CIENCIA, COMUNIDAD Y VIDA

Y VIDA

EDITORIAL

T E I N C O

CIENCIA, COMUNIDAD

1 La energía eólica es la energía que se obtiene a partir del viento, es decir, es el aprovechamiento de la energía cinética de las

masas de aire. El término «eólico» proviene del latín aeolicus, o «perteneciente o relativo a Eolo», dios de los v ientos en la

mitología griega. En la actualidad, la energía eólica se utiliza principalmente para producir electricidad, lo que se consigue

mediante aerogeneradores conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica. Fotografía descarga gratuita en

https://www.pexels.com/es-es/foto/foto-de-molinos-de-viento-durante-el-amanecer-3608056/ sin referencias de autor o

propietarios.

ISBN 978-958-53536-4-0

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CORPORACIÓN TECNOLÓGICA INDUSTRIAL COLOMBIANA

TEINCO

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Ferney Rodrigo Ortiz Jiménez

Vicerrector Académico

Wilson Ferney Molano García

Director de la División de Investigación Tecnológica Aplicada DITA

Manuel Fernando García García

Autores

Oscar-Hernando Venegas-Pereira Luisa Fernanda Mónico Muñoz

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Lina-Geraldine Gómez-Pedraza Ferney Rodrigo Ortiz Jiménez Wilson Ferney Molano García

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Comité Editorial

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Diego José Molano García

Jhonatan Paolo Tovar Soto

Oscar Hernando Venegas Pereira

Editor

Mag. Manuel Fernando García García

EDITORIAL TEINCO

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Sede 7 de Agosto Bogotá D.C.

5714856565 - 3124319746

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Diagramación y Estilos

Leonardo Castañeda Lozano

Objetivo de Desarrollo Sostenible para erradicar la pobreza, proteger el planeta

y asegurar la prosperidad para todos. ONU 25 de septiembre de 2015:

IX. Industria Innovación e Infraestructura

X. Reducción de Desigualdades

XI. Ciudades y Comunidades Sostenibles

TEINCO 2021

mailto:[email protected]

Para la Corporación Tecnológica Industrial Colombiana TEINCO el conocimiento de la ciencia es una

necesidad inherente en nuestra actividad académica, que permite generar opinión, participación en

temas científicos, dar respuestas y solución a problemas de nuestros entornos y contextos. También y

en nuestra evaluación observamos que los niveles de conocimientos científicos y tecnológicos entre la

población estudiantil y profesional son claramente mejorables. Para nosotros como institución la

incultura tecnológica no puede radicarse de ningún modo, más aún en un momento de la historia en

que estamos dependiendo completamente de ella por efectos de una pandemia vivida en los dos

últimos años, este tiempo nos trae nuevos retos para generar y difundir el conocimiento, para no ser

seres indefensos tanto como personas o como comunidades, por esto creemos que el deber de la

academia es desmitificar, generar pensamiento crítico para conocer la ciencia y las desigualdades

generadas por el mal uso de la misma y sus consecuentes condicionantes económico-sociales, para

un país en desarrollo como el nuestro.

La Corporación Tecnológica Industrial Colombiana responde a este reto, con la generación de nuevo

conocimiento desde la producción académica de docentes y estudiantes, así mismo como los

desarrollos tecnológicos y la formación de la comunidad en la investigación. También desde la adopción

de los objetivos de globales para erradicar la pobreza, proteger el planeta y asegurar la prosperidad para todos

como parte de la agenda de desarrollo sostenible O.D.S. Objetivos que tienen metas específicas que deben

alcanzarse en los próximos 15 años. Es así que para lienar la participación en este libro se adoptaron los

objetivos: X. La reducción de las desigualdades, IX Ciudades y comunidades Sostenibles y XVII alianza para

lograr objetivos. En los países en vías de desarrollo, la clase media casi se ha triplicado en los últimos 25 años,

constituyendo más de un tercio de la población mundial. Sin embargo, también se ha registrado un incremento

en las desigualdades y el número de desempleados en el mundo. Es imprescindible erradicar el trabajo forzoso,

la esclavitud y la trata de personas; promover políticas que fomenten la creación de empleo y el espíritu

emprendedor empresarial.

MANUEL FERNANDO GARCÍA GARCÍA DIRECCIÓN DE LA DIVISIÓN DE INVESTIGACIÓN TECNOLÓGICA APLICADA DITA

Contenido

Contenido ............................................................................................................................................................................................ 5

ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA CAVITACIÓN EN EL COMPORTAMIENTO DEL FLUJO INTERNO EN

TOBERAS DE INYECCIÓN DIESEL TRANSPARENTES ..................................................................................................... 1

Introducción………..……….. ............................................................................................................................. 2

Metodología………………… ............................................................................................................................. 7

Resultados y discusión……… ........................................................................................................................... 13

Conclusiones………………… .......................................................................................................................... 28

ESTUDIO DEL RUIDO DE COMBUSTIÓN EN CONCEPTOS AVANZADOS DE COMBUSTIÓN DIÉSEL .............. 33

Introducción y descripción del problema ............................................................................................................ 34

Metodología………………… ........................................................................................................................... 35

Resultados…………………… .......................................................................................................................... 37

Conclusiones………………… .......................................................................................................................... 50

AEROGENERADOR ................................................................................................................................................................... 52

Introducción………………… ........................................................................................................................... 53

Método………………………. .......................................................................................................................... 53

Metodología………………… ........................................................................................................................... 62

Resultados…………………… .......................................................................................................................... 66

COMPILADOR EN LÍNEA DE JAVA ...................................................................................................................................... 69

Introducción………………… ........................................................................................................................... 70

Método……………………… ........................................................................................................................... 72

Resultados…………………… .......................................................................................................................... 76

Discusión y conclusiones…….. ......................................................................................................................... 82

“HOLOGRÁFICA TRIDIMENSIONAL” ................................................................................................................................... 84

Introducción…………………. .......................................................................................................................... 85

Lenguaje visual y su interpretación .................................................................................................................... 87

Herramientas……………… . ........................................................................................................................................... 96

Resultado…………………. . ....................................................................................................................................... 100

Discusión y conclusiones… . ......................................................................................................................................... 100

1

ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA CAVITACIÓN EN EL COMPORTAMIENTO DEL

FLUJO INTERNO EN TOBERAS DE INYECCIÓN DIESEL TRANSPARENTES

OSCAR-HERNANDO VENEGAS-PEREIRA1

En el motor Diésel, uno de los temas que ha despertado gran interés en las últimas décadas es el sistema de inyección, debido a su influencia en los procesos de atomización y formación de la mezcla aire-combustible, los cuales repercuten directamente en las prestaciones y emisiones contaminantes del motor. Con el objetivo de disminuir la brecha científica en el conocimiento del comportamiento del flujo interno y del chorro a la salida del orificio se han llevado a cabo numerosos estudios; sin embargo, el estudio del flujo en el interior de las toberas de inyección, muestra aún incertidumbres significativas sobre todo en condiciones cavitantes, constituyendo un reto importante para la investigación en este campo.

De esta manera, se ha trabajado con un sistema de visualización que permite trabajar con diferentes geometrías y secciones de orificio (planas o cilíndricas), obteniendo imágenes de alta resolución espacial, lo cual posibilita caracterizar la influencia de la geometría tanto en el flujo interno. Se ha analizado en primer lugar la influencia que tiene la geometría en el comportamiento del flujo interno y posteriormente se ha analizado la formación y desarrollo de la cavitación en el interior del orificio, así como su relación con el colapso del gasto másico. Para ello, se han utilizado diferentes geometrías de toberas planas transparentes con dimensiones cercanas a las reales. Como resultado de este estudio se ha podido observar que toberas con una sección de salida más grande son más propensas a cavitar; también se ha observado que toberas con mayor longitud de orificio necesitan de condiciones más críticas para cavitar y que el colapso del gasto másico se presenta en condiciones de supercavitación.

PALABRAS CLAVE: visualización, cavitación, toberas transparentes, inyección diésel, chorro cercano.

In the diesel engine, one of the topics that has aroused great interest in recent decades is the injection system, due to its influence on the atomization and air-fuel mixture formation processes, which have a direct impact on performance and pollutant emissions from the engine. In order to reduce the scientific gap in the knowledge of the behavior of the internal flow and the jet at the outlet of the orifice, numerous studies have been carried out; However, the study of the flow inside the injection nozzles still shows significant uncertainties, especially under cavitation conditions, constituting an important challenge for research in this field.

1 Profesor del Programa de Ingeniería Mecánica de la Escuela Colombiana de ingeniería Julio Garavito, Colombia –

[email protected], Traducción de Oscar Venegas (Ph.D. en Sistemas Propulsivos en Medios de Transporte -UPV) ,

Traducción de Oscar Venegas (Ph.D. en Sistemas Propulsivos en Medios de Transporte -UPV) Profesor de Planta - Programa de

Ingeniería Mecánica Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito Autopista Norte AK 45 No. 205-59, Bogotá, Colombia Tel.

+57(1) 668 3600 [email protected]

Resumen

Abstract



2

In this way, we have worked with a visualization system that allows working with different geometries and hole sections (flat or cylindrical), obtaining images of high spatial resolution, which makes it possible to characterize

the influence of geometry on both the internal flow. The influence that geometry has on the behavior of internal flow has been first analyzed and subsequently the formation and development of cavitation inside the orifice, as well as its relationship with the collapse of mass flow, has been analyzed. For this, different geometries of transparent flat nozzles with dimensions close to the real ones have been used. As a result of this study, it has been observed that nozzles with a larger outlet section are more prone to cavitation; It has also been observed that nozzles with a greater orifice length need more critical conditions to cavitate and that the collapse of the mass flow occurs under supercavitation conditions.

KEY WORDS: visualization, cavitation, transparent nozzles, diesel injection, close jet.

Sumario: 1. Introducción. 2. Metodología. 2.1. Maqueta de micro-visualización. 2.2. Determinación de la geometría de las toberas. 2.3. Visualización del flujo interno. 2.4. Plan de ensayos. 3. Resultados y discusión. 3.1. Caracterización hidráulica en estado estacionario. 3.2. Influencia de la geometría en el coeficiente de descarga. 3.3. Visualización de la cavitación. 4. Conclusiones. 5. Referencias bibliográficas.

Contents: 1. Introduction. 2. Methodology. 2.1. Micro-visualization vessel. 2.2. Nozzles geometry determination. 2.3. Internal flow visualization. 2.4. Test plan. 3. Results and discussion. 3.1. Hydraulic characterization in steady state. 3.2. Influence of geometry on the discharge coefficient. 3.3. Visualization of cavitation. 4. Conclusions. 5. Bibliographic references.

Uno de los mayores desafíos, en el ámbito de los motores Diésel ha sido la reducción del consumo de combustible y emisiones contaminantes. En este sentido, muchos de los logros y avances conseguidos para tal fin se han enfocado en entender el comportamiento del flujo interno y mejorar cada vez más los procesos de atomización y formación de la mezcla aire-combustible, los cuales determinan en gran medida el posterior desarrollo de la combustión. Por ello, continuamente surgen modificaciones o nuevas condiciones de operación de los sistemas de inyección, lo que se traduce en motores más eficientes y con un menor impacto medioambiental (Venegas, 2014).

Precisamente, para la mejora de la atomización del chorro y del proceso de mezcla, los actuales motores Diésel emplean presiones de inyección elevadas, llegando incluso a superar los 200MPa. El hecho de utilizar presiones tan elevadas, favorece la aparición de la cavitación en el interior de las toberas de inyección. Este fenómeno, considerado perjudicial en bombas y otras máquinas hidráulicas por el deterioro producido en las piezas debido a la erosión por cavitación, en el campo de los motores Diésel resulta favorable, puesto que provoca durante el proceso de inyección un aumento del ángulo de apertura del chorro a la salida de la tobera, mejorando el proceso de mezcla entre el combustible y el aire (Payri, Bermúdez, Payri, & Salvador, 2004), (Payri, Salvador, Gimeno, & De la Morena, 2009), (Desantes, Salvador, López, & De la Morena, 2011). Además, la aparición de estas burbujas de vapor conlleva a aumentar la velocidad del fluido debido a la reducción de la fricción con las paredes (Payri, Garcia, Salvador, & Gimeno, 2005) y a la disminución de la sección efectiva para el paso de combustible en estado líquido (Payri, Garcia, Salvador, & Gimeno, 2005), (Schmidt & Corradini, 2001).

Sin embargo, llevar a cabo estudios experimentales de la cavitación en toberas de inyección Diésel resulta realmente difícil. Esta complejidad es debida principalmente a los siguientes factores: las pequeñas dimensiones de los orificios, los cuales suelen tener longitudes en torno al milímetro y diámetros a la salida que rondan las 100µm; la elevada velocidad del flujo, debido a la alta presión aguas arriba y la restricción que tiene el fluido al pasar por el orificio, la velocidad se incrementa llegando a varios cientos de metros por segundo en condiciones reales de funcionamiento y el proceso de inyección transitorio, con duraciones de inyección generalmente del orden de milisegundos o inferiores (Venegas, 2014).

Debido a las anteriores dificultades, son muchos los autores que han centrado sus esfuerzos en desarrollar herramientas experimentales y teóricas para la caracterización del flujo en el interior de toberas de inyección Diésel (Venegas, 2014). En la 0se definen los parámetros geométricos más importantes en los orificios

3

de descarga de una tobera de inyección: diámetro de entrada del orificio eD , diámetro de salida del orificio oD

, longitud del orificio L , y radio de entrada er o radio de acuerdo.

Parámetros geométricos de un orificio de inyección.

Fuente: Tomada de (Venegas, 2014).

En el caso de toberas en las que el orificio es axisimétrico (0a), como las toberas mono-orificio habitualmente utilizadas en investigación (Gimeno, 2008), (Linne, Paciaroni, Hall, & Parker, 2006), (Yon, 2003), el flujo entra por igual en todas direcciones. Como consecuencia del cambio brusco de sección que supone el orificio, las líneas de corriente se deflectan, provocando el desprendimiento de la capa límite y la aparición de una zona de recirculación en la sección de entrada del orificio.

Por su parte, en una tobera multiorificio, en la que el eje de los orificios de descarga tiene un ángulo respecto al eje de simetría de la tobera (caso habitual en toberas comerciales (Payri, Salvador, Gimeno, & la Morena, 2009), (Bae & Kang, 2000), (Kull & Krüger, 2004)), el cambio de la direccionalidad del flujo es mayor, aunque la recirculación del flujo se restringe a la mitad superior del orificio, justo por donde viene la alimentación de combustible (0b).

Estructura del flujo en una tobera de inyección.

a) Geometría axisimétrica. b) Tobera multiorificio.


Cabe destacar que, bajo determinadas condiciones de inyección, el incremento de velocidad del flujo y la pérdida local de presión existentes en las zonas de recirculación pueden llegar a caer hasta la presión de saturación del fluido, produciéndose el cambio de fase del mismo conocido como cavitación, el cual es un fenómeno de cambio de fase (líquido a vapor) que se forma en la zona cercana al radio de entrada del orificio.

Una de las primeras investigaciones de la cavitación en el ámbito de la inyección Diésel fue la llevada a cabo por Bergwerk (Bergwerk, 1959) donde estudió la influencia de la geometría de diferentes toberas en el comportamiento del flujo. Bergwerk observó el desarrollo del flujo interno mediante la visualización del flujo en orificios transparentes y advirtió la presencia de cavitación en determinadas condiciones, así como la presencia de un fenómeno conocido en la literatura como hydraulic flip. Este fenómeno se produce como consecuencia

4

de la separación de la capa límite a la entrada del orificio extendiéndose por todo el orificio ocasionando que el gas, situado en la cámara de descarga, remonte aguas arriba del orificio ocupando el espacio entre la pared y la vena líquida (Salvador J. , 2007). En su trabajo Bergwerk definió el número de cavitación de acuerdo a la ecuación 0.

= i v

b v

p pCN

p p

−

−

Posteriormente Soteriou et al. (Soteriou, Andrews, & Smith, 1995) observaron que orificios trabajando en condiciones de hydraulic flip daban lugar a chorros de gran penetración y muy poco atomizados. Además, supusieron que el flujo en el interior del orificio no experimentaba pérdidas por fricción con la pared, puesto que se encontraba una capa de gas entre el líquido y la pared. Sin embargo, el fenómeno de hydraulic flip no debe ser considerado como un comportamiento típico en toberas de inyección Diésel; de hecho, este fenómeno nunca ha sido observado en toberas de tamaño real y a condiciones reales de funcionamiento.

Otros estudios sirvieron para caracterizar la cavitación como un fenómeno transitorio y multidimensional. Bode (Bode, y otros, 1992) observó que la zona de propagación de la nube de burbujas generadas como consecuencia de la cavitación era caótica, variaba temporalmente y carecía de simetría. En sus estudios Bode observó que la cavitación se presentaba en forma de hilos (cavitation films) que se extendían desde la entrada del orificio y acababan desapareciendo en un punto a lo largo del mismo. Además, se confirmó a través de diversos ensayos con el mismo orificio que la cavitación y la formación de estos hilos aparecían siempre en las mismas zonas, asociadas con zonas de mayor irregularidad superficial.

Chaves et al. (Chaves, Knapp, Kubitzek, & Obermeier, 1995) ampliaron el trabajo de Bode, centrándose en lo que denominaron como supercavitación. Estos investigadores usaron el término supercavitación para describir el estado en que la cavitación se desarrolla a lo largo de todo el orificio hasta la salida. A través de estos estudios observaron que uno de los efectos más notables de la supercavitación es el incremento del ángulo del chorro a la salida de la tobera como ha sido corroborado por Soteriou et al. (Soteriou, Smith, & Andrews, 1998), Salvador (Salvador F. J., 2003) y De la Morena (De la Morena, 2011). Este último observó un incremento del ángulo entre 1.5º y 3º en una tobera monorificio cilíndrica para las condiciones donde se detectaban burbujas de cavitación a la salida de la tobera.

Sin embargo, no es necesario que la cavitación se extienda hasta la salida para encontrar efectos importantes en el chorro. De hecho, autores como Arai et al. (Arai, Shimizu, & Hiroyasu, 1991), Hiroyasu et al. (Hiroyasu, Arai, & Shimizu, 1991) y Soteriou et al. (Soteriou, Andrews, & Smith, 1995) encontraron evidencias sobre el incremento significativo del ángulo del chorro durante la aparición de las primeras burbujas de vapor en el interior del orificio (cavitación incipiente). Simultáneamente la longitud intacta se reducía.

Chaves et al. (Chaves, Knapp, Kubitzek, & Obermeier, 1995) presentaron otra observación interesante a partir de sus estudios llevados a cabo en un orificio de entrada redondeada, advirtiendo que, a pesar de tener un radio de acuerdo bastante grande el orificio cavitaba debido a las irregularidades superficiales. Así, demostraron que la rugosidad por si sola podría causar en algunos casos la cavitación de un orificio a pesar de tener un radio de acuerdo redondeado. Otro de los hechos importantes que señaló fue que para pasar de cavitación incipiente a supercavitación se requería solo un incremento de presión de 2MPa.

Uno de los temas que ha despertado mayor interés en el ámbito del flujo cavitante es, indudablemente, el estudio de la evolución de la extensión ocupada por la cavitación a lo largo del orificio, representado a modo de esquema en la 0. Esta figura, en la que se representa la longitud de cavitación en función del número de cavitación (CN), se basa en los estudios desarrollados por diversos autores como Nurick (Nurick, 1976), Chaves et al. (Chaves, Knapp, Kubitzek, & Obermeier, 1995), Roosen et al. (Roosen, Unruch, & Behmann, 1997), Hiroyasu (Hiroyasu, 2000) o Sato y Saito (Sato & Saito, 2002). Precisamente, este último autor establece cuatro tipos de cavitación en función de la longitud de la región ocupada por el combustible en fase vapor: cavitación incipiente (aparecen las primeras burbujas de vapor), sub-cavitación, cavitación de transición y supercavitación (la extensión de la región ocupada por vapor alcanza la salida de la tobera). Otros autores como Sou et al. (Sou, Tomiyama, Hosokawa, Nigorikawa, & Maeda, 2006), agrupan las dos etapas intermedias establecidas por Sato y Saito en una única etapa, conocida como cavitación en desarrollo.

5

Longitud ocupada por la cavitación en función de CN.


Como se puede apreciar en la 0, una vez aparecen las primeras burbujas de vapor (cavitación incipiente), el aumento del número de cavitación tendrá inicialmente poca influencia sobre la extensión de la región ocupada por la cavitación, aunque si se continúa aumentando el número de cavitación, ya sea mediante el aumento de la presión de inyección o la disminución de la presión de descarga, la cavitación crece rápidamente a lo largo del orificio hasta alcanzar la sección de salida de la tobera (supercavitación).

A pesar de las grandes dificultades existentes para el estudio experimental del flujo interno en toberas de inyección, se han llevado a cabo diferentes trabajos que intentan dar una mayor comprensión del comportamiento del flujo interno y el fenómeno de la cavitación (Venegas, 2014). Estos trabajos se han basado en la caracterización hidráulica del flujo a la salida de los orificios y en la visualización del flujo en el interior de los orificios a través de toberas transparentes.

El comportamiento del flujo a través de un orificio es completamente diferente en función de si se encuentra en condiciones de régimen laminar o turbulento. Sin embargo, las pequeñas dimensiones de los orificios presentes en las toberas de inyección, así como las altas velocidades que se alcanzan en su interior, hacen complicado el obtener información del desarrollo del flujo en estos elementos. Para la mayoría de aplicaciones

prácticas el valor de transición entre los dos regímenes se sitúa en 2300critRe . Para Re por debajo de este

valor el régimen será laminar, por encima hasta un 4000Re se encuentra una zona de transición en donde

el flujo fluctúa entre régimen laminar y turbulento alternativamente. A partir de 4000Re se puede considerar

el régimen totalmente turbulento.

Sin embargo, esta forma de describir el flujo sólo resulta válida para flujos completamente desarrollados, es

decir para conductos largos en relación a su diámetro (relaciones /L D grandes). Una de las formas más

utilizadas para evaluar el comportamiento del flujo en toberas de inyección consiste en la caracterización del coeficiente de descarga (ecuación 0). Este coeficiente se define como el cociente entre el caudal másico real y el caudal másico teórico (Venegas, 2014).

=2

f

d

o f

mC

A p

donde oA el área geométrica a la salida del orificio, f es la densidad del fluido y p es la diferencia entre la

presión aguas arriba y aguas abajo del orificio ( ip - bp ).

La caracterización hidráulica como técnica para determinar el comportamiento del flujo en condiciones cavitantes, permiten trabajar con toberas reales de forma no intrusiva obteniendo el comportamiento de la capacidad de descarga de los orificios junto con otros coeficientes adimensionales en condiciones cavitantes. Así, Bergwerk (Bergwerk, 1959) manifestó la pérdida de la capacidad de carga de la tobera con la aparición de la cavitación, y se pudo comprobar como el coeficiente de descarga se veía poco influenciado por el número

6

de Reynolds en condiciones cavitantes. Además, observó que una vez iniciada la cavitación el coeficiente de

descarga dependía fuertemente de la relación de presiones definida como ( ) /i b bp p p− .

En 1976, Nurick (Nurick, 1976) propuso un modelo, conocido en la actualidad como Modelo Unidimensional de Nurick, para intentar explicar el comportamiento del coeficiente de descarga. Dicho modelo fue validado mediante diversos ensayos experimentales llevados a cabo sobre orificios de diferente relación longitud-diámetro, radio de acuerdo a la entrada y un amplio rango de presiones de descarga.

Basándose en la simplificación mostrada en la 0, Nurick definió tres puntos característicos del orificio para explicar el comportamiento del coeficiente de descarga: un primer punto aguas arriba del orificio suficientemente alejado de éste como para poder considerar que la velocidad es despreciable en comparación con las velocidades que se pueden dar en el interior del orificio (punto i ), un segundo punto situado en la

sección de máxima restricción del flujo que coincide con la sección de mayor velocidad y menor presión (punto

c ) y un tercer punto correspondiente a la salida de la tobera (punto b ).

Esquema del fenómeno de la cavitación en una tobera axisimétrica.


Usando el modelo de Nurick y aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos i y c , se llega definir una

nueva variante del número de cavitación, representado por la letra K como se muestra en la ecuación 0 y

adicionalmente se define el coeficiente de descarga dC en condiciones cavitantes, el cual crece linealmente

con la raíz del número de cavitación, tal como expresa la ecuación 0, tal como se detalla en (Venegas, 2014),.

1= =i v

i b

p pK

p p KN

−

−

=d cC C K

Sin embargo, para estudiar la formación y apariencia de la cavitación, se hace imprescindible el uso de toberas transparentes. Debido a las características del fenómeno (altas velocidades de flujo, diámetros pequeños y flujo bifásico) su visualización resulta considerablemente compleja. Por este motivo, es habitual la utilización de geometrías simplificadas, aunque existen estudios que han conseguido resultados satisfactorios utilizando geometrías más similares a las de una tobera real (Chaves & Schuhbauer, 2006), (Walther, 2002), (Blessing, König, Krüger, Michels, & Schwarz, 2003).

Los estudios más importantes existentes en la bibliografía, mostrados en función del tipo de geometrías utilizadas (sección rectangular y sección circular) se detallan en (Venegas, 2014). Dichos estudios muestran cómo la naturaleza de la cavitación cambia en función del tamaño de los orificios. Por este motivo, y a pesar de las dificultades existentes en la visualización de este tipo de geometrías, son cada vez más los estudios que utilizan orificios de tamaños similares a los habituales en toberas de inyección (Chaves & Schuhbauer, 2006), (Blessing, König, Krüger, Michels, & Schwarz, 2003), (Badock, Wirth, & Tropea, 1999), (Saliba, Baz, Champoussin, Lance, & Marié, 2004), (Collicott & Li, 2006), (Andriotis & Gavaises, 2009).

7

Así, el propósito del presente estudio es lograr profundizar y dar explicación a los diversos fenómenos asociados a la cavitación en toberas de inyección Diesel. Para ello se diseña y pone en marcha un sistema de visualización de orificios transparentes que permitirá observar el flujo en el interior del orificio usando toberas con dimensiones cercanas a las utilizadas en un sistema de inyección Diesel actual.

En el apartado ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., se describen las técnicas experimentales utilizadas a lo largo del estudio y cómo se implementa el sistema de visualización. En primer lugar, se describe la maqueta de micro-visualización, prestando especial atención al sistema de visualización del flujo interno en toberas transparentes acoplado en la parte superior de la maqueta. Luego se introducirá la metodología seguida para la determinación de la geometría interna de las toberas a partir de la obtención de imágenes usando un microscopio digital y un micrómetro. A continuación, se describe la técnica de visualización de alta resolución por iluminación trasera difusa para detectar la cavitación. Posteriormente, se describe el principio físico de la medida del gasto másico en flujo continuo, de gran importancia para llevar a cabo la caracterización hidráulica de las toberas. En la parte final del apartado, se darán los detalles de las geometrías utilizadas en el estudio y el plan de trabajo seguido.

El apartado 0 abarca los resultados concernientes al estudio del flujo interno en condiciones cavitantes y no cavitantes. En primer lugar, usando diferentes modelos simplificados de toberas transparentes (siete planas asimétricas y una con orificio cilíndrico), se estudia la influencia que tiene la geometría en la formación de la cavitación. Así, aplicando la técnica de visualización e inyectando en una atmósfera líquida (con una resolución cercana a los 500pixel/mm), junto con la caracterización hidráulica, se puede determinar el inicio de la cavitación, el desarrollo de ésta a través del orificio, las burbujas que se desprenden a la salida del orificio y colapso del gasto másico; todos estos influenciados tanto por las características geométricas de las toberas como por las condiciones de presión aguas arriba y aguas abajo del orificio. Posteriormente, se mostrará la influencia que tiene el combustible en la aparición y desarrollo de la cavitación usando la tobera transparente cilíndrica y cuatro combustibles diferentes.

Por último, en el apartado 0, se establecerán las conclusiones más importantes extraídas a partir de los resultados obtenidos en los capítulos anteriores. Además, se expondrán algunos de los posibles trabajos futuros encaminados a mejorar el conocimiento del proceso de inyección Diesel y del fenómeno de la cavitación.

El desarrollo del estudio se enmarca dentro una investigación de tipo diseño cuasi-experimental, en donde se busca observar la influencia de la cavitación en el comportamiento hidráulico a partir de unas condiciones de inyección (aguas arriba) y unas condiciones de contrapresión (aguas abajo) para diferentes toberas de inyección. Así, en este apartado se hará una descripción de las distintas técnicas y herramientas utilizadas a lo largo de este trabajo, las cuales permitirán analizar la relación existente entre la formación y el desarrollo de la cavitación en las características del flujo interno.

La maqueta presurizada de inyección, denominada maqueta de micro-visualización, consiste básicamente en un largo cilindro de acero inoxidable (1m aproximadamente) en el que se incluyen dos accesos ópticos opuestos (ver Figura 1), de forma que permitan la visualización en el interior de la maqueta. Los accesos ópticos formados por ventanas planas de metacrilato, con un espesor de unos 30mm, son capaces de soportar hasta 6MPa aproximadamente sin sufrir deformaciones significativas. Por lo tanto, este valor será considerado en adelante como el límite mecánico de presión en el interior de la maqueta (Venegas, 2014).

Metodología

Maqueta de micro-visualización

8

Figura 1. Esquema de la maqueta de micro-visualización.


En la Figura 2, se muestra un despiece de los elementos que componen la tapa superior. Este diseño se realizó con el fin de tener un sistema de montaje de toberas flexible y lograr obtener acceso óptico a los orificios y permitir la salida del chorro. Adicionalmente la Tapa superior contiene el Portatoberas, que tiene como finalidades: alojar las toberas (ya sea una tobera plana o cilíndrica), dar forma y conseguir el ajuste necesario en el caso de las toberas planas y por último lograr que las toberas queden concéntricas con el sistema (ver Figura 3). El detalle del diseño de la Tapa superior y el procedimiento de montaje se encuentran descritos en (Venegas, 2014).

Figura 2. Despiece de la tapa superior.


9

Figura 3. Despiece del portatobera.


Para obtener la geometría interna en orificios reales, algunos estudios (De la Morena, 2011), (Gimeno, 2008) han usado la técnica de obtención de moldes de silicona (Macián, Bermudez, Payri, & Gimeno, 2003). Otros estudios más recientes han obtenido resultados similares con el uso de rayos X (Lee, Fezzaa, & Wang, 2005), (Kastengren, y otros, 2012). Ahora, puesto que las toberas utilizadas en el presente estudio son transparentes, determinar la geometría resulta menos compleja de obtener. Es evidente que conocer la mayoría de parámetros geométricos internos de los orificios de las toberas no es tarea fácil; sin embargo, si se desean establecer relaciones importantes entre la geometría de las toberas y el comportamiento del flujo interno, es necesario conocer la morfología interna de la forma más precisa posible.

La medición de la geometría interna se realiza de dos maneras: por un lado, las dimensiones lineales de las láminas que conforman el orificio de la tobera pueden ser medidas a través de un micrómetro. De esta manera, se obtiene de forma sencilla y precisa la longitud del orificio ( L ) y las dimensiones exteriores de las láminas. Por otro lado, para la medición de los demás parámetros del orificio como radio de acuerdo, área de salida, ancho y espesor del orificio (en toberas planas) ó diámetros de orificio (en toberas cilíndricas) se utiliza un microscopio digital. Este microscopio permite realizar diferentes aumentos de acuerdo a la zona de interés que se desee medir.

La 0, muestra una de las láminas que conforman el orificio antes del montaje; de donde se obtiene la longitud

del orificio (obtenido también con el micrómetro) y el radio de acuerdo ( er ). Para una completa caracterización

de los orificios, son tomadas imágenes laterales y desde la parte inferior de la tobera (a la salida del orificio)

una vez ha sido conformada la tobera (0) con el fin de obtener el ancho a la entrada eW , el ancho a la salida

del orificio oW , el espesor t y por tanto el área geométrica de descarga oA .

Determinación de la geometría de toberas

10

Imagen de una vista lateral de una de las láminas que forma el orificio obtenida con microscopio digital


Despiece Vista lateral e inferior de una tobera plana trasparente.


Para visualizar el flujo en el interior del orificio, se ha puesto en marcha una instalación óptica que permite obtener imágenes con una resolución de hasta 500pixel/mm aproximadamente a través de la técnica conocida como iluminación trasera difusa, la cual se basa en la diferencia entre el índice de refracción del fluido que se desea visualizar y el fluido que lo rodea (Venegas, 2014). De esta forma, los haces de luz alcanzan el fluido de trabajo, se desvían como consecuencia de la refracción, mientras que el resto continúan su camino libremente. Así, la imagen formada en el lado contrario (lado de la cámara) a la iluminación muestra la sombra de aquello que se desea observar. Esta configuración ha sido ampliamente utilizada para el estudio del comportamiento del chorro (Payri, Salvador, Gimeno, & Soare, 2005), (Jeong, Lee, & Ikeda, 2007), (Gao, y otros, 2009), (Hillamo, Sarjovaara, Kaario, Vuorinen, & Larmi, 2010). La descripción y características de cada uno de los elementos y su ubicación en el sistema se encuentran al detalle en (Venegas, 2014). En la 0 se muestra un esquema general de la instalación utilizada para este fin.

Visualización del flujo interno

11

Esquema de la instalación utilizada para la visualización.


Para visualizar la cavitación y evitar la desviación de la luz, el fluido en la cámara es el mismo combustible inyectado; es decir se inyecta combustible en combustible. Esta configuración permitirá discernir entre las fases líquida y vapor del propio combustible, debido a la diferencia en el índice de refracción de ambas.

Con el fin de purgar la maqueta, la tapa superior tiene dos salidas por donde saldrá el aire que queda en la maqueta. Por otro lado, el combustible entra a la maqueta a través de la tobera de inyección y la presión de descarga será controlada gracias a una válvula de aguja en la parte inferior de la maqueta. Una vez que la presión está estable, el combustible evacuado de la maqueta puede ser dirigido al retorno o a una balanza para medir el gasto másico que pasa a través de la tobera transparente, inyectando siempre en condiciones estacionarias (flujo continuo). Un esquema de la instalación se muestra en la 0.

Esquema de la instalación utilizando combustible líquido como fluido en la descarga.


12

Debido a que toda la maqueta se encuentra completamente llena de combustible y se inyecta combustible en la misma en condiciones estacionarias, el gasto másico de combustible que sale por la tobera es el mismo gasto másico de combustible que sale de la maqueta (Venegas, 2014). Así, una vez se tiene el gasto másico estabilizado para una determinada condición de operación, es posible determinar el gasto másico tomando

una masa inicial ( 1m ) y una masa final ( 2m ) en un determinado tiempo ( t ) como se muestra en la ecuación

0. La lectura y registro de la masa inicial y la masa final se realiza a través del software de la balanza

conectado a un computador y por tanto el gasto másico de combustible para cada condición puede ser calculada de acuerdo a la ecuación 0.

2 1=f

m mm

t

−

Posteriormente para evaluar el comportamiento del flujo en toberas de inyección consiste en la caracterización del coeficiente de descarga tanto en condiciones cavitantes como no cavitantes para observar el comportamiento de cada tobera a diferentes condiciones de operación.

Una vez se ha mostrado el procedimiento para el montaje y la determinación de la geometría de cada una de las toberas, en la Tabla 1 y en la Figura 4 se muestran las toberas a usadas en el estudio. Dentro de los modelos mostrados en la Tabla 1 se cuenta con una tobera cilíndrica (T8) y una variedad de toberas planas de diferentes geometrías. Así el propósito de este grupo de toberas es tener toberas semejantes donde varíe solamente el radio de acuerdo a la entrada (toberas T1 y T2), toberas semejantes donde solo varía la longitud

del orificio (toberas T1 y T3) y toberas semejantes donde se mantiene L y er y varía únicamente oW (toberas

T1, T4, T5 y T6). La tobera T7 se realizó con el fin de obtener una sección de salida comparable con la tobera cilíndrica T8 (Venegas, 2014).

Tabla 1. Parámetros geométricos de las toberas transparentes utilizadas


Plan de ensayos

13

Figura 4. Esquema de los orificios para cada una de las toberas de estudio.


En cuanto a los puntos a ensayar, se tiene que todas las toberas serán estudiadas en condiciones de flujo continuo a cuatro niveles de presión de inyección (3, 5, 7 y 12MPa). Para la caracterización hidráulica de los orificios, se medirá el flujo másico proporcionado por las toberas en las cuatro presiones de inyección consideradas y distintas contrapresiones (desde 0.1 hasta 5MPa). De esta forma y conociendo la geometría de cada tobera se podrá obtener el coeficiente de descarga y detectar las condiciones críticas de colapso del gasto másico, definidas como aquéllas en las que el flujo másico se estabiliza sin importar las condiciones aguas abajo de la tobera.

De forma simultánea con las medidas de gasto másico y utilizando la técnica de visualización por iluminación trasera difusa, se podrán detectar las condiciones de presión en las que aparecen por primera vez en el interior del orificio (cavitación incipiente) y la aparición de burbujas aguas abajo de los orificios de salida de las toberas. Estas condiciones serán detectadas partiendo de condiciones cavitantes (es decir, baja presión de descarga), y luego incrementar la presión de descarga con el fin de encontrar el valor donde desaparecen las burbujas a la salida del orificio y el valor donde la cavitación en el interior del orificio desaparece. Para cada una de las condiciones se tomarán 50 repeticiones de imágenes.

En el presente apartado, se muestran los principales resultados obtenidos en la caracterización hidráulica en estado estacionario, la visualización de la cavitación y la influencia del combustible en el flujo interno.

Con el fin de caracterizar detalladamente el comportamiento hidráulico de las toberas transparentes, se realizarán

ensayos a cuatro niveles de presión de inyección ( ip ) (3, 5, 7 y 10MPa) y presiones de descarga ( bp ) entre 0.1 y

5.0MPa. En la 0, donde se muestra la evolución del gasto másico ( m ) en función de la raíz de la diferencia de

presiones (1/2p ) para la tobera T1. Como se puede observar para cada presión de inyección, el gasto másico crece

linealmente con la raíz de la diferencia de presiones hasta alcanzar las condiciones críticas donde el flujo másico colapsa y empieza a mantenerse constante.

Resultados y Discusión

Caracterización hidráulica en estado estacionario

14

}

Figura 5. Gasto másico de la Tobera T1 a diferentes ip y bp .


Con el propósito de comparar el gasto másico entre las diferentes toberas y observar adecuadamente el comportamiento entre cada una de estas, ha sido necesario graficar los resultados en dos grupos. Así, en la Figura 6 se muestran los resultados para las toberas más pequeñas con gastos másicos inferiores a 8g/s, mientras que la Figura 7 muestra los resultados para las más grandes (gastos másicos mayores a 8g/s).

Figura 6. Gasto másico en función de la raíz de la diferencia de presiones.


15

Figura 7. Gasto másico en función de la raíz de la diferencia de presiones. Toberas T6, T7 y T8.


De estas figuras se observa que para todas las toberas el gasto másico colapsa por lo menos en las condiciones más críticas (alta pi y baja pb), excepto la tobera T2, la cual posee un radio de acuerdo a la entrada de 177µm. De forma similar a la 0 se observa de nuevo tanto en la Figura 6 como en la Figura 7 que el comportamiento del gasto másico con la raíz de la diferencia de presiones es lineal hasta alcanzar el punto crítico de colapso. Adicionalmente, estos resultados muestran con antelación como el colapso del gasto másico aparece con mayor facilidad conforme aumenta la sección de salida de las toberas, aunque durante el trascurso del capítulo se analizará con mayor detalle.

Conociendo el comportamiento de m en función de 1/2p para cada tobera, es posible determinar las

condiciones críticas de cavitación según el criterio tradicional de colapso del gasto másico mostrado por Nurick (Nurick, 1976); es decir, determinando los puntos críticos a partir de las condiciones donde ocurre el colapso del gasto másico. La manera para conseguir estos puntos, consiste en realizar un ajuste lineal de la evolución

de fm en función

1/2p y obtener el máximo valor del gasto másico colapsado. Siguiendo esta metodología

se determina para cada tobera y cada valor de presión de inyección la presión de descarga crítica ( bcritp ) y

con ésta se obtiene el número de cavitación crítico ( critK ) de acuerdo a la ecuación 0. Los resultados se

encuentran tabulados en la 0.

= i vcrit

i bcrit

p pK

p p

−

−

16

Números de cavitación críticos a diferentes presiones de inyección


Los valores mostrados en la 0 representan los valores del número de cavitación crítico obtenidos a partir de la

ecuación 0, tomando como nulo el valor de vp para el gasoil comercial, ya que es considerado despreciable

en comparación con las presiones de ensayo. Analizando estos valores y conforme al criterio de Nurick, se observa que los números de cavitación críticos más cercanos a la unidad implican una menor tendencia a

cavitar, mientras que toberas con critK mayores tienen una mayor tendencia a cavitar, ya que necesitan de

unas condiciones menos críticas para alcanzar el colapso de flujo másico.

En particular, la tobera T2 tiene un critK igual a uno para todas las condiciones de presión de inyección, incluso

reduciendo la contrapresión a su valor más bajo (cercano a la presión atmosférica); es decir, con esta tobera nunca se llega a observar el colapso del gasto másico. Lo mismo ocurre con la tobera T4 para la presión de

inyección de 3MPa, donde nunca llega a colapsar el gasto másico, obteniendo así un valor de critK igual a la

unidad.

En la 0 se muestra en un gráfico de burbujas la evolución del número de cavitación crítico en función de la

geometría de las toberas y de la presión de inyección. Así las burbujas más grandes representan critK grandes

y las burbujas pequeñas critK pequeños, acompañados de una escala de colores para una mayor apreciación.

Número de cavitación crítico en función de la geometría de las toberas y la presión de inyección.


17

Este gráfico se ha realizado agrupando conjuntos similares de toberas con el fin de observar la influencia de cada parámetro geométrico por separado, quedando dividida en cuatro grupos: el primer grupo (toberas T1 y

T2) son toberas con dimensiones muy similares donde sólo varía el radio de acuerdo ( er ), el segundo grupo

(toberas T1 y T3) únicamente varía la longitud del orificio ( L ), el tercer grupo (toberas T1, T4 y T5) son toberas

en las cuales el único parámetro que varía es el ancho de la tobera oW y finalmente el cuarto grupo se ha

establecido con el fin comparar las similitudes en cuanto a números de cavitación entre toberas planas y la tobera cilíndrica. Para este último grupo se han usado las toberas planas con la sección de salida más similares

a la cilíndrica usando como parámetro comparador el diámetro hidráulico ( hD ); que en el caso de toberas

planas está dado por la ecuación 0.

4 4( )= =

2( )

o oh

o o

A W tD

P W t

+

donde oA es el área geométrica a la salida, oP es el perímetro en la sección de salida, oW es el ancho a la

salida y t es la profundidad del orificio.

Para observar el efecto del radio de acuerdo se tomaron como referencia las toberas T1 y T2, ya que son

toberas geométricamente similares donde el único parámetro que varía es er . En la Figura 6 se observó que

los valores del gasto másico de la tobera T1 y la tobera T2 en la zona donde m es función de 1/2p son muy

parecidos y se debe a que el área en la sección de salida del orificio es prácticamente igual. Sin embargo, en la tobera T1 se aprecia el colapso del gasto másico para cada una de las presiones de inyección, mientras que

en la tobera T2 el flujo másico continúa creciendo conforme aumenta 1/2p con un valor de 1critK = .

Físicamente este comportamiento se asocia a una menor recirculación en la entrada del orificio conforme el radio de acuerdo es mayor, lo cual repercute en la formación de la cavitación que a su vez conlleva al colapso del gasto másico.

En cuanto al efecto de la longitud del orificio ( L ), se toman como referencia las toberas T1 y T3, ya que son toberas geométricamente similares donde el único parámetro que varía es L . En la Figura 6 se observa que los valores del gasto másico son muy parecidos y que ambas toberas colapsan. Sin embargo, al observar los valores obtenidos en la 0 y en la 0 se aprecia que para las diferentes presiones de inyección los valores de

critK de la tobera T3 son menores a los de la tobera T1. Lo anterior se traduce en que, para una misma presión

de inyección, la tobera T3 requiere de unas condiciones más críticas (menor bp ) para que el flujo másico

colapse. Visto desde el punto de vista físico se tiene que la tobera T3, a las mismas condiciones de descarga que la tobera T1 y al tener una mayor longitud genera mayores pérdidas por fricción, lo cual conlleva a una menor presión a la entrada del orificio, afectando la formación de zonas de recirculación y posterior cavitación.

Para analizar la influencia del ancho a la salida del orificio ( oW ), se compararán las toberas T1, T4, T5 y T6.

Se inicia el análisis comparativo entre las toberas T1, T4 y T5, dejando para el final el análisis de la tobera T6. Al observar la Figura 6 se observa claramente el colapso de las toberas T1 y T5. No obstante para la tobera T4 solo llega a apreciarse el colapso para la presión de inyección más elevada. Para observar este hecho más claramente, al ver los valores obtenidos en la 0 para la tobera T4 a una presión de inyección de 3MPa que el

gasto másico no colapsa ( crit =1K ) y solo empieza a colapsar para las presiones de 5 y 7MPa. Sin embargo,

la tendencia mostrada por los números de cavitación críticos (ver 0) es clara, a medida que incrementa el valor

del ancho a la salida de la tobera ( oW ) el flujo es más propenso a alcanzar las condiciones de colapso. Esto

se debe a que en una tobera con una menor restricción a la entrada del orificio (por ejemplo, la tobera T5), genera menores pérdidas de carga que a su vez favorece la formación de zonas de recirculación y la posterior aparición de zonas cavitantes y colapso. En cuanto a la tobera T6 se observa que esta tobera en particular no sigue la tendencia mostrada por las otras tres toberas; es decir, aunque posee una sección de entrada bastante grande, la cual no genera grandes pérdidas a la entrada del orificio, requiere de condiciones más críticas para llegar a las condiciones de colapso.

18

De forma similar para el análisis de la sección de salida ( hD ), se toman en cuenta las toberas T6, T7 y T8.

Estas toberas tienen diferentes secciones a la salida y como se muestra en la 0, la tobera con menor sección de salida (tobera T6) requiere de unas condiciones más severas para alcanzar el punto de colapso. La explicación de este comportamiento, nuevamente se debe a una mayor pérdida de carga a la entrada del

orificio al tener una tobera con un hD menor haciendo que el flujo sea menos propenso a cavitar y por tanto

que necesite de unas condiciones más severas para que el flujo másico colapse.

Por último, se evalúa la influencia de la presión de inyección en el colapso del gasto másico. Este comportamiento se observa en la 0, mostrando que se requieren de unas condiciones menos severas para alcanzar el colapso del gasto másico conforme aumenta la presión de inyección como ha sido mostrado por otros autores (Salvador F. J., 2003), (De la Morena, 2011). No obstante, la tobera T2 siempre conserva el valor de la unidad ya que nunca llega a colapsar el gasto másico.

Adicionalmente, aparte del valor de flujo másico obtenido en condiciones estacionarias, se puede calcular el coeficiente de descarga según la ecuación 0. En la 0 se muestra un ejemplo de los resultados obtenidos de

dC en función de Re para la tobera T1 a diferentes presiones de inyección. Se puede observar que el

coeficiente de descarga ( dC ) tiene una evolución asintótica con el número de Reynolds ( Re ). Sin embargo,

en el momento que el gasto másico empieza a colapsar, el coeficiente de descarga cae bruscamente, abandonando el comportamiento asintótico frente al número de Reynolds.

dC en función de Re para la tobera T1.


Analizando las condiciones de no colapso, en la 0 se observa un comparativo del coeficiente de descarga entre las toberas T1 y T2 (radio de acuerdo diferentes). Se puede apreciar en esta figura que el coeficiente de

descarga de la tobera T1 es mayor y que la diferencia de dC es un poco mayor a bajos regímenes y

posteriormente se van igualando. De hecho, el la 0 se puede apreciar que el valor asintótico del coeficiente de descarga en la tobera T2 parece superar el valor asintótico de la tobera T1 a números de Reynolds más elevados. Este comportamiento se debe al gran radio de acuerdo que posee la tobera T2, favoreciendo la entrada del flujo al interior del orificio de inyección con unos cambios de direccionalidad menos bruscos en comparación con la tobera T1 que tiene un radio de acuerdo nulo. Sin embargo, dejando de un lado el máximo

valor que puede alcanzar el coeficiente de descarga ( dmaxC ), se puede observar en la 0 que los puntos

experimentales de la tobera T2 se encuentran por debajo de la tobera T1 y se van alejando conforme el régimen del fluido es menor. Lo anterior se debe a que con bajos regímenes,

Influencia de la geometría en el coeficiente de descarga

19

las pérdidas por fricción a través del orificio predominan sobre las pérdidas a la entrada del orificio y según lo mostrado tienen un mayor efecto sobre la tobera T2 al ser un poco más ancha y larga que la tobera T1.

dC en función de Re y er .


Por su parte en la 0, al comparar las toberas T1 y T3 (diferente longitud de orificio), se puede observar que el coeficiente de descarga de la tobera T3 se encuentra por debajo del coeficiente de descarga de la tobera T1, en todos los regímenes ensayados; incluyendo el valor asintótico del coeficiente de descarga a altos regímenes de acuerdo a la tendencia mostrada. Este comportamiento era de esperarse puesto que las pérdidas por fricción son mayores en la tobera T3 al tener una mayor longitud el orificio de inyección suponiendo unas pérdidas a la entrada muy similares para las dos toberas, puesto que tiene la misma sección transversal y un radio de acuerdo nulo.

dC en función de Re y L .


En la 0 se observa como varía el coeficiente de descarga para diferentes anchos de tobera. Así, esta figura muestra que la tobera con la sección más pequeña a la salida (tobera T4), tiende a tener un coeficiente de descarga mayor que las demás toberas y éste va disminuyendo conforme el ancho a la salida de la tobera (

oW ) va incrementando (ver Tabla 1). Este comportamiento se debe a que una tobera con un ancho más grande

tiene una mayor superficie de contacto con el fluido generando unas posibles mayores pérdidas por fricción, lo cual se ve reflejado en un menor coeficiente de descarga; es decir, comparando estas toberas, las pérdidas por fricción tienen una mayor influencia en las pérdidas de carga totales.

20

dC en función de Re y oW

.


En la 0 se muestra el comportamiento del coeficiente de descarga para tres toberas con diferentes secciones. Observando estos resultados, se puede analizar que, aunque la tobera con una mayor sección (tobera T7) presenta unas mayores pérdidas por fricción para un mismo régimen debido a una mayor superficie de contacto con el fluido, las pérdidas a la entrada del orificio son menores. Ahora puesto que los cambios de sección entre las toberas son más significativos, las pérdidas a la entrada del orificio predominan sobre las pérdidas por fricción, haciendo que una tobera con una gran sección tenga unas pérdidas totales menores y por tanto un coeficiente de descarga mayor.

dC en función de Re y hD

.


Una vez estudiado el comportamiento hidráulico de las toberas antes que ocurra el colapso del gasto másico se procede a estudiar el comportamiento del coeficiente de descarga en condiciones de colapso. Como se mostró en el modelo de Nurick (ecuación 0), en condiciones de colapso el coeficiente de descarga es lineal

con la raíz cuadrada del número de cavitación (1/2K ). La 0 muestra un ejemplo del comportamiento del dC en

función de 1/2K para la tobera T1 a diferentes presiones de inyección.

21

dC en función de 1/2K para la tobera T1.


Se puede ver en la 0 que para todas las presiones de inyección los puntos de no colapso caen aproximadamente sobre la misma recta, aunque en realidad cada presión de inyección tiene su propia recta pese a no ser apreciado. Por otro lado, los puntos de más a la derecha representan el coeficiente de descarga antes del colapso para cada presión de inyección, siendo estos dependientes del número del Reynolds como se estudió anteriormente.

Finalmente, en la 0 se pueden comparar las diferentes toberas en las condiciones de colapso, representado únicamente los resultados donde el gasto másico ha colapsado, mostrando que todas las toberas tienen un

comportamiento lineal del dC en función de 1/2K .

dC en función de 1/2K .


Con los valores obtenidos, en (Venegas, 2014) se propone un modelo que predice el comportamiento hidráulico en condiciones de colapso y no colapso para diferentes anchos a la salida de la tobera.

22

En la sección anterior se ha estudiado la caracterización hidráulica de cada una de las toberas evidenciando el fenómeno de la cavitación a través del criterio tradicional de colapso del gasto másico. Con el fin de avanzar un poco más en el entendimiento de este fenómeno y de su influencia en el flujo interno, en esta sección se estudiará la aparición de la cavitación tanto en el interior del orificio como a la salida del mismo y su desarrollo en el interior del orificio. Para ello se ha usado la técnica de visualización, descrita en la metodología, inyectando sobre una atmósfera líquida usando gasoil comercial. En (Venegas, 2014) se muestran diferentes tipos de pruebas preliminares a las pruebas finales aquí presentadas y se detalla el procedimiento para el procesado de las imágenes.

En la 0 se muestra un ejemplo la evolución del flujo interno y en la salida del orificio a diferentes regímenes (Números de Reynolds) para la tobera T4 con imágenes procesadas. En esta figura de izquierda a derecha se observa una primera imagen sin cavitación con gradientes de densidad a la salida del orificio, seguida de una imagen donde aparece la cavitación en el interior del orificio y unas pequeñas burbujas a la salida, posteriormente la cavitación en el interior va incrementando conforme aumenta el régimen del flujo. Como se menciona en (Venegas, 2014) es posible que para los Números de Reynolds más altos la cavitación se extienda hasta la salida del orificio, pero por la presencia de micro-grietas que se forman justo a la salida resulta complejo determinar el vapor del combustible en esta zona.

Evolución del flujo interno y a la salida a diferentes Re para T4.


Una vez se han adquirido las imágenes, el siguiente paso consiste en encontrar los números de cavitación

críticos cuando aparece la cavitación incipiente y las primeras burbujas a la salida (,crit iK y

,crit vK

respectivamente) para todas las toberas y condiciones de presión. Así, en la 0 se han resumido los valores de

,crit iK y ,crit vK para cada una de las toberas a las diferentes presiones de inyección ensayadas con el fin de

comparar los resultados obtenidos a partir de la visualización con los determinados en la caracterización hidráulica (0).

Visualización de la cavitación

23

,crit iK y ,crit vK a diferentes presiones de inyección.


Como se puede observar en las 0, las tendencias que tienen estos números de cavitación críticos son muy similares a los mostrados en la 0; es decir, los números de cavitación críticos, tomando como criterios la aparición de las burbujas a la salida y la cavitación incipiente, tienen la misma tendencia mostrada en el gráfico de burbujas de la 0, respecto a la geometría de las toberas y presión de inyección.

Por lo tanto, de nuevo se observa que toberas con un mayor radio de acuerdo ( er ), mayor longitud de orificio

( L ) y menor ancho a la salida de la tobera ( oW ó hD ) tienen menos tendencia a cavitar y por otro lado que

los números de cavitación críticos son mayores conforme aumenta la presión de inyección, independiente del criterio que se utilice.

Sin embargo, comparando los nuevos criterios, por medio de la visualización, con el criterio tradicional de colapso del gasto másico, en general se observa que, la aparición de las primeras burbujas a la salida de la

tobera se da a unas condiciones menos críticas (menor p ó mayor K ) que el colapso del gasto másico y a

su vez la cavitación incipiente se presenta a unas condiciones menos críticas que la aparición de las primeras burbujas a la salida del orificio.

Esto ocurre para la mayoría de las toberas y condiciones; no obstante, para la presión de 3MPa se observa

que para las toberas T1 a T6, el número de cavitación crítico ,crit vK es igual al número de cavitación crítico

,crit iK ; por tanto, la aparición de las primeras burbujas a la salida del orificio se presenta de forma simultánea

a la cavitación incipiente, mostrando que la formación de burbujas a la salida no dependen únicamente de la evolución de cavitación en el interior hasta la salida, sino que pueden existir condiciones locales a la salida que propician la formación de estas burbujas, restándole así importancia a la influencia de las zonas de vapor en el interior del orificio en la formación de estas burbujas a la salida.

En particular, se observa que en la tobera T2, ,crit vK es igual a

,crit iK para todas las presiones de inyección y

además , >1crit iK a partir de 5MPa, lo que significa que la tobera aunque no presenta colapso del gasto másico

si llega a aparecer cavitación en el interior del orificio como se muestra en la 0.

24

Cavitación incipiente y burbujas a la salida para la tobera T2.


Así, se puede afirmar que aún en condiciones donde el flujo sigue comportándose de forma lineal con la raíz cuadrada de la diferencia de presiones, puede existir cavitación en el interior y adicionalmente la cavitación en el interior del orificio aparece mucho antes que se produzca el colapso del gasto másico, tal como se puede ver en la 0 para la tobera T1.

Diferentes condiciones del flujo. Tobera T1, pi = 10MPa


Lograr determinar la existencia de cavitación en condiciones previas al colapso del gasto másico concuerda con los resultados obtenidos en otros estudios donde muestran que para que exista colapso de flujo másico las condiciones de cavitación han de ser relativamente severas (Winklhofer, Kull, Kelz, & Morozov, 2001). De hecho, a través de la visualización del flujo interno es posible identificar que una vez el gasto másico ha colapsado, el flujo cavitante se ha extendido por gran parte del orificio.

Para caracterizar la evolución de la extensión ocupada por la cavitación en el interior de los orificios, se han

propuesto dos parámetros: la longitud desarrollada por la cavitación ( cL ) desde la entrada hasta la salida del

orificio y el ancho máximo ocupado por la zona de vapor ( vW ) en la dirección transversal del orificio. En la 0

se muestra un ejemplo de una imagen procesada mostrando los dos parámetros utilizados para caracterizar el desarrollo de la cavitación en el interior del orificio.

25

Parámetros utilizados para caracterizar la cavitación.


En la 0 se muestra la evolución de la relación /cL L frente al número de cavitación KN (inverso de K , ver

ecuación 0) para la tobera T1 a diferentes presiones de inyección. Esta representación es similar a la mostrada

por Sato y Saito (Sato & Saito, 2002) en la 0 aunque en la 0 se ha utilizado el número de cavitación KN en

lugar de 1CN −.

/cL L promedio en función de KN . Tobera T1.


En esta figura se puede apreciar que, desde la aparición de la cavitación, la longitud desarrollada por la

cavitación va incrementando conforme las condiciones se van haciendo más críticas (mayor KN ). Sin

embargo, llega un punto donde aparentemente cL no sigue incrementando y se estabiliza en torno a un 80%

de la longitud total del orificio ( L ) y no en torno al 100% como habría de esperarse. Esto se debe a la dificultad de procesar la parte final del orificio por la presencia de micro-grietas generadas en las ventanas, es decir; seguramente la cavitación se ha desarrollado hasta la salida del orificio (existencia de supercavitación) pero la presencia de micro-grietas en el final de la tobera hace que no sea posible visualizar y detectar por completo el contorno de la cavitación en esta zona.

No obstante, teniendo la tendencia de la evolución longitudinal de la cavitación hasta el 80% de la longitud del orificio, es posible suponer su trayectoria hasta la parte final del orificio (líneas punteadas de la 0) y llegar a concluir que el colapso del gasto másico efectivamente se presenta en condiciones muy cercanas a

26

las condiciones de supercavitación como ha sido visto por Chaves et al. (Chaves, Knapp, Kubitzek, & Obermeier, 1995). Ahora con el fin de observar la evolución de la zona de vapor en el sentido transversal del orificio, en la 0 se representa la relación entre el ancho ocupado por el vapor y el ancho de la tobera a la

entrada( /v eW W ).

/v eW W promedio en función de KN . Tobera T1.


En la 0 se aprecia como una vez aparece la cavitación, vW va incrementando conforme las condiciones se

van haciendo más críticas y posteriormente se estabiliza en torno a un 50% del ancho del orificio.

Adicionalmente, se observa que el máximo valor de /v eW W se escala con la presión de inyección, de forma

que la zona cavitante ocupa una zona transversal al orificio un poco más amplia con el aumento de la presión de inyección.

Con el fin de apreciar un ejemplo de la evolución de la cavitación en el interior del orificio para la Tobera T1, en la 0 se muestran imágenes a diferentes condiciones de contrapresión para la presión de inyección de 10MPa. Con las otras presiones de inyección la evolución de la cavitación es similar, aunque se va presentando a unas condiciones más críticas a medida que disminuye la presión de inyección.

Evolución de la cavitación para la Tobera T1. =10ip MPa.


27

Finalmente, con el propósito de llevar a cabo un comparativo entre las diferentes toberas y observar la influencia por separado de cada parámetro geométrico, relacionado con el análisis hecho en la caracterización hidráulica, a continuación, se hace un análisis de cada parámetro por separado.

Para llevar a cabo este análisis, en la 0y en la 0 se muestra la evolución de la relación /cL L y el ancho de la

zona de vapor ( vW ) respectivamente para la presión de inyección más elevada (10MPa). Con las demás

presiones ocurre algo similar a lo analizado con la presión de 10MPa.

/cL L en función de KN .

=10ipMPa.


/v eW W en función de KN .

=10ipMPa.


Al comparar las toberas T1 y T2 (diferente er ), en la 0 se observa que la tobera T2 necesita de unas

condiciones críticas para empezar a cavitar y la cavitación se extiende a tan solo un 30% de su longitud total mientras que en la tobera T1 parece llegar hasta la parte final del orificio (aunque se visualiza un 80% de la longitud del orificio). Estos datos resultan coherentes con los obtenidos en la caracterización hidráulica, mostrando el efecto de la supercavitación en el colapso del gasto másico (tobera T1). En cuanto a la evolución de la cavitación en el sentido transversal del orificio, en la 0 se observa algo similar a la evolución longitudinal, mostrando que la cavitación en el caso de la tobera T2 se extiende a tan solo unas 50µm comparado con las 100µm a los que se extiende la tobera T1, resultado del cambio abrupto de la direccionalidad del flujo a la entrada del orificio en ésta última.

28

Para observar la influencia de la longitud del orificio ( L ), se comparan las toberas T1 y T3. Como se observa

en la 0 la tobera T3 requiere de unas condiciones más severas para una misma relación ( /cL L ), lo cual en

términos absolutos significa que la longitud de cavitación ( cL ) se extiende más rápidamente en la tobera T3.

En cuanto a la evolución transversal las diferencias son menos apreciables, puesto que al tener ambas un radio de acuerdo nulo, la direccionalidad del flujo a la entrada es similar haciendo que el ancho estabilizado de estas zonas de recirculación sea muy similar entre las dos toberas.

En cuanto a la influencia del ancho del orificio, se puede observar que, hasta un determinado ancho, la

aparición y evolución de la cavitación (tanto de Lc como de vW ) se beneficia cuanto más grande es oW . Sin

embargo, la tobera T6 tiene un comportamiento diferente, lo que muestra que la evolución longitudinal y transversal de la cavitación de la tobera T6 requiere de unas condiciones más críticas debido a unas mayores pérdidas por fricción a pesar de tener unas menores pérdidas a la entrada en comparación con las toberas T1, T4 y T5.

Ahora para conocer la influencia de la sección de salida incluyendo la tobera T7, en la 0 se observa el

comportamiento del ancho de vapor máximo estabilizado, ,v maxW (ver 0) en función del diámetro hidráulico (

hD ) de las toberas T1, T4, T5, T6 y T7, en la cuales la zona de vapor llega a estabilizarse en la dirección

transversal del orificio.

vW máximo estable en función de hD

. =10ip

MPa.


Esto pone de manifiesto que la extensión de la zona de vapor cuantificada a partir de ,v maxW en las toberas de

mayor dimensión no guarda una relación directa con la sección de salida; es decir, el comportamiento de ,v maxW

parece indicar que a partir de un determinado tamaño a la salida de la tobera la extensión de la cavitación en el sentido transversal del orificio tiene su propia escala y deja de depender del tamaño de la tobera.

Se determinó la influencia que tiene la presión de inyección en el colapso del gasto másico, mostrando que a

medida que la presión de inyección ( ip ) es mayor incrementa el número de Reynolds ( Re ) favoreciendo la

turbulencia en el interior del orificio, lo cual hace la tobera sea más propensa a cavitar requiriendo unas

condiciones menos críticas en la descarga (mayor bcritp ).

Conclusiones

29

Se logró estudiar la influencia de la geometría en la tendencia a cavitar de una tobera. Así se pudo observar

que toberas con mayor radio de acuerdo ( er ), mayor longitud de orificio ( L ) y menor sección de salida ( oW

y/o hD ) son menos propensas a cavitar. Esta tendencia ha sido analizada y se relaciona físicamente con unas

mayores pérdidas a la entrada (en el caso de menores radios de acuerdo y menores secciones a la entrada) y unas mayores pérdidas por fricción al incrementar la longitud del orificio. No obstante, se pudo observar que, a partir de un determinado tamaño de sección, las pérdidas por fricción empiezan a tener mayor relevancia necesitando de unas condiciones más críticas para que el gasto másico colapse como es el caso de la tobera

T6. Esto se encuentra relacionado con unos mayores números de cavitación críticos ( critK ) conforme

incrementa el número de Reynolds ( Re ).

Si bien el colapso de flujo másico ha sido utilizado frecuentemente como criterio para detectar el inicio de la cavitación, se han detectado que los primeros indicios de cavitación en el interior del orificio (cavitación incipiente) y las burbujas de cavitación a la salida de la tobera se presentan en condiciones en las que el flujo aún no está colapsado. Esto indica que para que el flujo másico llegue a colapsarse es necesario que la cavitación esté considerablemente extendida a lo largo del orificio.

Con los datos provenientes tanto de la caracterización hidráulica como de la visualización para las toberas T1, T4, T5 y T6 fue posible determinar correlaciones para predecir el comportamiento del gasto másico, el coeficiente de descarga y los números de cavitación críticos en función de la geometría de la tobera, logrando así predecir el comportamiento hidráulico, la cavitación incipiente y la aparición de las burbujas a la salida del orificio para un ancho de tobera determinado. Adicionalmente se determina la tendencia de los números de cavitación críticos en función del número de Reynols mostrando una tendencia asintótica. Así, se logró observar que conforme el ancho a la salida es más pequeño se requieren de unas condiciones más severas para empezar a cavitar y para que el gasto másico colapse.

En cuanto a la evolución de la cavitación en el interior del orificio se pudo mostrar a partir de los parámetros

cL y vW la extensión de la zona de vapor a lo largo y ancho del orificio respectivamente.

A pesar de las micro-grietas en la parte final de los orificios de las toberas planas estudiadas, se pudo observar

a partir de las tendencias de cL que el colapso del gasto másico se presenta en condiciones de cavitación

extrema muy cercana a las condiciones de supercavitación.

Adicionalmente se logró observar que no solo la geometría de las toberas propicia la formación de la cavitación. Por ejemplo, analizando las imágenes de la tobera T2; se visualizaron pequeñas zonas de vapor en su interior a pesar de tener un radio de acuerdo lo suficientemente grande, lo que pone de manifiesto la formación de la cavitación por otros factores como irregularidades en la superficie que entra en contacto con el fluido.

Se pudo analizar que la extensión de la zona de vapor en el sentido transversal del orificio alcanza un valor

máximo a partir del cual se estabiliza. Además, se observó que este valor máximo ,v maxW tiene su propia escala

a partir de un determinado tamaño en la sección de salida. Este capítulo es producto de la tesis doctoral titulada “Estudio del fenómeno de la cavitación en la inyección Diesel mediante la visualización del flujo interno en orificios” realizada en el Departamento de Máquinas y Motores Térmicos de la Universitat Politècnica de València - España.

Andriotis, A., & Gavaises, M. (2009). Influence of vortex flow and cavitation on near-nozzle Diesel spray

dispersion angle. Atomization and Sprays, 19-3, 247-261. Obtenido de

http://www.dl.begellhouse.com/journals/6a7c7e10642258cc,2eb1978e25960e38,72d1ecca50e47b34.html

Arai, M., Shimizu, M., & Hiroyasu, H. (1991). Similarity between the breakup lengths of a high speed liquid jet

in atmospheric and pressurized conditions. In ICLASS-91, Gaithersburg, Maryland.

Referencias

30

Badock, C., Wirth, R., & Tropea, C. (1999). The influence of hydro-grinding on cavitation inside a Diesel injection

nozzle and primary break-up under unsteady pressure conditions. Proc. 15th ILASS-Europe 99, Toulouse, July

5-7.

Bae, C., & Kang, J. (2000). Diesel spray characteristics of a common rail VCO nozzle injector. Thiesel 2000,

Valencia. Editorial de la UPV.

Bergwerk, W. (1959). Flow pattern in Diesel nozzle spray holes. Proc. Inst. Mech. Engrs, 173, n. 25.

Blessing, M., König, G., Krüger, C., Michels, U., & Schwarz, V. (2003). Analysis of flow and cavitation

phenomena in Diesel injection nozzles and its effects on spray and mixture formation. SAE Paper 2003-01-

1358.

Bode, J., Chaves, H., Hentschel, W., Kubitzek, A., Obermeier, F., Schindler, K., & Schneider, T. (1992). Fuel

spray in Diesel engines. Part I: spray formation. ATA 92A065.

Chaves, H., & Schuhbauer, I. (2006). Cavitation in an asymmetric transparent real size VCO nozzle.

Proceedings of Spray'06. Obtenido de

http://www.raumfahrtantriebe.de/spray2006/files/spray06_chaves_final_paper.pdf

Chaves, H., Knapp, M., Kubitzek, A., & Obermeier. (1995). Experimental study of cavitation in the nozzle hole

of Diesel injectors using transparent nozzles. SAE Paper 950290.

Collicott, S. H., & Li, H. (2006). True-scale, true-pressure internal flow visualization for Diesel injectors. SAE

Paper 2006-01-0890.

De la Morena, J. (2011). Estudio de la influencia de las características del flujo interno en toberas sobre el

proceso de inyección Diesel en campo próximo. Ph.D. dissertation, Universitat Politècnica de València.

Desantes, J. M., Salvador, F. J., López, J. J., & De la Morena, J. (2011). Study of mass and momentum transfer

in Diesel sprays based on X-ray mass distribution measurements and on a theoretical derivation. Experiments

in Fluids, 50, 233–246. Obtenido de http://link.springer.com/article/10.1007/s00348-010-0919-8

Gao, Y., Deng, J., Li, C., Dang, F., Liao, Z., Wu, Z., & Li, L. (2009). Experimental study of the spray

characteristics of biodiesel based on inedible oil. Biotechnology Advances, 27, 616-624. Obtenido de

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975009000688

Gimeno, J. (2008). Desarrollo y aplicación de la medida de flujo de cantidad de movimiento de un chorro Diesel.

Ph.D. dissertation, E.T.S. Ingenieros Industriales, Universitat Politècnica de València.

Hillamo, H., Sarjovaara, T., Kaario, O., Vuorinen, V., & Larmi, M. (2010). Diesel spray visualization and

shockwaves. Atomization And Sprays, 20 (3), 177-189. Obtenido de

http://www.dl.begellhouse.com/journals/6a7c7e10642258cc,4e45bd991615efe7,2ebac7b60dc70e11.html

Hiroyasu, H. (2000). Spray breakup mechanism from the hole-type nozzle and its applications. Atomization and

Sprays, 10, 511-527. Obtenido de

http://www.dl.begellhouse.com/journals/6a7c7e10642258cc,1a3008e01332192c,40dc16525a2ae269.html

Hiroyasu, H., Arai, M., & Shimizu, M. (1991). Break-up length of a liquid jet and internal flow in a nozzle. In

ICLASS-91, Gaithersburg, Maryland, July.

Jeong, H., Lee, K., & Ikeda. (2007). Investigation of the spray characteristics for a secondary fuel injection

nozzle using a digital image processing method. Measurement Science and Technology, 18, 1591. Obtenido

de http://iopscience.iop.org/0957-0233/18/5/051

31

Kastengren, A. L., Zak, F. T., Powell, C. F., Manin, J., Pickett, L. M., Payri, R., & Bazyn, T. (2012). Engine

Combustion Network (ECN): measurements of nozzle geometry and hydraulic behavior. Atomization and

Sprays, 22, 1011–1052.

Kull, E., & Krüger, G. (2004). Correlation of spray symmetry with mass and momentum of multihole Diesel

nozzles. THIESEL 2004 Conference on Thermo and Fluid-dynamic Processes in Diesel Engines, (págs. 7–10).

Lee, W. K., Fezzaa, K., & Wang, J. (2005). Metrology of steel micronozzles using x-ray propagation-based

phase-enhanced microimaging. Applied Physics Letters, 87, 084105. Obtenido de

http://apl.aip.org/resource/1/applab/v87/i8/p084105_s1

Linne, M., Paciaroni, M., Hall, T., & Parker, T. (2006). Ballistic imaging of the near field in a Diesel spray.

Experiments in Fluids, 40, 836-846. Obtenido de http://link.springer.com/article/10.1007/s00348-006-0122-0

Macián, V., Bermudez, V., Payri, R., & Gimeno, J. (3 de 2003). New technique for determination of internal

geometry of a Diesel nozzle with the use of silicone methodology. Experimental Techniques, 27, 39-43.

Obtenido de http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1747-1567.2003.tb00107.x/abstract

Nurick, W. H. (1976). Orifice cavitation and its effects on spray mixing. Journal of Fluids Engineering, 98, 681–

687.

Payri, F., Bermúdez, V., Payri, R., & Salvador, F. J. (2004). The influence of cavitation on the internal flow and

the spray characteristics in Diesel injection nozzles. Fuel, 83, 419-431. doi:DOI: 10.1016/j.fuel.2003.09.010

Payri, R., Garcia, J. M., Salvador, F. J., & Gimeno, J. (2005). Using spray momentum flux measurements to

understand the influence of Diesel nozzle geometry on spray characteristics. Fuel, 84, 551–561. doi:DOI:

10.1016/j.fuel.2004.10.009

Payri, R., Salvador, F. J., Gimeno, J., & De la Morena, J. (2009). Study of cavitation phenomena based on a

technique for visualizing bubbles in a liquid pressurized chamber. International Journal of Heat and Fluid Flow,

30, 768-777. Obtenido de http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142727X09000678

Payri, R., Salvador, F. J., Gimeno, J., & la Morena, J. D. (2009). Effects of nozzle geometry on direct injection

Diesel engine combustion process. Applied Thermal Engineering, 29, 2051–2060. doi:DOI:

10.1016/j.applthermaleng.2008.10.009

Payri, R., Salvador, F. J., Gimeno, J., & Soare, V. (11 de 2005). Determination of diesel sprays characteristics

in real engine in-cylinder air density and pressure conditions. Journal of Mechanical Science and Technology,

19, 2040–2052.

Roosen, P., Unruch, O., & Behmann, M. (1997). Investigation of cavitation phenomena inside fuel injector

nozzles. Rapid Prototyping/Laser Applications in the Automotive Industries, 439–446.

Saliba, R., Baz, I., Champoussin, J. C., Lance, M., & Marié, J. L. (2004). Cavitation effect on the near nozzle

spray development in high-pressure Diesel injection. Proceedings of 19th ILASS (Europe).

Salvador, F. J. (2003). Estudio teórico experimental de la influencia de la geometría de toberas de inyección

Diesel sobre las características del flujo interno y del chorro. Ph.D. dissertation, E.T.S. Ingenieros Industriales.

Universitat Politècnica de València, Valencia.

Salvador, J. (2007). Influencia de la cavitación sobre el desarrollo del chorro Diesel. Reverté.

32

Sato, K., & Saito, Y. (2002). Unstable cavitation behavior in a circular-cylindrical orifice flow. JSME International

Journal Series B, 45, 638-645. doi:10.1299/jsmeb.45.638

Schmidt, D. P., & Corradini, M. L. (2001). The internal flow of Diesel fuel injector nozzles: a review. Int J Engine

Research. JER 00201 ImechE, 2.

Soteriou, C., Andrews, R., & Smith, M. (1995). Direct injection Diesel sprays and the effect of cavitation and

hydraulic flip on atomization. SAE Paper 950080.

Soteriou, C., Smith, M., & Andrews, R. (1998). Diesel injector laser light sheet illumination of the development

of cavitation in orifices. Proc. ImechE C529/018/98.

Sou, A., Tomiyama, A., Hosokawa, S., Nigorikawa, S., & Maeda, T. (2006). Cavitation in a two-dimensional

33

ESTUDIO DEL RUIDO DE COMBUSTIÓN EN CONCEPTOS AVANZADOS DE

COMBUSTIÓN DIÉSEL

Study of combustion noise in advanced diesel combustion concepts

Luisa Fernanda Mónico Muñoz1

Actualmente, el mundo se enfrenta a dos crisis desde el punto de vista ambiental: la escasez de combustibles

fósiles y la degradación ambiental. Para encarar estas dificultades, se han propuesto diferentes acciones.

Primero, se encuentran los avanzados conceptos de combustión Diesel, los cuales permiten reducir

simultáneamente los niveles de NOx y partículas. Sin embargo, tienen el inconveniente de producir elevados

niveles de ruido de combustión, por el empleo de inyecciones tempranas, las cuales hacen que una mayor

cantidad de combustible se queme en condiciones premezcladas.

Segundo, los combustibles alternativos han ganado gran importancia en los últimos años. Los biodiesel

sobresalen por su facilidad de producción, utilización, almacenamiento y potencial para reducir los niveles de

partículas, CO, HC y CO2. Sin embargo, las emisiones de NOx aumentan en la mayoría de los casos. Por su

parte, los combustibles sintéticos, también disminuyen notablemente las emisiones contaminantes, y debido a

su mayor poder calorífico, reducen el consumo específico de combustible.

Desde el punto de vista acústico, el ruido de combustión de los motores Diesel es uno de los aspectos más

negativos, ya que constituye la principal fuente de ruido en los vehículos que emplean este tipo de motores.

En los convencionales y especialmente en los nuevos conceptos de combustión Diesel, el quemado del

combustible en condiciones premezcladas, provoca un aumento brusco de la presión, deteriorando de esta

forma la calidad del ruido de combustión.

Con base en lo anterior, el objetivo de este estudio es evaluar el ruido de combustión del concepto PCCI

(Premixed Charge Compression Ignition), y del uso de algunos combustibles alternativos. Con este fin, se ha

planteado la realización de ensayos experimentales, los cuales permiten la caracterización del ruido de

combustión y el establecimiento de relaciones causa-efecto entre las características del proceso de

combustión, y la calidad sonora y el nivel global del ruido.

Los resultados han mostrado claramente que el ruido de combustión empeora notablemente en el concepto

PCCI. En cuanto al uso de los combustibles alternativos, en varios puntos de operación convencional, al

comparar los resultados con los del combustible Diesel estándar se observó una escasa variación de la calidad

sonora y del nivel global del ruido de combustión.

Currently, the world faces two crises from an environmental point of view: the shortage of fossil fuels and environmental degradation. To address these difficulties, different actions have been proposed. First, there are the advanced concepts of Diesel combustion, which allow simultaneously reducing the levels of NOx and particles. However, they have the disadvantage of producing high levels of combustion noise, due to the use of early injections, which cause a greater amount of fuel to burn in premixed conditions.

Second, alternative fuels have grown in importance in recent years. Biodiesel stands out for its ease of production, use, storage and potential to reduce the levels of particles, CO, HC and CO2. However, NOx emissions increase in most cases. Synthetic fuels, meanwhile, also notably reduce polluting emissions, and

1 Profesora del Programa de Ingeniería Aeronáutica – Fundación Universitaria los Libertadores, FULL, Colombia – [email protected]

Resumen

Abstract


34

due to their higher calorific value, they reduce specific fuel consumption.

From an acoustic point of view, the combustion noise of Diesel engines is one of the most negative aspects, since it constitutes the main source of noise in vehicles that use this type of engine. In the conventional ones and especially in the new diesel combustion concepts, the burning of the fuel in pre-mixed conditions causes a sudden increase in pressure, thus deteriorating the quality of the combustion noise. Based on the above, the objective of this study is to evaluate the combustion noise of the PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) concept, and of the use of some alternative fuels. To this end, it has been proposed to carry out experimental tests, which allow the characterization of the combustion noise and the establishment of cause-effect relationships between the characteristics of the combustion process, and the sound quality and the overall noise level.

The results have clearly shown that the combustion noise is noticeably worse in the PCCI concept. Regarding the use of alternative fuels, at various points of conventional operation, when comparing the results with those of standard diesel fuel, little variation was observed in the sound quality and the overall level of combustion noise.

Keywords: Combustion noise, Biodiesel, New Combustion concepts, Performance, Emissions.

Palabras clave: Ruido de combustión, Biodiesel, Nuevos conceptos de Combustión, Prestaciones, Emisiones.

Sumario: 1. Introducción y descripción del problema. 2. Metodología. 3. Ruido de combustión del concepto

PCCI. 4. Ruido de combustión de los combustibles alternativos. 5. Conclusiones. 6. Referencia bibliográficas.

Contents: 1. Introduction and description of the problem. 2. Methodology. 3. Combustion noise of the PCCI concept. 4. Combustion noise of alternative fuels. 5. Conclusions. 6. Bibliographic reference.

Desde su creación el motor Diesel ha estado en un continuo desarrollo, lo cual lo ha posicionado como el

sistema de propulsión más usado en Europa. Su preferencia se ha debido a las mejoras de las prestaciones,

al confort en la conducción de vehículos equipados con estos motores, y a la capacidad que ofrecen para

afrontar las restrictivas normativas medioambientales a las cuales se ven sometidos día a día (Mónico, 2013).

Sin embargo, a pesar de los grandes avances que han tenido los motores de combustión interna desde sus

inicios y los múltiples beneficios que han proporcionado a la humanidad, estos sistemas de propulsión, no

están exentos de inconvenientes, siendo sus principales problemas el uso de combustibles derivados del

petróleo, los altos niveles de emisiones contaminantes, y los elevados niveles de ruido que producen. Las

emisiones generadas por los motores Diesel son una de las mayores fuentes de contaminación ambiental en

el mundo. Las 4 principales emisiones producidas por este sistema de propulsión son las partículas,

hidrocarburos sin quemar (UHC), monóxido de carbono (CO), y óxidos de nitrógeno (NOx) (Mónico, 2013).

Para afrontar las dificultades de este tipo de motor, se han propuesto diferentes acciones entre las que se

encuentran conceptos avanzados de combustión que permiten controlar la formación de contaminantes. Uno

de los más importantes es la estrategia de combustión PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) que

sobresale por su fácil implementación. Este concepto de combustión tiene el potencial de reducir

simultáneamente los niveles de NOx y partículas, manteniendo rendimientos similares a los de la combustión

Diesel convencional. El concepto PCCI se caracteriza por emplear inyecciones tempranas, las cuales hacen

que el inicio de la combustión se dé cerca al PMS, haciendo que más combustible se queme en condiciones

premezcladas (Lilik G. K., 2009). Este proceso resulta en una rápida liberación de calor que trae como

consecuencia velocidades de variación de la presión importantes. Este tipo de combustión requiere altos

índices de Recirculación de Gases de Escape (EGR) para disminuir la temperatura de combustión y aumentar

el tiempo de retraso, lo cual ayuda a reducir la formación de NOx y partículas.

Introducción y descripción del problema

35

Por otra parte, estos sistemas de propulsión emplean grandes cantidades de combustibles fósiles. Por esta

razón, los combustibles sintéticos y de origen natural han tomado un gran interés en los últimos años no sólo

por ser uno de los principales sustitutos de los combustibles derivados del petróleo, sino también por su

facilidad de producción, utilización, almacenamiento y la reducción significativa de emisiones, especialmente

de CO2 (Muncrief R. L., 2008) (Schumacher L. G., 1996).

Para conseguir los objetivos propuestos, el punto de partida fue la exploración y evaluación del estado actual

de los conocimientos relacionados con el ruido de combustión, reducción de emisiones contaminantes y

rendimiento de conceptos avanzados de combustión, así como del uso de combustibles alternativos en

motores Diesel. A partir de lo encontrado en la literatura, se obtuvo una visión general de los problemas

relacionados con la generación del ruido, emisiones y prestaciones de estas nuevas formas de funcionamiento

de los motores Diesel.

Posteriormente, fue necesario modificar el motor Diesel de combustión convencional con el que se contaba,

para que pudiera operar bajo el nuevo concepto de combustión PCCI. Además de esto, fue necesaria la puesta

a punto de la instalación experimental, para que el motor pudiera fácilmente utilizar los diferentes combustibles

a ensayar y registrar la evolución de la presión en cada uno de los cilindros y el ruido radiado por el motor.

Una vez establecida la metodología experimental. Se empleó la metodología de la descomposición de la señal

de presión, ya que permite estudiar el problema del ruido de combustión desde la fuente, permitiendo

establecer correlaciones directas entre los mecanismos físicos de la fuente extraídos de la señal de la presión

en el cilindro y el nivel de ruido y la calidad sonora del mismo (Mónico, 2013).

Para el estudio del ruido de combustión del concepto PCCI se seleccionó una condición de operación que

desde el punto de vista del ruido de combustión tuviera una baja calidad sonora en condiciones convencionales

de funcionamiento. Los parámetros de funcionamiento que se mantuvieron constantes en todos los ensayos

fueron la temperatura en la admisión, el número de inyecciones y la cantidad de masa total de combustible

inyectada. Por su parte, se modificó la concentración de oxígeno en la admisión, la presión y el avance de la

inyección (Mónico, 2013).

En cuanto al estudio del impacto del uso de combustibles alternativos sobre la calidad sonora y nivel global

del ruido de combustión, las prestaciones y los niveles de NOx y partículas de un motor Diesel se usaron seis

mezclas de biodiesel en diferentes concentraciones volumétricas y un combustible sintético en 15 diferentes

puntos de operación convencionales. Estas condiciones fueron elegidas porque son puntos de operación del

motor en el cual el ruido de combustión con combustible Diesel convencional tiene calidad sonora poco

aceptable (notas inferiores a 7). Los ensayos con cada uno de los combustibles alternativos se realizaron a

iso-par respecto a la condición con combustible Diesel estándar. Los parámetros que se mantuvieron iguales

en cada una de las condiciones desarrolladas fueron: la cantidad de masa de combustible inyectada en la

inyección piloto, presión de inyección, avances de las inyecciones piloto y principal, y el flujo de masa de aire

(Mónico, 2013).

En la

Gráfica 1, se presenta la metodología general empleada tanto para el estudio de ruido de combustión del

concepto PCCI y del uso de combustibles alternativos, y en la Tablas 1 el plan de ensayos del concepto PCCI,

en la Tabla 2 las propiedades de los combustibles empleados en el plan de ensayos de combustibles

alternativos; donde D es 100% de Diesel, RB las mezclas de soja y RB las mezclas con colza y FT 100% de

Fischer Tropsch. Finalmente, en la

Gráfica 2, se muestran los 15 puntos de operación en los cuales se usaron los combustibles alternativos, estos

puntos son seleccionados ya que desde el punto de vista de ruido son críticos.

Metodología

36

Gráfica 1. Metodología empleada para el estudio de ruido de combustión en conceptos avanzados de combustión Diesel

Fuente: Tomada de (Mónico, 2013).

Tabla 1. Plan de ensayos concepto de combustión PCCI.

Presión de inyección (bar) O2 admisión SOE (º antes del PMS)

600

10

60; de 58 a 2 cada 4; PMS

12

14,5

800

10

12

14,5


37

Tabla 2. Propiedades de los combustibles empleados en el plan de ensayos de combustibles alternativos.

Combustible Densidad 15ºC (kg/m3)

Índice de Cetano

Viscosidad 40ºC (sCt)

Poder calorífico (MJ

kg-1)

D 839.3 51.2 2.676 45.2

SB30 855.4 51.7 3.419 43.6

SB50 866.9 52.1 3.571 42.5

SB80 874.1 59.4 3.958 40.7

RB30 854.2 51.7 3.496 43.7

RB50 865.0 52.1 3.636 42.4

RB80 873.9 60.0 4.094 40.7

FT 772.0 78.1 2.785 47.0 Fuente: Tomada de (Mónico, 2013).

Gráfica 2. Distribución de las condiciones de operación sobre el mapa del motor.


A través de la técnica de descomposición de la señal de presión en cilindro, se calculó el nivel global y la

calidad sonora del ruido de combustión de todas las condiciones de operación establecidas en la metodología,

los cuales son mostrados en la

Gráfica 3. De esta es posible observar que el ruido total y la calidad sonora están fuertemente correlacionados,

siendo el nivel de ruido inversamente proporcional a la nota del ruido de combustión PCCI (Mónico, 2013). El

Resultados

Ruido de combustión del concepto PCCI

38

avance de la inyección fue modificado actuando sobre la señal de activación del inyector (SOE: Start of

Energizing): se consideraron 17 valores diferentes de SOE.

Gráfica 3. Ruido de combustión del concepto de combustión PCCI: Ruido global (a) y calidad sonora (b).

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

SOE [º]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

NO

TA

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

SOE [º]

75

80

85

90

95

100

ON

[d

B]

600bar 14.5%O2

800bar 14.5%O2

600bar 12%O2

800bar 12%O2

600bar 10%O2

800bar 10%O2

Nivel de Aceptación

a) b)


Con respecto a la nota del ruido del motor, se observa que el nivel de aceptación (nota de 7), puede ser superado con inyecciones muy adelantadas o muy retrasadas hasta unos pocos grados antes del PMS. Sin embargo, el uso de inyecciones muy adelantadas empeora el rendimiento del motor, debido al choque de combustible con la pared del cilindro. Por otra parte, con las inyecciones muy retrasadas, el potencial de la combustión PCCI para la reducción de emisiones no es tan favorable, como se mostrará más adelante (Mónico, 2013). Es evidente el gran impacto que tiene la concentración de oxígeno en la admisión del motor sobre el nivel de ruido, y consecuentemente sobre la calidad sonora del mismo. Al incrementar la concentración de oxígeno en la admisión se produce una disminución de la calidad sonora, quedando de esta forma una única zona que sobrepasa el umbral de aceptación, la cual está entre los 50º y 30º antes del PMS con la más baja concentración de oxígeno (Mónico, 2013). Al disminuir la concentración de oxígeno con el incremento de la tasa de EGR, el tiempo de retraso aumenta, y por consiguiente la mezcla de aire/combustible antes de la combustión mejora, lo cual evita regiones de alta temperatura (Timothy J. Jacobs, 2005). Como se comenta en algunos trabajos, en la combustión PCCI, al realizar un incremento del EGR (concentraciones de oxígeno menores al 12%), se estabiliza y se centra el proceso de combustión y se obtiene una liberación de calor más gradual (una combustión más suave), con lo cual es posible lograr importantes reducciones del ruido de combustión para cualquier avance, debido a la disminución del valor medio de la presión en el cilindro (Gregory K. Lilik, 2009) (Tiegang Fang, 2009) (Yao, 2009). La Gráfica 4 muestra una comparación de la señal de presión en el cilindro para las tres concentraciones de oxígeno en la admisión empleadas con un avance de la inyección de 26º antes del PMS y una presión de inyección 800 bar, donde se observa que la combustión es menos abrupta cuando la concentración de oxígeno en la admisión se reduce (Mónico, 2013).

Gráfica 4. Efecto de la [O2]ADM sobre la presión en el cilindro.

-75 -50 -25 0 25 50 75Angúlo de giro de cigüeñal [º]

0

2

4

6

8

10

Pre

sió

n [

MP

a]

14.5% O2

12% O2

10% O2

39


Adicionalmente, se pueden obtener niveles aceptables de calidad sonora operando el motor con combustión

convencional; es decir, con avances de inyección de combustible cercanos al PMS, o con inyecciones muy

tempranas, alrededor de 54º antes del PMS para la mayoría de las concentraciones de oxígeno en la admisión.

La

Gráfica 5 muestra la sensibilidad de la presión en el cilindro y la velocidad de combustión (representada por la

derivada de la presión de la señal de combustión) para 11 avances de inyección con concentración de oxígeno

del 10% y presión de inyección de 800 bar. En la

Gráfica 5 (a) se evidencia que el máximo de la presión en el cilindro aumenta con el adelanto de la inyección

hasta aproximadamente 26º o 22º antes del PMS. En los puntos en donde la inyección es cercana al PMS, la

velocidad a la cual se desarrolla la combustión es muy baja, lo cual favorece a la reducción del ruido de

combustión (Mónico, 2013).

Por su parte, los avances de inyección más adelantados causan una reducción del máximo de la presión,

disminuyendo hasta un mínimo en los 38º antes del PMS y posteriormente aumenta de nuevo, como se

muestra en la

Gráfica 5 (b). Una tendencia similar se observa también con el máximo de la derivada de la presión durante la

combustión, mostrado en las

Gráfica 5 (c) y (d). La evolución de las señales de presión explica la tendencia de la nota de la calidad sonora

del ruido de combustión presentada en la

Gráfica 3 (b), la cual empeora cuando la velocidad de quemado del combustible es mayor, haciendo que la

presión en cilindro también aumente y consecuentemente, que la contribución de la resonancia de la cámara

de combustión llegue a ser más importante (Mónico, 2013). Las tendencias observadas en la

Gráfica 5, son similares a los resultados obtenidos por Benajes (Jesús Benajes, 2008) en su trabajo de

combustión parcialmente premezclada.

Gráfica 5. Efecto del avance de la inyección sobre: la presión en el cilindro (a) y (b) y derivada de la presión de la señal de combustión (c) y (d)

40

para 800 bar y [O2]ADM del 10%.

-50 -25 0 25 50Angúlo de giro de cigüeñal [º]

0

2

4

6

8

Pre

sió

n [

MP

a]

SOE-26º

-22º

-18º

-14º

-10º

-6º

-50 -25 0 25 50Angúlo de giro de cigüeñal [º]

0

2

4

6

8

Pre

sió

n [

MP

a]

SOE-46º

-42º

-38º

-34º

-30º

-26º

-10 0 10 20 30Angúlo de giro de cigüeñal [º]

-2

0

2

4

6

8

dP

/dt c

om

b [

MP

a/m

s]

SOE-26º

-22º

-18º

-14º

-10º

-6º

-10 0 10 20 30Angúlo de giro de cigüeñal [º]

-2

0

2

4

6

8

dP

/dt c

om

b [

MP

a/m

s]

SOE-46º

-42º

-38º

-34º

-30º

-26º

a) b)

c) d)


Por otro lado, el efecto de la presión de inyección sobre el ruido de combustión es menos notable y disminuye aún más su importancia con la reducción de la concentración de oxígeno en la admisión. Con el objetivo de cuantificar e identificar una presión de inyección óptima para todas las condiciones de operación desarrolladas, se definió la relación ξ como:

ξ= NOTA800 /NOTA600 (1) donde, NOTA800 y NOTA600 son las notas de ruido obtenidas con las presiones de inyección de 800 y 600 bar, respectivamente (Mónico, 2013). Un valor de ξ de 1 se define como el umbral por debajo del cual la nota que cuantifica la calidad del sonido del ruido del motor con una presión de inyección de 600 bar es mayor, lo cual indica que dicha estrategia es más idónea desde el punto de vista del ruido de combustión. Al aumentar la presión de inyección, el tiempo de retraso es más pequeño, y la combustión es más rápida, produciéndose un incremento más rápido de la presión en el cilindro debido a la mejor atomización del chorro de combustible premezclado (Tiegang Fang, 2009) (Yao, 2009). En la Gráfica 6, se muestra el mapa de contorno de la relación ξ en función del avance de la inyección y de la concentración de oxígeno en la admisión. En el mapa de contorno, se identifica claramente una zona donde la relación es inferior a 0.5, ubicada en concentraciones de oxígeno mayores al 13% y avances de inyección entre los 26º y 10º antes del PMS. Esta zona representa solo el 15% de los casos, lo cual demuestra el poco efecto que tiene la presión de inyección sobre el ruido del motor (Mónico, 2013).

41

Gráfica 6. Sensibilidad de la relación ξ al avance de la inyección y [O2]ADM.


Emisiones contaminantes y rendimiento del motor del concepto PCCI Con respecto al rendimiento, como se muestra en la Gráfica 7 (a), en las condiciones de avances de la inyección más adelantados, el par del motor inicialmente aumenta con el retraso de la inyección hasta alrededor de los 18º antes del PMS. Posteriormente, el par se mantiene constante y luego cae rápidamente para los avances en los cuales la inyección del combustible es muy cercana al PMS. Solo unas muy pocas estrategias de operación sobrepasan los 38Nm, que es el par producido por una combustión convencional. Estas estrategias tienen avances de inyección a partir de los 18º antes del PMS, lo cual las posiciona fuera del rango de combustión PCCI (Mónico, 2013). En el rango adecuado de avances de inyección para la combustión PCCI (avances mayores que 18º antes del PMS), las condiciones que emplean inyecciones demasiado adelantadas no son las más óptimas, porque en estas condiciones se produce un significativo impacto de combustible sobre la pared del cilindro, lo cual explica parcialmente la brusca reducción del rendimiento del motor (Mónico, 2013). Con respecto a los resultados de las emisiones contaminantes, en la Gráfica 7 (b) se observa cómo las emisiones de NOx disminuyen rápidamente con la caída de la concentración de oxígeno en la admisión (altas tasas de EGR). Disminuir la concentración de oxígeno es una de las maneras más efectivas para controlar la formación de NOx, debido a que se evitan regiones de alta temperatura en el cilindro. Las altas tasas de EGR producen una disminución del nivel máximo de la temperatura adiabática de llama, la cual es uno de los principales precursores de la formación de NOx (Hanho Yun, 2008). En la Gráfica 7 (b) es claro que con la mayor concentración de oxígeno (14.5%), los niveles de NOx para casi todas las condiciones están por encima del valor de NOx producido con una combustión convencional, es decir 80 ppm. En este punto, es importante aclarar que en algunas estrategias los NOx medidos se encuentran cercanos al umbral de medida del equipo (Mónico, 2013). Para las concentraciones de oxígeno del 10% y 12% ocurre una situación similar, pero en esta ocasión el problema es el alto nivel de partículas producido especialmente en el rango de avances de inyección típicos de la combustión PCCI (entre 38 y 26º antes del PMS). Las partículas disminuyen con el incremento de la presión de inyección por la mejor atomización y mezcla del combustible (Prashanth K. Karra, 2008) (Andrew M. Ickes, 2009), incluso en zonas con altas tasas de EGR, debido al incremento de la fase de combustión premezclada. Como se muestra en la Gráfica 7, a diferencia de los NOx, los niveles de partículas no tienen una tendencia clara con respecto a la variación de la concentración de oxígeno en la admisión. Consecuentemente con otros trabajos (Dong Han, 2011) (Christof Noehre, 2006), para un mismo avance de la inyección, al disminuir la concentración de oxígeno de 14.5% a 12%, las partículas aumentan. Este aumento

42

es el efecto de la menor oxidación de partículas, debido a la disminución de la cantidad de oxígeno disponible. La posterior disminución de partículas de la concentración de 12% a 10% se puede atribuir a que hay más premezcla en estas estrategias (Mónico, 2013).

Gráfica 7. Rendimiento del motor y emisiones contaminantes en todas las estrategias: par (a), NOx (b) y partículas (c).

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

SOE [º]

0

60

120

180

240

300

360

PM

[m

g/m

3 ]

0

40

80

120

160

200

240

280

320

NO

x [

pp

m]

600bar 14.5%O2

800bar 14.5%O2

600bar 12%O2

800bar 12%O2

600bar 10%O2

800bar 10%O2

Límite de NOx

Límite de PM

Par Nominal

10

15

20

25

30

35

40

45

Par

[N

m]

b)

c)

a)


Trade-off ruido de combustión, emisiones contaminantes y rendimiento del motor. Los resultados del ruido de combustión junto con la información combinada de las emisiones contaminantes se presentan en la Gráfica 8. La zona con trama (área punteada) en estos mapas representa el rango en el cual las emisiones de NOx y partículas se encuentran bien sea ambos o alguno de los dos por encima de los límites determinados, es decir, los niveles de emisiones de una combustión convencional, y las líneas indican la calidad sonora del ruido de combustión. Es evidente que en el rango habitual de avances de inyección para combustión PCCI (entre 30 y 18º antes del PMS) la nota del ruido de combustión está por debajo del nivel de aceptación, independientemente de la configuración. Lo anteriormente dicho, confirma que los altos niveles del ruido de combustión emitidos por el concepto PCCI limitan su uso en automóviles (Mónico, 2013).

Gráfica 8. Condiciones de operación en las cuales la combustión PCCI permiten mantener los NOx y partículas en niveles bajos para dos niveles

43

de presiones: 800 bar (a) y 600 bar (b).


Si sólo se consideran las emisiones contaminantes y la calidad del ruido de combustión, la mejor configuración para implementar el concepto PCCI es usando la concentración de oxígeno más baja en la admisión, avances de inyección entre -60º y -38º antes del PMS y la mayor presión de inyección. A pesar de los bajos niveles de NOx y partículas, es importante también considerar las emisiones de CO2, para confirmar la viabilidad del concepto PCCI. Debido a que en todos los ensayos la masa de combustible inyectada fue la misma, al igual que la velocidad del motor, el par producido varía inversamente con el consumo específico de combustible, el cual es un indicador idóneo de las emisiones de CO2 (Mónico, 2013).

En la

Gráfica 9 se muestran las notas de la calidad sonora del ruido de combustión, calculadas empleando el

procedimiento de la descomposición de la señal de la presión en cilindro (F Payri A. B., 2005) y la correlación

propuesta por Payri et al. (F Payri A. B., 2009), para todos los combustibles ensayados. Teniendo en cuenta

que una nota de 7 representa el límite de confort para el ruido de combustión, los resultados evidencian que

el ruido del motor es un aspecto crítico que debe ser mejorado. Independientemente del combustible usado,

el límite de aceptación solo es superado en condiciones de bajo par. Con el incremento del par, la nota

disminuye hasta valores inaceptables debido al rápido aumento de la presión durante el proceso de combustión

(Mónico, 2013).

Ruido de combustión de los combustibles alternativos

44

Gráfica 9. Contorno de la calidad del ruido de combustión para los diferentes combustibles.


Al comparar los mapas de contorno de las notas del ruido de combustión de las mezclas de biodiesel con el

combustible Diesel estándar, a simple vista no se observan grandes diferencias en los resultados de la calidad

sonora. Sin embargo, al realizar un análisis más detallado de la evolución de la señal de presión en el cilindro,

se observan ligeros cambios en la fase de combustión, que se caracterizan por leves modificaciones en la

variación temporal de la señal de presión al emplear biodiesel y por tal razón, se obtienen cambios sutiles en

la calidad sonora del ruido de combustión. Entre los factores que influyen en la ligera variación de la nota de

la calidad sonora se destaca el número de cetano. El mayor número de cetano del biodiesel comparado con

el combustible Diesel, hace que el tiempo de retraso de estos combustibles sea más corto (Mónico, 2013).

En el 61% de los casos en los cuales se utilizaron las mezclas de biodiesel, la calidad sonora aumentó en

comparación con la del combustible Diesel estándar. El aumento de la nota de la calidad sonora se debe a

que el mayor índice de cetano de estas mezclas tiende a acortar el tiempo de retraso, reduciendo así la fase

de combustión premezclada, y, por consiguiente, se produce una disminución de la variación temporal de la

presión en el cilindro (Mónico, 2013).

Con respecto a la concentración volumétrica, bien sea de soja ó de colza en el total de la mezcla, los resultados

muestran que la nota del ruido de combustión empeora a medida que incrementa el contenido de biodiesel en

la mezcla para la mayoría de las condiciones de operación. Al comparar los resultados obtenidos con los dos

tipos de biodiesel, se observa que la calidad sonora con las mezclas de soja es más alta que las de colza.

45

Cabe aclarar que las diferencias de calidad sonora obtenidas al emplear estos dos tipos de combustible y el

Diesel estándar no sobrepasa la unidad (Mónico, 2013).

Por otra parte, en el restante 39% de los casos en los cuales se utilizaron las mezclas de biodiesel, la nota se

redujo hasta un máximo de 0.82 con colza al 80% y 0.63 con soja al 80%, en comparación con las notas con

combustible Diesel estándar (Mónico, 2013).

Con el Fischer Tropsch, la nota se reduce hasta un 13%, (reducción de 0.91), con respecto al combustible

Diesel estándar. Estos resultados se deben en parte a una notable reducción del tiempo de retraso, esto trae

como consecuencia una mayor velocidad en la primera fase de la combustión. A pesar de su menor densidad,

el mayor poder calorífico del Fischer Tropsch fuerza a la reducción de la duración de la inyección, para

mantener la masa de combustible inyectada constante. Esto hace que más combustible sea quemado en la

fase de combustión premezclada y así se produzcan mayores variaciones de la señal de presión en cilindro

durante la combustión (Mónico, 2013).

Por otra parte, al evaluar el nivel de ruido producido, se ve de manera general que, con el incremento tanto del

par como del régimen, se da un aumento del ruido global; tal como se observa en la Gráfica 10. Al comparar

los dos tipos de biodiesel, se observa que en la mayoría de los casos en los que se uso biodiesel a base de

colza, el nivel global del ruido de combustión se mantuvo por debajo que el del combustible Diesel estándar.

En cuanto al Fischer Tropsch, el máximo aumento del ruido global fue de 1.75 dB (Mónico, 2013).

Gráfica 10. Contorno del ruido global para los diferentes combustibles.


46

Emisiones contaminantes y rendimiento del motor con combustibles alternativos.

Los niveles de emisiones de partículas producidos con el combustible convencional, las seis mezclas de

biodiesel y el combustible sintético se muestran en la Gráfica 11. Estos resultados indican que

independientemente del combustible usado, los máximos niveles de partículas se dan en zonas de alto grado

de carga y alto régimen, donde la demanda de potencia causa una reducción del dosado (Mónico, 2013).

Con las mezclas de biodiesel, se logra apreciar una reducción significativa de los niveles de partículas en

comparación con el combustible Diesel, como se muestra en la Gráfica 11. Dicha reducción se va haciendo

más evidente a medida que el contenido de biodiesel en la mezcla de combustible aumenta. De acuerdo con

Lapuerta (Magín Lapuerta O. A.-F., 2008), el factor más importante que induce la reducción de partículas es

el contenido de oxígeno en la molécula del biodiesel, el cual permite una combustión más completa incluso en

regiones de la cámara de combustión donde se tiene presencia de mezclas ricas, lo cual promueve la oxidación

del hollín ya formado. Al ser más bajo el punto final de ebullición de las mezclas de biodiesel en relación con

el del combustible Diesel convencional, se garantiza una completa evaporación del combustible líquido, lo cual

contribuye a reducir también los niveles de partículas (Magín Lapuerta O. A., 2005).

Adicionalmente, el hecho de que el biodiesel tenga un bajo contenido de azufre y aromáticos y que ambos

componentes sean precursores de partículas, son otras de las razones por las que las emisiones de partículas

se reducen con estos tipos de combustibles (Seung Hyun Yoon H. K., 2009). Al comparar los dos tipos de

biodiesel, se observa que los niveles de partículas se reducen más cuando se emplea el biodiesel a base de

colza, a pesar de que las propiedades de ambos combustibles son muy similares (Mónico, 2013).

Gráfica 11. Contorno de las emisiones de partículas para los diferentes combustibles.

47


Con el Fischer Tropsch, los niveles de emisiones de partículas son más bajos que los obtenidos con el

combustible Diesel estándar. Sin embargo, estos niveles son mayores que los obtenidos con cualquiera de los

dos tipos de biodiesel. A pesar que el mayor poder calorífico del Fischer Tropsch induce a usar una menor

relación de combustible/aire en los ensayos para mantener constante el gasto másico de aire, es importante

aclarar que dado que el Fischer Tropsch tiene un menor dosado estequiometrico en comparación al

combustible Diesel (1/14.92 y 1/14.54, respectivamente), la reducción de partículas no puede ser atribuida con

certeza a un exceso de aire. En efecto, la reducción de los niveles de partículas podría estar relacionada con

que el Fischer Tropsch es un combustible libre de azufre y con bajo nivel de aromáticos (Huang Yongcheng,

2005) (Yongcheng HUANG, 2008). Por otro lado, los niveles de NOx para los combustibles ensayados se muestran en la

Gráfica 12. La tendencia general para todos los combustibles usados es el incremento de las emisiones de

NOx con el aumento del par. Esto se debe a una mayor presión y temperatura de combustión que se produce

en las zonas de alto grado de carga del motor. Particularmente, condiciones de operación con par menor a

100 Nm y velocidades del motor hasta las 2250 rpm tienen bajas emisiones de NOx debido a las altas tasas

de EGR que se emplean en estas condiciones (Mónico, 2013).

Gráfica 12. Contorno de las emisiones de NOx para los diferentes combustibles.


48

A diferencia de la clara tendencia de las partículas, el impacto del biodiesel sobre las emisiones de NOx es

más difícil de analizar. Para los combustibles oxigenados, los NOx no cambian de manera uniforme para todas

las velocidades y cargas (Robert L Mccormick, 1997). En condiciones de alto grado de carga, los niveles de

NOx producidos con biodiesel son similares a los que se emiten al usar el combustible Diesel estándar. Las

emisiones de NOx obtenidas con ambos tipos de biodiesel son muy parecidas debido a la similitud de sus

propiedades. Además, los resultados muestran que, al incrementar el contenido de biodiesel en la mezcla, las

emisiones de NOx disminuyen ligeramente (Mónico, 2013).

A pesar que la mayoría de los resultados disponibles en la literatura muestran que las emisiones de NOx

aumentan con biodiesel, no existe una única explicación para dichas tendencias (Mónico, 2013).

El efecto del Fischer Tropsch sobre las emisiones de NOx es similar al observado con el biodiesel, debido a

que su número de cetano es mayor al del combustible Diesel. Con el Fischer Tropsch, al ser los tiempos de

retraso más cortos, se reduce la cantidad de energía liberada durante la fase de combustión premezclada,

resultando en la reducción de la máxima presión de combustión y temperatura del gas en el cilindro,

obteniéndose de esta manera una baja formación de NOx. Por otro lado, el contenido de aromáticos

extremadamente bajo del Fischer Tropsch, puede disminuir la temperatura adiabática de llama y, por ende, las

emisiones de NOx (Huang Yongcheng, 2005) (Yongcheng HUANG, 2008).

Gráfica 13. Contorno del consumo de combustible para los diferentes combustibles.


49

En la Gráfica 13 se muestra que el consumo específico de combustible aumenta cuando el motor funciona con

biodiesel. Estos resultados se deben a que el poder calorífico de las mezclas de biodiesel es más bajo que el

del combustible Diesel estándar. Debido a esto, con las mezclas de biodiesel es necesario utilizar más

combustible para desarrollar el mismo par que se produce con el combustible Diesel estándar. El poder

calorífico de las mezclas de biodiesel disminuye en proporción al incremento del contenido de éste y como

consecuencia el consumo de combustible aumenta. El consumo especifico de combustible de las mezclas de

colza y soja son muy similares. Esto se debe a que la densidad, viscosidad y número de cetano de la colza y

la soja son similares, y, por ende, no se espera una variación apreciable del consumo del motor (Mónico,

2013).

Con relación al Fischer Tropsch, su alto poder calorífico permite una notable mejora del consumo específico

de combustible, como se muestra en la Gráfica 13. Con este combustible sintético, la máxima reducción del

consumo específico de combustible fue de 20 g/kWh en condiciones de media carga para todos los regímenes

(Mónico, 2013).

Trade-off entre el ruido de combustión, emisiones contaminantes y rendimiento

Hasta este punto se han analizado por separado los resultados de las emisiones contaminantes, ruido de

combustión y rendimiento del motor. Sin embargo, es de gran importancia conocer si algunos de los

combustibles o mezclas están en capacidad de ser un sustituto idóneo del combustible Diesel estándar al

relacionar todos los parámetros mencionados anteriormente.

Gráfica 14. Contorno del trade-off entre las emisiones y ruido para los diferentes combustibles.

Fuente: Tomada de (Mónico, 2013)

50

Como punto de partida, es importante saber si estos combustibles alternativos pueden superar el conocido trade-off que existe entre las partículas y los NOx. En la

Gráfica 14 se muestra el trade-off entre los niveles de NOx y partículas de los diferentes combustibles. En esta

grafica se observa, que en una gran cantidad de los puntos se producen bajos niveles de NOx y partículas

simultáneamente, especialmente con las mezclas de biodiesel y el Fischer Tropsch (Mónico, 2013).

Adicionalmente, por medio de una línea punteada se resaltan las zonas donde la calidad sonora es aceptable

o tiene una nota mayor a 7. Como se observa, estas condiciones se dan a baja carga, especialmente al usar

las mezclas de biodiesel. Con el Fischer Tropsch, solo se tiene una única condición de operación con calidad

sonora aceptable a baja carga y alto régimen. Los resultados más satisfactorios en cuanto a la reducción de

emisiones contaminantes y mejora de la calidad sonora con combustibles alternativos, se dan con la mayoría

de las mezclas de biodiesel en condiciones de funcionamiento de 1900 y 2850 rpm y 20 Nm (Mónico, 2013). .

De los resultados obtenidos del estudio del nuevo concepto de combustión PCCI se plantean las siguientes

conclusiones:

Se comprobó que este concepto es altamente sensible a la concentración de oxígeno en la admisión y al inicio

de la inyección y que, por el contrario, la presión de inyección tiene un efecto irrelevante. Las mejores notas

de calidad sonora se alcanzaron con la concentración de oxígeno más baja (10%), y en avances de inyección

muy tempranos (entre 46º y 30º antes del PMS).

En relación a los niveles de emisiones contaminantes, los niveles de NOx son principalmente controlados por

la concentración de oxígeno en la admisión, dándose los niveles más bajos con la concentración de oxígeno

más baja. Las partículas disminuyeron con el incremento de la presión de inyección por la mejor atomización

y mezcla del combustible. Con respecto al rendimiento del motor, no se evidenciaron cambios relevantes entre

las distintas concentraciones empleadas.

De los resultados obtenidos en el estudio sobre el empleo de combustibles alternativos, las conclusiones más

importantes son:

Desde el punto de vista acústico, el ruido de combustión es poco sensible a los combustibles de origen vegetal

y sintético, ya que en ninguno de los casos se dieron importantes variaciones en la nota de la calidad sonora.

Comparado con el combustible Diesel estándar, las mezclas de biodiesel permiten reducir las emisiones de

partículas en proporción al porcentaje de biodiesel presente en la mezcla, mientras que las emisiones de NOx

no presentan una tendencia definida y varían según la condición de operación.

Los resultados de las emisiones contaminantes producidas con el combustible Fischer Tropsch fueron

similares a aquellos obtenidos las mezclas de biodiesel, es decir, reducción de los niveles de partículas, y

mayor y menor nivel de emisión de NOx, según la condición de funcionamiento del motor.

Debido a su bajo poder calorífico, el consumo de combustible del motor con biodiesel aumenta a diferencia del

Fischer Tropsch el cual permite una reducción del consumo.

*Este capítulo es producto de la tesis doctoral titulada “Contribución al estudio del ruido de combustión en

conceptos avanzados de combustión Diesel” realizada en el Departamento de Máquinas y Motores Térmicos

de la Universitat Politècnica de València - España.

Conclusiones

51

Andrew M. Ickes, S. V. (2009). Effect of 2-Ethylhexyl Nitrate Cetane Improver on NOx Emissions from

Premixed Low - Temperature Diesel Combustion. Energy & Fuels, 4943–4948. Christof Noehre, M. A. (2006). Characterization of Partially Premixed Combustion. SAE TECHNICAL

PAPER SERIES, 1-19. Dong Han, A. M. (2011). Premixed low-temperature combustion of blends of diesel and gasoline in a high

speed compression ignition engine. Proceedings of the Combustion Institute, 3039–3046. F Payri, A. B. (2005). New methodology for in-cylinder pressure analysis in direct injection diesel engines—

application to combustion noise. MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, 540–547. F Payri, A. B. (2009). Sound quality assessment of Diesel combustion noise using in-cylinder pressure

components. MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY. Gregory K. Lilik, J. M. (2009). Advanced Combustion Operation in a Compression Ignition Engine. Energy &

Fuels, 143-150. Hanho Yun, M. S. (2008). Development of Premixed Low-Temperature Diesel Combustion in a HSDI Diesel

Engine. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, 1-17. Huang Yongcheng, Z. L. (2005). Study on the performance and emissions of a compression ignition engine

fuelled with Fischer–Tropsch diesel fuel. Part D: J. Automobile Engineering, 827-835. Jesús Benajes, S. M. (2008). Advanced Injection Strategies to Attain Partially Premixed Combustion

Process in a Heavy Duty Diesel Engine. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, 1-19. Lilik G. K., M. J. (2009). Advanced combustion operation in a compression ignition engine. Energy & Fuels,

143-150. Magín Lapuerta, O. A. (2005). Diesel emissions from biofuels derived from Spanish potential vegetable oils.

Fuel, 773–780. Magín Lapuerta, O. A.-F. (2008). Effect of biodiesel fuels on diesel engine emissions. Progress in Energy

and Combustion Science, 198–223. Mónico, L. F. (2013). Contribución al estudio del ruido de Combustión en Conceptos Avanzados de

Combustión Diesel. Valencia - España. Muncrief R. L., R. C. (2008). Combining biodiesel and exhaust gas recirculation for reduction in NOx and

particulate emissions. Energy & Fuels, 1285-1296. Prashanth K. Karra, M. K.-C. (2008). Characteristics of Engine Emissions Using Biodiesel Blends in Low-

Temperature Combustion Regimes. Energy & Fuels, 3763–3770. Robert L Mccormick, J. D. (1997). Effect of Several Oxygenates on Regulated Emissions from Heavy-Duty

Diesel Engines. Environ. Sci. Technol, 144-1150. Schumacher L. G., B. S. (1996). Heavy-duty engine exhaust emission tests using methyl ester soybean.

Bioresource Technology, 31-36. Seung Hyun Yoon, H. K. (2009). Effect of Spray and EGR Rate on the Combustion and Emission

Characteristics of Biodiesel Fuel in a Compression Ignition Engine. Energy & Fuels, 1486–1493. Seung Hyun Yoon, H. K. (2009). Effect of Spray and EGR Rate on the Combustion and Emission

Characteristics of Biodiesel Fuel in a Compression Ignition Engine. Energy & Fuels, 1486–1493. Tiegang Fang, R. E.-f. (2009). Air–fuel mixing and combustion in a small-bore direct injection optically

accessible diesel engine using a retarded single injection strategy. Fuel, 2074–2082. Timothy J. Jacobs, S. V. (2005). Lean and Rich Premixed Compression Ignition Combustion in a Light-Duty

Diesel Engine. SAE TECHNICAL PAPER SERIES, 1-14. Yao, Z. Z. (2009). Mechanism of Oxygen Concentration Effects on Combustion Process and Emissions of

Diesel Engine. Energy & Fuels, 1-11. Yongcheng HUANG, S. W. (2008). Effects of Fischer-Tropsch diesel fuel on combustion and emissions of

direct injection diesel engine. Energy Power Eng, 261–267.

Referencia bibliográfica

52

AEROGENERADOR

Yago Teles Pereira2

Me. Gaspar Eugênio Oliveira Ramos3

Dada la gran expansión de la energía eólica en el escenario energético actual, es necesario difundir métodos

de investigación capaces de reproducir los efectos de esta generación en las condiciones de una simulación

práctica. El objetivo de este trabajo fue construir y poner a disposición el aerogenerador, para el uso del prototipo

en estudios sobre energía eólica, siendo una fuente de energía renovable que tiene un gran potencial instalado

a nivel mundial. Para ello, se desarrolló un pequeño aerogenerador con fines académicos, llevándose así a

cabo cada una de las etapas de construcción de este prototipo, desde la elección del modelo del aerogenerador,

materiales a utilizar y detalles específicos que solo debe tener un aerogenerador. para realizar la generación de

energía eléctrica. Los resultados encontrados fueron satisfactorios a la vista del modelo didáctico a pequeña

escala, que permitió verificar los impactos académicos de los estudiantes que tenían dudas y curiosidades sobre

el funcionamiento de un aerogenerador y cómo la energía cinética del viento se convertía en eléctrica. Se

encontró que diversos aspectos y sistemas de la turbina se pueden cambiar y mejorar, buscando así una mayor

eficiencia de la turbina y una mayor generación de energía eléctrica.

Palabras llave: Aerogenerador; Energía eólica; Pequeño generador de viento; Turbina eólica

Given the great expansion of wind energy in the current energy scenario, it is necessary to disseminate research

methods capable of reproducing the effects of this generation under the conditions of a practical simulation. The

objective of this work was to build and make available the wind turbine, for the use of the prototype in studies on

wind energy, being a renewable energy source that has great installed potential worldwide. For this, a small wind

turbine was developed for academic purposes, thus carrying out each of the construction stages of this prototype,

from the choice of the wind turbine model, materials to be used and specific details that only a wind turbine

should have. to generate electricity. The results found were satisfactory in view of the small-scale didactic model,

which allowed to verify the academic impacts of the students who had doubts and curiosities about the operation

of a wind turbine and how the kinetic energy of the wind was converted into electrical energy. It was found that

various aspects and systems of the turbine can be changed and improved, thus seeking greater turbine efficiency

and greater generation of electrical power.

Keywords: Wind turbine; Wind power; Small wind generator; Wind turbine

Sumario: 1. Introducción 2. Método 2.1. Turbinas eólicas verticales y horizontales 2.1.2.

Generadores de velocidad fija y variable 2.1.3. Sistemas de frenado 2.1.4. Tipos de conexión

2.2. Fundamentos de la energía eólica 2.3. Máquina de corriente continua 2.4. metodología 3.

Resultados 4. Discusión y conclusiones 5. Referencia bibliográfica

2 Egresado del 9º período de Ingeniería Eléctrica en el Centro Universitario de Patos de Minas - UNIPAM, [email protected] 3 Licenciado en Ingeniería Eléctrica por la Universidad Federal de Ouro Preto (2016), con una maestría por la Universidad Federal de Uberlândia

(2018), [email protected]

Resumen

Abstract

53

Contents: 1. Introduction 2. Method 2.1. Vertical and horizontal wind turbines 2.1.2. Fixed and variable speed

generators 2.1.3. Braking systems 2.1.4. Connection types 2.2. Fundamentals of wind energy 2.3. Direct current

machine 2.4. methodology 3. Results 4. Discussion and conclusions 5. Bibliographic reference

Varias investigaciones enfocadas en la demanda de energía eléctrica han ido aumentando paulatinamente,

provocando que grandes naciones del mundo busquen una generación basada en fuentes renovables,

reduciendo así el impacto ambiental. En el contexto de las energías renovables, la energía eólica sigue

consolidándose como una fuente prometedora y en creciente explotación a nivel mundial (PARREIRAS; SILVA,

2012).

A principios del siglo XX, Estados Unidos estaba extendiendo el uso de pequeñas turbinas eólicas en granjas y

casas rurales aisladas, Rusia invirtió en la conexión de turbinas eólicas medianas y grandes directamente

conectadas a la red. En Brasil no podía ser diferente, su exploración ha ganado gran importancia entre las

matrices energéticas nacionales en la última década, esto solo fue posible gracias a los aspectos

socioeconómicos y políticas para incentivar el desarrollo de fuentes alternativas (CRESEBS, 2015).

Los vientos recibieron la segunda posición en la matriz energética nacional con 15,1 GW de capacidad instalada,

valor correspondiente al 9,2%, esto con más de 7 mil aerogeneradores distribuidos en 601 parques eólicos. La

Asociación Brasileña de Energía Eólica (ABEEÓLICA, 2019) anunció la previsión de al menos 19,7 GW

instalados, a través de contratos ya posibilitados en subastas, para fines de 2023.

La fuente para la generación de energía eólica es el viento, que se define como el movimiento de masas de aire

en el globo. A través de las masas de aire que integran una inmensa fuente de energía natural, las fuerzas

mecánicas se transforman en energía eléctrica mediante aerogeneradores (ALVARENGA, 2012).

En la actualidad, el escenario de desarrollo y expansión de la energía eólica conduce a un futuro prometedor,

que, de acuerdo con las características mencionadas, demanda una profunda necesidad de investigación y

métodos para las pruebas de rendimiento y comportamiento. Estas pruebas están destinadas a aprovechar el

máximo potencial y mejora tecnológica, así como a estudiar los fenómenos eléctricos y mecánicos provenientes

de esta generación.

Con el objetivo de aplicar un método que supliera las adversidades en los estudios de esta fuente de energía

en amplia expansión en el escenario energético, el presente trabajo tiene como objetivo la construcción de un

prototipo de un pequeño aerogenerador, siendo utilizado para pruebas de desempeño, comportamiento y

también permitir que se mejore o modifique en el futuro.

En esta sesión hablaremos de los aspectos bibliográficos para entender mejor el trabajo en su conjunto,

explicando un poco sobre el funcionamiento de los aerogeneradores, los tipos de aerogeneradores existentes,

características eólicas y componentes fundamentales para la ejecución de este proyecto.

La energía eólica proviene de los vientos, estando incluida entre las fuentes limpias y renovables con gran

disponibilidad en casi todas las regiones. Por tanto, la conversión de la energía eólica en electricidad se realiza

mediante aerogeneradores que transfieren el movimiento mecánico rotacional a un generador eléctrico

(CRESEBS, 2015).

Las turbinas se diferencian en su aerodinámica en cuanto al eje de rotación, pudiendo ser de tipo horizontal o

vertical.

Introducción

Método

Turbinas eólicas verticales y horizontales

54

Figura 1 - Turbina de tipo vertical

Fuente: Gipe, 2019.

Los aerogeneradores de eje vertical no requieren alineación para la dirección del viento, lo que reduce la

complejidad del proyecto. Los componentes del generador se instalan pegados al suelo, facilitando su montaje

y mantenimiento, como se muestra en la figura 1. Sin embargo, estos modelos necesitan un sistema de

arranque, y además, no permiten aprovechar los vientos que se encuentran en lugares más altos, porque son

instalados a baja altura, lo que limita su rendimiento (SILVA, 2014).

Figura 2 - Turbina de tipo horizontal

Fuente: Vestas, 2019.

En la Figura 2 podemos ver los aerogeneradores con eje horizontal, que son mucho más habituales en la

mayoría de parques eólicos. Debido a su estructura física más simple y consistente, tienen un mejor

rendimiento. Estos aerogeneradores varían el número de palas, siendo las tres palas las más habituales, ya

que por su simetría los esfuerzos mecánicos periódicos son nulos (XAVIER, 2012). Sin embargo, la mayor

desventaja de las turbinas horizontales es la necesidad de orientar el eje en la dirección del viento para un mejor

aprovechamiento, debiendo instalarse en lugares con alturas elevadas, requiriendo una gran resistencia de la

estructura y dificultando el mantenimiento (SILVA, 2014).

55

Por las características presentadas, en este trabajo se abordarán los aerogeneradores de eje horizontal.

Estas turbinas varían en el número de palas, siendo las tres palas las más habituales, ya que la simetría en

esta configuración anula los esfuerzos mecánicos periódicos (XAVIER, 2012). Las desventajas de estos

sistemas son la necesidad de orientar el eje en la dirección del viento para un mejor aprovechamiento, debiendo

posicionarse a mayores alturas, requiriendo una gran resistencia de la estructura y dificultando el

mantenimiento. Por los aspectos presentados, en este trabajo se abordarán los aerogeneradores de eje.

horizontal.

Figura 3 - Componentes de una turbina eólica de eje horizontal

Fuente: Energías renovables, 2008.

En la Figura 3 podemos ver tres componentes principales: el rotor que tiene las palas fijas, componentes que

entran directamente en contacto con el viento, la cabina (o góndola) en la que se ubican la mayoría de los

componentes (generador, convertidor, entre otros). , y la torre soporta todo el sistema eólico (CARVALHO,

2006). En la mayoría de los sistemas, se utiliza una caja de transmisión multiplicadora para adaptar la velocidad

del eje de la turbina al generador (MENDES, 2009).

Para generar electricidad, la turbina requiere la nomenclatura de “velocidad del viento de corte” dada la

velocidad mínima del viento para que el toro tenga suficiente par para generar electricidad. Con el aumento de

la velocidad del viento, la potencia del aerogenerador aumentará proporcionalmente, respetando la velocidad

máxima a la que el rotor permite girar (SHI; ERDEM, 2017).

Cuando la velocidad del viento supera la nominal, la turbina permanecerá en su funcionamiento nominal debido

a las acciones de los mecanismos de control, protegiendo así el generador eléctrico. Después de exceder una

cierta velocidad del viento, se pueden causar grandes esfuerzos mecánicos que resultan en daños estructurales.

Esta velocidad se conoce como “velocidad del viento de corte”, a la cual la turbina interrumpirá su

funcionamiento (XAVIER, 2012).

Los sistemas de generación de energía eólica también se pueden difundir en cuanto al tipo de generador,

tecnología utilizada, sistema de control aplicado y tipo de conexión del sistema.

56

La generación de energía eólica se divide en dos grupos, los generadores que funcionan a velocidad fija y los

generadores que funcionan a velocidad variable. Los sistemas con velocidad fija utilizan generadores de

inducción con jaula de ardilla, mientras que los sistemas con velocidad variable utilizan generadores síncronos

o generadores de inducción con motor en espiral (ALVARENGA, 2012).

La configuración de un sistema de velocidad fija requiere una caja de cambios con varias etapas, estando

directamente conectada a la red. La turbina opera prácticamente a una velocidad constante limitada por la

velocidad síncrona de la red independientemente de la velocidad del viento, sin embargo, las fluctuaciones del

viento se convierten en fluctuaciones mecánicas resultando en un mayor estrés mecánico (Hansen, 2017). Esta

configuración tiene un menor costo de instalación, debido a su robustez y sencillez, sin embargo una gran

desventaja de este mecanismo es la caja de cambios, encargada de ajustar la velocidad de la turbina con el

generador, esta herramienta ocasiona fallas importantes en el sistema, requiriendo un mantenimiento de rutina

( XAVIER, 2012).

El avance constante de la electrónica de potencia proporciona la difusión de tecnologías con velocidad variable,

tiene un funcionamiento continuo de la turbina para cualquier rango de velocidad del viento. Su gran ventaja se

encuentra en el funcionamiento de la turbina en el punto de máxima captación de la velocidad del viento

incidente, no dependiendo de la frecuencia de conexión a la red, ya que el sistema eólico dejará de tener

convertidores de frecuencia (NETO, 2005).

La velocidad variable de los generadores síncronos puede ser excitada por un imán permanente o un rotor en

espiral, permitiendo así trabajar a bajas velocidades con generadores multipolares, ignorando la necesidad de

utilizar multiplicadores de velocidad (SLOOTWEG et al., 2003). Facilitando así el acoplamiento y eliminación de

una fuente de problemas y mantenimiento rutinario. Al utilizar máquinas con imanes permanentes, la estructura

de control se simplifica (SILVA, 2006).

Los aerogeneradores están expuestos a circunstancias adversas impuestas por la imprevisibilidad del viento,

donde rachas o un aumento paulatino de su velocidad pueden hacer que se superen los límites de par y

potencia. A partir de esto, se deben adoptar medidas correctivas o protectoras para evitar daños futuros al

sistema eólico (NETO, 2005). Actualmente existen tecnologías que operan controlando el ángulo de cabeceo

“Pitch” y controlando la pérdida aerodinámica “Stall”, y aún pueden existir aplicaciones que combinen los dos

métodos (ALVARENGA, 2012).

El control del ángulo de paso está diseñado para ajustar el ángulo de la hoja a través de un equipo mecánico,

que gira la hoja longitudinalmente alrededor de su eje, reduciendo así el ángulo de ataque y limitando así la

potencia. Es un método activo originado por un controlador de potencia o velocidad, por lo que, cuando se

superan los límites especificados, se realiza un ajuste en el ángulo de paso (SILVA, 2006). Los sistemas de

velocidad variable generalmente optan por este tipo de control, ya que sus ventajas superan al control de

pérdida. Dado que permite un mejor ajuste de potencia para todos los valores de velocidad del viento, y para

vientos fuertes, reduce los esfuerzos mecánicos, ya que las palas tienen una menor superficie de contacto con

el flujo de aire (BONELLI, 2010).

El control de la pérdida aerodinámica de Stall se basa en las características físicas de las palas del rotor, en las

que están fijas, no permitiendo el desplazamiento alrededor de su eje. Esta estrategia se basa en un sistema

pasivo en el que, para velocidades superiores al valor esperado, es decir, cuando la velocidad del viento supera

la nominal, las palas se diseñan para pérdidas de rendimiento (CARVALHO, 2006). Cuando ocurren tales casos,

el perfil aerodinámico de la pala cambia, mostrando regiones turbulentas, provocando un aumento de presión

en la cara posterior de la pala, manteniendo bajo control la velocidad de la turbina y consecuentemente

reduciendo la potencia producida en estas condiciones de contingencia. Por lo tanto, todas las turbinas deben

operar en regiones cercanas a las nominales y cercanas al inicio del control de Stall (SILVA, 2006).

Generadores de velocidad fija y variable

Sistemas de frenado

57

Las turbinas eólicas se pueden encontrar en sistemas aislados, sistemas híbridos o sistemas conectados a la

red eléctrica. Estos sistemas son de composición básica, generalmente con controles de potencia o incluso

almacenamiento de energía (CARVALHO, 2006).

En las conexiones de sistemas aislados, la energía generada para alimentar las cargas no tiene conexión a la

red eléctrica. Una de las alternativas en estos casos es el almacenamiento de energía en bancos de baterías,

de forma que, en ausencia de viento, se pueda asegurar el suministro energético (BONELLI, 2010). Cuando el

equipo alimentado es de corriente alterna, es necesario implementar inversores para ajustar el voltaje y la

frecuencia en referencia a los dispositivos (CARVALHO, 2006).

Para su funcionamiento en sistemas híbridos, los aerogeneradores están conectados con otras fuentes de

energía (Solar, Biomasa, entre otras), por lo que no están conectados a una red convencional y no actúan de

forma aislada. Dado que dichas configuraciones se relacionan con otras fuentes de suministro, es fundamental

contar con un control para la optimización del sistema híbrido (Bonelli, 2010).

En sistemas conectados a la red, se suele utilizar en grandes aerogeneradores o en un conjunto de

aerogeneradores, donde toda la energía producida se inyecta en las redes eléctricas locales. En estos arreglos,

los sistemas de conversión, dependiendo de la configuración, implican o no la aplicación de convertidores de

frecuencia (CARVALHO, 2006).

La energía eólica proviene principalmente de la diferencia en la radiación electromagnética solar incidente en

la Tierra, como su movimiento de rotación. Los rayos del sol llegan a las regiones tropicales con mayor

intensidad que a las regiones de latitudes altas (polares), provocando una diferencia de temperatura y presión.

Estos efectos provocan perturbaciones en el equilibrio de las masas de aire, por lo que se mueven de las

regiones de alta presión a las de baja presión. Aparece así el viento, caracterizado por el movimiento de estas

masas (KALMIKOV, 2017).

El viento o la atmósfera en movimiento es una asociación entre la energía solar y la rotación de la Tierra. Todos

los planetas rodeados de gases en nuestro sistema solar tienen diferentes formas de circulación atmosférica y

tienen vientos en sus superficies. La circulación atmosférica es un mecanismo solar-planetario permanente.

Estos fenómenos naturales siempre se repiten, por lo que el viento es considerado una fuente de energía

renovable (FERRAZ, 2010).

La energía eólica es la energía cinética contenida en masas de aire en movimiento (viento). Su uso se produce

mediante la conversión de energía cinética de traslación en energía cinética de rotación, con el uso de

aerogeneradores, también llamados aerogeneradores, para la generación de electricidad, o molinetes (y

molinos), para trabajos mecánicos como el bombeo de agua. . (MENDES, 2009).

El viento a lo largo del día es un factor en el que influye la variación de la velocidad del viento a lo largo del

tiempo. Las características topográficas de una región también influyen en el comportamiento de los vientos ya

que, en un lugar determinado, pueden producirse diferencias de velocidad, provocando una reducción o

aceleración de la velocidad del viento. Además de las variaciones topográficas y la rugosidad del suelo, la

velocidad también varía en comportamiento con la altura.

Además de los procesos antes mencionados, existen formas de generación eólica clasificadas en secundarias

y terciarias, que comprenden, por ejemplo, brisas marinas y terrestres. Estos son causados por la diferencia en

el calentamiento de la tierra y el mar, provocando un flujo de aire del mar al continente durante el día, y en la

noche este flujo se invierte (BONELLI, 2010).

Tipos de conexión

Fundamentos de la energía eólica

58

Debido a que el viento está influenciado por cambios de temperatura y presión, su velocidad, intensidad y

dirección no son constantes. Las fuerzas generadas por el flujo de aire determinarán la energía presente en el

viento y, como resultado, sufrirá cambios en su magnitud (KALMIKOV, 2017).

En general, la velocidad del viento aumenta con la altura y depende de lo que se construya en el entorno. A

menor altura, se ve afectado por la fricción del viento con la superficie terrestre. Los bosques o las áreas urbanas

densas, por ejemplo, pueden ralentizar mucho el viento, mientras que las áreas abiertas, como los estanques,

casi no tienen influencia. Por este motivo, los aerogeneradores suelen instalarse en torres altas o encima de

edificios, manteniéndose alejados de otros edificios, árboles y posibles obstáculos (SCHEIDT, 2014).

Los métodos para evaluar la ubicación donde se instalarán los aerogeneradores deben tener en cuenta todos

los parámetros regionales que influyen en las condiciones del viento, como se muestra en la Figura 4. Entre los

principales factores que influyen en el régimen del viento se encuentran:

• Variación de velocidad con la altura;

• La rugosidad del terreno, que se caracteriza por la vegetación, el uso del suelo y las construcciones;

• Presencia de obstáculos en las proximidades;

• Alivio que puede provocar un efecto de aceleración o desaceleración en el flujo de aire.

La información necesaria se puede obtener a partir de mapas topográficos y una visita al lugar de interés para

evaluar y modelar rugosidades y obstáculos. El uso de imágenes aéreas y datos de satélite también contribuye

a un análisis más preciso.

Figura 4 - Comportamiento del viento bajo la influencia del terreno

Fuente: Atlas Eólico do Brasil, 1998.

La medición de las características del viento en un lugar se realiza utilizando equipos especializados que

normalmente miden 4 parámetros: velocidad del viento (intensidad y dirección), temperatura y presión

atmosférica. La frecuencia de muestreo f también es otro componente muy importante y es solo con altas

frecuencias que se puede evaluar en detalle la turbulencia eólica de un lugar (BOTELHO, 2011).

Según Guilherme Botelho, los sistemas de medición que utilizan las agencias meteorológicas suelen utilizar

frecuencias demasiado bajas para el estudio específico del viento para la producción de electricidad. Sin

embargo, su alta disponibilidad y largos registros históricos (nótese que el período mínimo de muestreo en

climatología se define como 5 años) nos convierte en un elemento base en muchos estudios.

La energía contenida en el viento está asociada al flujo de la masa de aire m (kg) a una velocidad v (m / s),

clasificándose en energía cinética (1) (XAVIER, 2012).

59

Ec=〖m .v〗^2/2

(1)

La energía eólica es la tasa de flujo de energía cinética, que indica la cantidad de energía por tiempo en un área

determinada. Se sabe que el caudal másico a lo largo del tiempo de un fluido, en una sección transversal

delimitada, está establecido por los fundamentos de la mecánica de fluidos. A través de estos conceptos

tenemos la potencia eólica total (2) en Watts (KALMIKOV, 2017).

Pvento=〖ρ .Apás .v〗^3/2 (2)

Dónde:

ρ = gravedad específica del aire (1.225 kg / m³ a una temperatura de 25 ° C y 1 atm.);

Apás = área barrida por las palas de la turbina (m²);

v = velocidad del viento (m / s).

La expresión anterior caracteriza la potencia teórica máxima a obtener en el flujo del viento, sin embargo, la

velocidad del viento después de trasponer las palas de la turbina no se anula, sino que muestra una reducción

en su velocidad inicial. Se infiere que de la energía disponible, solo una parte puede ser absorbida (CARVALHO,

2006). Esta circunstancia la explica el físico alemán Albert Betz, en el que a través de experimentos encontró

la potencia máxima que pueden alcanzar los aerogeneradores, siendo del orden del 59,3% de la potencia

disponible en el viento. En la práctica, este valor rara vez supera el 45% (BONELLI, 2010). Así, se introduce el

coeficiente de potencia “Cp”, que indica la eficiencia del aerogenerador relacionando la potencia disponible en

el viento y la potencia mecánica efectiva en el eje de la turbina (XAVIER, 2012).

Dicho esto, al relacionar el Cp en (2) tendremos la fórmula de la potencia mecánica útil (3) en el eje de un

aerogenerador.

Pmec=〖Cp .ρ .Apás .v〗^3/2 (3)

El coeficiente de potencia se puede describir en función de dos variables, la primera se expresa por el

coeficiente adimensional λ “relación de velocidad de la pala” (VI), y está dada por la relación entre la velocidad

en la punta de la pala y la del viento. El segundo es el ángulo de paso de las palas de la turbina representado

por β, referido a la rotación de las palas alrededor de su eje longitudinal. Las características aerodinámicas de

la turbina se expresan a través de los coeficientes c1 a c9, estos se introducen en el cálculo del coeficiente de

potencia (4) (ALVARENGA, 2012).

Cp(λ,β)=c_(1 ).(c_2/λ_(1 ) - c_3.β- c_4.β^(c_5 )- c_6 ).e^(-c_7/λ_1 ) (4)

Siendo:

λ=1/((1/(λ+c_8.β)-c_9/(β^3+1))) (5)

λ=(ω_turbina .R)/v

(6)

Dada la razón del coeficiente de potencia, la siguiente figura enumera su desempeño según las variables

presentadas.

60

Figura 5 - Gráfico del coeficiente de potencia en función de la relación de velocidad de la hoja

Fuente: Bonelli, 2010.

El gráfico muestra que el cambio en β implica cambios en Cp, este cambio limita la potencia extraíble del viento.

De esta forma, existe un control de potencia que se realiza cambiando las propiedades en la extracción de

energía del proceso aerodinámico (NETO, 2005). En sistemas que operan a velocidad fija, el coeficiente de

potencia se establece normalmente en la velocidad nominal de operación de la turbina. Para sistemas con

velocidad variable, existe la posibilidad de ajustar el coeficiente de potencia para cada velocidad del viento

(BONELLI, 2010).

A través de la gráfica de coeficiente de potencia en función de la velocidad de las palas, es posible ver qué valor

de λ conducirá en la mayor potencia mecánica, para la misma velocidad del viento analizada. En los casos en

que el rotor gira lentamente, la eficiencia disminuirá, debido al libre paso del viento entre las palas. Desde otra

perspectiva, si la rotación es demasiado rápida, la eficiencia se reduce, ya que el área cubierta por las palas

proporcionará un efecto de “muro” contra el viento (PINTO, 2013). En el caso de turbinas de velocidad variable,

es posible controlar la rotación de la turbina para el rango de viento por debajo del valor nominal, con el fin de

establecer la velocidad específica (λ) en su punto de mayor extracción de potencia. A velocidades superiores a

la nominal como se describe, el ángulo de paso β se puede utilizar para limitar la potencia producida (SILVA,

2006).

Los motores de CC convierten la energía eléctrica en mecánica para impulsar cargas. La tensión continua

aplicada al devanado del motor tiene como finalidad energizarlo y generar los polos electromagnéticos que

darán lugar a la fuerza magnetomotriz. Estos motores están formados fundamentalmente por el estator,

responsable del devanado del campo magnético fijo, y el devanado del inducido (rotor) (NASCIMENTO JUNIOR,

2013).

Los motores de corriente continua tienen una gran variedad de características de voltaje por corriente, o

velocidad por par (par), ya sea en operaciones dinámicas o en regímenes permanentes. En consecuencia,

proporciona operaciones con un amplio rango de velocidad y salida de precisión en su control (UMANS, 2014).

El motor de CC tiene varias partes que son esenciales para su funcionamiento. A continuación se muestra una

imagen que muestra los componentes de un motor de CC.

Máquina de corriente continua

61

Figura 6 - Motor de CC

Fuente: Villar, 2006.

El funcionamiento del motor de corriente continua, consta básicamente de devanado de inducido, devanado de

campo, conmutador y escobillas, donde:

Devanado de inducido: se ubica en la parte giratoria del motor de corriente continua (rotor), que se encarga de

producir el par eléctrico que lo impulsa cuando opera como motor, así como la tensión de salida cuando opera

como generador.

Bobinado de campo: es la parte fija de la máquina (estator), encargada de crear el flujo magnético que pasará

por el inducido. En él se forman los polos magnéticos norte y sur, creando un campo de excitación. Además, es

importante mencionar que el estator del motor de CC también puede estar fabricado mediante imanes

permanentes.

Conmutador: tiene la función de mantener la corriente circulando siempre en el mismo sentido en el inducido,

es decir, hace que el par generado siempre en el mismo sentido. Al operar como generador, el conmutador

tiene la función de mantener la tensión generada siempre con la misma polaridad.

Cepillos: suelen estar hechos de carbón, encargados de hacer contacto con el devanado del inducido para que

se pueda inyectar energía eléctrica en el devanado. Cuando funciona como generador, elimina la energía

eléctrica del devanado.

La mayoría de los prototipos actuales requieren un generador de corriente continua. El motor DC se puede

utilizar como generador si tiene su eje conectado a una estructura que ejercerá energía cinética, donde se

transformará en mecánica y luego en energía eléctrica en sus salidas. Su voltaje generado será proporcional a

la velocidad ejercida sobre su eje, y la capacidad de rotación del motor DC. Este motor generador es

ampliamente utilizado en aerogeneradores, turbinas hidrocinéticas, entre otros (CAETANO, 2016).

62

En esta sesión hablaremos en detalle sobre cada uno de los pasos que serán necesarios para la ejecución del

proyecto, entendiendo mejor cada paso de la construcción del prototipo.

El proyecto requerirá el desarrollo de plantillas, estructuras y sistemas para facilitar la construcción del

aerogenerador. Con el objetivo de elaborar un prototipo para proyectos educativos, se planteó qué materiales

y equipos deberían utilizarse para montarlo.

El primer paso desarrollado fue la base, que se encargaba de soportar toda la turbina. Mediante placas, tubos

metálicos y una máquina de soldar, se modeló la estructura de tal forma que su fijación en diferentes terrenos

sea fácil de realizar. El tubo de metal con un diámetro de fue modelado sobre la estructura utilizando una

máquina de soldar para hacer la estructura más estable y más agradable a la vista.

Se solda una pieza de barra de acero rectangular de 24 cm sobre un tubo de hierro de 110 cm de altura,

posteriormente este tubo se fija sobre una lámina de 35 〖cm〗 ^ 2 dejando así la base de soporte terminada,

como se muestra en la imagen abajo. Si los materiales y equipos necesarios para soldar son de difícil acceso

se puede utilizar madera para hacer la base, lo importante es que sea estable.

Figura 7 - Base de soporte

Fuente: Autoría propia, 2020.

Para que el eje de nuestro generador quede fijo, estable y alineado, se utilizó un cojinete de bicicleta, brindando

así soporte al eje, mayor durabilidad al sistema y muy bien girando. Fue necesario utilizar uniones de extensión

de barra roscada 3/8, barra roscada 3/8 y tornillos de cabeza hexagonal 3/16, en la siguiente imagen se puede

ver cómo se realizó la extensión del eje. En cada extremo del rodamiento se agregó una extensión con barra

roscada, para hacer que el eje se pegara, se insertó un tornillo Allen en la extensión, aumentando así su

estabilidad.

Figura 8 - Cojinete de bicicleta

Metodología

63


Posteriormente, se analizaron varios perfiles aerodinámicos para su uso en el prototipo, se eligió el PVC debido

a la facilidad de construcción, construcción corta y buena relación entre sustentación y resistencia. Se utilizó un

PVC de 5mm, haciendo así el material más maleable, el tamaño de cada pala se dimensionó 52 cm de largo,

06 cm de ancho en la punta y 10 cm de ancho en la base, como se muestra en la imagen de abajo.

Figura 9 - Palas de turbina eólica


Buscando la mejor eficiencia de la aerodinámica de las palas, el Instituto Mauá de Tecnología realizó un estudio

sobre la aerodinámica de las alas de los aviones para la aplicación de los aerogeneradores y puso a disposición

moldes de las aspas de las palas de las turbinas con un mejor desempeño del aerogenerador. Usando una

sierra de calar y una micro rectificadora, fue posible modelar las piezas de calar en MDF, como se muestra en

la imagen de abajo.

Figura 10 - Piezas de la plantilla


Con todas las piezas terminadas, simplemente ensamble con las secuencias y espaciamientos correctos para

64

que las hojas se puedan modelar con precisión en la plantilla.

Figura 11 - Comentarios


Para que las hélices del aerogenerador encajaran perfectamente en la plantilla anterior, se utilizó una antorcha,

dejando así el material más maleable para ser modelado de la forma correcta. Concluida la tarea de moldeo,

se realizó una mejora en las esquinas del material, para evitar que la turbina perdiera eficiencia por arrastre, se

lijaron y adelgazaron los extremos del material para mejorar al máximo el rendimiento de nuestra turbina eólica.

Figura 12 - Hélices modeladas


Para sujetar las palas al eje de nuestra turbina eólica se desarrolló un racor mediante tubo metálico, barra

roscada, tuercas, bisagras y barra roscada, fijando la pieza al eje generador, tenemos la siguiente imagen a

continuación.

65

Figura 13 - Coloque las cuchillas en el eje


Posteriormente se creó un Spinner utilizando una botella pet de 3 litros, esta pieza muy importante para dirigir

mejor el aire, se colocó en el extremo donde se juntan las palas.

Figura 14 - Spinner


Se colocó un trozo de madera en el otro extremo del eje y se pegó nuestro motor de 6 V DC en su centro,

manteniendo así nuestro sistema más fijo. Se completaron todas las etapas de construcción del aerogenerador,

dejándolo listo para probar la generación eléctrica y realizar estudios de mejora y desempeño.

Figura 15 - Generador de viento


66

Con el estudio elaborado sobre el rendimiento, piezas, características del aerogenerador se obtuvo los datos

necesarios para la implementación de más mecanismos para la mejora del rendimiento de nuestro

aerogenerador. Como la implementación de un acoplamiento elástico, equipo encargado de mantener la

durabilidad de nuestra turbina, reduciendo así los impactos directos al generador. Control de rotación mediante

engranajes y sensores, lo que aumenta significativamente la captación de viento y la eficiencia del sistema.

El principal aspecto positivo fue que el sistema se puede modificar de diversas formas y posibles formas, desde

la parte estructural hasta el diseño y aerodinámica de las palas, por tanto a todos los alumnos que estén

interesados y curiosos por realizar tales cambios, aportando una mayor experiencia visual y práctica. de energía

eólica. Otro punto positivo fue la didáctica de la construcción que fue fácil de interpretar y ejecutar, no requiriendo

un alto grado de destreza ni materiales de alto valor y de difícil acceso.

Debido a los datos presentados, el proyecto presentó información optimista sobre la poca difusión de esta

energía renovable, provocando así mayor compromiso, estudio, práctica y consecuentemente mejoras, ideas e

innovaciones en el sector eólico.

ALVARENGA, Elias Barbosa De. Uma proposta laboratorial para estudos de desempenho de unidades

eólicas no contexto da qualidade de energia. 2012. 174 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) -

Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2012.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA. Eólica já é a segunda fonte da matriz elétrica brasileira

com 15 GW de capacidade instalada. 11 de abr. 2019. Disponível em: < http://abeeolica.org.br/noticias/eolica-

ja-e-a-segunda-fonte-da-matriz-eletrica-brasileira-com-15-gw-de-capacidade-instalada/>. Acesso em: 13 maio

2020.

BONELLI, Arthur Fernando. Modelagem e simulação de unidade eólica para estudos de indicadores de

qualidade da energia elétrica. 2010. 177 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade

Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2010.

CARVALHO, Bismarck Castillo. Desenvolvimento de modelo computacional de sistemas eólicos utilizando

geradores síncronos para estudos de desempenho no contexto da qualidade da energia elétrica. 2006. 213 f.

Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2006.

CRESEBS. Tutorial de Energia Eólica. 2015. Disponível em:

<http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=com_content&cid=tutorial_eolica>. Acessado em: 15 maio

2020.

ENERGIAS RENOVÁVEIS. Componentes de um aerogerador. 2008. Disponível em:

<https://apenergiasrenovaveis.wordpress.com/eolica/componentes-de-um-aerogerador/>. Acesso em: 14 maio

2020.

FERRAZ, A. P. C. Avaliação da Operação de Geradores Eólicos em Regime Estacionário Considerando a

Conexão à Rede Elétrica. 2010. Disponível em:

<http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10000802.pdf>. Acessado em: 17 maio 2020.

HANSEN, Anca D. Wind turbine technologies. In: LETCHER, Trevor M. (Org.). Wind energy engineering: A

Resultados


Discusión y conclusiones

67

handbook for onshore and offshore wind turbines. London: Elsevier, 2017. cap. 8, p. 145-159.

KALMIKOV, Alexander. Wind power fundamentals. In: LETCHER, Trevor M. (Org.). Wind energy engineering:

A handbook for onshore and offshore wind turbines. London: Elsevier, 2017. cap. 2, p. 17-23.

LIN, Bo; XIAOFENG, Liu ; HE, Xingxi. Measurement system for wind turbines noises assessment based on

LabVIEW. Measurement: Journal of the International Measurement Confederation, v. 44, n. 2, p. 445-453,

2011. 36

MENDES, Victor Flores. Avaliação do comportamento de um sistema de conversão de energia eólica

utilizando gerador de indução duplamente excitado durante afundamentos de tensão equilibrados e

desequilibrados. 2009. 157 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Minas

Gerais, Belo Horizonte 2009.

NASCIMENTO JUNIOR, Geraldo Carvalho do. Máquinas elétricas: Teoria e ensaios. 4. ed. rev. São Paulo:

Érica, 2013. 260 p.

NETO, Antonio Samuel. Análise e controle de centrais eólicas a velocidade variável utilizando Atpdraw. 2005.

117 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2005.

PARREIRAS, Thiago Morais e SILVA, Selênio Rocha. Distorções harmônicas geradas por um parque de

turbinas eólicas. In: IV SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SISTEMAS ELÉTRICOS, 4, 2012, Goiânia, 12. mai.

2012, p. 1-6.

PINTO, Milton de Oliveira. Fundamentos de energia eólica. Rio de Janeiro: LTC, 2013. 362 p.

REIS, Fábio. Curso de Eletrônica – Divisores de Tensão. 2015. Disponível em:

<http://www.bosontreinamentos.com.br/eletronica/curso-de-eletronica/curso-de-eletronica-divisores-de-

tensao/>. Acessado em: 18 maio 2020.

SCHEIDT, Paula. GUIA DE MICROGERADORES EÓLICOS. 2014. Disponível em: <

http://institutoideal.org/guiaeolica/>. Acessado em: 17 maio 2020.

SHI, Jing; ERDEM, Ergin. Estimation of wind energy potential and prediction of wind power. In: LETCHER,

Trevor M. (Org.). Wind energy engineering: A handbook for onshore and offshore wind turbines. London:

Elsevier, 2017. cap. 3, p. 25-44.

SILVA, José Ricardo Cardoso da. Otimização da posição de aerogeradores em parque eólico. 2014. 93 f.

Dissertação (Mestrado em Integridade de Materiais da Engenharia) - Universidade de Brasília, Brasília, 2014.

SILVA, Kleber Freire da. Controle e integração de centrais eólicas à rede elétrica com geradores de indução

duplamente alimentados. 2006. 240 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Energia e Automação Elétricas) -

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2006.

SILVA, Vanderlei Alves S. Divisor resistivo de tensão. 2015. Disponível em:

<http://www.vandertronic.com/index.php/divisor-resistivo-de-tensao/>. Acessado em: 18 maio 2020.

SLOOTWEG, J G; POLINDER, H; KLING, W L. Representing wind turbine electrical generating systems in

fundamental frequency simulations. Ieee Transactions On Energy Conversion. 4. Vol. 18. dez 2003, p. 516–524.

TRAVIS, Jeffrey; KRING, Jim. Labview for everyone: Graphical programming made easy and fun. 3 th. ed.

Crawfordsville: Prentice Hall, 2006. 1032 p.

UMANS, Stephen D. Máquinas elétricas de Fitzgerald e Kingsley. Tradução: Anatólio Laschuk. 7. ed. Porto

68

Alegre: AMGH, 2014. 705 p.

VILLAR , Gileno Ilena. Geradores E Motores CC (Máquinas de Corrente Contínua). 2006. Disponível em: <

https://docente.ifrn.edu.br/heliopinheiro/Disciplinas/maquinas-acionamentos-eletricos/apostila-de-maquinas-

de-cc-1>. Acessado em: 29 maio 2020.

WITHERSPONE, Isaac Ziki. Comparison between dSPACE and NI systems based on real-time intelligent

control of a teleoperated hydraulic servo system. 2014. 76 f. Thesis (Mastering in Mechanical Engineering) -

Lappeenranta University of Technology, [Lappeenranta], 2014.

XAVIER, Guilherme Leal. Avaliação de desempenho da estratégia de representação laboratorial de turbinas

eólicas utilizando motores de indução controlados. 2012. 124 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica)

- Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2012.

69

COMPILADOR EN LÍNEA DE JAVA

Online JAVA Compiler

Luis-Felipe Wanumen-Silva4.

Lely- A. Luengas-C5.

Lina-Geraldine Gómez-Pedraza6.

Durante la formación académica en las áreas de ingeniería es común contar con asignaturas que enseñan a

programar en diferentes lenguajes de programación, una vez se escribe el código de un programa se debe

revisar la sintaxis, verificar el funcionamiento y ejecutarlo, estas funciones se realizan en la compilación del

código, por lo general esta tarea se lleva a cabo en los computadores (máquinas) donde se escribió el

programa que deben tener el lenguaje de programación preciso. En ocasiones, los software de lenguajes de

programación son costosos, no están disponibles para los estudiantes o requieren de características

especiales de las máquinas; en instituciones educativas como solución el proceso de compilación se realiza

en los laboratorios de las universidades. En la época actual de crisis donde se restringe la movilidad y es difícil

de encontrar alternativas de cómputo, el desarrollar aplicaciones de software que provean herramientas para

que los estudiantes puedan llevar a cabo prácticas que apoyen el proceso de formación es una necesidad vital.

Docentes de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas conscientes de las dificultades descritas,

propusieron generar un laboratorio virtual que posibilita compilar en línea los códigos escritos en lenguaje Java.

Este desarrollo permite realizar sesiones de trabajo de forma remota, sin necesidad de tener máquinas con

especificaciones precisas ni que sean robustas, se puede acceder desde una tableta o un celular ya que coloca

la carga de procesamiento en un servidor.

Palabras clave: java, laboratorio virtual, en-línea, software.

During academic training in engineering areas, it is common to have subjects that teach programming in

different programming languages, once the code of a program is written, the syntax must be reviewed, its

operation verified and executed, these functions are performed in The compilation of the code, generally this

task is carried out in the computers (machines) where the program was written, which must have the precise

programming language. Sometimes programming language software is expensive, not available to students,

or requires special machine features; in educational institutions as a solution the compilation process is carried

out in the laboratories of the universities. In the current times of crisis where mobility is restricted and computing

alternatives are difficult to find, developing software applications that provide tools so that students can carry

out practices that support the training process is a vital need. Professors from the Francisco José de Caldas

District University, aware of the difficulties described, proposed to generate a virtual laboratory that makes it

possible to compile the codes written in Java language online. This development allows work sessions to be

carried out remotely, without the need to have machines with precise specifications or that are robust, it can be

4 Docente Tecnología en Sistematización de Datos - Universidad Distrital Francisco José de Caldas, UDFJC, Bogotá, Colombia- [email protected] 5 Docente Tecnología en Electrónica - Universidad Distrital Francisco José de Caldas, UDFJC, Bogotá, Colombia- [email protected] 6 Estudiante Tecnología en Sistematización de Datos - Universidad Distrital Francisco José de Caldas, UDFJC, Bogotá, Colombia- [email protected]

Resumen

Abstract

70

accessed from a tablet or a cell phone since it places the processing load on a server.

Keywords: java, virtual laboratory, on-line, software.

Sumario: 1. Introducción. 2. Método. 2.1. Diseño del proceso de investigación. 2.2. Diseño del

Laboratorio. 3. Resultados. 3.1. Priorización de funcionalidades en la interfaz de usuario. 4. Discusión y

conclusiones. 5. Referencia bibliográficas.

Contents: 1. Introduction. 2 Method 2.1. Research process design. 2.2. Laboratory Design. 3. Results. 3.1. Functional prioritization in the user interface. 4. Discussion and conclusions. 5. Bibliographic reference.

Traducción de Lely-A. Luengas-C. (Doctora en Ingeniería, UDFJC)

En tiempos actuales, la introducción de tecnología en el aula es imperativa, el tipo digital gana cada día más

espacio en la vida de las personas, por ello los estudiantes requieren descubrir formas de pensamiento

diferente, deben ser formados para comprender de manera mínima el funcionamiento de las máquinas y

apropiarse de ellas, para transformarlas y crear soluciones a problemas existentes, así se educan

significativamente para insertarse en la vida profesional. La enseñanza significativa hace referencia a inculcar

en los estudiantes los beneficios de la creación, investigación, reflexión, por citar algunas habilidades

cognitivas (Chiappe & Sánchez, 2014). El entendimiento inicia con el estudio y comprensión de los algoritmos,

poder plantearlos y desarrollar unos nuevos para crear códigos en lenguajes de programación. De esta forma

se observa que el pensamiento computacional se basa en resolver problemas usando conceptos

fundamentales de la informática (Waldegg, 2002).

La enseñanza en torno a desarrollar programas computacionales ha tenido varias facetas, siempre

considerando la aprehensión de conocimiento como una relación combinada entre información

sistematizada (de carácter científico) e información cultural no sistemática (de carácter popular),

principalmente se ha basado en tres modelos: 1. Heteroestructuración, el conocimiento se presenta

de forma estructurada, la función del docente se remite a la transferencia de conocimientos mediante

herramientas didácticas, luego el papel activo en este proceso formativo está a cargo del docente

mientras que el estudiante es pasivo en su formación académica. 2. Auto estructuración: los procesos

pedagógicos tienen mínima orientación, por ello es clave la motivación para que el estudiante

emprenda la tarea de adquirir conocimientos, aquí el papel del docente es el motivador centrado en

el estudiante. 3. Interstructivismo: es un mix entre la teoría del Constructivismo formulada en 1973

por Piaget y la propuesta por Papert en 1991 denominada Construccionismo, en este modelo el

conocimiento se obtiene con las interacciones del sujeto con su entorno, se impulsa la interacción

con el entorno para la comprensión y búsqueda del conocimiento, construyendo una evolución

constante en la aprehensión, de allí que el estudiante es activo al construir su conocimiento y el

docente se convierte en asesor (Barros de Sales & Boscarioli, 2020). Independiente del modelo

empleado, se vislumbra la exigencia de herramientas pedagógicas atractivas para el estudiante que

promueven la aplicación de actividades donde se involucren prácticas del mundo real, así como el

incremento de habilidades interpersonales y motivación de los estudiantes ante problemas

pedagógicos, de tal forma que se contrarresten aspectos adversos, entre los que están: dificultad en

el aprendizaje debido a la complejidad de los contenidos, desmotivación y desinterés debido a la falta

de enfoques prácticos. Por ello se han propuesto nuevos enfoques de aprendizaje donde se tiene

como meta brindar un aprendizaje pleno y coherente con la realidad profesional presente en el

mercado laboral del desarrollo de software (Arevalo, Vicente-del-Rey, Garcia-Morales, & Rivas-

Introducción

71

Blanco, 2020).

Existen diversas metodologías para la realización de programas, independiente del lenguaje de programación

que se usa, pero todas implican una serie de pasos básicos, entre los que se tienen: Análisis del problema,

comprender exactamente el problema a abordar teniendo en cuenta el contexto donde se utilizará;

Especificación de la solución, descripción detallada de los objetivos del programa, entender que hará el

programa, estableciendo los datos de las entradas y salidas que tendrá, así como la relación entre ellas; Diseño

de la solución, planteamiento de los algoritmos y las estructuras de datos aplicados al contexto donde se usará

el programa; Implementación del diseño, escribir el algoritmo en un lenguaje de programación; Verificación del

programa, realizar las pruebas necesarias con el fin de comprobar inicialmente cada parte del programa por

separado, y luego el programa en conjunto, se utiliza un depurador para revelar los errores existentes

(Arboleda, 2011; Sáez Vacas, 2011).

Una de las etapas críticas en la programación es la verificación del programa, esto se realiza en la compilación

donde se usa un software que revisa la sintaxis y traduce un programa escrito en un lenguaje de programación

de alto nivel en lenguaje de máquina. El compilador por lo general produce inicialmente el lenguaje

ensamblador y después lo traduce al lenguaje máquina. Generalmente para compilar se necesita del software

donde fue escrito el código, un computador o máquina robusta que pueda procesar la información del código

y que permita el funcionamiento de este código (Jaimez-González & Luna-Ramírez, 2017).

La presencia de períodos de tiempos de aislamiento donde se debe trabajar virtualmente, ha hecho que el

desarrollo de aplicaciones virtuales permita a los estudiantes desarrollar las actividades académicas desde la

casa, sin necesidad de instalar software pesado que no funciona en las máquinas locales, es una solución

urgente, innovadora y necesaria. En las áreas de ingeniería es común contar con asignaturas que enseñan a

programar en diferentes lenguajes de programación. Como se dijo, una vez se escribe el código de un

programa se debe revisar la sintaxis y verificar el funcionamiento, estas funciones se realizan en la compilación

del código. Los requerimientos para la compilación del programa llegan a presentar dificultad en los

estudiantes, pues algunos no cuentan con recursos económicos suficientes para cumplirlos, tener el software

y/o una máquina robusta, de allí que la opción es escribir el código y compilar en los laboratorios de la

universidad (Jaimez-González & Luna-Ramírez, 2017).

El Covid-2019 y la época de crisis donde se restringe la movilidad han puesto en manifiesto que la tecnología

juega un papel fundamental y decisorio en las interacciones humanas, pues brinda herramientas de

comunicación que apoyan diferentes procesos, tales como la educación. Se ha observado la urgencia de

contar con espacios virtuales para la enseñanza y el aprendizaje, y proveer herramientas que hace posible a

los centros educativo cumplir su labor de formación de los jóvenes del país. Uno de estos espacios son los

laboratorios virtuales, nacen por la dificultad de encontrar alternativas de cómputo haciendo ineludible el uso

de la tecnología en el desarrollo de aplicaciones para poder seguir con las actividades académicas. Sin

embargo, el no poseer laboratorios podría desencadenar una serie de inconvenientes en el proceso de

enseñanza y aprendizaje sobre todo en las áreas de ingeniería y tecnologías, las cuales se consideran como

una pieza fundamental en el desarrollo de los países. Es una contradicción tener facultades de ingeniería

dedicadas a las áreas de la información y las telecomunicaciones que no responden a las necesidades

planteadas hoy en día en tiempos de pandemia. En este sentido, los sistemas de software que permitan al

estudiante interactuar mediante laboratorios virtuales son imprescindibles para mantener la infraestructura

tecnológica y soportar los procesos propios de la educación (Felder & Silverman, 1988; Guevara & Luengas

C., 2008; Luengas C., Sánchez, & Guevara, 2017).

El proceso de enseñanza-aprendizaje en línea usando Internet se realiza en espacios virtuales llamados aulas

virtuales (en inglés virtual classroom), en este entorno se comparten conceptos y experiencias educativas

usando sistemas de comunicación mediados por los computadores. Tienen como objetivo modelar o reproducir

el ambiente didáctico de aulas físicas, se emplean en contextos donde está la imposibilidad de asistir

presencialmente. Debido a los diferentes escenarios existentes en las instituciones educativas, han surgido

otros espacios virtuales que los representan tales como laboratorios y bibliotecas (Aldas et al., 2013; Luengas

C. et al., 2017; Torres Samperio, 2001). Los Laboratorios Virtuales han alcanzado grandes desarrollos en todas

las áreas del conocimiento, ya que constituyen todo un sistema de exploración intelectual, concebidos para

72

impulsar el aprendizaje, por ello han surgido como respuesta a la necesidad de interacción remota entre

estudiantes y docentes, estudiantes y estudiantes y en general de toda la comunidad académica (Rodríguez

García, Turienzo Santos, & González González, 2009). En épocas donde la tecnología está inmersa en todos

los campos de la vida, la educación requiere compartir cursos, seminarios, conferencias, objetos de

aprendizaje y recursos de la academia entre personas ubicadas en diferentes lugares geográficos (Trefftz et

al., 2009).

En aras de la conectividad se ha logrado tener dispositivos ligeros, como tabletas o celulares, los cuales son

ampliamente usados en todos los estratos sociales y grupos de edad ya que permite ser empleados en

numerosas situaciones principalmente con uso de fines sociales, pero su potencial de servicio en el aprendizaje

colaborativo es bastante alto. La tecnología digital con disposición a la parte social facilita la interacción social

y las prácticas colaborativas, allí los estudiantes seleccionan y controlan el ritmo de su aprendizaje haciendo

uso de diversas herramientas, tales como videos, grabaciones de audio, gestión de grupos y almacenamiento

y uso compartido de datos, por citar algunos. Para este tipo de enseñanza-aprendizaje se requiere generar

espacios donde los estudiantes desarrollen habilidades y competencias tanto físicas como intelectuales que

les permita articular y aplicar los conocimientos para resolver problemas en el mundo real (Barros de Sales &

Boscarioli, 2020). Se debe aclarar que las diversas tecnologías existentes en sus inicios no fueron concebidas

para la educación, su creación se debió a la necesidad de conexión, es por esta razón que los dispositivos

digitales ligeros no cuentan con las prestaciones de hardware que permitan la instalación de potentes

herramientas de programación como el caso del lenguaje Java. En estos equipos con altas ventajas para la

comunicación es posible escribir programas de cómputo en Java, pero no permiten la compilación. Los

compiladores en-línea (en inglés online) surgen como una herramienta tecnológica para soportar los procesos

de enseñanza y aprendizaje no sólo en las áreas de los sistemas sino también en los laboratorios que realizan

los estudiantes de ámbitos afines al tema de programación (Jaimez-González & Luna-Ramírez, 2017;

Menolascina, Aguilar, & Rivas, 2014). Entre los compiladores online no se vislumbra uno dirigido a Java, a

pesar de que este lenguaje ha sido galardonado por años como uno de los pioneros debido a su característica

de multiplataforma.

Por lo expuesto, surge la necesidad de generar un compilador en ambiente web, que esté al alcance de todas

las personas. La Universidad Distrital Francisco José de Caldas consciente de las dificultades descritas y

debido a la imposibilidad de desplazamiento de los estudiantes hasta las instalaciones de la Facultad se

propuso desarrollar un laboratorio virtual compilador en línea (online) de Java. De tal forma que los aplicativos

generados por los estudiantes se pueden compilar de forma virtual; además este software desarrollado permite

realizar sesiones de trabajo de forma remota, sin necesidad de tener máquinas con especificaciones precisas

ni que sean robustas, se puede acceder desde una tableta o un celular ya que coloca la carga de

procesamiento en un servidor, es gratis y está a servicio de la comunidad académica. De esta manera se

busca aumentar la accesibilidad a la educación y propender por la reducción de la brecha socioeconómica que

tiene el país.

La construcción del software tomó como base la metodología propuesta por Guevara y Luengas 2008 (Guevara

& Luengas C., 2008), donde se propone un método para desarrollar el proceso de investigación que incluye:

definición del tema, descripción del problema, definición de los objetivos, justificación, desarrollo del marco de

referencia y determinación del diseño metodológico, Figura 1. A partir de estos elementos se generan las ideas

sobre el tema que se quiere abordar, reflexionando acerca de las necesidades y problemas, para así diseñar

y construir el laboratorio, y posteriormente ser validado.

Método

Diseño del proceso de investigación

73

Figura 1. Proceso de investigación para desarrollar el laboratorio Virtual de Circuitos D.C.

Adaptado de (Guevara & Luengas C., 2008)

Se eligió el tema de programación, específicamente la compilación de programas en Java, ya que es un tópico

de enseñanza recurrente en el área de ingeniería, además por requerir programas especializados y máquinas

de procesamiento de alto nivel, elementos de carencia entre los estudiantes de los programas de la Facultad

Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia, En consideración de lo

expuesto, se propuso un proyecto cuyo objetivo general fue: Desarrollar una herramienta de software para

compilar en línea los programas propuestos por los estudiantes usando el lenguaje de programación Java.

Con la meta establecida, se procedió a fijar las motivaciones que llevan al desarrollo del proyecto: proveer un

método de tipo computacional que permita a los estudiantes o personas interesadas en el tema de desarrollo

de programas escritos en Java realizar la compilación de estos sin necesidad de tener el software o un equipo

robusto. La aplicación debe ser de fácil manejo, gratuita, acceder en línea, permitir la edición de aplicaciones

y almacenamiento de los cambios.

La temática acordada para trabajar se consultó, permitiendo la construcción del estado del arte y el marco

teórico, llegando a determinar los aspectos básicos abordados en la herramienta.

La metodología convenida fue una adaptación a la propuesta por Guevara y Luengas, 2008, quienes proponen

que la investigación se realice en tres fases. Una primera fase para establecer los requerimientos del sistema

de interacción. La segunda para el diseño y la construcción de la interfaz de software que contiene los

elementos del laboratorio básico. La tercera permite la comprobación del funcionamiento. Las etapas

contemplan una serie de actividades a realizar para lograr obtener un laboratorio funcional, estas se pueden

realizar empleando una metodología de espiral, de tal forma que al inicio se realiza una versión incremental

(esbozo de la propuesta del modelo), consecuente con versiones mejoradas y en las últimas iteraciones la

producción de un software que cada vez se asemeja más al sistema diseñado, Figura 2.

LABORATORIO:

Compilador

Tema: Compilador

de Java

Problema: No hay

comilador en línea gratuito

Objetivo: Desarrollar

una herramienta de software

Justificación: Necesidad de

verificar lo aprendido

Marco de referencia

Diseño metodológico

74

Figura 2. Metodología adoptada para la generación del laboratorio virtual de compilación.

Las fases surtidas en la metodología contemplaron:

1. Planeación y organización de cada una de las etapas con el fin de definir la meta de cada una, las

actividades asociadas, los perfiles del conjunto de persona que participarán activamente en la ejecución del

proyecto y las herramientas técnicas requeridas.

2. Establecer los requerimientos con el modelamiento del negocio, determinando las diferentes

características que debe cumplir el software y los principales procesos a realizar; por ello se establecen

diagramas de procesos, el modelo de dominio y un glosario de términos.

3. Realizar el análisis para estudiar los requerimientos fijados en la anterior etapa y construir una propuesta

de modelo donde se establezca los componentes esenciales del sistema y su operación, definiendo la

tecnología, el software a usar, el listado inicial de casos de usos, la depuración de estos, el modelo y los

documentos de cada caso de uso

4. Proponer una vista conceptual del laboratorio, construyendo diagramas de secuencia, colaboración y de

actividad por cada caso de uso, el diagrama de estados y el modelo de análisis.

5. Llevar a cabo las tareas de programación de los sistemas que constituyen el laboratorio, haciendo uso

de diagramas de despliegue, paquetes y componentes y el código de cada uno de los subsistemas.

6. Efectuar ensayos de integración de los sistemas que conforman el laboratorio, para la verificación y

mejora.

75

El software desarrollado consiste en una aplicación a la que se podrá acceder desde cualquier equipo que esté

conectado a Internet, de tal forma que el espacio virtual del laboratorio se diseñó para contar con: editor de

aplicaciones, almacenamiento en un repositorio virtual, despliegue de errores de sintaxis, numeración de líneas

de código y resultados de ejecución de la aplicación.

La aplicación debe permitir la interacción del usuario con la información digital de forma fácil por ello se propuso

implementar el tipo WYSIWYG (What you see is what you get, ‘lo que ves es lo que obtienes’), también llamada

interfaces objetos-acción (object-action-interface, OAI) donde los objetos presentes en la interfaz actúan en

representación de la acción a realizar (Banerjee, Nguyen, Garousi, & Memon, 2013; Espinosa-Ríos, González-

López, & Hernández-Ramírez, 2016).

El diseño se realizó teniendo en cuenta el objetivo de la aplicación, así como las características y

funcionamiento. Se han fijado las características de tener una aplicación amigable, intuitiva y sencilla de

manejar, donde se pueda realizar la compilación de programas escritos en lenguaje Java. En cuanto al

funcionamiento se tiene que una vez se inicia el uso de la aplicación, el menú principal es presentado con las

diferentes opciones en forma de pestañas; una vez elegida la opción deseada se accede ya sea a la pantalla

para digitar el código, verificación de errores o verificación de funcionamiento del código. Con esta información

se creó el diagrama de casos de uso, para así conocer las especificaciones de comunicación y el

comportamiento del sistema, además de la interacción de la aplicación con el usuario. La Figura 3 da a conocer

el diagrama para observar la relación entre los actores y los casos de uso en un sistema.

La comprensión de la conexión entre los procesos de la aplicación se observa en el diagrama de secuencia

de la Figura 4, allí se describe el comportamiento dinámico del laboratorio enfatizando en la cadena de

información intercambiada por los objetos.

Figura 3.Diagrama de casos de uso del Laboratorio

Diseño del Laboratorio

76

Figura 4. Diagrama de secuencia del Laboratorio.

Teniendo en cuenta los requisitos establecidos para el desarrollo de la aplicación se obtuvo un compilador en

línea, un sistema donde el estudiante puede validar su conocimiento al proponer un programa de computación

en lenguaje Java. La arquitectura se observa en la Figura 5, donde se tiene por una parte el servidor web que

está implementado en glassfish con una página JSP que actúa como Front End para enviar las peticiones

controladoras y los datos al subsistema de procesamiento con el fin de ejecutar procesos en el sistema

operativo por parte de las clases runtime. Por otra parte, está una arquitectura derivada de la anterior con la

que se recolectan los resultados de compilación y se envían al usuario final.

Figura 5. Arquitectura del compilador en línea desarrollado, secuencia de solicitud de verificación de compilación.

La Figura 5 también muestra la secuencia de comunicaciones entre los elementos arquitectónicos del

compilador en línea desarrollado, en donde el último elemento a comunicar es el sistema operativo quién

devuelve los resultados de compilación a runtime. La comunicación para devolver los resultados al cliente a

través de la impresión de resultados en el servidor web se observa en la Figura 6.

GLASSFISH

JSP SERVLET PROCESS

RUNTIME

SERVIDOR WEBSISTEMA

OPERATIVO

Resultados

77

Figura 6. Arquitectura del compilador en línea desarrollado, secuencia de resultados de la compilación.

Glassfish es un contenedor de aplicaciones que permite la ejecución de aplicaciones web, servicios web, entre

otros. Se seleccionó por ser robusto y por los mecanismos de seguridad que implementa para el acceso a las

aplicaciones, adicional puede ser configurado bajo entornos empresariales para soportar altas demandas. La

capa de vista en la mayoría de las aplicaciones basada en una arquitectura Java empresarial es implementada

mediante la tecnología de páginas de servidor Java JSP, de allí su uso en el compilador desarrollado. El Front-

End se basa en una capa JSP que contiene los elementos de interfaz gráfica propios del compilador, recibe el

código fuente digitado por el usuario y lo envía a la capa controladora del sistema.

Como se dijo, la capa con tecnología JSP entrega eventos cada vez que el usuario hace peticiones de

compilación de aplicaciones, estos eventos son recibidos por la capa Servet, capa controladora del sistema y

mediadora entre la capa de proceso de negocio y la capa Front, entre sus funciones está el envío del código

fuente a los respectivos procesos de compilación para solicitar la evaluación del código y la posterior recepción

de los resultados de dicha compilación. Esta capa interactúa directamente con la capa de proceso del sistema

operativo quien a su vez se relaciona con la capa Runtime, esta última ejecuta el proceso de compilación,

detección de errores y envío de los resultados a las siguientes capas, se desarrolló en lenguaje Java dado que

el código fuente a compilar también usa este lenguaje. La capa Process está comisionada de mostrar los

resultados.

Una vez obtenido el compilador, se creó un archivo ejecutable para su instalación que al desempeñarse

muestra una interfaz para escribir el código, Figura 7.

GLASSFISH

JSP SERVLET PROCESS

RUNTIME

SERVIDOR WEBSISTEMA

OPERATIVO

78

Figura 7. Interfaz del compilador en línea desarrollado.

El compilador ofrece diversas funcionalidades, como son:

• Edición de aplicaciones, el desarrollador de software puede escribir un código en Java con una sintaxis

preestablecida, para ser ejecutado e interpretado por el compilado, además permite almacenar la edición del

código. El editor puede cambiar de tamaño utilizando el mouse, presionando la tecla control y dejando deslizar

el scroll para aumentar el tamaño de la fuente.

• Ejecución de aplicaciones, el compilador ejecuta todas las actividades de compilación y ejecución con un solo

botón. Inicialmente compila las aplicaciones y verifica que no existan errores, de presentarse alguna

incoherencia en la sintaxis del código muestra el error en una ventana de errores y no permite la ejecución de

la aplicación informando al usuario de ello.

• Verificación de errores, se implementaron dos mecanismos para verificación de errores: Uno, para la sintaxis

donde los errores pueden ser visualizados en tiempo de edición, esta característica es similar a la presentada

por los entornos gráficos clásicos de compilación como Forte for Java, Eclipse y Netbeans, los cuales

presentan en la parte inferior una ventana de consola para visualizar los resultados del programa, igual que el

compilador (ventana de color gris). Dos, se implementó la funcionalidad de numeración de líneas de código

para que el usuario pueda ver la localización del error en forma gráfica y acceder de manera rápida.

• Visualización de resultados, en el área gris de la venta del compilador también se pueden observar los

resultados de ejecución de la aplicación cuando no hay errores.

• Ampliación del área de trabajo, una vez inicia el funcionamiento del compilador en la parte superior de la

ventana se tiene la barra de direcciones, la cual se puede ocultar para ampliar el espacio de trabajo, Figura

8A. Sin embargo, también es posible hacer el aumento del área de escritorio y desalojar elementos de la

interfaz gráfica para permitir al desarrollador un trabajo más concentrado en la línea de código, Figura 8B.

Adicional, se puede aumentar tanto el área de visualización del compilador como el área de visualización del

navegador, obteniendo una interfaz maximizada, Figura 8C.

A. B. C. Figura 8. Ampliación del área de trabajo del compilador en línea desarrollado. A. Ocultando la

barra de direcciones. B. Eliminando elementos de la interfaz gráfica. C. Aumento tanto del área de

visualización del compilador como del navegador.

Los tres mecanismos que se proporcionan para la ampliación del área de trabajo se pueden usar en conjunto

para obtener una interfaz gráfica que maximiza el entorno de desarrollo mostrando una interfaz única donde

sólo se puede ingresar código fuente y con un tamaño de fuente grande.

79

En la programación para el desarrollo de compiladores se tiene una fuerte dosis de esfuerzo y en la parte de

la interacción del usuario con la interfaz gráfica el sinnúmero de problemas es algo que requiere un proceso

metodológico para seleccionar progresiva y ordenadamente desde los procesos que más generan una buena

experiencia al usuario, hasta los que son menos relevantes. Por lo anterior, se hizo un análisis de las 10

cuestiones prioritarias a implementar en un compilador para obtener buen desempeño en su uso.

1) Solución al problema de la línea actual. Con el fin de generar la adecuada interacción usuario - compilador,

la interfaz debe mostrarle al usuario en forma gráfica la línea que se está ejecutando, seleccionando o

subrayando para denotar un suceso sobre la línea en cuestión. La figura 5 muestra un ejemplo donde la primera

línea se subraya, esto se implementó en el sistema cuando el usuario hace doble clic sobre una línea concreta,

para ello se utilizó un listener (palabra que se usa para denotar un manejador de eventos automático donde

la acción del usuario, en este caso hacer doble clic, dispara la ejecución del evento) que permite al sistema

detectar la línea a resaltar y subrayar dicha línea con un fondo azul, permitiendo leer el contenido del resto de

la línea, pero mostrando que sobre esta línea se está trabajando para ejecutar alguna acción.

Figura 9. Indicación de la línea de trabajo.

2) Mejoras en la escritura rápida por parte del usuario. En ocasiones, al escribir un programa de computadora

se tienen grandes cantidades de líneas de código, esto desgasta a los desarrolladores para encontrar un error

o verificar el funcionamiento de una línea; el compilador se convierte en un aliado para ejecutar funciones de

forma sencilla, entre ellas agilizar la escritura de los comandos más utilizados. De allí que el compilador

posibilita la opción de autocompletado, para ello el programador escribe el comienzo de una instrucción en el

lenguaje de programación y digita la combinación de letras CRL + ESPACIO, esto hace que se ejecute un

menú contextual para completar la palabra colocando el comando que coincide con la parte inicial digitada por

el programador. En la Figura 9 se muestra el ejemplo con la palabra “function”, fue colocada con esta técnica

por parte de los usuarios.

Priorización de funcionalidades en la interfaz de usuario

80

Figura 10. Función de autocompletar.

3) Completar Tags HTML. El compilador favorece el cierre de TAGS de tipo script en tiempo de ejecución, de

tal suerte que mientras el usuario escribe una etiqueta HTML, el sistema va detectando que esta corresponde

a una etiqueta SCRIPT de tipo HTML y dispara un listener o agente de teclado que mediante la técnica de

expresiones regulares detecta concretamente el momento donde el usuario termina de escribir la etiqueta de

apertura HTML y automáticamente basado en la posición y línea actual coloca la etiqueta HTML de cierre.

Esta funcionalidad de cierre de etiquetas HTML permite disminuir el número de errores causados por el no

cierre correcto de etiquetas HTML. Si bien es cierto que las etiquetas HTML sin cierre son ejecutadas en la

mayoría de navegadores, también es cierto que cuando se combinan una gran cantidad de etiquetas HTML

sin cierre se producen errores inesperados, esto sin tener en cuenta el consumo de recursos a causa del

esfuerzo que hace el navegador por intentar ejecutar una gran cantidad de etiquetas y buscar cuál corresponde

a una etiqueta anidada, cosa que conlleva en algunos casos a que el código HTML se visualice de distintas

formas en los diferentes navegadores y comiencen a surgir problemas de incompatibilidad.

4) Buscar coincidencias. Otra funcionalidad implementada en el compilador desarrollado fue la relacionada

con la posibilidad de buscar coincidencias, es decir si el usuario selecciona una palabra, el sistema busca las

otras palabras que tienen el mismo texto y las indica. Esto ayuda en forma visual al usuario del compilador a

analizar el código cuando está haciendo seguimiento a una variable o cuando está buscando las veces que se

invoca una función, por dar algunos ejemplos.

5) Cerrar llaves. La funcionalidad de cerrar llaves es similar a la de cerrar tags, sin embargo, el impacto es

mayor, porque si una llave no se cierra, es seguro que el código que se esté compilando no funcionará

correctamente. De otra parte, a nivel interno el cierre de llaves no tiene relación con las expresiones regulares,

por cuanto no se digitan varias letras o caracteres, sino basta con la digitación única de un carácter para

accionar la funcionalidad del cierre de llaves, haciendo que el compilador vaya a la línea inmediatamente

siguiente y escriba la llave de cierre.

6) Cerrar TAGS autocompletando. El compilador desarrollado no se limita a autocompletar una palabra,

también verifica que el nombre del TAG hasta donde se halla digitado sea único, es decir, si en un momento

dado lo digitado por el usuario corresponde con dos TAGS, el asistente de autocompletado no funciona. Por

ejemplo, al digitar “<t” existen muchos TAGS que pueden completar dicha etiqueta y el autocompletado no

funciona; pero, si se digita “s” el sistema detecta que se ha digitado hasta ahora una letra “s” y busca la primera

coincidencia de la palabra reservada en el lenguaje para autocompletar y coloca la palabra “switch”.

7) Marcar texto seleccionado. Para realizar esta acción el sistema detecta las preferencias del fondo elegidas

con anterioridad por parte del usuario y, haciendo uso de la teoría del color, emplea un color de resaltado que

contrasta con el color del fondo, de esta forma el color para subrayar no interfiere ni con el color de fondo del

compilador, ni con el color de la letra.

81

8) Marcar los errores de edición de código en tiempo real. El compilador indica la línea donde existe un error,

ya sea de tipo warning relacionado con errores no graves o tipo error correspondiente a errores graves, para

ello busca la causa del error y la compara internamente con una base de datos. Por ejemplo, el no haber

asignado un valor a una variable puede ser considerado como warning pues existe la posibilidad de

funcionamiento del sistema a pesar de que internamente se presente sobrecarga; sin embargo, el no cerrar un

corchete de una función es un error porque el compilador desconoce el ámbito de las variables y por tanto no

puede ejecutar el código. La Figura 11 muestra cómo los iconos con un círculo de color rojo indican los errores

fatales, y los iconos con triángulos amarillos indican errores tipo warning.

Figura 11. Errores marcados por el compilador en línea desarrollado.

9) Saltar donde termina el ámbito del tag. Esta función permite el desplazamiento entre varias líneas de código

usando combinación de teclas. Por ejemplo, si entre el TAG “<head>” y el TAG “</head>” hay muchas líneas

de código, es posible que ubicándose al principio del TAG “<head>”, el usuario se desplace al inicio del

siguiente TAG llamado “<body>”, esto se logra presionando la combinación de letras CTRL-J.

82

La simulación de escenarios didácticos que permitan la aprehensión de conocimientos es un hecho latente,

pero se requiere asegurar la transferencia de contenidos temáticos de forma amena para el estudiante,

generando espacios virtuales que permitan la navegación segura y la interconectividad con sus pares, así

como la realización de tareas que se dan en las aulas de clase (Arevalo et al., 2020; Espinosa-Ríos et al.,

2016). Por lo que, sin lugar a duda, el desarrollo, puesta en marcha y despliegue del entorno del compilador

en línea abre posibilidades de investigación en el planteamiento, diseño evaluación y creación de herramientas

para la prestación de servicios virtuales de laboratorios, acorde con lo planteado por Arevalo y Espinosa-Ríos.

Esta línea de investigación es de alto impacto no sólo porque permite darle otro enfoque al uso de los recursos

que tienen los actuales laboratorios de muchas entidades educativas sino porque permite flexibilizar su uso

sobre todo en momentos en donde el acceso a los equipos se ve cobijado por leyes gubernamentales que

impiden el desplazamiento de la ciudadanía a los laboratorios computacionales.

El compilador se muestra como un primer esfuerzo por entregar soluciones reales a laboratorios que permitan

la entrega de servicios virtuales de dichos espacios académicos a sus estudiantes y de esta manera

aprovechar la infraestructura física que cuentan los laboratorios para hacerla disponible a sus estudiantes

desde sus hogares usando Internet.

El prototipo de compilador remoto obtenido demuestra que tanto la metodología como la arquitectura

planteadas son válidas para la construcción de entornos de compilación virtual, la construcción se realizó

teniendo en cuenta que un laboratorio virtual debe permitir al usuario experiencias de aprendizaje y uso de

herramientas propias de los laboratorios que simulan, además permitir la transferencia de habilidades

cognitivas obtenidas en la virtualidad a otro tipo de contexto donde se emplean (Trefftz et al., 2009), esto se

ha logrado con el compilador y las funcionalidades que presenta.

Las funcionalidades aportadas por el compilador desarrollado conceden grandes beneficios a los usuarios,

promoviendo que un compilador en línea (online) contenga parámetros de usabilidad.

Este software solamente permite la compilación de aplicaciones que han sido ingresadas por el usuario vía

web, a futuro se propone mejorar las funcionalidades y guardar en un registro los errores y los aciertos de

programación que han tenido los diferentes usuarios del sistema, a fin de llevar un análisis de las razones por

las cuales esto ha fracasado e incluso hacer un seguimiento a los errores más frecuentes que presentan los

estudiantes, para así establecer estrategias didácticas que permitan a los estudiantes incrementar la

aprehensión del lenguaje Java. Así mismo se podrá conocer el tiempo empleado por un estudiante para

obtener un software que compile y se ejecute mostrando resultados pertinentes; este conocimiento también

ayuda en la propuesta de un modelo pedagógico basado en la evaluación retrospectiva e histórica de las

deficiencias en programación presentadas por los estudiantes.

Aldas, M., Blacio, R., Corral, D., Correa, C., Farfán, P., Guamán, J., … Rubio, M. J. (2013). La educación a distancia y virtual en Ecuador. Una nueva realidad universitaria. (M. Morocho Quezada & C. Rama, Eds.) (Primera). Loja: Universidad Técnica Particular de Loja.

Arboleda, O. (2011). Definición del lenguaje de programación EPLOAM para la ejecución de pseudocódigo y su compilador. Scientia Et Technica, 16(48), 116–121. https://doi.org/10.22517/23447214.1255

Arevalo, V., Vicente-del-Rey, J. M., Garcia-Morales, I., & Rivas-Blanco, I. (2020). Minivídeos tutoriales como apoyo al aprendizaje de conceptos básicos para un curso de Fundamentos de Control Automático. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial, 17, 107–115. https://doi.org/https://doi.org/10.4995/riai.2020.12156

Banerjee, I., Nguyen, B., Garousi, V., & Memon, A. (2013). Graphical user interface (GUI) testing: Systematic



83

mapping and repository. Information and Software Technology, 55(10), 1679–1694. https://doi.org/10.1016/j.infsof.2013.03.004

Barros de Sales, A., & Boscarioli, C. (2020). Uso de Tecnologias Digitais Sociais no Processo Colaborativo de Ensino e Aprendizagem. Risti, 37(6), 82–98. https://doi.org/10.17013/risti.37.82–98

Chiappe, A., & Sánchez, J. O. (2014). Informática educativa: naturaleza y perspectivas de una interdisciplina. Revista Electrónica de Investigación Educativa, 16(2), 135–151. Retrieved from http://www.scielo.org.mx/pdf/redie/v16n2/v16n2a9.pdf

Espinosa-Ríos, E. A., González-López, K. D., & Hernández-Ramírez, L. T. (2016). Las prácticas de laboratorio: una estrategia didáctica en la construcción de conocimiento científico escolar. Entramado, 12(1), 266–281. https://doi.org/10.18041/entramado.2016v12n1.23125

Felder, R., & Silverman, L. K. (1988). Learning and Teaching Styles in Engineering Education Richard. Engr. Education, 78(7), 674–681. Retrieved from http://www.ncsu.edu/felder-public/ILSpage.html

Guevara, J. C., & Luengas C., L. A. (2008). Laboratorio virtual de destilación química. Vínculos, 5, 42–50.

Jaimez-González, C. R., & Luna-Ramírez, W. A. (2017). Compilador en línea para apoyar el aprendizaje del lenguaje de programación Java. Revista Iberoamericana de Producción Académica y Gestión Educativa, 4.

Luengas C., L. A., Sánchez, G., & Guevara, J. C. (2017). Laboratorio Virtual: Herramienta pedagógica de apoyo en el proceso de enseñanza – aprendizaje Autores. In Educación Digital y Gestión del Talento Humano en Iberoamérica (p. 721). Medellín: CIMTED Corporación.

Menolascina, Y., Aguilar, J. C., & Rivas, F. (2014). Diseno de un compilador en Java para sistemas expertos y sistemas clasificadores difusos. In 4ta. Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernetica e Informatica, CISCI 2005, Memorias.

Rodríguez García, J. I., Turienzo Santos, E., & González González, J. J. (2009). ¿Mejora la incorporación de un simulador virtual las capacidades en cirugía endoscópica adquiridas con simuladores inanimados? Cirugia Espanola, 86(3), 167–170. https://doi.org/10.1016/j.ciresp.2009.04.008

Sáez Vacas, F. (2011). Cultura y Tecnología en el Nuevo Entorno Tecnosocial. (F. R. S. para el D. de las Telecomunicaciones, Ed.), Fundación Vodafone. Madrid: V.A. Impresores. S.A. https://doi.org/10.1017/CBO9781107415324.004

Torres Samperio, G. A. (2001). Espacios virtuales de experimentación cooperativa caso de estudio: Laboratorio virtual de cinemática. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Retrieved from http://www.trielectoralhidalgo.org.mx/historiaVer.php?id=138

Trefftz, H., Restrepo, J., Jiménez, Á. M., Giraldo, F. D., Rojas Flórez, L. C., Restrepo, A., … Lamprea, J. A. (2009). Ambientes virtuales colaborativos en cursos de matemáticas para ingeniería soportados por redes de alta velocidad. Revista Educación En Ingeniería, 8, 13–25.

Waldegg, G. (2002). El uso de las nuevas tecnologías para la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias. Revista Electrónica de Investigación Educativa, 4(1), 1–22. Retrieved from http://redie.ens.uabc.mx/vol4no1/contenido-waldegg.html

84

“HOLOGRÁFICA TRIDIMENSIONAL”

Ferney Rodrigo Ortiz Jiménez 7 Wilson Ferney Molano García8

Manuel Fernando García García9 Sandy Andrés Chaves Rodríguez10

Leidy Daniela Vásquez Núñez11

La creación de un nuevo medio informativo publicitario para la Corporación Tecnológica Industrial Colombiana

- TEINCO como estrategia comunicativa a través de la proyección de un holograma tridimensional en alta

definición, utilizando herramientas de animación y modelado 3D por computadora, que, con la inteligencia

artificial proporcionada por el software de diseño y desarrollo, permitió la creación secuencial o paso a paso

del producto llamado Hologram, en colaboración con estudiantes de Diseño Gráfico último Semestre Leidy

Daniela Vásquez Núñez, Angie Carolina Lugo Ruiz y Oscar Giraldo Cabrera. El proyecto se realizó en siete

fases principales. La primera refleja un análisis de la identidad e imagen con respecto a la marca, cliente y

difusión, en conjunto a la experiencia de los mismos y su estado en la competencia. La fase en la que se

definieron los objetivos y escoger el tipo de estrategia de comunicación, teniendo en cuenta, el ¿Cómo?, ¿Por

qué? y ¿para qué? En la tercera fase se definió el público objetivo, para acertar en la estrategia de

posicionamiento. En cuarta fase, se expuso el cómo comunicar el mensaje, conectando con el público para

generar interés. Para la quinta fase, la correcta selección de los canales adecuados utilizados por el público.

En cuanto a la sexta fase se realizó la creación del producto, donde se tuvo en cuenta las tácticas, presupuesto,

recursos gráficos, delegación de actividades, plazos de ejecución y publicación y por último encontramos la

medición y evaluación de resultados, donde se midió el éxito de la estrategia, verificando los objetivos y

corrigiendo el rumbo en caso de que fuese necesario. En el proceso se tuvo en cuenta una serie de

características y valores institucionales, orientando al posicionamiento de la institución en el mercado de

estudiantes interesados y proporcionándole una herramienta moderna.

Palabras Clave: Hologramas, 3D, animación, estrategia, comunicación, público.

Sumario: 1. Introducción 2. Intereses en la Educación Superior. 3. Lenguaje visual y su interpretación 4.

Percepción Visual 5. La tendencia del diseño 3D 6. La sintaxis y su relevancia en la imagen 7. Metodología.

8. Instrumentos de recogida de información 9. Guión y Storyboard 10. Storyboard 11. Técnica 3D 12. Captura

de la información 13. Construcción del modelado rostro 14. Herramientas 15. Menú Principal 16. Herramientas

7 Sociólogo, licenciado en Ciencias Sociales 8 Licenciado en Ingeniería Mecatrónica. Mgs vicerrector de la Corporación Tecnológica Industrial Colombiana TEINCO <[email protected]> 9 Antropólogo, Esp. Educación Integral. Mgs. Estudios Artísticos. Director de la División de Investigación Tecnológica Aplicada DITA de la Corporación Tecnológica Industrial Colombiana TEINCO <direcció[email protected]> 10 Licenciada en Educación Básica con énfasis en humanidades e inglés y magister en Dirección de Instituciones de Educación 11 Estudiante del Programa de Diseño gráfico de la Corporación Tecnológica Industrial Colombiana TEINCO

Resumen

85

del objeto 17. Ventanas de objetos y jerarquías 18. Línea de tiempo 18. Premier 19. Audition 20. Visualización

del producto Final. 21. Resultado 22. Medición y evaluación del resultado 23. Discusión y conclusiones. 24.

Referencia bibliográficas.

Contents: 1. Introduction 2. Interests in Higher Education. 3. Visual language and its interpretation 4. Visual Perception 5. The trend of 3D design 6. The syntax and its relevance in the image 7. Methodology. 8. Information gathering instruments 9. Script and Storyboard 10. Storyboard 11. 3D technique 12. Information capture 13. Face modeling construction 14. Tools 15. Main Menu 16. Object tools 17. Object and hierarchies windows 18. Timeline 18. Premier 19. Audition 20. Final product visualization. 21. Result 22. Measurement and evaluation of the result 23. Discussion and conclusions. 24. Bibliographic references.

The creation of a new advertising information medium for the Colombian Industrial Technology Corporation -

TEINCO as a communication strategy through the projection of a three-dimensional hologram in high definition,

using animation tools and 3D computer modeling, which, with artificial intelligence provided by The design and

development software allowed the sequential or step-by-step creation of the product called Hologram, in

collaboration with students of Graphic Design last Semester Leidy Daniela Vásquez Núñez, Angie Carolina

Lugo Ruiz and Oscar Giraldo Cabrera. The project was carried out in seven main phases. The first reflects an

analysis of the identity and image with respect to the brand, client and diffusion, together with their experience

and their status in the competition. The phase in which the objectives were defined and the type of

communication strategy chosen, taking into account the How? Why? And for what? In the third phase, the target

audience was defined, to get the positioning strategy right. In the fourth phase, how to communicate the

message was exposed, connecting with the public to generate interest. For the fifth phase, the correct selection

of the appropriate channels used by the public. As for the sixth phase, the creation of the product was carried

out, where the tactics, budget, graphic resources, delegation of activities, execution and publication deadlines

were taken into account and finally we found the measurement and evaluation of results, where the success of

the strategy, verifying the objectives and correcting the course if necessary. In the process, a series of

institutional characteristics and values were taken into account, guiding the positioning of the institution in the

market of interested students and providing it with a modern tool.

Keywords: Holograms, 3D, animation, strategy, communication, public.

En la Corporación Tecnológica Industrial Colombiana – TEINCO existen diversas fuentes de comunicación,

información y divulgación; la página web, los canales publicitarios, las redes sociales. TEINCO es una

corporación que cuenta de valores institucionales y corporativos, además ofrece programas, técnicos,

tecnológicos y profesionales; ofrece sus programas a una gran variedad de estudiantes, por lo que es

necesario no sólo ampliar los medios de comunicación, sino que, además, aplicar los conocimientos y las

Abstract

Introducción

Intereses en la Educación Superior

86

nuevas tecnologías de la información y la comunicación para llegar a toda la comunidad estudiantil además de

abrirse camino a nuevo público que se interese en la educación superior, es por ello y para destacarse de la

competencia, que buscamos trabajar sobre las aplicaciones de los hologramas tridimensionales que sirvan

como estrategia y herramienta para impulsar el desarrollo de proyectos que permiten reconocer aún más la

capacidad, el talento y novedades de TEINCO como institución de Educación Superior, su compromiso con el

aprendizaje y valor agregado a desarrollos investigativos profesionales.

Identificamos, en este texto, alternativas desde el estudio de las imágenes del consumo y de la publicidad en

la perspectiva metodológica interdisciplinaria de la antropología y de la comunicación junto a la animación y

modelado 3D por computadora y la inteligencia artificial proporcionada por el software de diseño y desarrollo.

Al observar que parte del consumo está constituido por la incorporación y producción de imágenes, este

artículo concluye indicando la necesidad de formulaciones metodológicas para los trabajos que relacionan

disciplinas como el diseño, los sistemas, antropología visual y la publicidad, desde la observación y registro de

los análisis y técnicas para la verificación de sus producciones de sentido en la vida cultural académica.

(Cyberclick. 2020)

En relación a la antigüedad, el concepto de holografía nace gracias al señor Dennis Gabor un hombre

apasionado por la física aplicada, Dennis inició sus estudios en la Universidad Técnica de Berlín obtuvo su

título como Ingeniero Eléctrico en 1924, a partir de ahí se consideró Ingeniero e Inventor más que Científico

siendo contradicho puesto que su trabajo estaba casi siempre relacionado con la Física aplicada. Sus primeros

pasos hacia la holografía dan fruto a raíz en el año “1947” cuando se encontraba en trabajo del mejoramiento

de un microscopio electrónico, en el transcurso de su labor, se realizó a sí mismo una pregunta la cual iba a

cambiar su manera de ver la óptica introduciendo un nuevo principio de microscopía, dedicándole así el resto

del año a su nuevo descubrimiento que desencadenó en “los principios físicos de la holografía” los cuales

están arraigados al concepto físico de la naturaleza ondulatoria de la luz, la interferencia y su difracción, que

posteriormente en solución a su interrogante construyó este principio en dos etapas, el registro (onda objeto)

y la segunda el fondo coherente (onda referencia), poniéndole por nombre “Interferograma” y posterior lo llamó

“Holograma”, partiendo de la palabra griega “Holos” que significa “la totalidad” pues contiene información total

(la amplitud y la fase) de la onda objeto. (Banco BBVA (BBVA), 2018)

Un holograma es un registro de la interacción de dos ondas coherentes, que son provenientes de fuentes

puntuales y monocromáticas, con formas de un patrón microscópico de franjas interferenciales, también se

conoce como una película fotográfica, expuesta a la luz de un láser y procesada de modos que la iluminación

quede de la forma adecuada, generará una imagen tridimensional para obtener un diagrama de interferencia

entre dos o más ondas que cuenten con la misma frecuencia y una diferencia de fase constante, en decir, que

la luz sea coherente con el espacio (Aterenzani, 2021).

87

Es la base de la creación del diseño, en el cual existen reglas, principios y conceptos referentes a la

organización visual. Un diseñador puede trabajar con sensibilidad a las relaciones visuales, aumentando en

una forma definida su capacidad para la organización visual. A diferencia del lenguaje hablado o escrito, cuyas

leyes visuales no están del todo establecidas, el lenguaje visual carece de leyes obvias, en el cual se puede

poseer un conjunto de descubrimientos distintos de cada teoría. La comunicación es esencial para el

diseñador, ya que tiene como profesión asumir con compromiso ser facilitador en procesos de comunicación

enfatizando en lo visual.

El diseñador se convierte en un intérprete, un organizador de mensajes, toma un rol de influenciador, que

recibe opinión, crítica y su desempeño es fundamental en la sociedad para dar respuesta a distintos

interrogantes en el desarrollo de proyectos de diferentes disciplinas.

La diferencia la encontramos en estas dos áreas: en la actividad de diseño y el producto del diseño, es

importante conocer el contexto y entender la finalidad de cada uno, Hologram es el ejemplo de esta diferencia,

primero encontramos la actividad del diseño la cual se especializa en la creación y desarrollo de videos

tridimensionales acordes a las necesidades de cada cliente y segundo se conoce la importancia en el producto

de diseño, los procesos de comunicación para poder contener el mensaje (Mancipe, 2016).

Enfatiza conocer la manera en que el ser humano percibe lo que ve y observa. Aspectos como: el recorrido de

la vista, la imagen, conceptos de contraste, percepción de figuras y fondos, trayectoria de la luz, degradación

de color. Simulan mediante los sentidos y la psicología sensaciones y experiencias personales en los videntes.

Su aplicación fortalece la comunicación y enriquece de forma visual el contenido. “una imagen es más que un

producto de la percepción. Se manifiesta como resultado de una simbolización personal o colectiva. Todo lo

que pasa por la mirada o frente al ojo interior puede entenderse, así como una imagen, o transformarse en

una imagen.” (Belting, 2007, p.14). Es una condición esencial para generar competencia digital, concierne una

meticulosa selección de estilo y técnica, altamente inmersivos e interactivos, que evoquen simulaciones y

actividades aplicables. Para la creación de un diseño con atractivo visual y personalidad de equilibrio estético,

encontramos la importancia de los recursos gráficos: psicología del color, forma, tipografía, maquetación.

(Wong, 1991)

Esta técnica aprovecha al máximo los avances tecnológicos y es usado por los softwares más modernos, uno

de sus puntos fuertes es la realidad aumentada junto con la realidad virtual en el diseño web, dando un

Lenguaje visual y su interpretación

Percepción Visual

La tendencia del diseño 3D

88

significado a que los diseñadores están realizando mejoras en su juego 3D. Esto da la oportunidad de crear

imágenes increíblemente realistas e hiperrealistas para su difusión en contenidos digitales y físicos, haciendo

las imágenes impactantes haciendo que se conviertan en el centro de atención dentro de un escenario.

(Sánchez, 2021)

La comprensión de la imagen, se hace posible desde muchas perspectivas, pero nuestro estudio buscó la

perspectiva de la antropología, que busca ampliar la definición de lo visual hacia su condición existencial. Los

enfoques semióticos han propuesto un marco teórico de comprensión de las imágenes desde el concepto de

signo, que se dirige a una percepción definida en términos cognitivos. La definición de lo visual como un

lenguaje ha sido un lugar recurrente en la teoría social. La extensión del concepto de signo para definirla, ha

supuesto también, por consecuencia, toda una definición de la percepción, donde se asume que el acto de

percibir es un acto de leer. La mirada lee el mundo y percibirlo se convierte así en un acto de interpretación

constante. Se examinan elementos visuales básicos, las estrategias, opciones de las técnicas visuales,

composiciones creativas, gamas de medios y formatos incluidos en un análisis destinado a ensanchar la

comprensión y el uso de la expresión visual. Las imágenes no se desligan de la palabra para poder existir y

significar y apelan a una percepción cognitiva. Pero en la percepción y en la imagen hay un espacio irreductible

a lo verbal, que se sustrae y, por tanto, el modelo del código deviene un velo sobre la imagen. Comprender la

imagen desde una perspectiva antropológica implica devolver a ésta su condición existencial, su dimensión

humana y corporal. No sólo los medios y los cuerpos se han abordado por separado, sino que se ha eludido

la mirada como elemento necesario (Dondis,1992).

Hicimos siete fases de creación de estrategias de comunicación, la cual parte del análisis de la información

recolectada en los recursos investigativos, para formar la primera fase de desarrollo. Se encontró pertinente

descomponer el proceso en partes para recrear la idea propuesta video, esto implica una síntesis de los

elementos que constituye la labor, y entender cómo este forma parte de un todo (Pouplana, 2020).

La investigación bibliográfica proporcionó información relevante para guiar el estudio hacia el objetivo

particular, con información tomada de varios lugares informativos como artículos, libros, tutoriales, revistas,

páginas web, etc. Necesarios para la primera etapa del método investigativo y así obtener conocimientos a

partir de las investigaciones existentes como teorías, técnicas, instrumentos, resultados, en la indagación de

los hologramas e influencia en el Diseño Gráfico. Aquí se formalizan las bases principales que dieron el inicio

al proyecto mostrándole una visión más clara a lo que se quería comunicar en el área de estudio.

La sintaxis y su relevancia en la imagen

Metodología

Instrumentos de recogida de información

Guión y Storyboard

89

Teniendo en cuenta la asesoría con el docente disciplinar y diseñador gráfico Andrés Nieto, se desarrolló el

guión correspondiente para el video conteniendo los aspectos literarios más importantes finalizando es su

exportación en formato de audio .mp3 y .wav, requisito para compatibilidad con softwares de edición y

animación, con una duración mínima de 40 seg a 1 min, tono narrativo publicitario y protagonizado por el Sr.

Rector Rodrigo Ortiz Jiménez director y administrador de la Corporación Tecnológica Industrial Colombiana -

TEINCO. La retórica aplicada en el diseño gráfico demuestra una increíble capacidad de persuasión y su

trascendencia más allá de una mirada artística y estética, más bien desde el discurso en sí. La retórica se

origina en lo comunicativo y tiene importancia en la reciprocidad entre un emisor y un receptor interactuando

en un entorno y canal En el diseño podemos ver como estos personajes son reemplazados por un usuario y

un comprador, que construyen una relación partiendo de una situación, donde el diseñador interactúa para

solucionar una problemática del cliente, y por medio de sus habilidades proponer soluciones aptas y

pertinentes que apoyen y soporten un crecimiento o convencimiento en particular, con argumentación y

beneficio mutuo (Gamonal, García, 2015).

Una vez finalizado el guión se determinó la división de los tiempos y etapas del video de forma técnica en el

Storyboard, en la (figura 1) se mencionan las características técnicas para el desarrollo del video de forma

secuencial.

Figura 1. Storyboard

Fuente: Propia. Modelado escena 1 y 2. 2021.Oscar Giraldo, Angie Lugo.

En la primera escena se presenta el modelado del rector en ángulo frontal y plano medio corto realizando la

bienvenida y la introducción. Para la segunda escena se presenta la relación de Teinco y la imagen empresarial

en el modelado de los edificios y la propulsión de una esfera con alusividad a los estudiantes que ingresan a

la institución quienes son objeto de potencialización en el área profesional y habilidades personales, todo visto

desde un ángulo semipicado izquierdo y plano general con zoom in.

Storyboard

90


Fuente: Propia. Modelado escena 3 y 4. 2021.Oscar Giraldo.

En la tercera escena se ve representada la facultad de Ingeniería Mecatrónica la cual continúa la secuencia

del movimiento de la esfera siendo tomada por un brazo robótico que se desplaza dentro del entorno hasta

lograr depositarla por un conducto, es visto desde un ángulo semipicado izquierdo y plano general. Con

referencia a la tercera escena se aprecia la finalización de este movimiento del brazo depositando la esfera en

el conducto llevándola al siguiente entorno relacionado con la Ingeniería de Sistemas donde se ejecuta la

acción de la esfera presionando la tecla enter y carga de la siguiente escena, se observa desde un ángulo

frontal izquierdo y plano general.



Siguiendo con la quinta y sexta escena se ve representado el entorno de Administración de empresas que

guía de forma ascendente la esfera y atraviesa un módulo giratorio indicando la importancia de llevar al éxito

tus emprendimientos, para pasar al siguiente entorno seleccionado que es la Contaduría Pública. Se visualiza

desde un ángulo frontal izquierdo y plano general.

91



En la siguiente escena se continúa el recorrido continuo de la esfera por el entorno de contaduría que atribuye

al orden y los números; Para la escena número ocho la esfera hace una transición bajando por un conducto

que la llevara directo a una rampa dirigiéndose a un centro de procesamiento de formas. La primera escena

vista desde un ángulo semi-picado derecho y plano general y la otra vista desde un ángulo frontal izquierdo

general.



Las escenas número nueve y diez se desarrollan en el centro de procesamiento de formas, pero cada una se

proyecta de forma independiente, para la primera se ve observa la esfera sobre una banda ingresando al

centro para ser procesada en una “o” es vista desde el ángulo semipicado derecho y plano general. Para la

segunda escena se ve el proceso directo de Diseño Gráfico y edición sobre el color de la “o” visto desde ángulo

frontal y plano general con zoom in.

92



Para estas dos escenas en particular se presenta el brazo robótico con el objetivo de tomar la “o” cuando haya

terminado su proceso de transformación en el centro, para luego sí (figura 12) ubicarla en el lugar faltante en

el nombre de TEINCO, esto se presentará de forma fluida con un plano general y ángulo semipicado con

movimiento focalizado en la acción.


Fuente: Propia. Modelado escena 13. 2021. Angie Lugo.

Finalmente, para el cierre se presenta de nuevo el rector dando su anuncio de despedida visto frontalmente

en un plano general.

Las formas y tipografías seleccionados fueron desarrollados con técnica 3D para ver la proyección de volumen

en el espacio e interacción de elementos en los entornos mencionados dentro del Storyboard. Para las

tipografías se tuvo en cuenta aquellas de base sin serifas no complejas y la forma se consideró pertinente las

de base como esferas, cubos, otras más complejas tales como resortes, objetos pre formados y modelados

independientes, todas desarrolladas para aplicaciones de animación minimalista.

Técnica 3D

93

Como principal objeto fue la recolección de registros audiovisuales fotografías y audios, teniendo en cuenta

las particularidades y gestos del usuario de prueba, trabajando de la mano con el Rector de la universidad

quien proporcionó su identidad y tiempo para la recolección de material.

Con lo anteriormente mencionado se utilizó su rostro como base para el modelado principal de la cabeza donde

se hicieron piezas gráficas ilustradas para llevar de un nivel escalafonado de realista a uno más minimalista

(figura 16), facilitando la construcción de la maya poligonal al momento de modelar , como segundo paso, se

estableció una forma básica la cual se esculpió digitalmente en el programa de 3dsMax, para crear los relieves

del rostro (figura 17), teniendo en cuenta la paleta de colores y poniendo texturas y materiales (figura 18),

definidos en la cromática de la imagen, manteniendo la estructura con el retrato (figura 19); en correlación, se

trabajó de la mano con softwares de edición para video (Premiere), audio (Audition) y animación (3ds máx.).

Lo cual nos llevó a la tercera parte del proceso creativo, el lipsing, una vez ya finalizado el arte de la parte

superior del protagonista se procedió a animar sus facciones (figura 20), a la par del audio grabado seguido

de la secuencia del Storyboard manteniendo la coherencia visual.

Figura 8. Modelado Rostro 1ra Parte

Fuente: Propia. Printscreen. Modelado Rostro.2021. Angie Lugo.

Captura de la información

Construcción del modelado rostro

94





95





96

3dsMax es un programa de gráficos por ordenador, es utilizado para crear modelos 3D, animaciones e

imágenes digitales, siendo un software construido y desarrollado para la visualización de juegos y diseños,

siendo uno de los programas más populares en la industria de los gráficos por ordenador y con un alto conjunto

de herramientas, siendo el favorito entre los desarrolladores de videojuegos, estudios comerciales de televisión

y arquitectos. La interfaz tiene un mecanismo de interacción entre el programa y el usuario, donde el mismo

usuario establece su comunicación por medio del teclado y el ratón, conformada en la parte superior por el

menú principal, en la zona media se encuentra la zona del trabajo 3D mostrando un cubo por defecto, a la

izquierda se perciben las herramientas del objeto y en la parte inferior se observa la línea de tiempo (3ds Max,

1990).

Figura 13. Ventana principal de 3dsMax

Fuente: Printscreen. Interfaz 3dsMax. 2021. Angie Lugo.

A continuación, se detalla cada herramienta de los menús de 3dsMax.

Este menú contiene ajustes de los gráficos globales; de izquierda a derecha, en el cual cada uno contiene un

submenú e información del programa, vista, objeto y tiempos

Figura 14. Menú principal y herramientas


Herramientas

Menú principal

97

Contiene herramientas rápidas para los objetos, que están distribuidas de arriba hacia abajo, con opciones de

transformación como vertex, Edge, border, polygon, element.

Figura 15. Herramientas para la transformación de los objetos


En esta ventana se pueden observar todos los elementos que se encuentran dentro de la escena.

Figura 16. Ventana de herramientas en la escena.

Fuente: Printscreen. Interfaz 3dsMax. 2021 Angie Lugo.

Herramientas del objeto

Ventanas de objetos y jerarquías

98

Se muestra la línea de tiempo que contiene el movimiento de las animaciones creadas.

Figura 17. Línea de tiempo

Fuente: Printscreen. Interfaz 3dsMax. 2021 Angie Lugo.

Premiere es uno del software de diseño especializados para la edición de video en el cual se aprovechó al

momento de unir las secuencias renderizadas del modelado 3D y se exportaron los archivos finales.

Figura 18. Secuencia en Premiere

Fuente: Propia. Printscreen. Edición y Montaje de Renders .2021. Angie Lugo.

Audition es un software de edición de audio, con múltiples funcionalidades, seleccionado por su uso fácil y

descomplicado, cuenta con dos modos de edición uno multipista y otro por forma de onda, para la edición de

audio, se utilizó el modo multipista, donde se le aplicaron recortes y efectos de sonido para que resaltara más

la voz de nuestro narrador.

Línea de tiempo

Premiere

Audition

99

Figura 19. Modo edición Multipista

Fuente: Printscreen. Interfaz Audition. 2021 Daniela Vásquez.

Se realizaron las pruebas necesarias de los renders para comprobar la calidad del diseño, para su

aprobación se exportó y trasladó para el montaje final, dando el efecto holográfico del producto audiovisual.

Organizado en las 4 vistas, frontal, posterior, lateral izquierda, lateral derecha.

Figura 20. Plantilla Holográfica

Fuente: Propia. Printscreen. Montaje de Plantilla Holográfica .2021. Daniela Vásquez.

Visualización del producto final

100

Figura 21. Montaje Final

Fuente: Propia. Printscreen. Montaje Holográfico Piramidal .2021. Daniela Vásquez.

Se presentó el video animado a los entes evaluadores de Diseño, quienes dieron el veredicto de traslado al

soporte tecnológico, donde se puso en reproducción y se hizo la primera muestra al público en la feria del

Diseño.

Se pretendió medir el éxito de la estrategia, de forma minuciosa verificando que cada parte del desarrollo

cumpla correctamente su proceso asignado, guiando el producto final al objetivo y si este fue cumplido. Para

la evaluación de resultados se tuvo en cuenta la crítica constructiva corrigiendo lo necesario para que se

evolucione la idea expandiendo su alcance y desarrollo de nuevas propuestas en áreas específicas de Diseño.

El lenguaje ocupó el lugar que durante siglos había pertenecido a la razón como lugar privilegiado de

conocimiento, en el siglo XXI, ahora es la imagen la que desplaza al lenguaje y al discurso. Desde un punto

de vista histórico, la primacía de la imagen es clara: sólo hay que pensar en aquel primitivo hombre que con

escasos recursos pintaba con detalle los animales que le rodeaban. A pesar de ser pinturas relacionadas con

Resultado

Medición y evaluación de resultados


101

ritos, lo cierto es que en ellas se expresa el modo en que nuestros antepasados entendían el mundo, se

relacionaban con el entorno e interactúan con él. Del mismo modo, desde un punto de vista antropológico,

sabemos que la vista llega antes que las palabras. Como dice John Berger (2001), el niño mira y ve antes de

hablar, (p. 13). Es la vista la que establece nuestro lugar en el mundo circundante; posteriormente, explicamos

nuestro mundo a través de las palabras, pero las palabras no pueden suplir el hecho de que estamos rodeados

por él.

Las imágenes son modos de comunicación, que constituyen un lenguaje propio y que hay que aprender a

descifrar y leer (Maguel, 2002); son instrumentos de aprendizaje, de experimentación e interpretación. En la

actualidad, se abre un nuevo campo epistemológico, donde se quiebra la primacía del discurso como espacio

privilegiado del conocimiento. De ahí que hoy en día nuestra mirada se dirija al giro icónico, pues el

revolucionario giro lingüístico va perdiendo su fuerza y preeminencia en el mundo actual. Ahora, el acto de ver

suplanta al acto de discurrir: se reconoce la visualidad como dominio cognitivo en oposición a la hegemonía

de la verbalidad. Dejamos de representar el mundo con imágenes para interpretar todo lo que nos rodea como

una imagen. Y como consecuencia nace el homo videns (Sartori 1997), caracterizado por una inteligencia

simultánea, basada en la dinámica conductista de estímulo-respuestas, y por un creciente déficit en su

capacidad de abstracción. Este giro icónico y esta nueva forma de ver el mundo también tienen repercusiones

en el ámbito de la publicidad. Consciente de la fuerza de la imagen, la publicidad no sólo se preocupa y cuida

la imagen externa que ofrece del producto anunciado, sino que busca fabricar imágenes internas en los

consumidores; adquiriendo una gran importancia las representaciones internas no verbales que los sujetos

realizan de las imágenes publicitarias. ¿Por qué prestar especial atención a la imagen publicitaria? La

respuesta nos la da Roland Barthes:

“porque en la publicidad la significación de la imagen es con toda seguridad intencional: determinados

atributos del producto forman a priori los significados del mensaje publicitario, y esos significados

deben ser transmitidos con la mayor claridad posible; si la imagen contiene signos, tenemos la certeza

de que esos signos están completos, formados de manera que favorecen su mejor lectura: la imagen

publicitaria es franca o, por lo menos, enfática” (Roland Barthes, 1992, p.30).

En conclusión, podemos entender que además los hologramas cumplen parte importante en la óptica y en los

medios audiovisuales, como puede ser también una herramienta que bien aprovechada sería una luz en la

tecnología del mañana. Como menciona el propio Dennis Gabor:

“Soy uno de los pocos físicos afortunados que han podido ver como una idea suya se ha desarrollado

hasta convertirse en una parcela de especial importancia dentro de la física. Soy consciente de que

esto ha sido posible gracias a un gran número de jóvenes investigadores, entusiastas y con talento,

de los cuales apenas podría mencionar el nombre de unos pocos. Quiero expresar mi más sincero

agradecimiento a todos ellos por haberme ayudado con su trabajo a conseguir los más altos honores

científicos” (BBVA, 2015: 14).

102

17052021 Pensar la Publicidad. Revista Internacional de Investigaciones Publicitarias,

https://revistas.ucm.es/index.php/PEPU/article/view/PEPU0909120203A

18052021 https://www.irudi-uba.com/project/antropologia-de-la-imagen/

Aradas, A. (2013). Hologramas que resucitan a los muertos. [Revista BBC] BBC NEWS. Recuperado de: https://www.bbc.com/mundo/noticias/2013/06/130624_tecnologia_muertos_hologramas_aa [2021-04-28].

Banco BBVA. (2018, 2 de noviembre). Historia de la Holografía. Recuperado de:

https://www.bbva.com/es/historia-de-la-holografia/

Banco BBVA. (2015, 5 de junio). Dennis Gabor, “padre de la holografía”. Recuperado de:

https://www.bbvaopenmind.com/ciencia/grandes-personajes/dennis-gabor-el-padre-de-la-holografia/

Barthes, Roland

1992 Lo obvio y lo obtuso. Imágenes, gestos, voces. Barcelona, Paidós Comunicación.

2000 Mitologías. Madrid, Siglo XXI.

Beléndez, Augusto. (2009). Holografía: ciencia, arte y tecnología. [Revista Brasileira], 31 (1), 1602.1-1602.16. Recuperado de: https://dx.doi.org/10.1590/S1806-11172009000100011 [2021-05-15]. Belting, Hans. (2007). Antropología de la imagen. Madrid: Editorial Katz. Berger, John

2001 Modos de ver. Barcelona, Editorial Gustavo Gili.

Bustos, G. (2012). Teorías del diseño gráfico. Red Tercer Milenio, ISBN: 978-607-733-086-8. Recuperado de: http://aliatuniversidades.com.mx/rtm/index.php/producto/teorias-del-diseno-grafico/ [2021-05-08].

Caicedo, M. S. S. G., Zambrano, M. Á. A. S., Alberto, M. A. A. I. HOLOGRAMAS ‘MUSICALES’:

TECNOLOGÍA Y CONSUMO. V CICAE, 202.

C. Bravo. (1999) Un Sistema Multimedia para la Preparación Docente en Medios de Enseñanza, a través de

un Curso a Distancia (Tesis Doctoral, ISPEJV, Cuba)

Cyberclick. (2020, 2 de diciembre). Estrategias de comunicación que son y 5 ejemplos. Recuperado de:https://www.cyberclick.es/numerical-blog/estrategias-de-comunicacion-que-son-y-ejemplos#:~:text=Las%20estrategias%20de%20comunicaci%C3%B3n%20son,hacia%20todo%20tipo%20de%20destinatarios.

Cyberclick. (2019, 22 de octubre). Reputación online: ¿qué es y cómo cuidarla? Recuperado de: https://www.cyberclick.es/que-es/reputacion-online Dondis, D. A. (1992). La sintaxis de la imagen. Introducción al alfabeto visual. Recuperado de: http://www.logilibro.com/media/catalog/product/9/7/9788425229299_inside.pdf [2021-05-08].

Electivo, B., & Mora, V. M. M. Psicología del Color y la Forma. Esteve Mon, F. M., Adell Segura, J., & Gisbert Cervera, M. (2014). Diseño de un entorno 3D para el desarrollo de la competencia digital docente en estudiantes universitarios: usabilidad, adecuación y percepción de utilidad. RELATEC.


https://www.irudi-uba.com/project/antropologia-de-la-imagen/

https://www.bbc.com/mundo/noticias/2013/06/130624_tecnologia_muertos_hologramas_aa

https://www.bbvaopenmind.com/ciencia/grandes-personajes/dennis-gabor-el-padre-de-la-holografia/

https://dx.doi.org/10.1590/S1806-11172009000100011

http://aliatuniversidades.com.mx/rtm/index.php/producto/teorias-del-diseno-grafico/

https://www.cyberclick.es/numerical-blog/estrategias-de-comunicacion-que-son-y-ejemplos#:~:text=Las%20estrategias%20de%20comunicaci%C3%B3n%20son,hacia%20todo%20tipo%20de%20destinatarios



https://www.cyberclick.es/que-es/reputacion-online

http://www.logilibro.com/media/catalog/product/9/7/9788425229299_inside.pdf

103

Frascara, J., & Kneebone, P. (2000). Diseño gráfico y comunicación. Buenos Aires: Ediciones infinito. Gamonal-Arroyo, R., & García-García, F. (2015). La capacidad discursiva del diseño gráfico. Arte, individuo y sociedad, 27(1), 9-24.

García, B. (2017). Holografía, más útil en la vida real que en la ciencia ficción. [Revista] Bbvaopenmind. Recuperado de: https://www.bbvaopenmind.com/tecnologia/mundo-digital/holografia-mas-util-en-la-vida-real-que-en-la-cienciaficcion/#:~:text=Los%20usos%20m%C3%A1s%20pr%C3%A1cticos,%C3%BAnico%2C%20como%20una%20huella%20dactilar. [2021-05-15].

Indra Kishinchand (2016, 3 de noviembre). "Los consumidores buscan online productos de gran consumo

con el objetivo de encontrar los mejores precios". Entrevistas España. https://elreferente.es/tecnologicos/los-

consumidores-buscan-online-productos-de-gran-consumo-con-el-objetivo-de-encontrar-los-mejores-

precios/#:~:text=Se%20trata%20de%20una%20plataforma,mejoran%20el%20proceso%20de%20compra.

Maguel, Alberto

2002 Leer imágenes. Madrid, Alianza Editorial.

Mancipe, L. D. (2016). El diseño gráfico y de comunicación. Una aproximación al objeto de estudio y a la pertinencia de la profesión en las pymes manufactureras colombianas.Recuperado de: https://bibliotecadigital.univalle.edu.co/bitstream/handle/10893/11915/El%20diseno%20grafico%20y%20de%20comunicacion.pdf?sequence=1&isAllowed=y [2021-05-08].

Marketing Directo, (2020, 27 de noviembre). ¿Por qué compramos? 20 razones por las que la gente compra.

https://www.marketingdirecto.com/actualidad/checklists/20-razones-por-las-que-la-gente-compra

Toledo, R. S., Cruz, G. V., Zaldo, A. F., Lunazzi, J. J., & Magalhães, D. S. (2008). Fundamentación del

holograma como un medio de enseñanza de la Física. Latin-American Journal of Physics Education, 2(3), 25.

Palma, L. O., Lluch, C. J., & Ruiz, Á. A. M. (2018). Uso del holograma como herramienta para trabajar

contenidos de geometría en Educación Secundaria. Pensamiento Matemático, 8(2), 6.

Revista Semana, (2017, 15 de junio). La tecnología no ha podido desplazar a los libros físicos en Colombia.

https://www.semana.com/empresas/articulo/consumo-de-libros-fisicos-y-digitales-en-colombia/246599/

Rolando S; Gilda V; Angel F; et. al. (2009). El holograma y su utilización como un medio de enseñanza de la

física en ingeniería. Rev. Bras. Ensino Fís. vol.31 no.1 São Paulo.

Rondal Vásconez, F. E. (2019). Diseño de un modelo holográfico en el ciclo del agua para atraer la atención y mejorar el aprendizaje de los alumnos de tercer año de educación general básica en la unidad educativa Pichincha en el año lectivo 2017-2018 (Bachelor's thesis, Quito: UCE).

Sartori, Giovanni

1998 Homo videns. La sociedad teledirigida. Madrid, Taurus.

Simplicidad, simetría y más: La teoría de Gestalt y los principios del diseño que originó. (s.f). CANVA. Recuperado de: https://www.canva.com/es_mx/aprende/teoria-gestalt-principios-diseno/ [2021-05-08]. Wong, W. (1991). Fundamentos del diseño bi- y tri-dimensional. Recuperado de: https://centroculturalhaedo.edu.ar/cch/actualizacion_permanente/Fundamentos%20del%20Diseno%20Bidimensional%20y%20tridimensional,%20Wucius%20Wong.pdf [2021-04-28].

Wong, W. (1988). Principios del diseño en color. Recuperado de: https://centroculturalhaedo.edu.ar/cch/actualizacion_permanente/Principios%20del%20Diseno%20en%20Color,%20Wucius%20Wong.pdf

https://www.bbvaopenmind.com/tecnologia/mundo-digital/holografia-mas-util-en-la-vida-real-que-en-la-cienciaficcion/#:~:text=Los%20usos%20m%C3%A1s%20pr%C3%A1cticos,%C3%BAnico%2C%20como%20una%20huella%20dactilar




https://elreferente.es/tecnologicos/los-consumidores-buscan-online-productos-de-gran-consumo-con-el-objetivo-de-encontrar-los-mejores-precios/#:~:text=Se%20trata%20de%20una%20plataforma,mejoran%20el%20proceso%20de%20compra



https://bibliotecadigital.univalle.edu.co/bitstream/handle/10893/11915/El%20diseno%20grafico%20y%20de%20comunicacion.pdf?sequence=1&isAllowed=y

https://bibliotecadigital.univalle.edu.co/bitstream/handle/10893/11915/El%20diseno%20grafico%20y%20de%20comunicacion.pdf?sequence=1&isAllowed=y

https://www.marketingdirecto.com/actualidad/checklists/20-razones-por-las-que-la-gente-compra

https://www.semana.com/empresas/articulo/consumo-de-libros-fisicos-y-digitales-en-colombia/246599/

https://www.canva.com/es_mx/aprende/teoria-gestalt-principios-diseno/

https://centroculturalhaedo.edu.ar/cch/actualizacion_permanente/Fundamentos%20del%20Diseno%20Bidimensional%20y%20tridimensional,%20Wucius%20Wong.pdf

https://centroculturalhaedo.edu.ar/cch/actualizacion_permanente/Fundamentos%20del%20Diseno%20Bidimensional%20y%20tridimensional,%20Wucius%20Wong.pdf

https://centroculturalhaedo.edu.ar/cch/actualizacion_permanente/Principios%20del%20Diseno%20en%20Color,%20Wucius%20Wong.pdf

https://centroculturalhaedo.edu.ar/cch/actualizacion_permanente/Principios%20del%20Diseno%20en%20Color,%20Wucius%20Wong.pdf

104

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