad en la transición. Encontraron que la capa límite del flujo en un FFS o BFS tiene una transición más rápida que la transición de la misma en una placa plana lisa, ya que las ondas de inestabilidad se amplifican más rápidamente que las de una superficie lisa, se observa que la reducción en el factor “N” que ocurre en el FFS o BFS se correlaciona con la altura del escalón, por lo que se puede determinar el valor de N a partir de la altura del escalón. Hahn C. et al,7 estudiaron las características acústicas del FFS con la finalidad de identificar las regiones responsables de la generación del ruido, encontraron que el sonido generado por el paso del flujo en un FFS es de banda ancha, ya que el sonido radiado se encuentra en una gama de frecuencia de 2 kHz a 10 kHz a un número de Reynolds de 24000; utilizaron una correlación que les permitió determinar que sólo en la región del escalón se puede encontrar una conexión entre la distribución de la velocidad y la presión local en la pared al campo de presión sonoro. Así mismo determinaron que esta región contiene una estructura significativa de vórtice bidimensional. Smith y Smits8 llevaron a cabo el estudio experimental de una capa límite turbulenta en un FFS. El montaje experimental utilizado consistió en modificaciones realizadas al escalón del FFS, tales como la inclinación del escalón a un ángulo de 20° hacia el frente. Las mediciones se realizaron en la zona del escalón utilizando sondas Preston. Los resultados muestran que en esta zona el perfil de velocidad promedio estaba alterado por las modificaciones hechas en el escalón. Las mediciones de la intensidad de la turbulencia revelan que existe una reducción en la magnitud del esfuerzo de corte y un decaimiento progresivo en el perfil de los esfuerzos de Reynolds. Por otro lado, Largeau y Moriniere9 realizaron un estudio experimental de un FFS, el cual consistió en cambiar la altura del escalón y la velocidad de la corriente libre. Utilizaron Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. sondas de presión para medir las fluctuaciones de la presión en la pared. Así mismo utilizaron la técnica PIV para analizar la topología del flujo. Los resultados mostraron que el comportamiento del flujo es función de la relación de aspecto y de la relación entre el espesor de la capa límite y la altura del escalón para números de Reynolds muy grandes (7.7x104 y 10.80x104). Se realizaron correlaciones espacio-tiempo entre la presión de la pared y los campos de velocidad, mismas que demostraron que los niveles más elevados de correlación se encuentran en la parte superior de la burbuja de recirculación, principalmente en la capa cortante y se extienden aguas abajo del punto de readherencia. Además, los resultados muestran que la frecuencia del movimiento en la zona de separación es importante en la organización del flujo en el punto de readherencia. El propósito de este estudio, es investigar la influencia de la relación de contracción H/h (figura 2) en la velocidad del flujo, conforme éste se acerca a la base del escalón. De forma específica se investiga el efecto de una sección transversal pequeña sobre el perfil de velocidad del flujo. Fig. 2. Esquema de un conducto con escalón al frente. MONTAJE EXPERIMENTAL Y CONDICIONES DEL FLUJO Los experimentos fueron llevados a cabo en un canal rectangular de acrílico transparente (1.4 m de longitud, 0.1 m de ancho, y 0.02 m de altura) que contiene un escalón de 0.01 m de altura, 0.1 m de ancho (figura 3) y fue colocado a una distancia de 0.7 m (zona de flujo completamente desarrollado) a partir de la entrada del canal, se utilizó una relación de aspecto de w/h = 10, lo cual garantiza que se tenga flujo bidimensional,10,11 así como una relación de Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 3. Montaje experimental. contracción de H/h=2. Los experimentos se llevaron a cabo utilizando velocimetría mediante imágenes de partículas (PIV) la cual es una técnica experimental no intrusiva. Las condiciones experimentales del flujo de agua corresponden a un Reh=1250 basado en la altura del escalón. Las mediciones se realizaron en la base del escalón, la región de visualización corresponde a un área de 22.76 mm x 16.89 mm. La cámara CCD tiene una resolución de 1600 x 1186 pixeles. La tabla I muestra las dimensiones de la configuración experimental actual y la utilizada por otros trabajos, así como de las condiciones del flujo, en ella se puede observar que la dimensión de la sección transversal utilizada en este trabajo, es mucho menor en comparación con la de los otros trabajos. RESULTADOS Se capturaron 200 imágenes mediante el uso de la cámara CCD, estas imágenes fueron divididas en ventanas de interrogación de 32 x 32 pixeles con un traslape de 50% para obtener los campos de velocidad del flujo en la zona de estudio mediante el uso del software Flowmanager. 100 campos de velocidad instantáneos fueron obtenidos. Se realizó un promediado temporal con los 100 campos de velocidad instantáneos, esto permitió obtener el campo de velocidad promedio mostrado en la figura 4 del cual se presentan perfiles de velocidad para 5 posiciones medidas a partir de la base del escalón, (x/h = 2, 1.5, 1, 0.5, 0.3). Estos perfiles de velocidad fueron obtenidos mediante la programación de algoritmos numéricos utilizando software Labview. Los resultados obtenidos son comparados con los de los investigadores mencionados en la tabla I. 23 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. Tabla I. Dimensiones del montaje experimental actual y de otros trabajos. Referencia Escalón (mm) Liu et al.13 Addad et al. 14 Hattori y Nagano.15 Altura Espesor Reh 20 20 300 13,200 500 50 100 170,000 70δ2 32δ2 40δ2 20 10 Camussi et al.16 Actual Reynolds Longitud 700 Zona de Experimentación Longitud Configuración Altura Espesor 300 300 Obstrucción 2,000 500 100 FFS-BFS 900 100δ2 30δ2 40δ2 FFS-BFS >10h 8,800 10,000 100 1,250 1,400 FFS-BFS 20 100 FFS Fig. 5. Perfiles de velocidad para x/h = 2. Fig. 4. Campo de velocidad promedio Reh=1250. Perfiles de velocidad En la figura 5 se muestra el perfil obtenido para la posición x/h = 2 y el de otros trabajos realizados en el tema, en ella se observa que la tendencia del perfil es muy similar en comparación con los trabajos de Liu et al13 y Hattori y Nagano;15 la tabla II muestra los valores de las magnitudes de la inclinación del perfil, entendiéndose por inclinación al recíproco del gradiente de velocidad, es decir (Δu/Δy)-1, de los valores mostrados en la tabla se puede observar que la inclinación del perfil de velocidad para el trabajo actual es menor en magnitud en comparación con los otros trabajos, lo cual concuerda con las magnitudes del número de Reynolds ya que para Hattori y Nagano Reh=900 y para el trabajo actual Reh=1 250, de la literatura especializada en mecánica de fluidos12 se sabe que conforme el número de Reynolds es incrementado la inclinación del perfil de velocidad debe disminuir. 24 La magnitud de inclinación marcada con ∞ en la tabla II en el primer punto para el caso del perfil de Hattori y Nagano se debe a que en este punto el flujo cambia de dirección (∆u/∆y→0), el flujo sale de la zona de recirculación y continúa su camino hacia el escalón. Algo sumamente interesante sucede cuando se comparan las inclinaciones del presente trabajo Tabla II. Inclinación del perfil para la posición x/h = 2. ADÁN HATTORI y NAGANO.15 (∆u/∆y)-1 LIU ET AL.13 y/h (∆u/∆y)-1 y/h y/h (∆u/∆y)-1 0.02 0.26 0.02 ∞ 0.01 1.04 0.05 0.23 0.04 2.90 0.07 1.39 0.07 0.28 0.06 3.48 0.10 1.73 0.09 0.25 0.10 0.97 0.15 1.04 0.11 0.28 0.12 0.73 0.18 2.08 0.14 0.38 0.15 0.87 0.23 3.11 0.16 0.45 0.16 1.16 0.26 2.08 0.18 0.66 0.19 0.77 0.31 1.56 0.21 0.52 0.21 1.16 0.34 1.73 0.23 0.68 0.23 0.77 0.38 5.14 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. y la del trabajo de Liu et al13 ya que aún cuando la magnitud del Reynolds utilizado en el trabajo de Liu et al13 es aproximadamente 10.5 veces mayor que el Reynolds utilizado en este trabajo, se observa que la inclinación del trabajo actual es menor que la de Liu; este comportamiento se atribuye a las dimensiones de la sección transversal utilizadas en este trabajo, ya que una sección transversal pequeña incrementa el gradiente de velocidad a lo largo de la sección transversal del ducto. Este resultado concuerda con el hecho de que en el trabajo de Liu et al13 se utilizó un área de mayor sección transversal que la del trabajo actual, por lo tanto el flujo que pasa por la sección de menor área transversal debe acelerarse disminuyendo la inclinación del perfil de velocidad, situación que se presenta en el perfil de este trabajo para esta posición. Los perfiles de velocidad para la posición x/h=1.5 son ilustrados por la figura 6, en ella se observa que la tendencia del perfil de velocidad del trabajo actual es similar a la tendencia del perfil para la posición x/h=2. Sin embargo, se observa que en el perfil de velocidad de Hattori y Nagano15 se presenta una zona de velocidad negativa para la región aproximada de 0<y/h<0.1 y -0.2<u<0, esta zona de velocidad negativa se atribuye a la zona de recirculación formada en la base del escalón como resultado de un número de Reynolds bajo, situación que no se presenta en el perfil de velocidad del trabajo actual para esta posición ya que el número de Reynolds de este trabajo es mayor que el Reynolds del trabajo antes mencionado. La tabla III muestra las magnitudes de la inclinación para cada perfil de Tabla III. Inclinación del perfil para la posición x/h=1.5. Fig. 6. Perfil de velocidad para x/h = 1.5. Fig. 7. Perfiles de velocidad para x/h=1. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 ACTUAL HATTORI Y NAGANO.15 y/h (∆u/∆y)-1 y/h (∆u/∆y)-1 0.02 0.78 0.01 -2.29 0.05 0.48 0.03 -128.27 0.07 0.37 0.06 2.38 0.09 0.30 0.08 2.38 0.11 0.38 0.10 -128.27 0.14 0.52 0.12 1.48 0.16 0.40 0.15 1.18 0.18 0.42 0.17 0.78 0.21 0.53 0.19 2.38 0.23 0.64 0.21 0.78 0.25 0.50 0.24 1.48 la posición x/h = 1.5, al igual que en el caso anterior se observa que la magnitud de la inclinación para el perfil actual es menor que para el caso de Hattori y Nagano.15 Los valores negativos en dicho perfil se deben al cambio de la dirección del flujo, resultado de la existencia de una zona de recirculación o de baja presión. Como se puede observar en la figura 7 (x/h = 1), todos los perfiles de velocidad incluyendo el del trabajo actual presentan una zona de velocidad negativa para una zona aproximada 0≤y/h≤0.1 y -0.2≤u≤0; esto se debe a que el flujo se encuentra en una posición próxima a la base del escalón y por lo tanto la zona de recirculación (vórtice) del flujo formada en la base del escalón tiene mayor influencia en el comportamiento que presentan cada uno de los perfiles de velocidad. La tabla IV muestra las inclinaciones para cada perfil, estos 25 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. Tabla IV. Inclinación del perfil para la posición x/h=1. ACTUAL LIU ET AL.13 HATTORI Y NAGANO.15 26 y/h (∆u/∆y)-1 LECLERQ ET AL.17 y/h (∆u/∆y)-1 y/h (∆u/∆y)-1 y/h 0.02 4.93 0.02 3.09 0.01 ∞ 0.04 2.40 0.04 1.19 0.05 1.75 0.05 3.09 0.03 -2.32 0.08 2.00 0.06 1.33 0.07 0.76 0.08 1.86 0.05 ∞ 0.12 0.80 0.07 0.99 0.09 0.54 0.16 1.38 0.06 ∞ 0.13 1.00 0.08 1.33 0.11 0.57 0.12 1.04 0.07 ∞ 0.15 0.50 0.09 1.02 0.14 0.42 0.14 1.29 0.08 ∞ 0.17 0.75 0.22 1.02 0.16 0.52 0.19 2.07 0.10 ∞ 0.19 0.67 0.11 0.50 0.18 0.69 0.22 2.07 0.12 ∞ 0.20 0.68 0.12 1.19 0.21 0.47 0.26 1.38 0.13 ∞ 0.22 0.66 0.14 0.50 0.23 0.66 0.29 3.09 0.14 2.32 0.24 0.36 0.15 0.80 0.25 0.83 0.32 0.78 0.16 2.32 0.25 0.57 0.16 1.33 0.28 0.61 0.35 0.78 0.18 1.45 0.26 0.33 0.17 0.99 0.30 0.75 0.38 1.55 0.21 1.16 0.27 0.40 0.18 1.99 valores indican que para la mayoría de los perfiles de velocidad, el gradiente de velocidad disminuye en la zona cercana a la pared inferior del canal, así mismo se puede observar que el perfil de velocidad de Hattori y Nagano, el cual tiene el número de Reynolds más bajo y presenta la inclinación con mayor magnitud. Se observa que la inclinación del perfil actual para la posición y =0.02 es mayor en comparación con la magnitud de los otros trabajos porque en este punto en especial, el flujo es afectado por la zona de recirculación, cuando el flujo se aleja de la pared inferior del escalón la influencia de la zona de recirculación disminuye y la componente de velocidad u del flujo se recupera cambiando de dirección (continúa su camino hacia el escalón). El comportamiento anterior se ve reflejado en una disminución de la inclinación del perfil; al final el responsable de este comportamiento es el número de Reynolds ya que para todos los perfiles con excepción del perfil de Hattori yNagano el número de Reynolds es mayor que el del trabajo actual. Sin embargo, la inclinación para el perfil actual cuando el flujo se aleja de la pared inferior del canal disminuye por la influencia de la sección transversal, es decir, la pared superior del canal tiene una influencia significativa en la tendencia del perfil. En otras palabras, la dimensión de la sección transversal del canal influye sobre el flujo disminuyendo la inclinación de la (∆u/∆y)-1 ADDAD ET AL.14 y/h (∆u/∆y)-1 distribución de la velocidad. Para la posición x/h = 0.5 la figura 8 ilustra el perfil de velocidad actual y el obtenido por Hattori y Nagano; en ésta se puede observar que ambos perfiles presentan una zona de velocidad negativa o recirculación, resultado de una mayor influencia del vórtice formado en la base del escalón. De igual forma se observa que la zona o región de recirculación es mayor para ambos perfiles en comparación con la zona de recirculación presentada en la figura 7, ya que para la figura 8 la zona de velocidad negativa corresponde a una región de: 0≤y/h≤0.3, -0.22≤u≤0. Como se puede observar en la figura 8 la zona de velocidad negativa o recirculación ocupa una menor región en el caso del perfil actual en comparación con el de Hattori y Nagano (0≤y/h≤0.2 y -0.14≤u≤0), esto se debe a que en el caso de estudio antes mencionado el número de Reynolds utilizado es menor (Reh= 900), en comparación con el del trabajo actual (Reh= 1250), lo cual se refleja en el caso de Hattori y Nagano en una zona de recirculación mayor en comparación con la zona de recirculación del trabajo actual. En esta posición es interesante realizar un análisis más detallado de la pendiente de cada perfil; este análisis permite determinar la razón de cambio de la velocidad con la posición o la distancia conforme el flujo se acerca al escalón, con lo cual se puede deducir qué está sucediendo con la velocidad en cada perfil. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. Fig. 8. Perfiles de velocidad para la posición x/h = 0.5. La tabla V muestra la posición y magnitud de la pendiente para cada perfil. Como se muestra en la tabla V, los primeros valores de la pendiente para cada perfil son negativos, valores que concuerdan con el hecho de que en esas posiciones existe una zona de recirculación o velocidad negativa. De igual forma se puede observar que para la zona 0.02≤y≤0.05 la magnitud absoluta del valor de la inclinación para el perfil actual es mayor en comparación con el de Hattori y Nagano. Lo anterior se explica de la forma siguiente: se sabe que el número de Reynolds del trabajo actual es mayor que el del trabajo de Hattori y Nagano, por lo tanto la zona de recirculación del trabajo actual debe ser menor que la de ellos, es decir, la velocidad del flujo para el caso actual Tabla V. Inclinación del perfil para la posición x/h=0.5. ACTUAL y/h HATTORI Y NAGANO.15 (∆u/∆y)-1 y/h (∆u/∆y)-1 0.02 -0.68 0.02 -0.19 0.05 -1.65 0.02 -0.29 0.07 1.78 0.03 -0.29 0.09 1.81 0.03 -0.39 0.11 0.63 0.04 -0.29 0.14 0.73 0.05 -0.58 0.16 0.52 0.06 -0.29 0.18 0.59 0.06 -1.16 0.21 0.64 0.07 -0.58 0.23 0.84 0.08 -0.29 0.25 0.90 0.08 ∞ 0.28 0.93 0.10 -1.74 0.30 0.63 0.11 ∞ Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 se debe recuperar más rápido que la velocidad del flujo para el caso de Hattori y Nagano por lo tanto y como se puede observar en la tabla V, los valores negativos para la inclinación del perfil actual son menores en comparación con los valores negativos de Hattori y Nagano, de hecho en el trabajo actual sólo dos posiciones presentan valores negativos. Posterior a estos dos valores, la inclinación del perfil tiene valores positivos, lo cual significa que el flujo cambió de dirección, es decir, continúa su camino hacia el escalón; en otras palabras, para el caso actual, el flujo que se separa de la pared como resultado de la zona de recirculación se readhiere más rápido que para el caso de Hattori y Nagano, es decir el gradiente de presión del trabajo actual (Δp/Δx) es mayor que para el trabajo de Hattori y Nagano en esta posición. Los perfiles más cercanos al escalón son mostrados por la figura 9; en esta posición, la zona de recirculación o vórtice está completamente definida. Dos factores influyen en la tendencia del perfil para esta zona: 1) la zona de recirculación o vórtice, 2) la cara del escalón, el vórtice es el responsable de la zona de velocidad negativa que se observa en la parte izquierda de la gráfica (y≤0), el escalón provoca la tendencia observada en el perfil para la parte derecha de la gráfica (y>0). En ésta se observa que conforme el flujo se aleja de la pared inferior del canal y la cara del escalón, éste se acelera, lo cual se ve reflejado en la inclinación que presenta el perfil, ya que para la zona 0.07≤ y ≤0.76 se observa que para el presente trabajo, el valor de la inclinación (tabla VI) es grande en comparación con los valores para los otros trabajos, para la zona y ≥0.78 se observa que los valores de la inclinación disminuyen y son inclusive menores que la inclinación para los otros Fig. 9. Perfiles de velocidad para la posición x/h=0.3. 27 �Influencia de la relación de contracción en el flujo con un escalón al frente (FFS) / Adán Juárez Montalvo, et al. Tabla VI. Inclinación del perfil para x/h = 0.3. ACTUAL ADDAD ET LECLERQ ET CAMUSSI ET AL.14 AL.17 AL.16 y/h (∆u/∆y) y/h (∆u/∆y) y/h (∆u/∆y) y/h (∆u/∆y) -1 -1 -1 -1 0.02 -0.73 0.02 0.67 0.03 0.75 0.01 0.05 -0.49 0.03 0.80 0.05 0.57 0.09 0.07 4.68 0.05 0.00 0.06 0.50 0.20 0.09 2.04 0.05 0.50 0.07 0.86 0.28 0.11 1.29 0.05 0.75 0.09 0.57 0.37 0.14 1.60 0.07 0.33 0.10 0.67 0.47 0.16 0.95 0.08 1.00 0.12 0.67 0.58 0.18 0.81 0.09 0.40 0.13 0.67 0.66 0.21 1.07 0.10 1.00 0.14 0.57 0.76 0.23 1.16 0.11 0.67 0.16 0.67 0.85 0.25 1.59 0.12 0.33 0.17 0.57 0.94 0.28 1.19 0.13 2.00 0.18 1.60 0.30 1.85 0.15 0.00 0.21 0.80 0.32 1.59 0.15 0.92 0.22 1.50 0.35 1.44 0.19 1.00 0.24 2.00 0.37 2.02 0.21 1.50 0.26 0.80 0.39 3.65 0.25 0.41 4.27 0.28 0.44 0.46 1.67 0.28 0.31 1.33 2.10 0.31 2.67 0.34 2.29 2.18 0.34 1.67 0.44 2.00 0.48 1.50 0.37 2.33 0.47 1.60 0.51 1.67 0.41 1.33 0.49 1.33 0.53 1.58 0.44 2.00 0.52 1.43 0.55 4.45 0.46 1.14 0.55 2.00 0.58 3.94 0.49 1.14 0.58 1.60 0.60 1.27 0.52 1.33 0.65 1.50 0.62 1.86 0.54 1.00 0.67 1.00 0.65 4.54 0.56 1.00 0.70 1.84 0.67 1.64 0.59 1.00 0.85 0.80 0.69 0.90 0.62 1.14 0.86 2.00 0.71 2.60 0.65 1.00 0.88 1.20 0.74 0.75 0.67 1.00 0.90 0.98 0.76 1.21 0.70 1.20 0.78 0.98 0.72 1.11 0.81 0.85 0.75 0.75 0.83 0.68 0.77 0.89 0.85 0.60 0.79 1.00 0.88 0.66 0.83 1.00 0.90 0.52 0.85 0.86 0.92 0.62 0.87 1.14 28 1.67 1.43 trabajos, esto se explica de la siguiente forma: en la zona y ≤0.76 el flujo se encuentra en la zona de recirculación, por lo tanto el gradiente de velocidad tiene una magnitud baja, para la zona y ≥0.78 el gradiente de velocidad se incrementa como resultado de la contracción provocada por el escalón, en esta zona el flujo entra a una zona de contracción (vena contracta), en la cual el flujo se acelera provocando la tendencia del perfil observada en la gráfica, la magnitud de la inclinación del perfil para el trabajo actual resulta ser menor por que la relación de contracción utilizada en éste trabajo, es mucho menor en comparación con las relaciones de contracción utilizadas por los trabajos de las referencias13,14,15,16,17 tal y como se muestra en la tabla I. CONCLUSIONES El comportamiento del flujo de un escalón al frente depende fuertemente del número de Reynolds y de las relaciones de contracción y de aspecto. De forma particular en este trabajo se investigó el efecto que el uso de una sección transversal muy pequeña tiene sobre el flujo, se encontró que la inclinación del perfil se ve afectada por esta sección transversal, valores menores de inclinación para el perfil actual se encontraron en comparación con inclinaciones para trabajos con números de Reynolds mayores, lo que significa que las dimensiones de la sección transversal tienen una influencia predominante en la inclinación que el perfil pueda presentar, sin embargo se observa que la tendencia del perfil es exactamente la misma que para los casos de estudio con los que se comparó. REFERENCIAS 1. 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Salazar-RodríguezB, Leonardo Chávez-GuerreroA, René Fabián Cienfuegos PelaesA, Moisés Hinojosa RiveraA Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, UANL leonardo.chavezgr@uanl.edu.mx B Facultad de Ciencias Químicas, UANL A RESUMEN Las estructuras tipo perovskita son materiales comúnmente usados como cátodos de celdas de combustibles de óxido sólido. En el presente trabajo, las perovskitas han sido sintetizadas mediante ruta Sol-Gel usando sales metálicas y agentes complejantes. Los polvos obtenidos fueron calcinados a 1000 °C durante 5h para lograr una estructura cristalina. Análisis térmicos y de rayos X han mostrado la existencia de la fase de LaNixCo1-xO3. Las imágenes de MEB dieron evidencia de los cambios en la microestructura debido a la cantidad de cobalto. Con estos resultados, se demostró la confiabilidad de producir una familia de compuestos (LaNixCo1-xO3) importantes para el desarrollo de celdas de combustible. PALABRAS CLAVE Cátodo, puntos de contacto triple, microestructura, Sol-Gel modificado. ABSTRACT Perovskite structures are materials used as cathodes in solid oxide fuel cells applications. In the present work, the perovskites were synthesized through a Sol-Gel route using metal salts and complexing agents. The obtained powders were calcined at 1000 °C for 5h to achieve a crystalline structure. The TGA and XRD have shown the existence of the LaNixCo1-xO3 phase. The SEM images evidenced the changes of the microstructure due to the amount of cobalt. With these results, it was demonstrated the reliability of producing a family of important compounds (LaNixCo1-xO3) for the development of fuel cells. KEYWORDS Cathode, triple-phase boundary, microstructure, modified Sol-Gel. INTRODUCCIÓN Las Celdas de Combustible de Óxido Sólido ó “SOFC”, por sus siglas en inglés (Solid Oxide Fuel Cell), tienen el potencial de convertirse en una tecnología para generar energía rentable en un futuro próximo. Los materiales para SOFC están constituidos por cinco componentes clave que son: el ánodo, electrólito, 30 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Síntesis y caracterización de LaNixCo1-x03 (x=0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en ... / María Elizabeth Flores Guerrero, et al. cátodo, las interconexiones y los sellos.1-2 Por lo tanto, es necesario conocer la función y los requisitos necesarios para las aplicaciones específicas en SOFC; por ejemplo, la reducción electroquímica del oxígeno tiene lugar en el cátodo.3 Con el fin de optimizar esta reacción, el cátodo debe tener una alta conductividad electrónica, un coeficiente de expansión térmico compatible con otros componentes de la celda y compatibilidad química con el electrólito, porosidad apropiada para permitir la difusión de oxígeno gaseoso a través de la interfaz cátodo/electrólito, una estructura estable durante la manipulación y funcionamiento bajo una atmósfera oxidante y una elevada actividad catalítica.3-4 Uno de los materiales más comunes para altas temperaturas (800-1000 °C) es una mezcla del compuesto basado en manganita La 1-x Sr x MnO 3 ±δ (LSM) y óxido de circonio estabilizado con itrio (YSZ).5 Estos materiales han sido reconocidos como buenos conductores iónicos cuando se aplican en las celdas de combustible. El diseño microestructural es muy importante en el rendimiento del cátodo; por lo tanto, el objetivo principal cuando el material se sintetiza es reducir al mínimo las pérdidas óhmicas mediante el aumento de los puntos de contacto triple (cátodo, electrólito, y oxígeno). En general, es preferible que la celda (SOFC) funcione a una temperatura intermedia (600700 °C), lo que sólo es posible cuando se alcanza la suficiente conductividad iónica en el electrólito.6 Al disminuir la temperatura de trabajo de las celdas y probar diferentes materiales, las aplicaciones más prácticas pueden implementarse con éxito debido a la reducción de los costos y el aumento de vida útil de los materiales sin degradación o reacción en la interfaz cátodo/electrólito.4-7 Existen varios métodos para preparar perovskitas; por la vía de estado sólido, tal como el molino de bolas,8 calcinar polvos,9 o por vía húmeda, tales como: congelación,10 secado por pulverización,6 surfactantes,6 Pechini,11 sol-gel,12,13 co-precipitación10 y sales fundidas de nitrato.14 La red de la perovskita puede tolerar una sustitución múltiple de cationes con pequeños cambios en la estructura, logrando propiedades que pueden ser explotadas para obtener el material deseado consiguiendo una estructura estable. La ruta Sol-Gel posee ciertas ventajas, entre las cuales se encuentran: la homogeneidad, el control de la morfología y la posible obtención de partículas submicrométricas. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Además, puede lograrse una composición específica debido a que la mezcla se produce en la escala atómica. El compuesto LaNi x Co 1-x O 3 ha sido estudiado ampliamente después del primer reporte que data de hace 40 años, principalmente por sus propiedades electrónicas, magnéticas15 y su uso como material de interconexión.16 En efecto, al dopar con cobalto la perovskita tipo LaNiO3 (que tiene una alta conductividad electrónica a temperatura ambiente), es posible mejorar su rendimiento a pesar de ser inestable por encima de 850 °C. Posteriormente Chiba et al.,9 en una serie de experimentos con LaNiMO3 [M=Al,Fe,Ga,Cr,Mn,Co], encontró que el cobalto permite la mayor conductividad a 812 ˚C,9 seguido por el hierro, mientras que el resto de los elementos arrojaron valores de conductividad de hasta dos órdenes de magnitud inferiores. El objetivo del presente trabajo de investigación fue evaluar al LaNixCo1-xO3 (x=0.3, 0.5, 0.7) sintetizado por la ruta del Sol-Gel modificado como un material para cátodo de SOFCs trabajando a una temperatura intermedia. Además se analiza la influencia de la cantidad de cobalto en la estructura del material producido. EXPERIMENTAL Se prepararon tres composiciones de LaNixCo1-xO3 mediante ruta Sol-Gel, donde los valores de x fueron 0.3, 0.5 y 0.7 siguiendo un procedimiento experimental semejante al reportado por Pechini.11 Se utilizaron materiales de grado reactivo de los nitratos La(NO3)3•6H2O, Ni(NO3)3•6H2O y Co(NO3)3•6H2O que fueron mezclados y disueltos en agua desionizada. Se mezclaron agentes quelantes y poliméricos tales como el hexametilentetramina (HMTA), acetil acetona (Acac) y ácido acético con una relación molar apropiada con los cationes para obtener la solución. La relación de HMTA a iones metálicos fue de 3:1, mientras que la relación utilizada de HMTA/Acac fue de 1:1. La solución resultante se sometió a un calentamiento de 65 °C durante 10 minutos con agitación magnética constante.13 Posteriormente, la mezcla formada fue tratada a una temperatura de 300 °C por espacio de 1 hora. Como resultado, se obtuvieron precursores de polvos amorfos que, enseguida, fueron calcinados a 1000 °C por 5 horas a una velocidad de calentamiento de 5 °C/min. Las muestras fueron etiquetadas como LNC37 para LaNi0.3Co0.7O3, LNC55 para LaNi0.5Co0.5O3 31 �Síntesis y caracterización de LaNixCo1-x03 (x=0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en ... / María Elizabeth Flores Guerrero, et al. y LNC73 para LaNi0.7Co0.3O3. Para determinar la estructura cristalina de las muestras obtenidas, se utilizó difracción de rayos X de alta temperatura (HTXRD) mediante la exploración del intervalo de 10 a 90°. Además, se usó un difractómetro PANalytical X’Pert PRO de polvos con una configuración de 2Ɵ (radiación Cu Kα, λ=0.15406 nm, incremento de 0.02° y tiempo de adquisición de = 2.0 s). Todos los datos obtenidos fueron analizados utilizando la base de datos del equipo. Las imágenes de MEB (microscopio electrónico de barrido) de las muestras fueron realizadas usando el microscopio electrónico de barrido SEM-FEG con EDX modelo LEICA S440. El análisis termogravimétrico de los polvos amorfos se llevó a cabo a temperaturas de 25 a 1000 °C. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las curvas termogravimétricas son presentadas en la figura 1. En ellas se muestra una pérdida de masa inicial de aproximadamente 7% en el intervalo de temperatura de 20 a 100 °C, atribuida a la pérdida de agua. Una segunda pérdida de peso de 72% se observa en el intervalo de 300 a 400 °C debido a la descomposición del material residual de síntesis para producir el óxido de perovskita. En el caso de LNC37 la pérdida de masa es de sólo 50% lo que puede atribuirse al método de síntesis debido a que se necesita menos material, incluso para una reacción similar, ya que las cantidades están basadas en la proporción de Ni. Por ejemplo, la cantidad total de nitratos necesaria para la síntesis de LNC37 es 36.19 g, mientras que para LNC55 sólo se requieren 21.71 g. Fig. 1. Análisis TG que muestra los cambios hasta la cristalización a 1000°C. 32 La estructura polimérica se descompone por encima de 400 °C y conduce a la formación de polvo amorfo, es decir una reacción exotérmica de combustión. El producto remanente se calienta a 1000 °C para obtener finalmente una fase cristalina. En la figura 2 se muestra el difractograma de rayos X (HT-XRD) donde se encuentra la cristalización completa seguida del material amorfo. La información mostrada en la gráfica indica que a 400 °C es el punto de partida para la cristalización. Los picos correspondientes al platino se deben al material que compone los contenedores del polvo durante el ensayo. Todos los picos coinciden con la estructura cristalina de la perovskita, demostrando que se obtiene un compuesto puro. El LNC73 es representado en la figura 2(c), donde se muestra la inestabilidad (picos amplios) en las primeras etapas de calentamiento en el intervalo de 350 a 450 °C, sin embargo al final se alcanza la cristalización completa. Las pruebas preliminares de estabilidad se llevaron a cabo mezclando los materiales (LCN) Fig. 2. XRD de alta temperatura, muestra los perfiles de cristalización de la perovskita (*) en (a) LNC37, (b) LNC55 y (c) LNC73. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Síntesis y caracterización de LaNixCo1-x03 (x=0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en ... / María Elizabeth Flores Guerrero, et al. con la YSZ. Posteriormente se calentó la muestra hasta la temperatura de 1000 °C durante 5 h. En el difractograma de rayos X no se percibieron picos de impureza, lo que sugiere, que no hay una reacción aparente en la interfaz y demuestra que estos materiales producidos tienen potencial para ser usados como cátodo en SOFC. La estabilidad a largo plazo puede alcanzarse incluso en el caso de que ocurra la reacción entre cátodo/YSZ, ya que existen otras alternativas de electrolitos como óxido de circonio dopado con óxido de cerio, gadolinio, samario, itrio y calcio, con lo que se pueden obtener mejores resultados.17 Por supuesto, se necesitan más estudios para concluir la viabilidad de estos nuevos materiales. Un hecho importante es que la fase perovskita no existe al comenzar el calentamiento (por debajo de 400 °C) y los cristales se forman in situ cuando la temperatura de los polvos supera los 400 °C como anteriormente se mostró en la figura 2. En todos los casos, puede identificarse un pico bien definido en el difractograma a 600 °C, temperatura a la cual la estructura se vuelve más cristalina, para finalmente obtener la fase completa a 1000 °C. Una ventaja de este método es el tiempo necesario para alcanzar la cristalización, pues se necesitan sólo cinco horas para convertir el polvo amorfo en un material cristalino completo, mientras que otros métodos requieren una cantidad excesiva de tiempo a una temperatura elevada para obtener la fase en un estado puro. En general, el método de estado sólido consiste en mezclar los polvos de óxidos en el molino de bolas y sinterizar, para finalmente calcinar a una temperatura tan alta como 1450ºC. Posteriormente, debe añadirse un tiempo de manipulación adicional al necesario para alcanzar una temperatura elevada y conseguir la fase final. Por otro lado, mediante SolGel, el material puede ser obtenido poco después de la mezcla de las soluciones como se observó con la prueba de XRD de alta temperatura, esto se muestra en la figura 2. Los resultados de rayos X concuerdan plenamente con los resultados previos de TGA, donde la pérdida de peso puede ser detectada paso por paso. Aunque la figura 2 (b) y (c) muestran inestabilidades debido a la pérdida de peso masiva (80%), la figura 2 (a) presenta un aspecto plano con una reacción Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 más controlada y con un punto de cristalización de partida bien definido. Por lo tanto, se puede inferir que el método puede haber influido en la estructura y propiedades como se informó en trabajos anteriores.4 En resumen, es bien sabido que el rendimiento del cátodo depende de sus propiedades microestructurales y morfológicas, por lo cual, dichas características deben ser bien controladas y comprendidas. En las figuras 3 (a-c) se muestra una mezcla de YSZ y los materiales de cátodo, mientras que las perovskitas puras aparecen en la figuras 3 (d-f). La figura 3 (a-c) muestra pequeñas partículas de YSZ de aproximadamente 150 nm de diámetro, así como los granos más grandes de material catódico. En la figura 3(d), correspondiente a LNC37 se observan partículas de entre 170 y 600 nm con forma semiesférica. En la figura 3 (e) pueden verse formas redondas alargadas de LNC55, las partículas son cada vez más grandes y la interacción entre ellas produce una estructura más compacta. En la figura 3 (f), LNC73, se observa una estructura con caras planas; como la composición se aproxima a la estructura de la LaNiO3, los granos se hacen más compactos generando una estructura con menos espacio libre disponible (sólido). Con todas estas micrografías, es posible concluir que el aumento de la cantidad de cobalto promueve la porosidad y la formación de estructuras de forma redonda, lo que podría ser favorable para el libre acceso al flujo de aire que pasa a través del material. Teniendo en cuenta las tres muestras, se puede observar en las figuras 3 (a-c) que la cantidad de YSZ interactuando con el cátodo es mayor cuando aumenta la cantidad de cobalto (LNC37) porque las partículas de YSZ pueden pasar fácilmente a través de los canales, lo cual es ampliamente recomendado en la producción de buenos materiales para cátodo. CONCLUSIONES Se sintetizó un material catódico con posible aplicación en SOFC, con diferentes composiciones de LaNixCo1-xO3 (x= 0.3, 0.5, 0.7) sin contaminación de fase. La cristalización del material comienza a 400 ˚C de acuerdo a los datos de difracción de rayos X de alta temperatura, los cuales también confirman la presencia de compuestos puros. Se analizó la 33 �Síntesis y caracterización de LaNixCo1-x03 (x=0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en ... / María Elizabeth Flores Guerrero, et al. Fig. 3. Micrografías que muestran la mezcla de YSZ/LaNixCo1-xO3, donde x = 0.3, 0.5, 0.7 en (a), (b) y (c) respectivamente y solamente el material de cátodo en (d), (e) y (f) respectivamente. influencia de la composición de la estructura, encontrando que LNC37 tiene una estructura abierta con granos redondeados y con probabilidad de que tenga un mejor rendimiento si se utiliza como un cátodo para SOFC. Por otra parte, el LNC73 tiene una estructura más sinterizada con poros menos 34 abiertos y granos que muestran caras planas. El LNC55 tiene una estructura intermedia que muestra la posibilidad de controlar la microestructura a través de la composición del material, abriendo la posibilidad de diseñar un material con las propiedades deseadas. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Síntesis y caracterización de LaNixCo1-x03 (x=0.3, 0.5, 0.7): Posibles aplicaciones en ... / María Elizabeth Flores Guerrero, et al. REFERENCIAS 1. Keegan C. Wincewicz, Joyce S. Cooper., Taxonomies of SOFC material and manufacturing alternatives. J. Power Sources 140, 280-296 (2005). 2. Zongping Shao, Wei Zhou, Zhonghua Zhu., Advanced synthesis of materials for intermediatetemperature solid oxide fuel cells. Prog. Mater Sci 57, 804-874 (2012). 3. San Ping Jiang., Nanoscale and nano-structured electrodes of solid oxide fuel cells by infiltration: Advances and challenges. Int. J. 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Jintawat Chaichanawong, Kazuyoshi Sato, Hiroya Abe, Kenji Murata, Takehisa Fukui, Tawatchai Charinpanitkul, Wiwut Tanthapanichakoon And Makio Naito., Formation of strontiumdoped lanthanum manganite (La0.8Sr0.2MnO3) by mechanical milling without media balls. Advanced Powder Technol 17 613–622 (2006). Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 9. Reiichi Chiba, Fumikatsu Yoshimura, Yoji Sakurai., An investigation of LaNi1-xFexO3 as a cathode material for solid oxide fuel cells. Solid State Ionics 124, 281-288 (1999). 10. A. Tarancón, G. Dezanneau, J. Arbiol, F. Peiró, J.R. Morante., Synthesis of nanocrystalline materials for SOFC applications by acrylamide polymerization. J. Power Sources 118, 256-264 (2003). 11. Pechini M. Method of preparing lead and alkaline earth titanates and niobates and coating method using the same to form a capacitor, in US Patent; 1967. 12. 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Per Hjalmarsson, Mogens Mogensen., La0.99Co0.4Ni0.6O3−δ–Ce0.8Gd0.2O1.95 as composite cathode for solid oxide fuel cells. J. of Power Sources 196, 7237-7244 (2011). 35 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones Iván L. Samperio-GómezA, Claudia A. Cortés-EscobedoB, Félix Sánchez-De JesúsA, Ana María Bolarín-MiróA, Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo fsanchez@uaeh.edu.mx, anabolarin@msn.com B Centro de Investigación e Innovación Tecnológica del IPN A RESUMEN El yeso es un material en la industria de la construcción y se utiliza de manera muy especial para la producción de moldes en el vaciado de suspensiones. En este trabajo se estudiaron diferentes mezclas yeso-cemento (blanco y gris), modificando sus proporciones en peso (70:30, 60:40 y 50:50) y su relación con diferentes porcentajes de agua:mezcla (40:60 y 50:50) para relacionarlo con sus propiedades: tiempo de fraguado, porosidad, densidad, absorción y morfología. Los resultados muestran cuantitativamente el efecto de los parámetros de procesamiento sobre las propiedades del molde de yeso o yesocemento, permitiendo establecer las condiciones de proceso adecuadas para cada aplicación. PALABRAS CLAVE Yeso, absorción, vaciado de suspensiones, tiempo de fraguado. ABSTRACT Plaster is a material with several applications, mostly in construction industry and especialy in the production of mold for slip casting. Different mixtures of plaster-cement (white and gray) were studied in this work, by means of determination of the following properties: curing time, porosity, density, absorption and morphology; with modifications in weight ratio between each component (70:30, 60:40 y 50:50) and water content (40:60 y 50:50, water: powder mixture). Results show quantitative effect of processing parameter on the final properties of the plaster or plaster/cement mold, allowing establish adequate process conditions to each application. KEYWORDS Plaster, absorption, slip casting, cure time. INTRODUCCIÓN Los moldes de yeso se han usado desde la antigüedad para conformar piezas cerámicas. Esa aplicación es todavía actual por el gran volumen de piezas que se obtienen mediante el método de vaciado de suspensiones, debido a que es un proceso sencillo, económico y flexible, en comparación con otros procesos 36 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Iván L. Samperio Gómez, et al. como el prensado isostático o la extrusión para la producción de piezas cerámicas.1-5 El vaciado de suspensiones consiste en vaciar una suspensión de partículas cerámicas en agua en el interior de un molde de yeso, que servirá de soporte mientras se desarrolla la operación de drenado al absorber el molde el agua contenida en la suspensión cerámica hasta alcanzar una consistencia suave pero firme. Una vez que se absorbe el agua de la suspensión en el yeso, la pieza conformada (en verde) se separa y se somete a un proceso de sinterización.6-9 Un yeso cerámico es al que le han sido ajustadas sus propiedades para controlar la absorción de agua, lo que está relacionado con la porosidad del molde y esto a su vez está relacionado con el tiempo de fraguado y con la relación agua/polvo (A/P) en la suspensión, lo que permite preparar pastas que satisfagan las necesidades propias de un proceso particular de vaciado.10-11 El yeso cocido es un conglomerante no estable en presencia de humedad, constituido por sulfato de calcio con media molécula de agua (CaSO4• ½ H2O) cuando provienen de cocción a temperaturas superiores a 170ºC, como es el empleado en este trabajo.9 Para ser empleado como molde, el yeso debe fraguar o cristalizar. La reacción química que tiene lugar en el fraguado se muestra a continuación (ecuación 1): 2 CaSO4•½ H2O+3 H2O→2 CaSO4•2 H2O (1) Para obtener yeso fraguado, es necesario mezclar polvo de yeso cocido (CaSO 4∙½H 2O, hemihidratado) con agua. En el momento de la mezcla se forma, alrededor de las partículas de yeso, una solución saturada respecto al hemihidratado y fuertemente sobresaturada respecto al dihidratado (CaSO4∙2H2O), formado por hidratación, estable y de menor solubilidad.9 Así comienza la cristalización del yeso, bien espontáneamente o a partir de núcleos de dihidrato que han permanecido sin modificar durante el proceso de cocción. Se disuelven entonces nuevas cantidades del hemihidrato continuando este proceso hasta su hidratación y cristalización total en forma de dihidrato.9 La mezcla tiene consistencia semifluida y puede ser vaciada en un molde de cualquier forma, conforme la reacción avanza, más cristales de hemihidrato reaccionan para formar cristales de dihidrato, la viscosidad de la masa empieza a aumentar rápidamente hasta el punto Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 que la mezcla ya no puede fluir en la impresión. En este punto el material ha alcanzado el tiempo inicial de fraguado y ya no debe manipularse. La reacción química termina cuando el yeso puede ser separado de la impresión sin distorsionarse o fracturarse, considerando éste como el tiempo de fraguado. Cuanto mayor sea la proporción A/P, mayor será el tiempo de fraguado y menor resistencia mecánica tendrá el producto de yeso.12-15 El tiempo de fraguado, es el tiempo que transcurre desde la adición del polvo al agua hasta que solidifica la pieza. El cemento es una mezcla de diversos componentes y en función de dicha composición se obtienen diferentes tipos, por ejemplo, el cemento Portland (gris) contiene mayor proporción de silicato dicálcico (2CaO∙SiO2) y silicato tricálcico (3CaO∙SiO2) y en menor proporción aluminato tricálcico (3CaO∙Al2O3), brownmillerita (aprox. 4CaO∙Al2O3, Fe2O3), CaO, MgO, y SiO2, mientras que el cemento aluminoso (blanco) contiene mucho más cantidad de alúmina, aproximadamente en una proporción 40Al2O3, 40CaO, 7SiO2, 7Fe2O3, 5FeO y 5 óxidos más,16 lo cual se debe asociar al contenido de óxidos de hierros y de manganeso.17 Se fabrica conforme a las especificaciones de la norma ASTM C150.18 Este trabajo tiene como objetivo estudiar el efecto de diferentes mezclas yeso-cemento (blanco y gris), modificando sus proporciones en peso (70:30, 60:40 y 50:50) y su relación con diferentes porcentajes de agua:mezcla (40:60 y 50:50) sobre algunas de sus propiedades: tiempo de fraguado, porosidad, densidad, absorción y morfología, las cuales afectan el proceso de vaciado de suspensiones. DESARROLLO EXPERIMENTAL 30 g de cada una de las mezclas mostradas en la tabla I se emplearon para obtener probetas de yeso. En un recipiente con agua se espolvoreó la mezcla de polvos y se dejó en reposo por 1 min, posteriormente se agitó la mezcla durante 1 min y se vertió en los moldes de madera. Éstos se dejaron secar a temperatura ambiente por 24 hrs, posteriormente se secaron a una temperatura de 50 °C por una hora hasta peso constante. El volumen del molde fue de 14 cm3. 37 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Iván L. Samperio Gómez, et al. A las probetas una vez fraguadas y completamente secas (tratadas durante 1 h a 50 ºC y posterior enfriamiento hasta 25 ºC) se les realizó el análisis de absorción de agua, el cual consiste en pesar la probeta en seco y sumergirla durante 2 seg en agua desionizada y posteriormente determinar su peso en húmedo hasta que éste ya no aumente. Se determinó el tiempo de fraguado de cada una de las mezclas estudiadas (tabla I) por medio del método Vicat.19 Paralelamente, se determinó la densidad mediante el método de Arquímedes.20 Por último, se observó la morfología de las probetas obtenidas mediante microscopía electrónica de barrido, usando un JEOL 1300 a 20 kV, la observación se realizó sobre un corte transversal de la probeta con el fin de observar el tipo de partículas obtenidas después del fraguado. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En las figuras 1a-c se muestran los resultados obtenidos de absorción de agua de cada una de las probetas preparadas según la composición mostrada en la tabla I, expresando dicha absorción como el porcentaje en volumen de agua absorbida respecto al volumen del molde, para cada una de las composiciones estudiadas. El comportamiento general que presentan todas las composiciones es similar, mostrando dos etapas: la primera, Tabla I. Probetas de yeso, yeso-cemento blanco y yesocemento gris. Rerefencia Relación en masa agua: polvos Relación en masa yeso: cemento YA4 40:60 100:0 50:50 100:0 Yeso YA5 Cemento Blanco YB7A4 40:60 70:30 YB7A5 50:50 70:30 YB5A4 40:60 50:50 YB5A5 50:50 50:50 Cemento Gris 38 YG7A4 40:60 70:30 YG7A5 50:50 70:30 YG5A4 40:60 50:50 YG5A5 50:50 50:50 Fig. 1. Absorción de agua de las probetas con diferentes relaciones polvo:agua y composiciones: (a) yeso, (b) yeso-cemento blanco y (c) yeso-cemento gris. correspondiente a un incremento muy rápido de la absorción de agua durante los primeros segundos de inmersión y posteriormente una segunda etapa, donde la absorción se estabiliza por debajo de un valor asintótico, que corresponde a la máxima capacidad de absorción de cada una de las mezclas estudiadas. Se presentan los resultados de rapidez de Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Iván L. Samperio Gómez, et al. absorción en la primera etapa así como la máxima capacidad de absorción expresada en porcentaje en volumen de agua absorbida respecto al volumen total del molde obtenido, en la tabla II. Es importante destacar la relevancia de la rapidez con la que comienzan a absorber agua cada una de las probetas, ya que esta primera etapa de absorción es crucial para la textura de los cerámicos finales a obtener. Lo anterior debido a que si la absorción en la primera etapa es muy rápida, en la superficie del cerámico final habrá una mezcla de tamaños de partícula, ya que no hay tiempo de una reordenación de las partículas. Por otro lado, si la absorción en la primera etapa es lenta, las partículas menos cargadas en la suspensión, que generalmente son las más grandes, son las que podrían depositarse en una primera etapa, para formar parte de la superficie del cerámico final. Los resultados presentados en la tabla II, corresponden al análisis de absorción experimentales presentados en la figura 1. Permiten establecer que aquellas probetas preparadas con una relación de polvo:agua de 50:50 fueron las que presentaron mayor absorción en todos los casos. Los rangos de absorción de todas las probetas se encuentran entre un valor mínimo de 35% vol. para la composición YA4 y un máximo de 55% vol. para la composición YB7A5, respectivamente. Paralelamente, se observó que para una relación de yeso:cemento (tanto blanco como gris) 50:50 con una relación de polvo:agua de 50:50 (YB5A5 y YG5A5) las probetas requirieron mucho tiempo de secado; aunado a lo anterior, presentaron una estructura débil y su conformado no fue suficiente como para resistir el proceso de desmoldado, razón por la que no se llevaron a cabo las pruebas de absorción. Adicionalmente, en los resultados de absorción mostrados en la tabla II, se puede observar como las probetas YB7A4 e YB5A4 son las que absorben a menor velocidad, durante la primera etapa, pero continúan absorbiendo en la segunda etapa, tardando más tiempo en alcanzar su valor asintótico o capacidad máxima de absorción. Por otro lado, la probeta YA4 absorbe más en la primera etapa, pero luego absorbe mucho menos, debido a que se satura rápidamente. Para complementar el estudio de absorción, se presenta en la figura 2 la comparación de las probetas que presentaron mejor absorción en los sistemas de yeso y yeso con cemento blanco o gris, donde se observa que las probetas que están compuestas únicamente por yeso presentan una menor absorción a cualquier tiempo mientras que las de yeso-cemento gris presentan una mayor absorción. Los resultados presentados en la tabla II, confirman esta aseveración. Los resultados de tiempo de fraguado inicial y final de cada una de las composiciones se presentan en la tabla III. Adicionalmente, en esta tabla se presenta la densidad de las probetas preparadas. De acuerdo a los resultados presentados en la tabla, los moldes que fraguan más rápido presentan una menor densidad, por lo cual absorben más agua a comparación de los otros que al requerir más tiempo de fraguado hacen que se aglomeren mejor las partículas. Los resultados obtenidos confirman los resultados anteriores, para una relación de yeso: Tabla II. Datos de absorción para cada muestra. Referencia Rapidez de absorción (% vol./s) Máxima absorción VH2O (cm3) % Absorción max. VH2O/Vmolde (adim) YA4 6.79 5±0.3 35±2 YA5 10.00 7±0.4 50±2.5 YB7A4 6.43 5.8±0.8 41±5.5 YB7A5 10.89 7.7±0.6 55±4 YB5A4 6.52 6±0.9 43±7 YG7A4 7.41 5.6±0.6 40±5 YG7A5 11.25 7.5±0.5 53±4 YG5A4 7.95 5.9±0.1 42±1 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 2. Absorción de agua de las probetas con diferentes composiciones: (a) yeso, (b) yeso-cemento blanco y (c) yeso-cemento gris. 39 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Iván L. Samperio Gómez, et al. cemento (tanto blanco como gris) de 50:50 con una relación de polvo:agua de 50:50 (YB5A5 y YG5A5) las probetas requirieron mucho tiempo de secado, presentaron una estructura débil y su conformado no fue suficiente como para resistir el proceso de desmolde, es por ello que no se reportan datos en la tabla III. Paralelamente, se puede observar que las piezas preparadas con una proporción de polvo:agua 60:40 (YA4, YB7A4, YB5A4, YG7A4 e YG5A4) presentan una mayor densidad en comparación con las preparadas con una proporción de polvo:agua 50:50 (YA5, YB7A5 e YG7A5). La menor densidad de las piezas finales fue obtenida con una mezcla de yeso con cemento gris en una proporción de 70:30 y con una relación de polvo:agua de 60:40. Esta probeta mostró una de las más bajas absorciones de agua, solamente mayor a la probeta preparada únicamente con yeso relación de polvo:agua de 60:40. Y la mayor densidad fue obtenida también con una mezcla de yeso:cemento gris en una proporción 50:50 y una relación polvo: agua de 60:40, con una absorción similar a la que mostró menor densidad en la pieza final. En la figura 3 se presenta la micrografía obtenida mediante microscopía electrónica de las probetas que sólo contienen yeso, en esta figura se observa una morfología acicular característica del yeso y la formación de cristales de tamaños de 5 a 10 micrómetros, pero además, particularmente, para la probeta con mayor cantidad de agua (YA5), se observa la formación de láminas de mayor tamaño, que pueden estar asociadas con prolongados tiempos de fraguado. Fig. 3. Micrografía de probetas fabricadas con yeso. Paralelamente, en la figura 4 se presentan las micrografías de las probetas obtenidas a partir de mezclas de yeso con cemento blanco, donde se observa que las probetas con menor contenido de yeso presentan menor formación de agujas (YB5A4) y además las que contienen mayor cantidad de agua presentan mayor cantidad de cristales de CaSO4 (YB7A5). Finalmente, en la figura 5 se presentan las micrografías de las probetas utilizando cemento gris. Tabla III. Tiempo de fraguado y densidades de las mezclas de yeso y yeso-cemento. Referencia YA4 YA5 YB7A4 YB7A5 YB5A4 YB5A5 YG7A4 YG7A5 YG5A4 YG5A5 40 Tiempo inicial (s) 450 600 270 360 210 390 480 630 390 660 Penetración inicial (s) 3 5 7 5 9 6 7 3 5 7 Tiempo final (s) 1140 2280 540 1320 900 -990 2130 840 -- Penetración final (s) 39.5 39.5 39.5 39.5 39.5 -39.5 39.5 39.5 39.5 Densidad (g/cm3) 1.0751 0.8397 1.2211 0.9160 1.1948 -1.2222 0.9015 1.2496 -- Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Ivan L. Samperio Gómez, et al. Fig. 5. Micrografía de las probetas fabricadas con yesocemento gris. Fig. 4. Micrografía de las probetas fabricadas con yesocemento blanco. En estas imágenes se observa una menor formación de agujas y la formación de cristales más gruesos y aglomerados. En general, la morfología de las probetas es un indicativo de los mecanismos de fraguado, es decir, una mayor cantidad de agua, permitirá un fraguado más lento y por lo tanto, la formación de cristales más grandes, mientras que un menor contenido de yeso, da lugar a la formación de aglomerados. Por otro lado, el mecanismo de fraguado tiene un efecto directo, tanto en la porosidad, como en sus propiedades mecánicas y de absorción de Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 agua. De tal forma que, de acuerdo con los resultados obtenidos, debe permitirse una cristalización rápida, para la formación de aglomerados, que permitan tener una alta porosidad, pero manteniendo estabilidad estructural mecánica macroscópica. CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados obtenidos, las probetas que presentan mayor absorción así como un tiempo de fraguado apropiado son aquellas obtenidas a partir de mezclas de yeso-cemento, con cualquier tipo de cemento, blanco o gris, donde el componente mayoritario es el cemento (70% en los polvos) y con un porcentaje de agua del 50% en la suspensión. 41 �Estudio de absorción de agua en moldes de yeso y yeso-cemento para vaciado de suspensiones / Ivan L. Samperio Gómez, et al. En general, todas las probetas obtenidas a partir de esta relación de polvo:agua, mostraron una mayor absorción de agua. Por otro lado, las probetas con altos niveles de absorción, presentan una mayor cantidad de aglomerados, promovida por un fraguado rápido, con poca cantidad de yeso, da lugar a una mayor absorción. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue desarrollado con apoyo del proyecto CONACyT-México, fondo Ciencias Básica, clave No. 130413. REFERENCIAS 1. E. M. Múzquiz, J. G. Osuna, A. Solís y S. 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Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua Azael Martínez De la Cruz, Selene Sepúlveda Guzmán, Ulises Matías García Pérez FIME-UANL azael70@gmail.com RESUMEN En el presente estudio se describe la síntesis, caracterización y evaluación de la actividad catalítica de BiVO4 en procesos avanzados de oxidación de materia orgánica, así como el análisis de diversas variables experimentales que inciden en la velocidad de reacción y permiten elucidar el mecanismo de la misma. El BiVO4 fue sintetizado por co-precipitación, combustión y reacción hidrotermal en presencia de un agente estructurante. La actividad catalítica de las muestras fue evaluada en la fotodegradación de rodamina B, estableciéndose el efecto del pH, O2 disuelto y morfología de las muestras en la velocidad de reacción. PALABRAS CLAVE Oxidación, BiVO4, fotocatálisis, rodamina B. ABSTRACT This work describes the synthesis, characterization and evaluation of the photocatalytic properties of BiVO4 in advanced oxidation processes of organic mater. In the same way, an analysis of experimental variables that affect the rate of reaction was carried out in order to elucidate the reaction mechanism. BiVO4 was synthesized by co-precipitation, combustion and hydrothermal reaction in presence of a morphologic directing agent. The photocatalytic activity of the samples was tested in the photodegradation of rhodamine B. The effect of pH, O2 dissolved and morphology of the samples in the rate of reaction was established. KEYWORDS Oxidation, BiVO4, photocatalysis, rhodamine B. INTRODUCCIÓN El estudio de óxidos cerámicos semiconductores como catalizadores en reacciones de fotooxidación en solución, fase gaseosa o sólida ha sido objeto de gran interés en los últimos años. Se ha reportado en la literatura que diversos óxidos semiconductores presentan fotoactividad en una gran diversidad de reacciones útiles para la oxidación de diversos compuestos orgánicos presentes en aguas residuales,1 la disminución de contaminantes gaseosos responsables del efecto invernadero/purificación de aire2 y la reducción/oxidación de metales Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 43 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. pesados presentes en suelos y aguas contaminadas.3 Estas reacciones, clasificadas dentro de los procesos avanzados de oxidación (PAOs) ofrecen ventajas significativas frente a otras por su mayor factibilidad termodinámica y una velocidad de oxidación muy elevada por la participación de radicales libres, principalmente radicales hidroxilo (HO•). La búsqueda de nuevas tecnologías de oxidación que resulten eficientes y económicamente factibles a escalas industriales se ha centrado en el uso de la energía solar como fuente energética. Una de las aplicaciones que más interés ha despertado en las últimas décadas entre la comunidad científica internacional es la fotocatálisis heterogénea. El estudio de las variables que afectan una reacción fotocatalíticamente activada, así como la determinación de los mecanismos mediante los cuales opera, es fundamental para optimizar procesos de mineralización en la búsqueda de ahorro de energía, tiempo de tratamiento y disminución de costos de operación. Diversos trabajos han sido realizados con el fin de desarrollar fotocatalizadores con alta eficiencia en la región visible del espectro solar; como ejemplo basta mencionar a los óxidos In1-xNixTaO4, CaIn2O4, InVO4 y Bi2MoO6.4 En particular, la química de los vanadatos es muy rica y numerosas fases pueden ser formadas de acuerdo a su estequiometría con propiedades ópticas que les permiten absorber en la región visible del espectro solar. De entre estos óxidos, el vanadato de bismuto (BiVO4) es considerado un importante semiconductor por poseer propiedades de interés tecnológico tales como ferroelasticidad y conductividad iónica.5 Debido a su estabilidad, el BiVO4 ha sido empleado en un gran número de aplicaciones tecnológicas.6 La elección del semiconductor BiVO4 para la realización del presente estudio está basada en el atractivo que representa activar el material con la región visible del espectro solar. Se contempla en una primera parte del trabajo el estudio de la incidencia de variables como pH y O2 en el curso de la reacción fotocatalizada. Lo anterior permitirá establecer mecanismos o rutas de degradación de la materia orgánica que generará un conocimiento del sistema que a su vez permitirá establecer condiciones experimentales para optimizar el proceso. En segunda instancia, se observará el efecto de las 44 propiedades texturales de BiVO4 en su actividad catalítica durante la fotooxidación de un compuesto orgánico elegido como modelo. Como método de síntesis se han elegido la reacción por estado sólido (SSR), co-precipitación (Cop), hidrotermal (HT160-20, HT160-48) y combustión (BiVC-1. BiVC-3. BiVC-6, BiVC-9) en presencia de un agente estructurante. EXPERIMENTACIÓN La síntesis de BiVO4 por reacción en estado sólido fue realizada mediante el tratamiento térmico a 700ºC durante 66 h de una mezcla estequiométrica de Bi(NO3)3•5H2O y NH4VO3. La síntesis por coprecipitación se llevó a cabo mediante el mezclado de las siguientes soluciones: a) 1.4975 g de Bi(NO3)3•5H2O disueltos en 100 mL de HNO3 4 M a 70ºC. b) 0.3610 g de NH4VO3 disueltos en 100 mL de NH4OH 2 M a 70ºC. En una segunda síntesis, la co-precipitación se realizó en presencia del agente estructurante carboximetil celulosa (CMC). El procedimiento requirió de la preparación de tres disoluciones por separado: c) 0.01 moles de Bi(NO3)3•5H2O disueltos en 100 mL de HNO3 4 M a 70ºC. d) 0.01 moles de NH4VO3 disueltos en 100 mL de NH4OH 2 M a 70ºC. e) 1.00 g de CMC disuelto en 50 mL de agua destilada a 70ºC. La disolución e) fue agregada en la disolución d) y se mantuvo la disolución en agitación vigorosa durante 10 min. A continuación se agregó gota a gota la disolución c) en la disolución previamente formada entre d) y e) con agitación vigorosa. El pH de la suspensión fue ajustado a ~9.0. La fase fue obtenida por descomposición del precursor en aire. Se realizaron tratamientos térmicos a 200, 300 y 450ºC durante 24 h. La síntesis por combustión fue realizada mediante un procedimiento similar al descrito durante la síntesis del material por co-precipitación en presencia del aditivo orgánico. La diferencia esencial entre ambos métodos fue la eliminación del solvente por evaporación mediante un Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. tratamiento térmico moderado a 80 °C. Una vez eliminado el solvente a esta temperatura, la muestra fue espontáneamente combustionada en un proceso químico altamente exotérmico. Como producto de este proceso se obtuvo un sólido amarillo, mismo que fue utilizado como precursor de BiVO4 mediante tratamientos térmicos en aire a 200, 300 y 450ºC. El procedimiento para llevar a cabo la síntesis hidrotermal de BiVO4 en presencia de CMC parte de la preparación de tres disoluciones por separado: f) 0.03 moles de Bi(NO3)3•5H2O disueltos en 100 mL de HNO3 4 M a 70 °C. g) 0.03 moles de NH4VO3 disueltos en 100 mL de NH4OH 2 M a 70ºC. h) 1.18 g de CMC disueltos en 50 mL de agua destilada, disolución al 6 % p/p de CMC en agua destilada. De la disolución h) se adicionaron 25 mL en cada una de las disoluciones f) y g) preparadas manteniéndose las disoluciones en agitación vigorosa durante 1 h a temperatura ambiente obteniendo 2 disoluciones incoloras. A continuación se agregó gota a gota la disolución de Bi-CMC en la disolución de V-CMC con agitación vigorosa. Estas suspensiones fueron agitadas durante 1 h; posteriormente fueron transferidas dentro de un vaso de teflón de 600 mL. El vaso fue colocado en una autoclave y se realizaron calentamientos a diversas temperaturas e intervalos de tiempo a presión autógena bajo una agitación mecánica continua. La caracterización de las distintas muestras policristalinas de BiVO4 fue realizada por las técnicas de difracción de rayos-X, microscopía electrónica de barrido, fisisorción de N2 y espectroscopia de reflectancia difusa. Las pruebas fotocatalíticas fueron realizadas en un reactor de borosilicato. Como reacción modelo se eligió la degradación del colorante orgánico rodamina B (rhB). Se trabajó con un volumen inicial de 250 mL de una disolución de rhB con una concentración de 5 ppm en cada una de las pruebas de degradación de rhB. Como fuente de radiación se utilizó una lámpara de Xe de 6,000 K la cual tiene una potencia de salida de 35 W y una iluminancia de 1,630 lx. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las muestras obtenidas por los diferentes métodos de síntesis fueron caracterizadas estructuralmente mediante difracción de rayos-X en polvo. Los difractogramas obtenidos mostraron la presencia del polimorfo monoclínico de BiVO4 en forma pura de acuerdo al patrón de referencia (JCPDS 14-0688). Evaluación del efecto del pH y O2 disuelto en la actividad de BiVO4 en procesos de oxidación avanzada El pH de la dispersión y la cantidad de O2 disuelto fueron las variables experimentales elegidas para observar el comportamiento de la actividad catalítica de BiVO4 en el proceso de fotodegradación de rhB. La participación de protones (h+), iones hidroxilo (OH -) y O 2 en medio acuoso pueden incidir determinantemente en la velocidad de fotodegradación de materia orgánica debido a que son precursores de especies altamente reactivas como los radicales HO•, O2.-, etc. La incidencia de estas variables experimentales en el curso del proceso de fotodegradación del colorante se analizarán de manera representativa en la muestra sintetizada por coprecipitación. El análisis de las propiedades ópticas de los materiales reveló un valor de Eg de 2.31 eV para la muestra obtenida por reacción en estado sólido y de 2.27 eV para el material sintetizado por el método de coprecipitación. Para el BiVO4 sintetizado por reacción en estado sólido se obtuvo un área superficial BET de 0.27 m2g-1 y para el obtenido por co-precipitación de 1.46 m2g-1. La evaluación de la actividad catalítica de BiVO4 en la reacción de fotodegradación de rhB, bajo radiación de luz visible, a diferentes valores de pH de la dispersión se muestra en la figura 1. El porcentaje de fotodegradación de rhB con BiVO4 sintetizado por co-precipitación para un tiempo equivalente de 420 minutos a pH 4 fue del 54.0 %, mientras que a pH 5 del 59.0 %, a pH 6 del 68.0 %, a pH 8 del 74.6 % y a pH 10 del 99.5%. Se decidió evaluar el efecto del suministro de oxígeno al proceso de fotocatálisis ya que la presencia de éste puede resultar importante, porque actúa primariamente como una eficiente trampa para la captura de electrones (e-), conduciendo a la 45 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. Fig. 1. Cambio en la concentración de rhB durante el curso de su fotodegradación en presencia de BiVO4 a diferentes valores de pH. generación del radical superóxido (O2.-) y previniendo la recombinación del par hueco (h+)-electrón (e-). Para evaluar el efecto del O2 en el proceso de fotodegradación de rhB se llevaron a cabo experimentos a pH 10 dado a que a este valor de pH se obtuvieron los mejores resultados. En la figura 2a se muestra que la adición de O2 a la disolución acuosa de rhB bajo radiación de luz visible en ausencia del catalizador conduce a una degradación del colorante del 11.6 % después de 240 min de radiación. En la misma figura se muestra el efecto que tiene la presencia del O2 en la prueba de fotodegradación de rhB bajo radiación con luz visible en presencia del BiVO4 (figura 2b). El porcentaje de fotodegradación de rhB con BiVO4 a un pH de la dispersión de 10 y un flujo de O2 de 257 mL min-1 fue del 98.7 % después de 240 min de radiación, indicando que la presencia de O2 tiene un efecto positivo en la reacción de fotodegradación de rhB. Nótese como en este caso es posible alcanzar un porcentaje parecido de Fig. 2. Cambio en la concentración de rhB durante el curso de la radiación con luz visible. 46 fotodegradación del colorante 180 minutos antes de lo que se había hecho sin el flujo de O2. El efecto positivo del flujo de O2 en el proceso de degradación del colorante se debe a que el oxígeno actúa como una trampa de los electrones que se encuentran en la banda de conducción del material, lo cual permite que no se lleve a cabo la recombinación de las cargas, además de que contribuye a la formación de especies con un potencial de oxidación capaz de degradar al colorante en disolución. En base a los resultados experimentales obtenidos se puede concluir que el proceso de fotodegradación de la rhB en disolución acuosa ocurre mediante el proceso de fotosensitización del colorante por radiación de luz visible, aunque puede existir una pequeña contribución por fotocatálisis, misma que se ve notablemente incrementada cuando el pH de la solución del colorante es alcalino. El proceso de fotosensitización (véase figura 3) consiste en que una especie donadora de electrones como la rhB absorba el flujo de fotones incidente provocando que los electrones que se encuentran en el orbital pasen a un estado excitado *. Los electrones que pasan al estado excitado * son inmediatamente inyectados dentro de la banda de conducción del catalizador. Posteriormente esos electrones de la banda de conducción reaccionan con el O2 conduciendo a la formación del radical O2−•, con el cual se llevan a cabo una serie de reacciones que conducen a la formación del radical HO•, mediante el cual se lleva a cabo la degradación del colorante. Fig. 3. Mecanismo de fotosensitización de rhB en disolución acuosa con BiVO4 bajo radiación con luz visible. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. Fig. 4. Micrografías de SEM de BiVO4 obtenido mediante diferentes técnicas de síntesis. Evaluación del efecto del método de síntesis de BiVO4 en su actividad catalítica en procesos de oxidación avanzada El método mediante el cual se sintetiza el catalizador repercute en las propiedades morfológicas, superficiales y ópticas del material, lo que puede presentar un efecto importante al momento de su acción como catalizador. Por esta razón, se evaluará la influencia del método de síntesis en la actividad catalítica de BiVO4. La figura 4c muestra la micrografía de SEM de la muestra de BiVO4 obtenida de la reacción de coprecipitación utilizando un 9% en peso de CMC en la solución como estabilizador. Como se puede observar la muestra tiene un tamaño más pequeño de partícula comparada con la muestra obtenida por coprecipitación sin la adición de CMC. Para efectos comparativos se incluyen las imágenes de la muestra sintetizada por reacción en estado sólido a) y coprecipitación en ausencia de CMC, 4b). En este trabajo se realizaron además experimentos de obtención de BiVO4 mediante la técnica de combustión utilizando CMC como combustible. En la figura 5 se pueden observar las imágenes SEM de las muestras preparadas por esta técnica. Lo que podemos observar de manera general es la presencia de nanopartículas con tamaños entre los 50 y 200 nm que se encuentran ensambladas en arreglos de mayor tamaño. Este tipo de estructuras son conocidas como materiales nanoestructurados 3D. La formación de agregados es más evidente en las muestras con un tratamiento térmico a 200 °C (figura 5b), posiblemente debido a que después del proceso de combustión residuos del material orgánico permanecieron en la superficie y el tratamiento Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Fig. 5. Micrografías de SEM de BiVO4 preparado mediante la técnica de combustión sin tratamiento térmico (a), y con tratamiento térmico a una temperatura de 200°C (b), 300°C a baja magnificación (c) y 300°C a alta magnificación (d). térmico a 200 °C no fue suficiente para removerlos. Para la muestra con un tratamiento térmico a 300 °C las partículas se observan definidas debido a que estas condiciones de tratamiento térmico remueven exitosamente los residuos orgánicos de la superficie de BiVO4 densificando además las partículas. La muestra obtenida después de las condiciones hidrotermales a 160 °C por 48 horas y un contenido de CMC del 6% fue analizada por SEM después de su purificación. Las imágenes obtenidas se presentan en la figura 6. La muestra presenta una morfología con una tendencia a la formación de estructuras 1D ramificada, es decir, las estructuras parecen tener una dirección preferencial de crecimiento tal y como está marcada en la imagen. 47 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. Fig. 6. Micrografías de SEM de BiVO4 preparado mediante la técnica hidrotermal en presencia de CMC al 6%. La figura 7 muestra las constantes de velocidad aparente (k) del proceso de fotodegradación de rhB y el tiempo de vida media del colorante (t1/2) cuando las distintas muestras de BiVO4 fueron empleadas como catalizadores. La muestra con menor actividad catalítica fue la obtenida por reacción en estado sólido, probablemente debido a que las altas temperaturas de síntesis produjeron un material bien sinterizado, con tamaños de partícula grande que hacen que los recorridos del par hueco-electrón hacia la superficie del catalizador sean largos y tengan una alta probabilidad de recombinación. Fig. 7. Datos cinéticos de la reacción de fotodegradación de rhB utilizando BiVO4 como fotocatalizador. A pesar de que las muestras H160-20 y H16048 obtenidas por hidrotermal presentaron las áreas superficiales mayores de entre todas las sintetizadas, su actividad catalítica no fue la más alta observada. La causa de la menor actividad catalítica observada en las muestras H160-20 y H160-48 puede estar relacionada con la temperatura de síntesis. A diferencia de los métodos de co-precipitación y combustión, en el método hidrotermal no se requirió 48 de un post-tratamiento térmico para la obtención de BiVO4. En la síntesis hidrotermal el óxido BiVO4 fue obtenido en fase acuosa en condiciones hidrotermales a 160ºC, sin un posterior tratamiento térmico lo que influye en la obtención de un material de baja cristalinidad. Al igual que las propiedades físicas del catalizador como estructura cristalina y electrónica, área superficial, tamaño de partícula y banda de energía prohibida; el grado de cristalinidad puede desempeñar un papel determinante en la actividad del catalizador. Los defectos presentes en los materiales de baja cristalinidad pueden actuar como centros de recombinación del par hueco-electrón, lo que hace ineficiente el proceso de separación de cargas y afectar considerablemente la actividad del catalizador. Este hecho no se contrapone con lo descrito con respecto al BiVO4 sintetizado por reacción en estado sólido, ya que la temperatura tiene un efecto inverso en el grado de cristalinidad de la muestra y su tamaño de partícula, debiéndose establecer un compromiso entre ambos parámetros. Asimismo, la actividad catalítica de las muestras H160- puede ser afectada a la presencia de CMC no removido por ausencia del tratamiento térmico. Este hecho parece estar respaldado por los resultados obtenidos en las muestras de combustión. Por su parte, las muestras obtenidas por coprecipitación (CMC-200, CMC-300) y combustión en presencia de CMC (BiVC-1, 3, 6, 9) requirieron de un post-tratamiento térmico del precipitado para la obtención de BiVO4 en forma pura. El tratamiento térmico a temperaturas del orden de los 200-300ºC promovió la formación del polimorfo monoclínico de BiVO4 y la eliminación de CMC. No obstante el análisis elemental y las micrografías de SEM revelaron la presencia de carbón residual en las muestras de menor temperatura de calcinación (CMC200 para el caso particular de la combustión). La presencia de CMC en el proceso de formación de BiVO4 tiene un efecto positivo en la actividad catalítica del material final. Esta situación se puede apreciar si observamos la serie de muestras preparadas por combustión BiVC- e incluimos la obtenida por co-precipitación simple. La actividad catalítica del material aumenta casi de manera lineal a medida que se incrementa la cantidad de CMC, encontrándose el mejor resultado con contenidos iniciales de CMC del 9% (BiVC-9). De acuerdo a Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Procesos avanzados de oxidación por acción de BiVO4 para la purificación de agua / Azael Martínez De la Cruz, et al. las micrografías obtenidas por SEM el desarrollo de morfología en forma de nanoesferas desarrollada a altas concentraciones de CMC parece influir en la actividad catalítica de BiVO4. CONCLUSIONES El semiconductor óxido BiVO4 sintetizado por co-precipitación presentó actividad catalítica para la reacción de fotodegradación de rhB en disolución acuosa bajo radiación con luz visible. Se observó que parámetros como el método de síntesis de BiVO4, el pH de la dispersión y suministro de O2; afectan significativamente la fotodegradación de rhB en disolución acuosa. El pH juega un papel muy importante en el proceso de degradación oxidativa de la rhB en disolución acuosa, ya que a mayor pH la velocidad de fotodegradación aumenta de manera significativa. A pH alcalino la concentración del ion OHaumenta, lo que favorece su adsorción sobre el BiVO4 conduciendo a la formación del radical HO•, mediante un proceso de oxidación con los h+ de la banda de valencia del semiconductor, con lo cual se evita la recombinación del par hueco-electrón y favorece su eficiente separación. El suministro de O2 tiene un efecto positivo en el proceso de fotodegradación catalítica de rhB en medio alcalino debido a que actúa como una trampa de los electrones de la banda de conducción del semiconductor con lo cual se favorece a la eficiente separación del par hueco-electrón y se disminuye el proceso de recombinación de ellos. Al igual que propiedades físicas del catalizador como estructura cristalina y electrónica, área superficial, tamaño de partícula y banda de energía prohibida; el grado de cristalinidad puede Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 desempeñar un papel determinante en la actividad del catalizador. Los defectos presentes en los materiales de baja cristalinidad pueden actuar como centros de recombinación del par hueco-electrón lo que hace ineficiente el proceso de separación de cargas y afecta considerablemente la actividad del catalizador. REFERENCIAS 1. L. Dapeng, Q. Jiuhui, “The progress of catalytic technologies in water purification: A review”, Journal of Environmental Sciences 21 (2009) 713. 2. Y. Huang, Z. Ai, W. Ho, M. Chen, S. Lee, “Ultrasonic spray pyrolysis synthesis of porous Bi2WO6 microspheres and their visible-lightInduced photocatalytic removal of NO”, J. Phys. Chem. C 114 (2010) 6342. 3. N. Aman, T. Mishra, J. Hait, R.K. Jana, “Simultaneous photoreductive removal of copper (II) and selenium (IV) under visible light over spherical binary oxide photocatalyst”, Journal of Hazardous Materials 186 (2011) 360. 4. R. Jain, M. Mathur, S. Sikarwar, A. Mittal, “Removal of the hazardous dye rhodamine B through photocatalytic and adsorption treatments”, Journal of Environmental Management 85 (2007) 956. 5. A.R. Lim, K.H. Lee, S.H. Choh, “Domain wall of ferroelastic BiVO4 studied by transmission electron”, State Commun. 83 (1992) 185. 6. L. Zhou, W. Wang, L. Zhang, H. Xu, W. Zhu, “Single-crystalline BiVO 4 microtubes with square cross-sections: microstructure, growth mechanism, and photocatalytic property”, J. Phys. Chem. C 111 (2007) 13659. 49 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre la disolución de la fase γ’ y carburos sobre la aleación Waspaloy® Saraí Villalpando HernándezA, Hugo Guajardo MartínezB, Juan Antonio Pérez PatiñoA, Enrique López CuellarA,C Martín Edgar Reyes MeloA,C FIME-UANL FRISA C CIIDIT-UANL enlopez_73@yahoo.com, mreyes@gama.fime.uanl.mx A B RESUMEN En este trabajo se caracterizó la superaleación aeroespacial Waspaloy con el fin de encontrar las fases remanentes después de haberlas sometido a tratamientos térmicos de disolución a altas temperaturas. Este estudio fue realizado para determinar el efecto de la temperatura y el tiempo sobre la disolución completa o parcial de la fase γ´ y los carburos. Dos diferentes aleaciones fueron caracterizadas para encontrar posibles diferencias entre las muestras tratadas a los diferentes tratamientos térmicos. Los resultados mostraron que una de las aleaciones presentó fases remanentes incluso a la temperatura de disolución sugerida por el fabricante, ocasionando respuestas del material poco congruentes con los diagramas TTT reportados en la literatura. PALABRAS CLAVE Waspaloy, carburo, tratamiento térmico. ABSTRACT A superalloy Waspaloy for aerospace applications was characterized in this work in order to find remaining phases after heat treatments for dissolution at high temperature. This study performed with the aim of determining the effect of temperature and time on the complete or partial dissolution of γ´ and carbides phases. Two different samples were characterized in order to find differences between the samples exposed to the different heat treatments. Results showed that one of the alloys presented remaining phases even at the temperature dissolution suggested by the manufacturer, causing responses of the material that are not accordingly to TTT diagrams reported in literature. KEYWORDS Waspaloy, carbide, heat treatment. 50 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. INTRODUCCIÓN En la industria aeroespacial se emplean superaleaciones base Ni debido a la estabilidad de propiedades tanto a baja como a alta temperatura, además de su resistencia a la fractura.1-4 Una de las aleaciones más empleadas para la elaboración de piezas para motores a reacción es Waspaloy, utilizada principalmente en la sección caliente LPT (Low Pressure Turbine). Esta aleación se encuentra clasificada como una aleación base Ni,5 la cual debe sus propiedades principalmente al endurecimiento por precipitación de la fase γ’ en una matriz de fase γ.6 La aleación posee resistencia a alta temperatura (≈700 °C) y con una buena resistencia a la corrosión, especialmente a la oxidación a alta temperatura.7 La composición química reportada en la literatura para esta aleación es (% en peso): Cr 11.4, Co 14.0, Mo 4.5, Fe 0.6, Al 1.22, Ti 3.13, C 0.033, B 0.005, Ni bal. El Al y el Ti forman γ’ para un total aproximado de 0.25 de fracción volumétrica.8 El Cr, Co, y Mo causan un endurecimiento adicional por solución sólida con una baja tendencia a formar fases topológicas empaquetadas después de largos tiempos de servicio. Es por esto que en la actualidad, es muy común encontrar la aleación Waspaloy en hojas, anillos, ejes y discos de turbinas. No obstante la importancia de las propiedades de esta superaleación, en la literatura existe poca información sobre la cinética de precipitación de sus fases. Penkalla H.J. et al en 20037 reportaron un diagrama TTT en el cual se aprecia cómo, a temperaturas superiores a 1065 °C se alcanza la temperatura de disolución de todas las fases presentes en la aleación y además que con tiempos de enfriamiento relativamente fáciles de alcanzar (10 hr), ninguna de las fases debe de precipitar. Por otro lado, en la industria aeroespacial de la región, específicamente en el forjado a alta temperatura de piezas para turbinas, muy a menudo se reciben barras de distintos proveedores con pequeñas variaciones en la composición de esta aleación. Éstas pueden ser el origen de cambios en propiedades mecánicas dependiendo de los tratamientos termomecánicos utilizados y por lo tanto provocan que los productos finales no Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 cumplan con los requerimientos y especificaciones que requieren los clientes, generando problemas inherentes al proceso de forja. Lo anterior trae como consecuencia pérdidas económicas importantes si no se realizan ajustes en el proceso; de no ser detectados estos cambios antes de su aplicación operacional de la pieza, podrán incluso ser de consecuencias catastróficas en pérdidas humanas. En este trabajo, se estudian las fases remanentes de dos aleaciones distintas de Waspaloy después de haber sido expuestas a tratamientos térmicos a distintas temperaturas y tiempos. Esto con el fin de poder determinar una temperatura de partida que asegure un estado homogéneo y libre de fases remanentes que pudieran originar estos cambios. Los resultados mostraron en este caso que, una de las aleaciones (W1), cuya composición es parecida a la reportada en la literatura, presenta fases remanentes a temperaturas superiores a las de disolución propuestas por el mismo fabricante y además muestra una mayor dispersión de las propiedades mecánicas, lo que seguramente es consecuencia de una heterogeneidad importante en la composición química. Mientras que para la otra muestra (W2), los resultados de dureza, microscopía óptica y DTA sugieren que no se presenta la fase γ´ por encima de la temperatura de solubilidad sugerida, por lo que resulta ésta, una aleación más atractiva para su uso en la elaboración de turbinas. El orden de temperaturas estudiadas en este trabajo es de 1000 y 1100 °C y corresponde a la reportada por Penkalla H.J.7 METODOLOGÍA En este trabajo, se estudiaron dos diferentes aleaciones de Waspaloy, las cuales se identificaron como W1 y W2, con diferencias significativas en composición química, partircularmente en el contenido de cobalto y níquel. Al comparar la composición con la reportada por Penkalla H.J. et al7 se puede observar una diferencia mayor en los porcentajes que se ve reflejada en la cantidad de Co, siendo la aleación reportada por Penkalla H.J et al7 la que tiene mayor porcentaje (14%) contra el 13.35% que reporta W1 y el 12.86% que 51 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. reporta W2 y según lo reportado en la literatura, el Co favorece la formación de la fase γ. Los tratamientos térmicos se realizaron a 4 temperaturas distintas y 8 tiempos diferentes. Las condiciones vienen reportadas en la tabla I. En donde el tratamiento A1 significa que la temperatura se mantuvo 5 °C por debajo de la temperatura de disolución de la γ’ sugerida por el fabricante durante el tiempo 1, que tiene una duración de 30 minutos y así sucesivamente. Y Z0 es el nombre con el que se identifica a la probeta sin tratamiento térmico. Tabla I. Condiciones de los tratamientos térmicos. Tiempo en minutos 30 60 90 120 150 180 210 240 Temp (°C) 1 2 3 4 5 6 7 8 A=γ´-5 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 D=γ´+5 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 E=γ´+20 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 G=γ´+40 G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 Después de haber sido sometidas las muestras a sus tratamientos térmicos correspondientes, se seleccionaron algunas de ellas para ser primeramente, caracterizadas mediante difracción de rayos x en un equipo D8 Advance de marca Bruker , con un tamaño de paso de Δ2θ = 0,02°, permitiendo 5 s por paso. Lo anterior con el propósito de determinar sí mediante esta técnica, se pueden observar fases remanentes. Posteriormente, estas muestras fueron analizadas en un DTA marca Perkin Elmer. Las pruebas se realizaron a una temperatura de inicio 100°C y siguiendo una rampa de temperatura de 10°C por minuto hasta alcanzar una temperatura de 950°C. Esto como una técnica para poder identificar también fases remanentes. Posteriormente las muestras fueron caracterizadas mediante microscopía óptica utilizando para tal efecto un microscopio óptico marca Zeuss. Finalmente se llevaron a cabo pruebas de dureza en un Micro Hardness Tester marca SHIMADZU, con una carga de 2.92 N durante 15 segundos, para poder correlacionar las propiedades mecánicas con la microestructura y las posibles fases remanente. 52 RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la figura 1 (a y b) se reportan los difractogramas obtenidos para las muestras W1 y W2 de los estados Z0, A1, A8, D1 y G8 reportados en la tabla I. Estos estados fueron seleccionados para explorar solamente los estados claves con temperaturas bajas y altas, a tiempos cortos y tiempos largos, esto con el fin de evitar llevar a cabo el análisis de difracción de rayos X a los 24 estados. Como se puede observar, los resultados de difracción para los 5 estados para ambas muestras, corresponden en su totalidad a la fase γ, lo que es totalmente acorde a los TTT reportados en la literatura. Por lo que es de esperarse que el resto de los otros estados tengan el mismo comportamiento en cuanto a difracción de rayos X. Sin embargo, mediante esta técnica no se puede descartar la presencia de fases remanentes en pequeñas cantidades (<0.5 %). Por esta razón, se decidió realizar posteriormente pruebas mediante DTA. Fig. 1 (a y b). Difractogramas por rayos X de las aleaciones W1 y W2 respectivamente a distintos tratamientos térmicos. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. En la figura 2 (a y b) se presentan los resultados obtenidos mediante DTA para las muestras sometidas a los tratamientos térmicos caracterizados por difracción reportados en la figura 1. Es muy evidente en la muestra W1, que a partir de los 500 °C, se comienza a dar un cambio en la pendiente del gráfico, y que a los 680 °C y 750 °C aproximadamente, unos pequeños y estrechos picos son detectados con claridad. Estas temperaturas son del orden de las temperaturas de formación de la fase γ’ lo que sugiere su presencia en la muestra, pero que ésta, debe de ser en muy pequeñas cantidades debido a la forma e intensidad de los picos. Y de ser así, ésta sería la razón por la cual mediante la técnica de difracción de rayos X, resulta imposible detectarla. La muestra W2 no muestra estos pequeños picos, solo muestra cambios en la línea base, lo que resulta en poca evidencia para poder decir que existen fases que se están precipitando. Fig. 2 (a y b). Resultados de DTA de las muestra W1 y W2 respectivamente. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 Con el fin de analizar su microestructura y observar la presencia de posibles fases remanentes aún en pequeñas cantidades, se realizaron observaciones metalográficas. En la figura 3 (a-f) se muestran las micrografías de la muestra original y de los tratamientos térmicos Z0, A1, A8, D1 y G8 respectivamente y que se reportan en la tabla 1 para la muestra W1. Como se puede apreciar, no se da en ninguno de los casos una expansión de grano. Pero si se pueden observar, estados más limpios que otros. Resulta muy claro que el tratamiento Z0, A1 y el A8, presentan la presencia en algunos granos de algún tipo de precipitación. Lo que apoyado con los resultados obtenidos por DTA y el orden de temperaturas de los picos, sugiere que se trate de la fase γ´. Por otro lado, la figura 4 (a-f) muestra también los mismos estados pero para la muestra W2. Caso contrario a la muestra W1, en esta aleación se logra identificar de manera clara un incremento importante en el tamaño de grano. Y al igual que para la muestra W1, también se puede observar en distintos estados la presencia de granos, lo que pareciera ser otra fase distinta a la matriz, tanto en el Z0, A1 y A8. Esto indica que los tratamientos Z0 (sin tratamiento térmico) y los A (γ´-5) que son los de la temperatura más baja, tienden a formar esta segunda fase, o a no disolver en su totalidad, la fase remanente γ´ que contienen de origen de fábrica las muestras. Lo que resulta muy congruente con los TTT encontrados en la literatura. Finalmente, se procedió a realizar ensayos mecánicos a las muestras tratadas midiendo su microdureza. En la figura 5 (a y b), se muestran los resultados de las microdurezas para la muestra W1 y W2 respectivamente. Debido a la simplicidad de esta prueba se optó por analizar más estados, sobre todo al tiempo más corto y más largo de cada temperatura. Los estados analizados fueron: A1, A4, A5, A8, D1, D8, E1, E8, G1 y G8. En la muestra W1, se aprecia una ligera tendencia a la disminución de la microdureza a medida que la temperatura y el tiempo aumentan. Sin embargo, la muestra W2 muestra claramente una disminución importante de la dureza una vez que se trabaja con la temperatura de 5 °C por encima de la temperatura de la disolución total de γ’ sugerida por el fabricante. La dureza baja 53 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. claramente del orden de los 320 Vickers a los 220. Lo cual indica que las posibles fases remanentes de γ’, observadas claramente para ambas muestras mediante microscopía óptica y detectadas por DTA al menos para W1, son el origen de este incremento en la dureza y que desaparecen con un ligero aumento en la temperatura independientemente del tiempo expuestas. Por otra parte, el crecimiento del tamaño de grano, también podría ser un factor a tomar en Fig. 3 (a-f). Micrografías de los tratamientos Z0, A1, A8, D8, E8 y G8 de la muestra W1. 54 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. cuenta, sin embargo, en este caso sería mínimo, debido a que no en todos los casos en los que disminuyó la dureza, hubo crecimiento de grano. Y en estas aleaciones, el aporte principal al incremento de la dureza, es la precipitación de la fase γ´. Al comparar los resultados de dureza entre la muestra W1 y W2, se puede ver que la W2 muestra un comportamiento más predecible y esperado según Fig. 4 (a-f). Micrografías de los tratamientos Z0, A1, A8, D8, E8 y G8 de la muestra W2. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 55 �Efecto de la temperatura y tiempo sobre disolución de la fase γ´ y carburos sobre ... / Saraí Villalpando Hernández, et al. Fig. 5 (a y b). Microdurezas de las muestras W1 y W2 respectivamente a distintos tratamientos térmicos. los TTT reportados. Y se podría decir que en la W1 se presenta la fase remanente independientemente de la temperatura o el tiempo establecido en el TT. Esto la puede convertir en una aleación mucho más difícil de trabajar y con mayor heterogeneidad, lo cual puede resultar en un serio problema para sus aplicaciones. Y esto puede ser corroborado por los resultados de DTA, en donde los picos de la fase remanente que coinciden en este caso con los de la γ’, son muy claros para casi todos los tratamientos térmicos de la muestra W1. Además, en microscopía óptica, también, para los tratamientos más bajos, esta fase remanente, se identifica de manera muy clara. En cambio, la muestra W2 muestra ser mucho más noble, ya que con asegurarnos un incremento mínimo de 5 °C por encima de lo sugerido por el fabricante, las fases remanentes desaparecen por completo según el comportamiento mecánico del material. Lo anterior sugiere que la aleación W2 posee un control más estricto sobre la homogeneidad en la composición química de la aleación que la W1. 56 CONCLUSIONES Los resultados demuestran que la microdureza se ve afectada más por la fase remanente que por el crecimiento de grano en ambas aleaciones. En la aleación W1 parecen existir fases remanentes incluso por encima de la temperatura de solubilidad de la fase γ´ sugerida por los fabricantes. Mientras que en la W2 los resultados de dureza, microscopía y DTA sugieren que no se presenta la γ´ por encima de la temperatura de solubilidad. Esto podría deberse a un mayor control y homogeneidad de la composición química en la W2. Por otro lado, debido a que las fases remanentes se encuentran en muy bajas cantidades, la técnica de difracción de rayos X resulta inadecuada para su detección, mientras que por DTA, dureza y microscopía si es posible detectarlas. Así mismo, podemos decir que utilizar los TTT que se proponen en la literatura, como el de Penkalla H.J et al en 2003, al pie de la letra no resulta tan recomendable, ya que esta aleación Waspaloy, resulta muy sensible a cambios en la composición. Se recomienda entonces, usar la literatura solamente como una guía, y para aplicaciones industriales, se deberá de caracterizar a detalle cada aleación de distinta procedencia, o cada aleación con una composición específica, tal y cómo se caracterizó en este trabajo. REFERENCIAS 1. E. López Cuéllar, L. López Pavón, U. Ortiz Méndez, E. Reyes Melo, A. Martínez de la Cruz, M. Morin and H. Guajardo Martínez. The Thermoelectric Power, an alternative nondestructive method for the characterization of Inconel 718. Nova Science Publishers, Inc. (USA), 2011, ISBN: 978-1-61728-898-2. 2. E. López Cuéllar, E. Reyes Melo, A. Martínez-de la Cruz, A. García Loera, M. Morin. Journal of Alloys and Compounds 509 (2011) 7297–7302. 3. E. López Cuéllar, M. Morin, E. Reyes Melo, U. Ortiz Méndez, H. Guajardo Martínez, J. Yerena Cortéz. Journal of Alloys and Compounds 467 (2009) 572–577. 4. Penkalla H.J., Wosik J. Materials Chemistry and Physics 81 (2003) 417-423. 5. V.S.K.G. Kelekanjeri, R.A. 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IMPI’s CALL 2013 47 Annual Microwave Power Symposium th FOR PAPERS The premier industry-wide microwave power event June 25-27, 2013 The Providence Biltmore Providence, Rhode Island, USA Submission Deadline February 4, 2013 The International Microwave Power Institute invites the foremost researchers, experts and authors in the industry to submit papers in all areas of research, development, manufacture, specifications and use of microwave and radio frequency energy systems for all type of non-communication applications with an emphasis on food technology and food safety, development of applied and industrial systems, and new emerging technologies and processes. Presented by the International Microwave Power Institute PO Box 1140, Mechanicsville, VA 23111 Phone: +1 (804) 559 6667 t E-mail: info@impi.org www.impi.org Ingenierías, Abril-Junio 2013, Vol. XVI, No. 59 57 �Eventos y reconocimientos I. TALLER NACIONAL DE ASTROFÍSICA En el marco del 80 aniversario de la UANL y el primero del Centro de Investigación e Innovación en Ingeniería Aeronáutica (CIIIA), del 4 al 8 de marzo de 2013, se celebró el Primer Taller Nacional de Astrofísica Planetaria, cuyo objetivo es fomentar la colaboración entre los diferentes grupos que realizan estudios en las ciencias planetarias y la astrofísica de sistemas planetarios en el país y propiciar un foro para la discusión de propuestas de proyectos de observación, espaciales o teóricos para el desarrollo de la astronomía del país. En la inauguración estuvieron presentes el M.C. Esteban Báez Villarreal, Director de la FIME, el Dr. José Franco López, Presidente de la Academia Mexicana de Ciencias, el Dr. Juan Manuel Alcocer González, Secretario Académico de la UANL, la M.C. Patricia Martínez Moreno, directora de la FCFM, y estuvo Autoridades en la inauguración del Taller Nacional de Astrofísica. 58 presidida por el Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, quien anunció en su discurso la creación de un Observatorio Astronómico de la UANL en el municipio de Iturbide, proyecto que contará con el apoyo académico de la UNAM y de gestión para los recursos de inversión por parte de organismos nacionales como CONACYT y la AMC. En este evento se rindió homenaje al Dr. Héctor Pérez de Tejada, principal promotor de las ciencias espaciales en México y quien desde 1970 colabora en el Instituto de Geofísica de la UNAM. II. HOMENAJE A RAÚL RANGEL FRÍAS El pasado 15 de marzo se rindió homenaje en la Capilla Alfonsina al licenciado Raúl Rangel Frías, fundador de la revista Armas y Letras, en conmemoración del centenario de su natalicio. Fue recordado por su faceta de escritor con la publicación bilingüe (español-francés) de su libro Kato y otros relatos. El evento fue encabezado por el rector Jesús Ancer Rodríguez y contó con la presencia de la maestra Alejandra Rangel Hinojosa, hija del autor, quien habló de la obra, publicada por primera vez en 1981, en el marco de la Feria Universitaria UANLeer y del octogésimo aniversario de la Máxima Casa de Estudios. También fue publicado un número especial de colección de la revista Armas y Letras dedicada exclusivamente a conmemorar el centenario del natalicio de Raúl Rangel Frías. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Eventos y reconocimientos Alejandra Rangel Hinojosa, hija de Raúl Rangel Frías. III. NUEVA MESA DIRECTIVA DE LA REGIÓN NORESTE DE LA ACADEMIA MEXICANA DE CIENCIAS El pasado 13 de febrero tomó protesta el Consejo Directivo 2013-2015 de la Academia Mexicana de Ciencias (AMC) de la Región Noreste. El nuevo presidente es el Dr. Enrique Jurado Ybarra, de la Facultad de Ciencias Forestales, el Secretario es el Dr. Azael Martínez de la Cruz de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica y la Tesorera es la Dra. Verónika Sieglin de la Facultad de Trabajo Social y Desarrollo Humano, todos profesoresinvestigadores de la UANL. La toma de protesta de la nueva Junta Directiva estuvo a cargo del Dr. José Franco López, Presidente Nacional de la AMC, en presencia del Dr. Jesús Ancer Rodríguez, Rector de la UANL, el Ing, Rogelio G. Garza Rivera, Secretario General de la UANL, el Dr. Mario César Salinas Carmona, Secretario de Investigación, Innovación y Posgrado, y la Dra. Norma Laura Heredia Rojas, presidente saliente. En esa misma reunión se le otorgó al Dr. Reyes Tamez Guerra el nombramiento de miembro distinguido de la AMC por su trayectoria como investigador, formador de capital humano altamente calificado y gestor del conocimiento. Una parte muy importante del evento fue la entrega de constancias a 12 científicos, entre los que se encuentra la Dra. Ada Margarita Álvarez Socarrás, profesora-investigadora de la FIME. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 Los nuevos miembros de la AMC, Región Noreste son: • Dra. Ada Margarita Álvarez Socarrás (FIME-UANL) • Dra. Gloria María González González (Medicina-UANL) • Dr. Humberto González Rodríguez (Ciencias Forestales-UANL) • Dra. Natalya Kalashnykova (Ciencias Físico-Matemáticas-UANL) • Dr. Jorge Enrique Castro Garza (IMSS) • Dr. Óscar Flores Torres (UdeM) • Dr. Jorge Alejandro Benavides Lozano (ITESM) • Dr. Bryan William Husted Corregan (ITESM) • Dr. Servando López Aguayo (ITESM) • Dr. Roberto Parra Saldívar (ITESM) • Dr. César Vargas Rosales (ITESM) • Dr. Marcelo Fernando Videa Vargas (ITESM) Toma de protesta del Dr. Enrique Jurado Ybarra, el Dr. Azael Martínez y la Dra. Verónika Sieglin 59 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL * Enero a Diciembre 2012 Ireri Aydee Sustaita Torres, Doctora en Ingeniería de Materiales. Tesis: Envejecimiento de aleaciones resistentes al calor 35 Cr-45i alto y bajo carbono, 24 de febrero de 2012. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Dra. Martha P. Guerrero Mata, Dra. Maribel De La Garza Garza, Dr. Sergio Haro Rodríguez, Dr. Abraham Velasco Téllez. Rodrigo Puente Ornelas, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Efecto de la adición del residuo nanosilice geotérmica sobre la durabilidad de morteros y concretos base cemento portland, 25 de mayo de 2012. Jurado: Dra. Lauren Y. Gómez Zamorano (asesor), Dra. Ana María Guzmán Hernández, Dra. Ana María Arato Tovar, Dr. Gerardo Fajardo San Miguel, Dra. Bertha A. Vázquez Méndez. Vanesa Avalos Gaytán, Doctora en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Modelo adaptativo para la sincronización en redes modulares, 9 de julio de 2012. Jurado: Dra. Satu Elisa Schaeffer (asesor), Dr. José Arturo Berrones Santos, Dr. Romeo Sánchez Nigenda, Dr. Juan Antonio Almendral Sánchez, Dra. Laura Cruz Reyes. Tania Turrubiates López, Doctora en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de Sistemas. Tesis: Complejidad computacional estructural en redes complejas, 27 de julio de 2012. Jurado: Dra. Satu Elisa Schaeffer (asesor), Dr. José Arturo Berrones Santos, Dra. Sara Elena Garza Villarreal, Dra. Vanesa Landero Nájera, Dr. Gregorio Toscano Pulido. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. 60 Oscar Jesús Zapata Hernández, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Simulación de la evolución microestructural de aceros al silicio durante su deformación en caliente, 23 de agosto de 2012. Jurado: Dra. Martha P. Guerrero Mata (asesor), Dr. Luis Leduc Lezama, Dra. Tania Berber Solano, Dr. Víctor Vázquez Lasso, Dr. Eduardo Valdés Covarrubias. Andrés Fernando Rodríguez Jasso, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Desarrollo de aleaciones de alta resistencia A1-Cu Serie 2XX, 21 de septiembre de 2012. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz (asesor), Dra. Martha P. Guerrero Mata, Dr. Arturo Juárez Hernández, Dr. José Talamantes Silva, Dr. Salvador Valtierra Gallardo. José Alejandro González Villarreal, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Efecto de la microestructura y las variables de solidificación sobre el comportamiento a fatiga de alto ciclo en una aleación hipereutectica A1-Si-Ceu-Ni, 21 de septiembre de 2012. Jurado: Dr. Rafael Colás Ortiz, Dra. Martha P. Guerrero Mata, Dr. Javier E. González López, Dr. José Talamantes Silva, Dr. Salvador Valtierra Gallardo. Cyndy Arlenn Iñiguez Sánchez, Doctora en Ingeniería de Materiales. Tesis: Microestructura y propiedades mecánicas de cementos compuestos: efecto de la reactividad de adiciones pozolanicas e hidráulicas, 28 de septiembre de 2012. Jurado: Dra. Lauren Y. Gómez Zamorano (asesor), Dr. Guadalupe Alan Castillo Rodríguez, Dr. Juan Jacobo Ruiz Valdés, Dr. José Juan Escalante García. Yajaira Cardona Valdés, Doctora en Ingeniería con especialidad en Ingeniería de sistemas. Tesis: Estudio Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Titulados a nivel Doctorado en la FIME-UANL de un problema Bi-objetivo de diseño de cadena de suministro con incertidumbre en las demandas, 2 de noviembre de 2012. Jurado: Dra. Ada M. Álvarez Socarras (asesor), Dr. José A. Berrones Santos, Dr. Fernando López Irarragorri, Dr. Joaquín Pacheco Bonrostro, Dra. Iris Martínez Salazar. José Manuel Diabb Zavala, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Recubrimiento de Ti-A1-0-C por una nueva técnica: deposición por fricción y oxidación térmica (DFOT) aplicado en la aleación Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, 20 de noviembre de 2012. Jurado: Dr. Marco Antonio L. Hernández Rodríguez (asesor), Dr. Arturo Juárez Hernández, Dr. Rafael Colás Ortiz, Dr. Juan Genesca Llongueras, Dr. José Dolores Oscar Barceinas Sánchez. Edgar Efraín Gauna González, Doctor en Ingeniería de Materiales. Tesis: Síntesis de hidrogeles interpenetrados base poli (nisopropilacrilamida) y quitosán para la obtención de nanopartículas magnéticas, 13 de diciembre de 2012. Jurado: Dr. Virgilio A. González González (asesor), Dr. Marco Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 A. Garza Navarro, Dr. Antonio F. García Loera, Dr. Jorge Romero García, Dr. Antonio Serguei Ledezma Pérez. Luis Alonso Trujillo Guajardo, Doctor en Ingeniería Eléctrica. Tesis: Mitigación del error de impedancia en relevadores de distancia ante la modernización de los sistemas eléctricos de potencia, 14 de diciembre de 2012. Jurado: Dr. Arturo Conde Enríquez (asesor), Dr. Ernesto Vázquez Martínez, Dr. Manuel A. Andrade Barradas, Dr. Armando Llamas Terres. Gladys Yerania Pérez Medina, Doctora en Ingeniería de Materiales. Tesis: Soldabilidad y mecanismos de transformaciones de fase en uniones de aceros avanzados de alta resistencia martensíticos y TRIP por los procesos láser y FSW, 19 de diciembre de 2012. Jurado: Dra. Patricia del Carmen Zambrano Robledo (asesor), Dr. Facundo Almeraya Calderón, Dra. Citlalli Gaona Tiburcio, Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés, Dr. Felipe de Jesús García Vázquez. 61 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL * Diciembre 2012 - Febrero 2013 Mayra Elena Reyes Hernández, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 6 de diciembre de 2012 Enedely Silerio Benavides, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Diseño de un dispositivo experimental de maquinado para aleaciones de Al-Si”, 7 de diciembre de 2012. Jesús Eduardo Ferrer Hurtado, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable, (Por materias), 7 de diciembre de 2012. Adrian Mendoza Ayala, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, Relaciones Industriales, (Por materias), 10 de diciembre de 2012. Edith Margarita Hernández Torres, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Influencia del proceso de criomolienda en la morfología y propiedades de materiales compuestos de polipropileno con organoarcillas”, 11 de diciembre de 2012. Roxana Colunga Jaime, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 3 de diciembre de 2012. Alma Graciela Esmeralda Gómez, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Propiedades mecánicas en aleaciones de aluminio vaciadas desde temperatura ambiente hasta 300°C”, 13 de diciembre de 2012. * Información proporcionada por el Departamento de Titulación y Movilidad Académica del Posgrado, de la FIME-UANL. 62 Gerardo Treviño Castro, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 13 de diciembre de 2012. Lynda Margarita López Sosa, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Síntesis de un recubrimiento bioactivo sobre aleación Co-Cr mediante laser CO2”, 14 de diciembre de 2012. Roberto Eliud Soto Espinoza, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Energía Térmica y Renovable, “Desarrollo de un código computacional para el cálculo dinámico de cargas térmicas en edificaciones”, 14 de diciembre de 2012. Álvaro Daniel González Yzcoa, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia y Control Automático, “Diagnóstico de fallas de sistemas operando en lazo cerrado”, 14 de diciembre de 2012. José Luis Tijerina González, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Evaluación y caracterización de recubrimiento depositados por técnica PVD en una aleación de cobalto biocompatible ASTM-F75”, 14 de diciembre de 2012. Vicente Cantú Prado, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 17 de diciembre de 2012. Héctor Posadas Fabela, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Optimización de un sistema de alimentación para la producción de cabezas de aluminio por el proceso de gravedad”, 18 de diciembre de 2012. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Sandra de la Vega Méndez, Maestría enAdministración Industrial y de Negocios con orientación en Comercio Exterior, (Por materias), 18 de diciembre de 2012. Idalia Yadira Abigail Orozco Morales, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de diciembre de 2012. Oscar Ríos Resendiz, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 19 de diciembre de 2012. Itzel Castillo Müller, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio tribológico de lubricantes y recubrimientos duros en el proceso de estampado”, 20 de diciembre de 2012. Héctor Ángel Tijerina Martínez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de diciembre de 2012. Emmanuel Moreno Aguilar, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Finanzas, (Por materias), 20 de diciembre de 2012. Guillermo Díaz de la Vega González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 20 de diciembre de 2012. Lizangela Guerra Fuentes, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio del envejecimiento en aceros 1004 y 1006”, 14 de enero de 2013. Fernando Antonio Blanco Flores, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Preparación y Caracterización de polipropileno injertado con pireno como dispersante de óxido de grafeno reducido”, 15 de enero de 2013. Lucio Alberto Sánchez Esparza, Maestría en Ingeniería con orientación Eléctrica, (Por materias), 15 de enero de 2013. Lonela Cristal de León Medellín, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica con orientación en Control Automático, “Desarrollo de esquemas de control utilizando un enfoque híbrido con aplicación al convertidor multicelular de 3 niveles”, 21 de enero de 2013. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 Mario Valles Ballesteros, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, Producción y Calidad, (Por materias), 24 de enero de 2013. Jesús Antonio Rodríguez de Ita, Maestría en Ingeniería con orientación Eléctrica, (Por materias), 28 de enero de 2013. Juan Enrique Hernández Castro, Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales, “Estudio de la susceptibilidad a la corrosión bajo esfuerzos de uniones en tuberías de acero API 5L X-70 obtenidas por soldadura SMAW y MMA”, 28 de enero de 2013. Eduardo Martínez Zambrano, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Control Automático, “Metodología para la estabilización cuadrática por retroalimentación del estado de dependencia paramétrica para sistemas lineales con parámetros variantes en el tiempo”, 28 de enero de 2013. Filiberto Zambrano Ayala, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con orientación en Control Automático, “Sincronización caótica de redes complejas formadas por osciladores discretos”, 29 de enero de 2013. Enrique de Jesús Ortiz García, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 29 de enero de 2013. Alfredo Arreola González, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 30 de enero de 2013. Dante Ferreyra Méndez, Maestría en Ingeniería con orientación en Mecatrónica, (Por materias), 5 de febrero de 2013. Jade Melissa Valdez Gómez, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Proceso Adaptativo de las funciones de operación de los relevadores de protección”, 6 de febrero de 2013. María Adriana Yañez Nava, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 6 de febrero de 2013. Jesús Gustavo Valenzuela Munguía, Maestría en Ingeniería con orientación en Eléctrica, (Por materias), 7 de febrero de 2013. 63 �Titulados a nivel Maestría en la FIME-UANL Gerardo Rodríguez Garza, Maestría en Ingeniería de la Información, Informática, (Por materias), 12 de febrero de 2013. Luis Ramón Salazar Salinas, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, Comercio Exterior, (Por materias), 13 de febrero de 2013. Miguel Angel Hernández Villasana, Maestría en Ingeniería con orientación en Telecomunicaciones, (Por materias), 15 de febrero de 2013. Luis Alfonso Infante Rivera, Maestría en Ciencias en Ingeniería de Sistemas, “Cotas Lagrangianas por el problema de ruteo de vehículos en red tio estrella”, 15 de febrero de 2013. Rosa Nelly Serna Pérez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, Relaciones Industriales, (Por materias), 19 de febrero de 2013. Ricardo Angel Villarreal Villarreal, Maestría en Administración Industrial y de Negocios, Producción y Calidad, (Por materias), 20 de febrero de 2013. 64 Claudia Jazmin Ochoa Valdez, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 20 de febrero de 2013. Rebeca Morales Franco, Maestría en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Materiales, “Disminución de la cascarilla de óxido en un AISI 4140 en hornos de recalentamiento”, 21 de febrero de 2013. Carlos José Francisco García Samaniego, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Producción y Calidad, (Por materias), 22 de febrero de 2013. Mauricio Brondo Garza, Maestría en Administración Industrial y de Negocios con orientación en Relaciones Industriales, (Por materias), 27 de febrero de 2013. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Acuse de recibo JOURNAL OF MICROWAVE POWER AND ELECTROMAGNETIC ENERGY MATERIALS PERFORMANCE AND CHARACTERIZATION (MPC) Esta revista trimestral (ISSN 0832-7823) es una publicación del International Microwave Power Institute que se enfoca en áreas de aplicación de las microondas y radiofrecuencia para fines industriales, científicos, médicos y de instrumentación. En el primer número de 2013 (Vol. 47, 1) se presenta un reporte que se refiere a un tipo de alimentos “precocidos” que están preparados para que la cocción final se lleve a cabo mediante microondas y tengan el aspecto de recién hechos. En este trabajo se analiza el perfil térmico alcanzado durante la cocción en dos tipos de hornos de microondas con la intención de determinar si se alcanzan temperaturas que aseguran la eliminación de agentes patógenos, aunque no se confirma ni su presencia antes de la cocción ni su eliminación al final. Otro artículo trata sobre la extracción de aceites a partir de epazote y albahaca utilizando microondas. La revista se publica en línea (www. jmpee.org) por número, y en forma impresa al cierre de cada volumen. Materials Performance and Characterization (MPC) es la nueva revista de la ASTM International en el campo de la ciencia e ingeniería de los materiales. MPC publica artículos de alta calidad en aspectos teóricos y prácticos del procesamiento, estructura, propiedades y desempeño de los materiales utilizados en aplicaciones mecánicas, del transporte, aeroespacial, energía, medicina, etc., incluyendo materiales metálicos, vidrios, cerámicos, polímeros, compósitos, textiles, nanomateriales, etc. Las modalidades de publicaciones son: artículos originales, artículos de revisión (reviews), y notas técnicas. Además, se editan números temáticos especiales, como un número en modelación, simulación y optimización de procesos térmicos. Los artículos aceptados se publican en línea. Mas detalles de la revista MPC pueden ser consultados en la página web: http://www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/ JOURNALS/MPC/ (J. A. Aguilar Garib) (R. Mercado Solis) Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 65 �Colaboradores Aguilar Garib, Juan Antonio Ingeniero Mecánico y Maestro en Metalurgia por el Instituto Tecnológico de Saltillo. Doctorado en Ingeniería de Materiales por la UANL (1991). Premio de Investigación UANL en 1991, 2001, 2003 y 2012. Premio TECNOS en el 2000. Es Profesor Investigador de la FIME-UANL, miembro del SNI nivel I y de la Academia Mexicana de Ciencias. Barbosa Saldaña, Juan Gabriel Doctor en Ingeniería Mecánica por la Texas A&M University (2005) en Estados Unidos de América. Es coautor del libro de Termodinámica editado por Grupo Editorial Patria. Es miembro del SNI. Bolarín Miró, Ana María Licenciada en Ciencias Químicas con especialidad en Metalurgia por la Universidad de Barcelona, España (1993) y Doctora en Ciencias Químicas con especialidad en Ciencia de los Materiales Metálicos (1999) por la Universidad de Barcelona, España. Es investigador nacional SNI nivel II y profesorainvestigadora de la UAEH. Cienfuegos Pelaes, René Fabián Ingeniero Mecánico Electricista (1994), maestro en Ingeniería Energética de la Facultad de Ingeniería de la UNAM (1997). Doctorado de la Universidad Paul Sabatier con especialidad en celdas de combustible (2008). Actualmente es profesor-investigador de la FIME-UANL. Cortés Escobedo, Claudia A. Ingeniera Química Industrial y Maestra en Ciencias en Ingeniería Metalúrgica por la ESIQIE-IPN, doctora en Materiales por el CINVESTAV-IPN. Ha sido jefe del Departamento de servicios y desarrollo 66 tecnológico y representante autorizado del CIITECIPN ante la Entidad Mexicana de Acreditación y obtuvo el segundo lugar en el certamen nacional de tesis en energía de nivel doctorado organizado por el IIE. Es profesora investigadora desde el 2006 en el CIITEC-IPN, nivel 1 en el SNI desde 2009. Chávez Guerrero, Leonardo Ingeniero Mecánico Metalúrgico (2001) y Maestro en Ingeniería de Materiales (2004) por la FIME-UANL. Doctorado en Nanociencias y Nanotecnología (2008) por el IPICyT. Postdoctorado en École Nationale Supérieure de Chimie de Paris. París, Francia. Postdoctorado en la Escuela de Química de la Universidad de St Andrews. Escocia, Reino Unido. Actualmente es profesor investigador de la FIME (UANL). Durán Guerrero, José Gabriel Actualmente se encuentra estudiando la carrera de Ingeniería en Materiales en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Ha realizado prácticas profesionales en el Centro de Innovación, Investigación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología (CIIDIT), y en la empresa Tenova HYL, en donde se desempeñó en el área de ingeniería y el área de operaciones. Estrada De la Vega, Alejandro Ingeniero Mecánico Administrador en la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la U.A.N.L. en la cual también obtuvo su grado de Maestría. En cuanto a la experiencia laboral ha colaborado en diversas corporaciones: Earth Tech México, como practicante del área de ingeniería mecánica; Cedis Soriana, como jefe del área de distribución y logística; AMC, como supervisor de producción del área de moldeo. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Colaboradores Actualmente es estudiante de tiempo completo de doctorado del programa Doctoral en Ingeniería de Materiales de la F.I.M.E. – U.A.N.L., en colaboración con el Dr. Marco Antonio Garza Navarro. Investigadores, en nivel Candidato y cuenta con el reconocimiento de perfil deseable para un profesor de tiempo completo avalado por PROMEP. Actualmente es Profesor-Investigador de la FIME-UANL. Figueroa López, Ulises Ingeniero Metalúrgico por la Universidad Autónoma Metropolitana, Maestría en Sistemas de Manufactura y Doctorado en Ciencias por ITESM CEM. Actualmente es profesor investigador del Tecnológico de Monterrey CEM. Pertenece al SNI nivel 1. Guajardo Martínez, Hugo Ingeniero Mecánico Electricista y M.C. en Ingeniería de Materiales de la FIME de la Universidad Autónoma de Nuevo León en 1994 y 1997 respectivamente. Obtuvo su grado de Doctor en Ingeniería de Materiales en la Universidad de Toronto en Canadá en el 2002. Trabaja en FRISA Planta Superalloys a cargo del área de Metalurgia desarrollando forjas de superaleaciones y aleaciones base titanio para Motores de Turbo propulsión. Flores Guerrero, María Elizabeth Instructor en Educación Bilingüe y egresada del Bachillerato Internacional (IB) por la UANL en el 2009. Técnico en Electrónica y Electricidad Industrial por la FIME en 2012. Actualmente es estudiante de licenciatura en Ingeniería de Materiales en la FIME-UANL. García Gutiérrez, Domingo I. Ingeniero Físico Industrial del ITESM (2001). Maestro en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2004) y Doctorado en Ciencia e Ingeniería de los Materiales (2006) por la Universidad de Texas en Austin. Posteriormente laboró en el laboratorio de caracterización de procesos del consorcio de investigación y desarrollo de la industria de los semiconductores, SEMATECH, en Austin, Texas (2006-2010). Actualmente es profesor-investigador titular A de la FIME-UANL, miembro del SNI en su nivel 1, cuenta con el reconocimiento de perfil deseable por parte de PROMEP. García Pérez, Ulises Licenciado en Química Industrial por la UANL, Maestro en Ciencias con especialidad en Materiales y Doctor con especialidad en Ingeniería de Materiales por FIME-UANL. Autor de 3 artículos en revistas indizadas. Garza Navarro, Marco Antonio Ingeniero Mecánico Electricista (2004), Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica en Ingeniería de Materiales (2006) y Doctor en Ingeniería de Materiales (2009) por la Universidad Autónoma de Nuevo León. En 2009 recibió el Premio de Investigación de la UANL en el área de Ciencias Exactas. Es miembro del Sistema Nacional de Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 Gutiérrez Torres, Claudia Del Carmen Doctora en ingeniería mecánica por la Texas A&M University (2004) en Estados Unidos de América. Es coautor del libro de Termodinámica editado por Grupo Editorial Patria. Es miembro del SNI. Hinojosa Rivera, Moisés Doctor en Ingeniería de Materiales por la UANL, Postdoctorado en ONERA (Chatillon, Francia). Miembro del SNI nivel I, miembro de la AMC, cuenta con perfil PROMEP, actualmente es el Subdirector de Posgrado de la UANL. Jiménez Bernal, José Alfredo Doctor en Ingeniería Mecánica por la Texas A&M University (2004) en Estados Unidos de América. Es coautor del libro de Termodinámica editado por Grupo Editorial Patria. Es miembro del SNI. Jiménez Martínez, Moisés Candidato a Doctor en Ciencias en Ingenieria Mecánica, licenciatura y maestría en Ingenieria Mecánica por el Instituto Politécnico Nacional. Trabaja como Ingeniero de Pruebas en Volkswagen de México (VWM) siendo especialista de pruebas de durabilidad, ha participado en congresos nacionales e internacionales, es coautor de una patente para la industria petrolera. En 2012 ganó un premio de asistencia a la investigación por parte de la compañía MSC Software Corporation en donde anualmente se seleccionan a 12 personas en el mundo para apoyarlos en su investigación. Juárez Montalvo, Adán Maestro en ciencias en Ingeniería Mecánica por la Sección de Estudios de Posgrado e investigación de 67 �Colaboradores la Esime Zacatenco. Actualmente es estudiante del Programa de Doctorado en Ciencias en Ingeniería Mecánica de la SEPI Zacatenco. López Cuellar, Enrique Ingeniero Mecánico Eléctrico y M.C. en Ingeniería de Materiales de la FIME de la Universidad Autónoma de Nuevo León en 1996 y 1998 respectivamente. Obtuvo su grado de Doctor en Ingeniería de Materiales en el INSA de Lyon de Francia en el 2002.Trabaja en área de los materiales funcionales y su caracterización en el Posgrado de FIME y en el CIIDIT de la UANL, y es miembro del SNI Nivel I. Martínez De la Cruz, Azael Licenciado en Química Industrial por la UANL y Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Complutense de Madrid. Actualmente es profesor Investigador de FIME-UANL, ha obtenido 4 premios de Investigación UANL, 2 reconocimientos como asesor de la mejor Tesis de Maestría por la UANL y 3 Premios Nacionales de Investigación. Miembro del SNI, nivel 2. Martínez Trinidad, José Licenciado en Ingeniera Agrícola, UACh, Maestría y Doctorado en Ciencias en Ingenieria Mecánica por el Instituto Politécnico Nacional. Actualmente es profesor investigador de la Sección de Estudios de Postgrado e Investigación de la ESIME Zacatenco. Pertenece al SNI nivel 1. Moreno Cortez, Iván Eleazar Ingeniero Mecánico Administrador (2003), Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con Especialidad en Materiales (2006) y Doctor en Ingeniería de Materiales (2009), por la Universidad Autónoma de Nuevo León. Es Profesor-Investigador de la FIME-UANL, adscrito al Programa de Doctorado en Ingeniería de Materiales Pérez Patiño, Juan Antonio Ingeniero Electricista Administrador (FIMEUANL-1980), M.C. en Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales (FIME-UANL-1996). Profesor Titular de la coordinación de la División de Materiales desde 1978 a la fecha (FIME). Jefe del Departamento de Tecnología de los Materiales en FIME (1990-1996), del 2002 a la fecha Coordinador de Proyectos Académicos de la FIME. 68 Reyes Melo, Martín Edgar Ingeniero en Industrias Alimentarias por la Facultad de Agronomía de la UANL. Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales por la FIME-UANL. Doctorado en Ingeniería de Materiales (2004) en la Universidad Paul Sabatier de Toulouse, Francia. Ha obtenido el Premio de Investigación UANL en 1999, 2004, 2009, 2011 y 2012. Es catedrático investigador en la FIME y el CIIDIT de la UANL. Es miembro del SNI nivel I. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias. Salazar Rodríguez, Alan Josué Es estudiante de la carrera de Licenciatura en Química Industrial de la Facultad de Ciencias Químicas de la UANL. Samperio Gómez, Iván L. Ingeniero en Ciencia de los Materiales (2008) por la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Actualmente es estudiante del Programa de Doctorado en Ciencia de los Materiales de la misma universidad con el tema de Fabricación de mini-tubos de Ni-8YSZ para su aplicación como ánodos en las celdas de combustible. Sánchez De Jesús, Félix Ingeniero Mecánico-Electricista por la FI-UNAM (1993). Master en Tecnología de Pinturas, Fundación Bosch i Gimpera-Universidad de Barcelona, España (1995). Doctorado en Ciencia de los Materiales Metálicos por la Universidad de Barcelona, España (1999). Profesor- Investigador de la UAEH desde 2000, miembro del SNI nivel 1 y líder del CA-PQFESUAEH, PROMEP Sepúlveda Guzmán, Selene Ingeniera Química por la Universidad Autónoma de Coahuila (1998), Doctorado en Polímeros (2005) por el Centro de Investigación en Química Aplicada. Realizó una estancia posdoctoral en la Universidad de Texas en Austin (2007). Miembro del SNI nivel I. Actualmente Profesor Titular en la FIME-UANL. Villalpando Hernández, Saraí Ingeniero en Física de la División de Ciencias e Ingenierías, Campus León, Universidad de Guanajuato y estudiante de M.C. en Ingeniería de Materiales de la FIME de la Universidad Autónoma de Nuevo León. Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 �Información para colaboradores Se invita a profesionistas, profesores e investigadores a colaborar en la revista Ingenierías con: artículos de divulgación científica y tecnológica, artículos sobre los aspectos humanísticos del quehacer ingenieril y reportes de investigación. El envío de artículos a la revista Ingenierías para su publicación implica el ceder los derechos de autor a la UANL. Es requisito que las colaboraciones sean producto del trabajo directo de los autores estableciendo claramente su contribución; y que estén escritas en un lenguaje claro, didáctico y accesible. Las contribuciones no deberán estar redactadas en primera persona. Todos los artículos recibidos estarán sujetos a arbitraje de tipo doble anónimo siendo el veredicto inapelable. Los criterios aplicables a la selección de textos serán: originalidad, rigor científico, precisión de la información, el interés general del tema expuesto y la claridad del lenguaje. Los artículos aprobados serán sujetos a revisión de estilo. CRITERIOS EDITORIALES Los autores de artículos de revisión o divulgación deberán contar con una producción directa reconocida en la temática de interés de la revista. Estos trabajos deben ofrecer una panorámica del campo temático, separar las dimensiones del tema, mantener la línea de tiempo y presentar una conclusión que derive del material presentado. No se aceptan reportes que muestren solamente mediciones. Los artículos deben presentar los resultados de las mediciones acompañados de su análisis detallado, un desarrollo metodológico original, una manipulación nueva de la materia o ser de gran impacto y novedad social. Sólo se aceptan modelos matemáticos que sean validados científicamente dentro del propio trabajo. No se aceptarán trabajos basados en encuestas de opinión o entrevistas, a menos que aunadas a ellas se realicen mediciones y se efectúe un análisis de correlación Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año XVI, No. 59 para su validación. No se aceptan protocolos de investigación, proyectos, propuestas o trabajos de carácter especulativo. Los artículos a publicarse en partes, deben enviarse al mismo tiempo, pues se arbitrarán juntos. LINEAMIENTOS EDITORIALES Es requisito enviar para su consideración editorial: artículo, material gráfico, fichas biográficas de cada autor con un máximo de 100 palabras, en formato electrónico .doc en Word, en CD o por E-mail a la dirección: revistaingenierias@gmail.com El título del artículo no debe exceder de 80 carácteres. El número máximo de autores por artículo es cinco. La extensión de los artículos no deberá exceder de 12 páginas tamaño carta (incluyendo gráficas y fotos) en tipografía Times New Roman de 11 puntos a espacio sencillo. Los artículos deben incluir un resumen tanto en español como en inglés, de no más de 100 palabras, así como un máximo de 5 palabras clave tanto en español como en inglés. Las referencias deberán ir numeradas en el orden citado en el texto. Las fichas bibliográficas incluirán, en orden, los siguientes datos: Autores o editores, título del artículo, nombre del libro o de la revista, lugar, empresa editorial, año de publicación, volumen y número de páginas. Debe incluirse al menos una imagen o gráfica por página, con resolución de al menos: 300 dpi y 15 cm en su lado más pequeño. Las imágenes además de estar incluidas en el artículo, deben enviarse en archivos individuales en formato .tif, .eps o .jpg CONTACTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León, Edificio 7, 1er. piso, ala norte. Tel.: 8329-4000 Ext. 5854 Fax: 8332-0904 E-mail: revistaingenierias@gmail.com 69 �70 Ingenierías, Abril-Junio 2013, Año. XVI, No. 59 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Título Uniforme Ingenierías Año de publicación El año cuando se publico 2013 Año Año de la revista (Año 1, Año 2) No es es año de publicación. 16 Número Número de la revista 59 Mes de publicación Mes cuando se publicó Abril-Junio Día Día del mes de la publicación 1 Periodicidad La periodicidad de la publicación (diaria, semanal, mensual, anual) Trimestral Relación OPAC https://www.codice.uanl.mx/RegistroBibliografico/InformacionBibliografica?from=BusquedaAvanzada&bibId=1751916&biblioteca=0&fb=20000&fm=6&isbn= Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Ingenierías, 2013, Año 16, No 59, Abril-Junio Creator An entity primarily responsible for making the resource González Treviño, José Antonio, Director Subject The topic of the resource Ciencia Tecnología Ingeniería Investigación Publicaciones periódicas Description An account of the resource Revista de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL. Publicada a principios de la década de los noventa, editada por Rafael Covarrubias Ortiz. Contiene información sobre las actividades académicas, estudiantiles y administrativas de la Facultad, así como investigación y difusión de la ingeniería. Publisher An entity responsible for making the resource available Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Contributor An entity responsible for making contributions to the resource Aguilar Garib, Juan Antonio, Editor Méndez Cavazos, Julio César, Redacción Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 01/04/2013 Type The nature or genre of the resource Revista Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource tex/pdf Identifier An unambiguous reference to the resource within a given context 2020822 Source A related resource from which the described resource is derived Fondo Universitario Language A language of the resource spa Relation A related resource http://ingenierias.uanl.mx/archivo.html Spatial Coverage Spatial characteristics of the resource. San Nicolás de los Garza, N.L., (México) Rights Information about rights held in and over the resource Universidad Autónoma de Nuevo León Rights Holder A person or organization owning or managing rights over the resource. El diseño y los contenidos de La hemeroteca Digital UANL están protegidos por la Ley de derechos de autor, Cap. III. De dominio público. Art. 152. Las obras del dominio público pueden ser libremente utilizadas por cualquier persona, con la sola restricción de respetar los derechos morales de los respectivos autores CTAB Magnetita Nanopartículas Optimización topológica Sección transversal Técnica PIV