Ingeniería Colegio de Ingenieros de Guatemala

OCTUBRE, 2017

Revista del Colegio de Ingenieros de Guatemala

LOREM IPSUM DOLOR

Editorial Revista "Ingeniería" del Colegio de Ingenieros de Guatemala Colegio de Ingenieros de Guatemala Séptima avenida 39-60 zona 8

Ciudad de Guatemala Andrea Ayala Diseño y Diagramación

ROLOD MUSPI MEROL

Junta Directiva Ingeniero Civil Murphy Paiz Recinos, PRESIDENTE. Ingeniera Civil Liggia Milithza Méndez Ramos, VICEPRESIDENTA. Ingeniera Industrial Sonia García Pérez, SECRETARIA. Ingeniero Mecánico Jonatan René Ixcot Carrillo, PROSECRETARIO. Ingeniero Civil Carlos Enrique Girón Aquino, TESORERO. Ingeniero Civil Oscar Ernesto Chávez Ángel, VOCAL I. Ingeniero Civil Marco Vinicio Romero Chojolán, VOCAL II.

LOREM IPSUM DOLOR

colegio de ingenieros de guatemala MISIÓN Ser una organización que con base legal, ética y preparación académica procure la defensa gremial, el bienestar social de sus agremiados y el ejercicio responsable de la ingeniería en el país, promoviendo la participación activa de todos sus agremiados.

Así mismo, velar por los intereses de sus agremiados a través de los diferentes beneficios que brindan sus organismos y juntas de administración.

VISIÓN Un colegio organizado, moderno, participativo e influyente a nivel nacional, congruente con las tendencias actuales de la globalización y defensor de sus agremiados.

ROLOD MUSPI MEROL

Carta Editorial El Colegio de Ingenieros de Guatemala con casi 70 años ha sido parte del desarrollo del país y la región, en infraestructura, industria, investigación y en las universidades, por ser un ente multidisciplinario encontramos entre nuestros agremiados ingenieros civiles, mecánicos, electricistas, electrónicos, industriales, sistemas, geólogos y licenciados en física y matemática, también incorporados de universidades extranjeras en ingeniería biomédica, petrolera, minas, metalurgia y otras ramas afines a la ingeniería. Esta edición de nuestra revista del año 2017 contiene artículos sobre el rol de la mujer en ciencias e ingeniería, exploración del espacio, nanotecnología, sistemas de tratamiento de aguas y lodos residuales, hidrología y otros tópicos interesantes como una contribución a la técnica, la ingeniería y la investigación aplicada. La ingeniería en sus diversas ramas genera desarrollo, empleos, nuevas industrias y tecnologías que ayudan a solucionar problemas nacionales y de la humanidad. Nuestros agremiados son egresados de la única universidad pública del país la Universidad de San Carlos de Guatemala, de universidades privadas con carreras reconocidas en cumplimiento de la ley de colegiación obligatoria que vela el ejercicio profesional, evita la usurpación y la mala calidad de infraestructura, en procesos industriales, de acuerdo a las normas y reglamentos nacionales e internacionales tanto en la inversión pública como en las empresas privadas nacionales y multinacionales. Como empresarios y empleadores, empleados y consultores independientes los ingenieros nos desarrollamos protegiendo la vida, los biosistemas con ética profesional y aplicando la ciencia y la tecnología para beneficio de la humanidad y convivencia con todos los que habitamos el planeta tierra, nuestro hogar. La eficiencia energética, medio ambiente, energías renovables, cambio climático, recursos hídricos y tecnologías del agua también son prioridad en las actividades y actualización profesional del colegio de ingenieros de Guatemala en sus diversas disciplinas. Presentamos esta edición de nuestra revista como un aporte y reconocimiento a la ingeniería del país y la región.

MA. Murphy Paiz Olympo Recinos Presidente Colegio de Ingenieros de Guatemala

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CONTENIDO

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¿Podremos viajar a otros planetas modificando el espacio tiempo?

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"Nanotribologia": Estudio y comportamiento de la fricción y el desgaste

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Evaluación de la red de monitoreo hidrometeorológico en la cuenca del río Atitlán

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Nanotecnología en la Ingeniería del mundo moderno

21

Mujeres en ingeniería, ciencia y tecnología

23

Estufas solares

28

Generación solar térmica con motor Stirling

39

Tratamiento de Aguas Enfoque Industrial

TODOS LOS ARTÍCULOS EN L A PRESENTE PUBLICACIÓN SON RESPONSABILIDAD Y PROPIEDAD DE SU AUTOR.

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¿Podremos Viajar a Otros Planetas Modificando el Espacio Tiempo?

Ing. Marvin Hernández Profesor Titular de Teoría Electromagnética, USAC

U

na sonda de la NASA, ha comprobado la existencia de ondas gravitatorias y que el universo se comparta tal como lo predijo Albert Einstein noventa años después de haber expuesto la teoría que hizo famoso, a este físico alemán en 1905, año en que publico su teoría de la relatividad especial. Pero ¿Qué son las ondas gravitatorias?

alrededor de donde él ya no está, solo que durante únicamente ocho minutos, ¿Por qué durante 8 minutos?, de acuerdo a la teoría de Einstein la gravedad es una onda que se propaga a la velocidad de la luz, por tanto el efecto gravitatorio de su ausencia viaja igual que el efecto luminoso de su ausencia, como las ondas al caer una piedra al estanque, pero a la velocidad de la Las ondas gravitatorias son una con- luz, y la Tierra tarda ocho minutos en secuencia del hecho de que el espacio enterarse. pase de ser un simple contenedor de los fenómenos físicos (en la física de Galileo y Newton) a convertirse en un objeto dinámico, en el sentido de que la geometría del espacio cambia conforme a los movimientos y distribuciones de masas y energía, sucediendo lo mismo con el tiempo.

"Las ondas gravitatorias son una consecuencia de que el espacio pase de ser un contenedor de los fenómenos físicos a convertirse en un objeto dinámico"

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Un ejemplo sencillo del descubrimiento de las ondas gravitatorias es pensar lo siguiente: ¿Qué ocurriría si el Sol desapareciera de repente? Según la teoría Newtoniana, predice que la tierra abandonaría su órbita de manera instantánea, tal como si se hubiera cortado la cuerda que la ataba al Sol para emprender una huida indecorosa hacia la oscuridad del espacio. Para Newton, la gravedad es una fuerza instantánea, que se propaga a una velocidad infinita. Para Einstein, sin embargo, no había ninguna velocidad infinita, pues la velocidad de la luz es la máxima velocidad, y en su teoría gravitatoria, si el Sol desaparece, la tierra sigue girando

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Figura 1. Espacio Fuente: Kjpargeter - Freepik.com

Pero la pregunta inevitable que se hace la mayor parte de gente es ¿para que sirven las ondas de gravedad? O se puede preguntar ¿que hay de lo mio con esto? Cuando Watson y Crik descubrieron la doble hélice del ADN en 1953, no lo hicieron para revolucionar la investigación biomédica, pero a raíz de ese descubrimiento hay tanto adelanto en la medicina, a tal punto de reconocer personas por su tipo de ADN. Otro ejemplo es cuando James Clerk Maxwell, descubrió matemáticamente las ondas electromagnéticas a finales de 1800, en ese entonces se pensaba que los campos eléctricos y los campos magnéticos solo podían operar totalmente independientes, pero a raíz de las ecuaciones de Maxwell, el indico su interrelación. En ese entonces nadie se imaginaba todas las aplicaciones que de ella se tienen tales como la radio, la televisión, y muy recientemente el teléfono celular.

Figura 2. Nébula Fuente: Starline - Freepik.com Honestamente no se tenga ni idea, o una idea vaga de lo que se puede lograr con las ondas gravitatorias, y menos aún su interacción con las ondas electromagnéticas, pero dicho descubrimiento puede traer un mar de aplicaciones, dentro de las cuales posiblemente como dijo Einstein podamos viajar a lugares intergalácticos manipulando las ondas gravitatorias, tal como se realiza hoy en día con la manipulación de las ondas electromagnéticas, y de esa forma alterar la dimensión espacio-tiempo. O poder levantar cuerpos de grandes masas, sin utilizar mucha fuerza, únicamente logrando anular las ondas gravitacionales, y de esa forma anular la fuerza de gravedad que hace que los cuerpos tengan un peso.

En estos días se tiene que las ondas electromagnéticas, generadas por campo eléctricos y campos magnéticos, son totalmente independientes con las ondas gravitatorias, Einstein

en su teoría de la relatividad intento unificar su teoría de campos eléctricos y magnéticos, con su teoría de los campos gravitacionales en una sola teoría unificada, lo cual nunca logro.

Esta teoría unificada persigue unificar toda la teoría independiente de campos lo cual posiblemente llevara algún tiempo, pero no se debe ser escéptico a dichos conocimiento, pues así como se unifico los campos eléctricos y magnéticos en la teoría de las Ecuaciones de Maxwell, así en algún momento se podrá unificar la teoría de ondas gravitacionales con las del electromagnetismo, unión de la cual aún no se sabe sus beneficios positivos o negativos.

" Posiblemente como dijo Einstein podamos viajar a lugares intergalácticos manipulando las ondas gravitatorias"

Lo mejor sería hacer lo de la paradoja de los gemelos de Einstein, viajar en el espacio tiempo a la velocidad de la luz y regresar después de 100 años terrestres a la tierra y observar los cambios dados en la tierra por las aplicaciones de las ondas gravitatorias.

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"Nanotribologia": Estudio y Comportamiento de la Fricción y el Desgaste.

Ing. Jorge Ivan Cifuentes Castillo Profesor Investigador en Escuela de Ingeniería Mecánica, USAC

Fricción, desgaste y lubricación: En la nanoescala el efecto de la gravedad y el peso muestran un comportamiento diferente. A la Nanotribología se le puede llamar el renacimiento de la fricción. 500 años despues de los primeros estudio sobre fricción, los conceptos de superlubricidad, deslizamiento sin desgaste y control de la fricción están siendo estudiados en laboratorios para tener un modelo adecuado y predecir el comportamiento de la fricción y el desgaste.

La fricción está presente en un gran número de sistémas físicos y juega un papel central en el estudio de los fenómenos que ocurren a todas las escalas desde micro y nanomáquinas, motores biológicos moleculares, estudios geofísicos de terremotos. Aún con la grán importancia y los esfuerzos en este campo, la dinámica del fenómeno de fricción aún no está bien comprendido. En Nanoescala los enlaces atómicos y moleculares tiene un comportamiento diferente al estudiar la fricción; la superficie y el área si son factores que determinan el coeficiene de fricción y desgaste.

En macroescala la tribología de contacto e interfacial son:

Las fuerzas intermolecualres y atómicas que interactuan son:

• Independiente de la superficie de contacto.

• Enlace iónico

• Proporcional a la fuerza normal.

• Enlace metálico

• Diferente en estudio estático y dinámico.

• Independiente de la velocidad de deslizamiento.

La fricción en la nanoescala: • Depende del área de contacto real (no geométrica).

• Depende de la velocidad de deslizamiento.

"A la Nanotribología se le puede llamar el renacimiento de la fricción."

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• Los lubricantes líquidos se vuelven demasiado viscosos cuando están confinados en un espesor igual al de una capa molecualr.

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• Enlace covalente • Enlace de hidrógeno • Fuerzas de Van Der Waals • Fuerza de Keeson • Fuerza de Debie • Fuerza de dispersión de London Un miroscopio de fuerza atómica (AFM) ayuda al estudio de estos fenómenos y las propiedades mecánicas de los materiales, así como con nanoindentación.

Evaluación de la Red de Monitoreo Hidrometeorológico en la Cuenca del Lago de Atitlán.

Ing. Juan Carlos Fuentes Montepeque Catedrático de la Maestría en Energía y Ambiente, ERIS

Introducción: Se evaluó la red de estaciones meteorológicas que se instaló en la cuenca en la década de los sesenta, por medio del Proyecto Hidrometeorológico Centroamericano, asimismo, se evaluó la red actual con el objeto disponer de una red óptima que genere series de tiempo confiables que puedan utilizarse en aplicaciones, tales como balances, estimación de hidrogramas y sedimentogramas. Con relación a la lluvia, se estimó la variabilidad y tendencia en dos series de tiempo, que corresponden a las estaciones meteorológicas El Tablón y Santiago Atitlán. El objetivo principal fue evaluar la

red de monitoreo hidrometeorológico histórica y actual. La evaluación de la red histórica y actual se realizó con base a la densidad y variabilidad de la lluvia anual. Asimismo, se analizó el régimen, variabilidad, tendencia y eventos extremos en las dos series de tiempo mencionadas. El error asociado a la red de monitoreo es considerable comparado con la red anterior, además, hay indicios de variabilidad del régimen de lluvias en la estación meteorológica Santiago Atitlán. Es relevante rediseñar la red actual de monitoreo hidrometeorológico, tendente a contar con una red que genere series de tiempo longevas y confiables.

RESULTADOS Evaluación de la red de monitoreo meteorológico e hidrométrico Existe varias metodología para la evaluación y diseño de redes de monitoreo meteorológico e hidrométrico. La importancia de disponer de redes adecuadas para el monitoreo meteorológico e hidrométrico, se refleja en la precisión de los análisis que se realicen, tales como modelación hidrológica, balances hídricos,

Figura 1. Cuenca del Lago Atitlán Fuente: De chensiyuan - chensiyuan, GFDL.

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variabilidad y tendencia en series de tiempo, entre otros.

La cuenca del lago de Atitlán, en algún momento contó con más de 20 estaciones meteorológicas y 4 estaciones hidrométricas, las cuales fueron consideradas dentro del Proyecto Hidrometeorológico Centroamericano que inició en Guatemala, en la década de los años 60.

En los mapas 1 y 2, se muestra la red anterior y la distribución isoyética anual en la cuenca lago. En la actualidad se dispone de 11 estaciones meteorológicas, de las cuales 3 son operadas por INSIVUMEH, estaciones hidrométricas solo existen registros históricos, las cuales se muestran a continuación:

Cuadro 1. Estaciones meteorológicas actualmente en operación en la cuenca del lago de Atitlán.

No

Estación

Elevación msnm

Año De:

A:

Longitud (años)

Lluvia anual (mm)

1 2

El Tablón 2,397 1993 2015 22 1,444 El Capitán 1,562 1963 1989 26 983 Santiago 3 1,592 1970 1988 18 993 Atitlán Fuente: Departamento de Investigación y Servicios Climáticos, INSIVUMEH (2016).

Red pluviométrica Para la evaluación de la red pluviométrica se utilizaron las siguientes metodologías: • Aparicio F. (2001), basada en el error asociado de acuerdo al número de pluviómetros, en función del área de la cuenca.

• Servicio Meteorológico Nacional de los Estados Unidos de América (2001), basada en el número de pluviómetros de acuerdo al error aceptado, en función del área de la cuenca.

• Organización Meteorológica Mundial (1994), el número de pluviómetros se estima en función del área y del relieve de la cuenca.

• Fatorelli, S. & Fernández, P. (2011), el número de pluviómetros está en función únicamente de la variabilidad de la lluvia anual.

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Figura 2. Error asociado al número de estaciones pluviométricas y área de la cuenca, según Aparicio, F. (2001)

De acuerdo con Aparicio, F. (2001), en la cuenca del lago de Atitlán, con un total de 12 estaciones pluviómetricas se tendría un error menor al 10%.

Figura 3. Número de estaciones pluviométricas asociadas al error y área de la cuenca, según el Servicio Meteorológico Nacional de los Estados Unidos de América (2001)

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Figura 4. Metodología propuesta por la Organización Meteorológica Mundial (1994).

Para el caso de la cuenca del lago Atitlán, por su orografía y ocurrencia de lluvias localizadas, se recomiendan al menos 10 estaciones pluviométricas.

Figura 5. Metodología propuesta por Fatorelli, S. & Fernández, P. (2011)

Con la red actual de pluviómetros en la cuenca, el error asociado se estima en 15%, de acuerdo a la metodología propuesta por Fatorelli, S. & Fernández, P. (2011).

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Red Hidrográfica En el caso de las redes hidrográficas, a diferencia de las redes pluviométricas, poseen un criterio lineal, principalmente para el caso de las cuencas exorreicas.

Figura 6. Metodología propuesta por la Organización Meteorológica Mundial para la evaluación de redes hidrométricas.

Figura 7. Fotografía Lago Atitlán de Piovensan, E. (2010)

Según el área de la cuenca del lago de Atitlán, condiciones orográficas y de ocurrencia de la lluvia, en la misma debería haber entre 2 a 3 estaciones hidrométricas. Sin embargo, por tratarse de una cuenca endorreica, el número de estaciones hidrométricas es mayor, recomendándose una por cada afluente principal al lago.

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En la actualidad no existe en operación estaciones hidrométricas, en el cuadro siguiente se muestra el detalle de las que se cuenta con registros históricos: Año

No.

Estación

Área km2

Elevación msnm

De:

A:

Longitud (años)

1

Jaibal Concepción Potrero Panajachel El Capitán

90

1,550

1965

1970

5

38

1,889

1966

1976

10

52 126

1,560 1,561

1966 1966

1976 1976

10 10

2 3 4

Cuadro 2. Estaciones hidrométricas canceladas en la cuenca del lago de Atitlán.

Fuente: Departamento de Hidrología, INDE (2016).

CONCLUSIONES •

•

•

El error asociado a la actual red de monitoreo meteorológico se estima al menos en un 15%.

Existe tendencia significativa y variabilidad en la serie de tiempo de lluvia anual Santiago Atitlán, la cual puede deberse a efectos antropogénicos locales en la cuenca.

El régimen de lluvias en eventos extremos no posee diferencias hidrológicas significativas con el régimen de lluvia anual.

RECOMENDACIONES • Evaluar una redistribución de las estaciones pluviométricas

actualmente instaladas en la cuenca.

• Evaluar la red de monitoreo meteorológico al término de cada año hidrológico.

• Implementar al menos una estación hidrométrica para el registro

de caudales líquidos y sólidos.

• Equipar las estaciones actualmente existentes en la cuenca, con

registros de medición continua.

• Evaluar la implementación de

sensores para la medición de la humedad del suelo.

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Mapa 1. Red de monitoreo diseñada por el Proyecto Hidrometeorológico Centroamericano.

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Mapa 2. Isoyetas medias anuales.

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Nanotecnología en la Ingeniería del Mundo Moderno Ing. Jorge Ivan Cifuentes Castillo Profesor Investigador en Escuela de Ingeniería Mecánica, USAC

Nanotecnología área de Investigación en Ingeniería: La nanotecnología es la comprensión, manipulación y el control de la materia en dimensiones de aproximadamente 1 a 100 nanómetros (un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro; una hoja de papel es de unas 100.000 nanómetros de grosor), fenómeno único que permiten nuevas aplicaciones. A escala nanométrica que abarca la ciencia, la ingeniería y la tecnología, la nanotecnología consiste de imágenes, medición, modelado, fabricación y manipulación de la materia a la escala de longitud de hasta 100 nanómetros.

Definición: Nanotecnología: es el desarrollo y la aplicación práctica de estructuras y sistemas en una escala nanométrica (entre 1 y 100 nanómetros).

No hay que confundirla con el término “Nanociencia”, que no implica una aplicación práctica pero sí el estudio científico de las propiedades del mundo nanométrico.

“Nano” es un prefijo griego que significa “mil millones” (una mil millonésima parte de un metro es la unidad de medida que se usa en el ámbito de la Nanotecnología). Un átomo es más pequeño que un nanómetro, pero una molécula puede ser mayor.

Figura 1. placa de circuitos.

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Hay dos tipos de Nanotecnología: Top-down: Reducción de tamaño. Literalmente desde arriba (mayor) hasta abajo (menor). Los mecanismos y las estructuras se miniaturizan a escala nanométrica. Los materiales se van fragmentado, por molienda, irradiación, disolucion. etc. Este tipo de Nanotecnología ha sido el más frecuente hasta la fecha.

Bottom-Up: De abajo hacia arriba. En este método se parte de pequeñas unidades de tamaño nanómétrico que se van ensamblando para formar un nanomaterial o un nanodispositivo con nuevas propiedades. Este método es nuevo y está siendo desarrollado para diferentes aplicaciones. Se han desarrollado métodos de autoensamblado, tratando de copiar a la naturaleza. En la nano escala, las propiedades físicas, químicas y biológicas de los materiales difieren de manera fundamental de las propiedades de átomos y moléculas individuales o a granel.

Figura 2. placa de microcircuitos.

Detección Bio-Molecular Nanotecnología y MEMS han permitido libre de detección y escalable de moléculas biológicamente importantes, tales como ADN, ARN, proteínas y moléculas pequeñas cuya detección en pequeñas cantidades es de suma importancia para diagnóstico precoz de la enfermedad. Áreas de investigación actuales incluyen: 1) el desarrollo de biosensores ópticos y nano mecánicos y su aplicación a la detección de una gran variedad de proteínas como marcadores del cáncer 2) moléculas receptoras y su integración en biosensores, 3) biosensores utilizando nanopartículas, 4) detección rápida de los agentes patógenos, y 5) la sensibilidad de los biosensores.

Micro y Nanotecnologías en Fluidos: Investigaciones en laboratorio de micro-fluidez se concentra en dos áreas principales: dinámica de fluidos experimental en micro y nano fabricación, nuevos dispositivos de micro fluidos.

Mecánica de fluidos fundamental (caracterización microscópica flujos supersónicos, abajo a la izquierda; nano-partícula dinámica de flujo), caracterizar y micro- dispositivos biomédicos.

Figura 3. Nano tecnología Fuente: Imagen vía Lookfordiagnosis.com

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La Nanotecnología en Simulación:

Nanoindustria y Nanofabricación:

En simulación numérica Computacional juega un papel fundamental en la exploración innovativa y nueva de estructuras nanométricas, materiales, dispositivos y sistemas. Las investigaciones en este campo se centra en el desarrollo de modelos y metodologías computacionales para resolver un número de áreas, incluyendo las nuevas micro y nano electrónica, cambio de fase, las tecnologías de memoria ultra-rápida, fabricación por láser, así como los fundamentos del fluido térmico y transporte en nano escala. Técnicas computacionales incluyen nuevos volúmenes finitos las técnicas de transporte de fotones Boltzmann, ecuaciones, técnicas de dinámica molecular, así como métodos de extensión multiescala micro, meso, nano y macro escalas.

Aplicación en energías renovable solar térmica, fotovoltaica y eólica.

Convertir la promesa de la nano ciencia en el uso de nuevas tecnologías es uno de los mayores retos que enfrenta la comunidad de investigación hoy en día. El cuello de botella es la falta de tecnologías para la fabricación de nano materiales y nano estructuras en gran cantidad y a bajo costo. Este programa incluye investigaciones en varias disciplinas, entre ellas la ciencia y la ingeniería mecánica, industrial, el control, la radiación, óptica, electrónica y materiales.

Transporte a Escala Nanométrica y Termo-Eléctrico

Figura 4. Estructura Nanométrica

la interacción entre energía térmica y eléctrica con el usos de la Nanotecnología computacional y simulación numérica desempeña un papel crítico en la exploración de nuevos sistemas, materiales, dispositivos y estructuras de nano escala. La investigación en esta área se centra en el desarrollo de modelos físicos y metodologías computacionales para abordar una serie de áreas, incluyendo nuevas microempresas en nano electrónica, tecnologías de memoria de cambio de fase, fabricación con láser ultra rápido, así como los fundamentos de la nano escala en transporte térmico y fluido.

Fuente: Bryn C at en.wikipedia.

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Transporte Térmico y eléctrico en Nano-escala La interacción entre energía térmica y eléctrica a pequeña escala fuertemente puede influir en el comportamiento funcional de muchos tipos de dispositivos tales como elementos de conversión de energía directa, disipadores de calor y los transistores de efecto de campo. Investigación en el laboratorio de Thermo-fluidos de nanoescala pretende abordar estas cuestiones mediante el estudio de nuevos nanomateriales, particularmente los nanotubos de carbono, tanto desde la perspectiva del material, síntesis y caracterización y desde la perspectiva del rendimiento funcional de ingeniería. Los investigadores en el laboratorio deben interactuar habitualmente con ingenieros eléctricos, ciencia de los materiales, mecánicos, sistemas, físicos, químicos y biólogos.

Termo Micro/Nano sistemas Investigación en esta área incluye el desarrollo de una gama de enfoques de micro bombeo y técnicas de medición de alta resolución. Proyectos representativos incluyen el desarrollo de Electro hidrodinámica, micro mecánica (MEHD) basado en líquidos con múltiples mecanismos de conducción para ofrecer tasas de flujo alto y un esquema de mejora de transferencia iónica de calor impulsado por el viento.

Ingeniería Nano Termo-Física: El comportamiento de cualquier sistema físico puede estar relacionado a escala atómica. Con un conocimiento de nivel atómico de los componentes de energía (fotones, electrones y partícula fluida) características y comportamientos, uno es capaz de ascender a diseñar nano - y micro-estructuras con los efectos del tamaño deseado, o para sintetizar nuevos materiales con las funciones deseadas.

Investigación en laboratorio de ingeniería Nano termo-física busca construir y ampliar la comprensión de los fundamentos de transporte nivel atómico, portador, interacciones y aplicar este conocimiento a las tecnologías de energía e información importantes.

Micro/Nano mecánica, materiales y avanzadas tecnologías de proceso:

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Copyright ORNL. See Materials by Computational Design and Atomistic Simulations.

Hasta la fecha, capacidad de selección de materiales en aplicaciones de micro/nano sistemas ha sido relativamente limitada, debido principalmente a la predominancia de procesos de micro fabricación e infraestructura dedicada al silicio. Mientras que el silicio ha demostrado ser un excelente material para muchas aplicaciones, ningún material puede satisfacer las necesidades de todas las aplicaciones.

La creación de nuevos materiales con una resistencia superior, conductividad eléctrica, conducción o resistencia al calor y otras propiedades: Máquinas microscópicas para una variedad de usos, incluyendo las sondas que podrían ser inyectadas en el cuerpo para diagnóstico médico y la reparación.

Una tecnología en la que se combina biología y electrónica, creando "biochips" que detectan contaminación transmitidas por los alimentos, sustancias peligrosas en la sangre y contaminación del aire.

La creación de órganos artificiales y prótesis que mejoren la calidad de vida.

Nano materiales compuestos para turbinas de energía eólica, para energía solar térmica, fabricación de motores térmicos Stirling, nano lubricantes, nano polímeros y nano cerámicos para máquinas y rodamientos, , nano fotónica y celdas solares fotovoltaicas nano estructuradas, hidrogeno, vehículos eléctricos, ingeniería biomédica y baterías.

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Mujeres en Ingeniería, Ciencia y Tecnología.

Ing. Lucero Rodas Mazariegos Maestría en Administración de Organizaciones, UNAM

Si analizamos la historia, las mujeres han tenido participación en las profesiones de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas con éxito e indudables aportes al desarrollo de los países y mejora en la calidad de vida de sus habitantes, también es cierto que algunos de estos aportes no se hicieron visibles o se han olvidado, por lo que considero relevante hacer una crónica de los aportes de estas excelentes profesionales cuyas voces han sido fuertes pero encontrar esa voz ha si do difícil, como bien lo dice Mélida Gates.

“Una mujer con voz es por definición una mujer fuerte. Pero la búsqueda para encontrar esa voz puede ser muy difícil”. Melinda Gates.

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La primera mujer ingeniería en el mundo fue Elisa Leonida Zamfirescu nacida en Rumania, titulada con honores en 1912, en la Universidad Técnica de Berlín Charlottemburg, fue profesora de física y química, así como investigadora en la búsqueda de nuevas fuentes de energía. Para Elisa el ser ingeniera no fue fácil, quiso inscribirse en el Colegio de Puentes y Caminos de Bucarest, pero fue rechazada, se fue a Berlín y se inscribió en la Universidad Técnica de Berlín, sin embargo, la historia cuenta que fue ignorada por sus compañeros y los proElisa Leonida Zamfirescu, fesores le gritaban “la cocina es para primera mujer ingeniera del mundo. las mujeres”.

La primera mujer astronauta destacada es Caroline Herschel nacida en Alemania, trabajó durante cincuenta años a la sombra de su hermano mayor William Herschel, considerado el astrónomo más importante del siglo XVIII. Ella descubrió 10 cometas y 3 nebulosas en 1783 y fue reconocida con la medalla de oro de la ciencia por el rey de Prusia por su labor de investigación.

Ada Byron, matemática que realizo el primer programa en el mundo para un ordenador. En los años 80, el Departamento de Defensa de EEUU, le dio el nombre de Ada a un lenguaje de programación en su honor.

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Y así podemos seguir mencionando a varias mujeres científicas, matemáticas, físicas e ingenieras que han aportado en cada organización donde han desarrollado sus talentos. En la actualidad no es tan difícil que una mujer se titule de ingeniera o carreras de ciencia y tecnología, pero para las mujeres antes mencionadas fue una batalla romper los estereotipos ya que se pensaba que estas profesiones eran únicamente para los hombres y era mal visto que el sexo femenino se dedicara a las ramas de ingeniería y a las STEM, pues este trabajo era considerado pesado y la mujer debería dedicarse a la cocina, hijos, iglesia y trabajos del hogar.

Creo que el aporte de las mujeres en el pasado y en el presente ha sido relevante para nuestra sociedad, ya que aparte desempeñarse como profesional de la ingeniería o bien otras áreas la mujer ha tenido que ser madre, esposa, hija, hermana, etc. Hoy, la mujer profesional principalmente en la rama de la ingeniería, cree en ella misma, no se pone límites, no ve la dimensión de los obstáculos que se le presentan, si no la capacidad que posee para resolverlos, da el toque de fuerza que requiere la profesión sin perder su femineidad, a pesar de ser científica siempre se deja guiar por su corazón para no perder esa sensibilidad que caracteriza a la mujer en la toma de decisiones.

Adicionalmente, la mujer ingeniera, sabe que no hay nada imposible, por ello asume el reto de ser un ser humano que aporte sus conocimientos y trabajo a las organizaciones donde se desempeña, pero lo más importante es la seguridad y compromiso con que acepta el rol de madre, esposa, hija, hermana, tía y amiga. Confía y se compromete a asumir estos roles sabiendo que no puede ser perfecta, pero dedica su tiempo para escuchar, aprender, investigar, cuestionarse y preguntar para ofrecer apoyo a cada uno de ellos para que también puedan dar un valor agregado a nuestra sociedad.

Retrato de Marie Skłodowska-Curie (1867 – 1934).

No puedo finalizar sin agradecer la oportunidad que se me ha dado para impulsar a otras mujeres a ingresar a este mundo de la ingeniería, ciencia y tecnología, en donde tenemos un caudal de recursos y oportunidades para aportar a nuestros países y mejorar la calidad de vida de cada habitante, como bien lo dijo la científica y descubridora del Polonio y el Radio, Marie Curie: “La vida no es fácil para ninguno de nosotros. ¿Y qué más da? Debemos tener perseverancia y sobre todo confianza en nosotros mismos. Debemos creer que se nos ha dado algo y que ese algo debemos aprovecharlo”.

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Estufas Solares Ing. Jorge Ivan Cifuentes Castillo Catedrático de Maestría en Energía y Ambiente, Facultad de Ingeniería, USAC

La estufa solar es un dispositivo doméstico que funciona con energía solar, es utilizada especialmente en áreas rurales debido a la inaccesibilidad a la energía eléctrica, al gas propano y a combustibles sólidos como el carbón o leña. Estas estufas no dependen directamente de la luz solar, sino del calor que genera y se almacena durante el día. Los beneficios más relevantes de estas estufas es que reducen el costo del consumo de energía para la cocción de alimentos, disminuyen la emisión de gases de efecto invernadero y durante la cocción de alimentos estos conservan un alto porcentaje de sus nutrientes y vitaminas.

Existen varios tipos de estufas solares, entre las cuales se tienen: La estufa solar bajo techo y la estufa solar comercial con batería térmica.

ESTUFA SOLAR Es un dispositivo doméstico que realiza la misma función de una estufa convencional de gas propano o de electricidad, la diferencia es que ésta funciona a través de la energía solar.

Su uso es más conveniente en áreas rurales donde el acceso a gas propano o a energía eléctrica no es factible, ya sea porque es un lugar muy retirado o el costo es muy elevado para la población.

BENEFICIOS DE UTILIZAR ESTUFAS SOLARES El beneficio de las estufas solares puede percibirse en que no dependen directamente de la luz del sol, sino del calor que este genera y está disponible durante el día. Al aprovechar el calor proveniente del sol se evita el uso de combustibles fósiles como la leña y gas para cocinar los alimentos. Una reducción en los costos podrá percibirse, además de una contribución con

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el medio ambiente al evitar la emisión de gases de efecto invernadero.

Otro beneficio que no debe pasarse por alto es que los alimentos conservan un alto porcentaje de sus nutrientes y vitaminas, en comparación con otros métodos de cocción tradicional.

Imagen vía: Ciencia y tecnología, La Prensa, 21 de julio de 2014, México

Figura 1: Prototipo de estufa solar de alto rendimiento.

ALTERNATIVAS ENERGÉTICAS Estufas solares que pueden utilizarse durante todo el día.

1. Prototipo de estufa solar bajo techo:

El Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada (CICATA) de Querétaro, desarrolló el prototipo de una estufa solar de alto rendimiento, esta estufa bajo techo, aprovecha al máximo la radiación de los rayos solares y almacena energía para poder ser utilizada por la noche.

Jorge Pineda Piñón, quien coordinó el proyecto, explicó que esta estufa funciona mediante un concentrador cilíndrico parabólico, que almacena la energía calorífica emitida por los rayos del sol, en un contenedor hermético.

En ausencia de radiación solar intensa por las noches, el calor almacenado permite calentar un fluido a casi 400 °C. El concentrador cilíndrico parabó-

lico capta la radiación solar en un tubo evacuado donde se introduce otro tubo de cobre, esto con el objetivo de captar los rayos solares y calentar el fluido almacenado en el contenedor hermético, para aprovechar al máximo el rendimiento del cobre y sus propiedades de transferencia de calor. El aceite térmico almacenado en el depósito de la estufa, alcanza una temperatura entre 250 y 400 °C, este aceite se recircula a través de un serpentín que funciona como hornilla.

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2. Cocina solar comercial con batería térmica:

Fuente: GoSun Grill®, How it works.

La compañía GoSun Stove, ofrece el modelo de estufa GoSun Grill®, esta posee una batería térmica que permite almacenar energía para utilizarla por las noches o cuando las condiciones del tiempo no sean favorables. Esta batería térmica se recarga dejando la cocina bajo la radiación solar, por un tiempo aproximado de dos horas; posteriormente, permite cocinar a una temperatura constante, entre 149 y 205 Figura 2: Funcionamiento de es°C. El funcionamiento de la GoSun tufa solar con batería térmica.

Grill® es similar al de un horno, en este sentido, la comida es introducida en el interior y se cocina utilizando agua o dejando que se ase.

Fuente: GoSun Grill®, Parts & materials.

Figura 3:

Partes y materiales de estufa solar con batería térmica.

LAS COCINAS INDIRECTAS O DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO Se denominan de esta forma porque su funcionamiento está basado en el principio de almacenamiento térmico utilizando un fluido (aceites térmicos). De esta manera se puede conducir la energía térmica hacia el interior de la casa, específicamente hacia la cocina. El aceite térmico se calienta por medio de un calentador solar que puede ser plano o parabólico de concentración, dependiendo de la temperatura de operación que se pretenda alcanzar. Por termosifón, el aceite se almacena dentro de un tanque térmico, para de ahí llevarlo cuando se requiera hacia un disipador (parrilla) en serpentín, colocado en el interior de la cocina, sobre el cual se colocan los recipientes que contienen los

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alimentos a cocinar. De acuerdo con la Figura 4, el aceite se calienta por medio del calentador solar externo y se almacena en el tanque térmico superior, para posteriormente conducirlo al disipador-parrilla que se encuentra en el interior de la cocina. Esto es, el disipador-parrilla funciona de manera similar a las parrillas convencionales de gas o eléctricas (las temperaturas de operación son muy variadas, ya que dependen de los materiales de construcción y sobre todo del sistema de aislamiento y el de transferencia de calor).

Figura 4: cocina indirecta de almacenamiento térmico.

INSTRUMENTACIÓN Los distintos instrumentos utilizados en la medición de una estufa solar son: Tabla 1

Instrumento Termómetro de contacto Termómetro láser Cronómetro Tiempo de exposición

Variable Temperatura

Tiempo de cocción Tiempo de exposición Energía captada (Kwh)

El ahorro energético se podrá calcular considerando que por cada metro cuadrado expuesto durante una hora se obtendrá un Kilovatio (1 kWh/m2), durante medio día.

Cualquier estufa solar debe de cumplir con ciertos aspectos (Lara,2008) estos son: • Facilidad técnica de construcción • Empleo de materiales comercialmente existentes • Alta potencia de cocción • Viabilidad económica En la región como Centroamérica la población rural es la más afectada debido a la falta de insumos propios para las estufas conocidas como de gas o eléctricas, tal vez el principal aspecto es el económico, es por eso que al diseñar una estufa solar debe ser factible la obtención de la misma.

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IMPORTANCIA DE LA COCINA SOLAR PARA EL MEDIO AMBIENTE La cocina solar es la manera más simple y segura para cocinar alimentos sin consumir combustible o calentar la cocina. Muchas personas eligen la cocina solar por esa razón. Pero cientos de miles de personas alrededor del mundo que cocinan sobre fuego usando leña (madera) o posta animal como combustible y tienen que caminar millas para recolectar la leña o gastan mucho de su menguado ingreso en combustible la cocina solar es mucho más que una elección, es una bendición. Para millones de personas que carecen de acceso a agua potable y se enferman

o mueren cada año por contaminantes en el agua que pueden ser prevenidos.

La pasteurización solar del agua es una habilidad que salva vidas, la organización mundial de la salud reporta que en 23 países 10% de las muertes se deben a tan solo dos riegos ambientales: aguas inseguras incluyendo poca higiene sanitaria: y contaminación del aire dentro de las casas. Debido al uso de combustibles sólidos para cocinar.

Hay numerosas razones para cocinar de la forma natural con el sol.

CONCLUSIONES Debido a que, en muchas áreas, especialmente en áreas rurales la población tiene un ingreso económico muy bajo, la estufa solar es una fuente de ayuda para ahorrar en el gasto económico de energía utilizada para la cocción de alimentos.

Las estufas solares disminuyen en gran parte la mortandad en las regiones en donde la población cocina con combustión de combustibles sólidos como lo es la leña, debido a que no emite gases a la atmosfera.

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Generación Solar Térmica con Motor Stirling Ing. Jorge Ivan Cifuentes Castillo Estudio de Posgrado, Facultad de Ingeniería, Maestría en Energía y Ambiente, USAC

Un motor Stirling es un motor térmico operando por compresión y expansión cíclica de aire u otro gas, muy sencillo de fabricar debido a facilidad de trabajo, las ventajas del motor Stirling es su versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, su rendimiento en lo que a motores térmicos se refiere, es la mejor opción, a nivel medioambiental es un motor que no genera muchas emisiones de gases. En la realización del prototipo se demostró la facilidad de su fabricación por lo tanto daremos a conocer los pasos a seguir para su sencillo montaje y su eficiencia en cuanto a consumo de energía convertida a energía mecánica, este prototipo fue elaborado a pequeña escala para lograr entender su funcionamiento experimentando, para

obtener resultados propios. Este motor continúa en investigación debido la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, pero en este artículo nos enfocaremos específicamente en la energía solar térmica, generada por una antena forrada en aluminio para lograr una focalización de las ondas de calor a un solo punto el cual será en la parte baja del cilindro del prototipo del motor Stirling, logrando así una fuente externa de calor renovable.

Figura 1. Planta de discos parabólicos Infinia en Villarrobledo (Albacete)

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Introducción Un motor Stirling es un motor térmico operando por compresión y expansión cíclica de aire u otro gas, el llamado fluido de trabajo, a diferentes niveles de temperatura tales que se produce una conversión neta de energía calorífica a energía mecánica, o más específicamente, un motor térmico de ciclo cerrado regenerativo con un fluido gaseoso permanente, donde el ciclo cerrado es definido como un sistema termodinámico en el cual el fluido está permanentemente contenido en el sistema, y regenerativo describe el uso de un tipo específico de intercambio de calor y almacenamiento térmico, conocido como el regenerador.

Esta inclusión de un regenerador es lo que diferencia a los motores Stirling de otros motores de ciclo cerrado. (Dar O Oma a Vel Zquez, 2011) Los motores Stirling tienen una alta eficiencia, si se los compara con los motores de vapor, y gran facilidad para ser aplicados a cualquier fuente de calor.

Estas ventajas están haciendo que vuelva a tener interés este tipo de motores, y su aplicación en sistemas captadores de energías renovables.

Ventajas 1.- A nivel alimentación: Debido a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas entre ellas la energía solar térmica.

única fase, manteniendo las presiones internas cercanas a la presión de diseño y por tanto se reducen los riesgos de explosión.

6.- Por su buena respuesta a las bajas temperaturas: Arrancan con facilidad, si bien despacio y después de un calentamiento inicial. Funcionan mejor 2.- Por su rendimiento: Es el único con temperaturas ambientales frías. capaz de aproximarse al rendimiento 7.- Por su versatilidad: Se pueden máximo conocido como rendimiento construir para un funcionamiento side Carnot, por lo que en lo que a rendi- lencioso y sin consumo de aire para miento de motores térmicos se refiere, propulsión de submarinos o en el eses la mejor opción. pacio. Se pueden usar para bombear 3.- A nivel medioambiental: Se puede agua, pudiendo diseñarse para utilizar usar un proceso de combustión con- el agua como refrigerante del foco frío. tinua, por lo cual se pueden reducir la mayor parte de las emisiones.

4.- Por su sencillez: La mayoría de los motores Stirling tienen los mecanismos y juntas en el foco frío, y por tanto necesitan menos lubricación y duran más que otras máquinas alternativas.

5.- Por seguridad: Una maquina Stirling usa un fluido de trabajo de una

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Desventajas 1.- Elevado coste: Los motores Stirling requieren intercambiadores de calor de entrada y salida, que contienen el fluido de trabajo a alta temperatura, y deben soportar los efectos corrosivos de la fuente de calor y la atmósfera.

Esto supone el uso de materiales que encaren notablemente la máquina.

2.- Gran tamaño: Si el motor trabaja con pequeños diferenciales térmicos son muy grandes, por culpa de los intercambiadores. Aumentar la diferencia de temperatura o la presión permite motores más pequeños.

3.- Encendido lento: Un motor Stirling no puede arrancar instantáneamente, primero tiene que calentarse.

4.- Tipo de respuesta: Su mejor uso es en aplicaciones que requieran una velocidad constante. Para ajustar el funcionamiento de un motor Stirling se requiere un diseño cuidadoso y mecanismos adicionales.

5.- Fluido a emplear: El hidrógeno por su baja viscosidad, alto calor específico y conductividad térmica es el fluido de trabajo por excelencia en términos de termodinámica y dinámica de fluidos; sin embargo, presenta problemas de confinamiento y difusión a través de los metales, además de ser inflamable. (Jesús Álvarez, 2002)

Partes del motor Stirling •

Cilindro desplazador

•

Pistón desplazador

•

Eje pistón desplazador

•

Guía del eje desplazador

•

Cilindro de potencia (o de fuerza)

•

Pistón de potencia (fuerza)

•

Tapa (del cilindro desplazador)

•

Bielas y articulaciones

• Cigüeñal •

Soporte cigüeñal

•

Rodamientos cigüeñal

•

Soporte volantes inercia

•

Volantes de inercia

Figura 1. Motor Stirling Fuente: Elaboración propia, 2016

• Contrapesos

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Metodología de elaboración del motor Stirling 1.

Cilindro desplazador: se utiliza un vaso de cristal de una cafetera de embolo, es importante debido a que estos vasos están diseñados para ser resistentes al calor. Servirá como soporte para el motor. Medidas del vaso (mm): alto 135, diámetro 68.

2.

Pistón desplazador: se utiliza una lata de bebida energética pequeña. Ira alojado dentro del cilindro desplazador. Se deja un espacio de pocos milímetros por donde pasara el aire de un extremo a otro del cilindro. Se debe recortar la lata debido a que tiene que ser más pequeña que el cilindro desplazador, se debe perforar la lata el centro de la tapa de la lata en donde se pegará el eje que la moverá. Medidas del pistón (mm): alto 80, diámetro 53.

3.

Eje pistón desplazador: es un alambre rígido y recto con un diámetro de 2 mm y un largo de 30 cm, y doblar el extremo a 90º para insertar una articulación de la biela.

4.

Guía del eje desplazador: Es un tubo pequeño de cobre que uniremos a la tapa pegándolo con poxipol. Medidas del tubo (mm): diámetro externo 3, diámetro interno 2.

5.

Cilindro de potencia (cilindro de fuerza): está hecho de acero, las paredes son lisas tanto fuera como por dentro, también puede hacerse en cobre, aluminio o acero inoxidable. Éste cilindro es fabricado en un taller de torno a la medida y con gran presión. Medidas de éste tubo (mm): diámetro interno 20, diámetro externo 23, grosor pared 1.5.

6.

Pistón de potencia (pistón de fuerza): Esta hecho en teflón, un tipo plástico anti-fricción que soporta altas temperaturas y tiene muy buenas propiedades mecánicas. Medidas del pistón (mm): largo 19 y diámetro 20.

7.

Tapa del cilindro desplazador: Es una tapa metálica, debe tener un diámetro que pueda cubrir completamente el vaso de la cafetera (cilindro desplazador). Se le hacen dos orificios uno en el centro a 33mm para fijar la guía del eje desplazador, otro en la periferia a 10mm para colocar el cilindro de fuerza.

8.

Bielas y articulaciones: Las bielas se construirán partiendo de un palillo de hacer brochetas, a cada biela fijaremos una articulación para permitirle girar, en total utilizaremos cuatro articulaciones que se obtienen de terminales utilizadas en electrónica. Medidas en (mm) de las bielas (sin articulación): largo de biela pistón desplazador 30 y largo pisto de fuerza 50.

9.

Cigüeñal: Se utilizará un rayo de bicicleta para hacer dos codo, uno para el pistón desplazador y otro desfasado 90º para el pistón de fuerza. Tres son las medidas importantes en el cigüeñal: en el largo del cigüeñal se debe dejar unos mm sobresalir para colocar los soportes de CD; la distancia entre los codos equivale a la distancia entre los cilindros, cada codo debe estar sobre

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su biela; la altura de cada codo debe ser la mitad de la carrera de cada cilindro.

10.

Soporte de cigüeñal: es un montaje que se hace en forma de U con tres piezas de plywood pegadas entre sì, y a su vez este soporte se fija a la tapa del cilindro desplazador, la madera central tiene una ventana que permite Pasar el eje del desplazador y el cilindro de fuerza.

11.

Rodamientos del cigüeñal: el peso y esfuerzo a que sometido el cigüeñal es de poca magnitud por lo tanto se utilizara una tuerca de diámetro interno 3mm como rodamiento, estas tuercas se empotran en el plywood.

12.

Soporte volante de inercia: en los extremos del cigüeñal colocaremos accesorios de DVD para fijar después un CD, además de esta función esta pieza fija horizontalmente el cigüeñal evitando que se desplace a derecha-izquierda.

13.

Volante de Inercia: Su función es mover y equilibrar la masa por medio de la inercia, esto se logra fijando los soportes del punto anterior aún peso de al menos 100 gramos, en este caso se utilizará dos turcas grandes.

14.

Contrapesos: se colocan en cada CD cerca del borde, pueden ser un tornillo y su tuerca cuyo peso logra equilibrar el motor. Ver Figura 1.

Generador de calor solar La energía solar térmica o energía termo solar consiste en el aprovechamiento de la energía del Sol para producir calor que puede aprovecharse utilizando una antena para focalizarlos en un solo punto. En este prototipo utilizaremos el calor focalizado al cilindro desplazador como fuente externa de calor para hacer funcionar el motor Stirling con una fuente renovable y limpia. (Martínez, 2010) Ventajas

Desventajas

1.- Es una fuente de calor renovable y 1.- Su principal desventaja es que funlimpia debido a que se obtiene de la ciona solo en horas luz y cielo despejado. luz solar.

2.- Alcanza grandes temperaturas de- 2.- El punto focal variará dependiendo pendiendo del tamaño de la fuente re- la ubicación del sol. ceptora y la intensidad solar.

3.- En algunos lugares la luz solar no 3.- La fabricación del generador solar tiene la intensidad o no es suficientees muy sencilla y la podemos reali- mente constante para proporcionar un zar con materiales que tenemos en el flujo de energía permanente. (Blanch, 2013) hogar.

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Partes de un generador de calor solar •

Antena receptara solar

•

Soporte de la antena

•

Base del motor Stirling

Metodología de elaboración de un generador de calor 1.

Antena receptora de calor: esta antena la obtendremos de una antena de señal de cable satelital ya desechada, la forraremos con cinta de aluminio para que refleje la luz solar hacia un solo punto.

Resultados Rendimiento del ciclo del motor Stirling La definición de rendimiento para una máquina térmica es:

El trabajo neto será el debido a la expansión y compresión isotérmicas, puesto que durante los procesos isocóricos no se realiza trabajo.

En la medida que el funcionamiento del 2.

Soporte de la antena: el so- regenerador se acerca al caso ideal, el porte de la antena es echo por partes rendimiento del ciclo se aproxima al del desechadas de metales que fácilmen- ciclo de Carnot (Shapiro, 2005) te podemos encontrar en un taller de soldadura, hacemos la base estable y el tamaño dependerá del tamaño de la ante con un tubo metálico donde se colocara la antena.

Donde TF = Temperatura en el foco frío 3.

Base del motor Stirling: las Tc = Temperatura en el foco caliente antenas de televisión satelital cuentan con un una base externa que se encuentra frente a la antena sobre esta base montaremos una base de aluminio ya se atornillado o con poxipol η = 95% de eficiencia. para montar el motor Stirling. Ver Puesto que la antena era de deshecho, Figura 2 y 3. se calculó la ubicación del punto focal para ensamblar el motor Stirling: Datos de la antena: Diámetro (D)= 76.6 cm Altura (H) = 5.5 cm

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Calculando el punto focal: Foco = (o,p)

los procesos del ciclo teórico, disminuyendo, de esta manera, su eficiencia.

• Se recomienda que el desplazador y el pistón sean lo más livianos posible, sin que esto afecte la resistencia de sus partes.

• El motor Stirling podría utilizarse en zonas rurales, para la geneP= 66.7 cm ración de energía eléctrica a pequeña Con un medidor de calor se determinó escala, y la generación de energía que la temperatura que se alcanzó con mecánica (para el accionamiento de este generador de calor solar fue de bombas, ventiladores, etc.), con bajos 125℃. niveles de ruido, pudiéndose utilizar, en principio, cualquier tipo de combustible.

Discusión • El motor Stirling es seguro y • Se debe garantizar que la cá- tiene un nivel de ruido más bajo que mara en la cual debe estar el gas o flui- los motores de combustión interna. do frio debe mantenerse a temperatura Un problema importante de constante, al igual que en la cámara • este prototipo es su lubricación, que que se está generando el calor. por su disposición geométrica, el lubri• En el ensamble mecánico, las cante cae a la zona caliente y se quebielas deberán estar ubicadas a las al- ma, generando consigo humos y que el turas de las varillas de los pistones, aceite quemado se encuentre adherido esto con el fin de que el volante de en el interior del cilindro. inercia tenga mejor libertad en el mo• El mecanismo de transformamento de girar sobre su eje. ción de movimiento es un mecanismo • El principio de funcionamiento difícil de construir debido a la precidel motor Stirling, es el trabajo hecho sión que se requiere. por la expansión y contracción de un • En este trabajo nos limitamos gas, en este caso aire. a usar como fluido de trabajo el aire, • La fabricación de un motor porque no tiene costo alguno y está en Stirling requiere de mucha más preci- todos lados. Lo ideal sería utilizar He sión, pero se desgasta menos que otro ó H2, porque estos gases tienen una tipo de motor. mayor conductividad térmica, pero el • Se comprobó que en la prácti- diseño tendría que ser hermético, lo ca, el motor Stirling no trabaja con la cual sería complicado y costoso. eficiencia que debería ser en teoría ya que la cinemática del mecanismo que transforma la energía térmica en mecánica impide reproducir exactamente

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Agradecimientos Al grupo de maestría de Energía y Ambiente.

Tablas y Figuras Motor Stirling Precio Materiales Quetzales Cilindro y pistón en el torno Q180.00 Pie de tubo de refrigeración Q10.00 Accesorio de DVD para Q40.00 agarrar contrapesos Rayos de bicicleta y cabeQ15.00 zas, para bielas y cigüeñal Poxipol gris Q20.00 Brocas 11/64" y 21/64" Q34.50 Pintura spray negro Q18.50 Lija y terminales Q13.50 Broca 5/64" Q5.25 Pedazos de plywood Q15.00 Bebida red bull Q15.00 Tornillo y tuerca Q1.25 Total Q368.00

Precio Dólares $23.32 $1.30 $5.18 $1.94 $2.59 $4.47 $2.40 $1.75 $0.68 $1.94 $1.94 $0.16 $47.67

Tabla 1.

Listado de materiales y precios para la elaboración de un motor Stirling de tipo gamma con orientación vertical

Materiales Antena Soporte Cinta de aluminio Poxipol Total

Generador de Calor Precio Quetzales Q50.00 Q200.00 Q167.00 Q22.00 Q439.00

Precio Dólares $6.48 $25.90 $21.63 $2.85 $56.86

Tabla 2.

Listado de materiales y precios para la elaboración de un generador de calor solar

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TRATAMIENTO DE AGUAS ENFOQUE INDUSTRIAL Ing. Jorge Ivan Cifuentes Castillo Catedrático de Maestría en Energía y Ambiente, Facultad de Ingeniería, USAC

INTRODUCCIÓN Las aguas residuales están compuestas por la concentración de materias tóxicas, metales pesados, ácidos y material orgánico, estos elementos indeseables disminuyen la calidad del agua no permitiendo que sea apta para el consumo en la actividad humana.

Se presenta el informe para el tratamiento de los efluentes residuales, tomando en cuenta el proceso que conlleva, instrumentación para análisis, cuantificación de variables, tratamiento de lodos, cuyo objetivo es la regularización de los parámetros fisicoquímicos del agua para cumplir con los parámetros establecidos en la legislación actual, disminuir el impacto ambiental y garantizar la calidad del efluente para disminución de la huella ecológica.

1.Planta de tratamiento de aguas residuales y lodos Es un tipo de proceso en el cual se realiza un tratamiento de agua que llevo a cabo una metodología que involucra procesos fisicoquímicos y biológicos, los cuales el objetivo principal es el de remover contaminantes en el agua con el objetivo de producir agua limpia para poder reutilizarla en diversos procesos. La separación e mezclas puede ser diferentes métodos físicos clasificados como homogéneos y heterogéneas. Generalmente para el proceso de agua residuales se distinguen 4 etapas principales aunque pueden variar según el tipo de proceso y los estándares de calidad del mismo, entre estos están el tratamiento previo en el cual su función es separar residuos de gran tamaño y de fácil separación, tratamiento primario en el cual está contemplado el proceso de sedimentación

donde se deposita en el fondo y el agua se traslada y se utiliza un tamizador para separación y colar partículas de gran tamaño y solo puedan seguir en el proceso las de menor dimensión, el tratamiento secundario en el cual se comprende procesos de tipo bilógico de solidos flotantes y sedimentados y por último el tratamiento tercero o avanzado que es donde se lleva a cabo la reducción final de la demanda biológica de oxígeno. a.Etapa de análisis Para establecer el caudal de diseño y transferencia de oxigeno de las aguas residuales provenientes de las instalaciones de una fábrica, se toma como base la información de la caracterización compuesta proporcionada directamente de un análisis de las aguas de proceso, en la cual indica el caudal y cargas contaminantes promedios como escorrentía de afluente al sistema de

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depuración biológico “Planta de trata- bina el cribado, sedimentación y conmiento de aguas residuales” (PTAR). tacto interfacial para transferir los b. Determinación de parámetros de sólidos en suspensión, o flóculos, a la superficie. ingreso y salida El sistema de tratamiento debe tener como características su fácil manejo y operación, tecnología flexible, baja susceptibilidad a variaciones de caudal y carga orgánica. El sistema de tratamiento debe ser operado en sus componentes electromecánicos automáticamente así como ser manejado manualmente.

Lo lodos son un subproducto del tratamiento de aguas residuales que se forman a partir de la fase de sedimentación. Los lodos activados son un material producto del tratamiento de agua que contiene principalmente protozoarios y bacterias, se usa para el tratamiento de aguas residuales.

Cuando se mezcla con las aguas que han sido aireadas, estos organismos degradan la materia orgánica presente y la utilizan como alimento, de esta manera se multiplican u producen más lodos activados.

La planta de tratamiento debe considerar todos los elementos y dispositivos necesarios para la obtención de los resultados que garantizarán una excelente calidad del agua a la salida La concentración y estabilización de del proceso. sólidos son operaciones mediante las c. Lodos en los sistemas de trata- cuales se preparan los lodos. Las opemiento de aguas residuales raciones incluyen las siguientes fases: En un tratamiento de aguas residua- El espesamiento que es la concentrales, los sólidos se separan del agua en ción de lodos para una sedimentación diferentes etapas que van en orden de- más rápida. La centrifugación de locreciente según el tamaño de las par- dos los concentra, separando los lodos tículas, por cribado, sedimentación, del licor de lodos (sub producto). El flotación y filtración. acondicionamiento químico coagula El cribado es la retención de sólido por los lodos y mejora sus propiedades de medio de rejillas. La sedimentación se deshidratación. La elutriación elimina genera a partir de la reducción de la componentes que pueden perjudicar potencia de arrastre y deslave del agua el acondicionamiento químico. La fluyente, hasta que las partículas sus- flotación biológica concentra al lodo, pendidas se sedimentan por gravedad elevándolo por efecto de los gases de al fondo de los tanques de retención, y descomposición. La filtración al vano son resuspendidos por arrastre. La cíoextrae la humedad del lodo. El seflotación se genera por la reducción de cado, pude realizarseal aire eliminanla potencia de transporte del agua flu- do la humedad del lodo con la ayuda yente por reposo o se vence el poder de de materiales granulares, o por calor suspensión por reposo o con la adición utilizando calentamiento. La digestión de lodos es un proceso anaeróbico que de agentes de flotación. lleva diversas etapas de descomposiLa filtración, conceptualmente, com-

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ción de la materia generando como productos CO2, metano e hidrógeno.

La combustión puede realizarse en seco o con condiciones de humedad, la primera por incineración y la segunda por oxidación a altas temperaturas.

Se pueden realizar distintas agrupaciones de los procesos como: 1) Digestión de lodos seguida de secado al aire; 2) concentración y acondicionamiento químico de los lodos activados antes de la filtración al vacío, y 3) incineración de una mezcla de humus de filtros goteadores y lodos de sedimentación simple, después de la digestión, elutriación, acondicionamiento químico y filtración al vacío.

determinar si se conoce la separación de los sólidos suspendidos, mientras que los tratamientos biológicos, la cantidad depende de la DBO. La cantidad esperada en tratamientos con lodos activados está determinada por la relación alimentación/ microrganismos (A/M). En la digestión anaerobia está limitado por la cantidad de sustrato disponible, que es alrededor de un 10% del que se produce en procesos aerobios.

d. Tipos y cantidades de lodos La eliminación de residuos y el procesamiento de los lodos, es el área más descuidada en el tratamiento de aguas residuales. Estas actividades apenas se relacionan con el 1% del total del desperdicio y alcanzan un 50% en los costos de operación y capital de inversión. Los lodos crudos y los lodos biológicos del final del proceso deben de concentrarse y estabilizarse previo a ser dispuestos en terrenos.

Los lodos con potencial de comercialización y uso benéfico se llaman biosólidos, se pueden estabilizar por medio de la conversión en abono, ya sea para fines agrícolas, forestales o en la recuperación de los terrenos intervenidos por empresas mineras.

Las cantidades de lodos a procesar varían con el tipo de los procesos que se emplean en el tratamiento de las aguas residuales. El volumen de lodos que se produce por sedimentación se puede

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estabilizado. La aireación extendida provee suficiente tiempo de contacto en el interior del tanque para favorecer a.Tratamiento de lodos una excelenteestabilizacióndeloslodosLos Lodos Activados son un tipode reduciendoasísuvolumenyfacilitandotratamiento biológico de aguas resi- su manejo posterior. duales que ocurre en presencia de aire. b. Digestión anaerobia Su funcionamiento se basa en proporcionar el tiempo de contacto, el oxíge- Se lleva a cabo en dos fases. En la prino necesario y el medio homogéneo mera se produce la hidrólisis (licuefacpara que microorganismos aeróbicos ción) de la materia orgánica (MO) y depuren el agua, eliminando la mate- su conversión biológica en ácidos orria orgánica soluble biodegradable y gánicos. La segunda fase del proceso, asimilando la materia coloidal através las bacterias productoras de metano del contacto de los microorganismos de crecimiento lento y sensibles al encon los sólidos suspendidos en el agua. torno producen un biogás que consta de 2/3 de metano 1/3 de dióxido de El tratamiento biológico aerobio precarbono y leves trazas de sulfuro de senta como ventajas la no generación hidrogeno. de malos olores y excelente calidad de efluentes bajo condiciones adecuadas c. Desecación e incineración de lodos de operación. Los productos básicos Este proceso de eliminación de lodos de la reacción aerobia son dióxido de ha perdido auge con el paso del tiemcarbono, agua y nuevos microorganis- po, puesto que incrementa los costos mos que cautivos en el sistema siguen energéticos y de uso de combustible. contribuyendo en la remoción de con- Los lodos se encuentran con una gran taminantes. cantidad de humedad y poca capaciLos lodos activados en modalidad de dad calorífica para poder realizar comaireación extendidas onuna variante bustión e incinerarse.

2.Descripción conceptual del sistema de tratamiento

simplificada del sistema convencional de lodos activados. La diferencia radica en que la aireación extendida utiliza mayor volumen de tanque de aireación ya sí elimina la necesidad de otras unidades de tratamiento como clarificador primario y digestor de lodo. Por otro lado, debido al mayor volumen del tanque de aire acción labiomasapermanecemástiempoenelsistema,conestoexistemenosmateriaorgánica disponible para las bacterias y éstas terminan consumiendo material celular para su propia supervivencia, consecuentemente el lodo retirado ya sale

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c. Desecación e incineración de lodos

Este proceso de eliminación de lodos ha perdido auge con el paso del tiempo, puesto que incrementa los costos energéticos y de uso de combustible.

Los lodos se encuentran con una gran cantidad de humedad y poca capacidad calorífica para poder realizar combustión e incinerarse. d. Aplicación de biosólidos en terreno Permite que puedan ser utilizados en tierras de vocación agrícola y forestal, por la facilidad que tiene el nitrógeno

de reaccionar y absorberse por el suelo y brindar nutrientes. Estos son ricos en MO y otros elementos que ayudan a la mejor calidad de los cultivos. Se debe de hacer un análisis de metales pesados, puesto que si se encuentra cadmio u otro tipo de metal, estos pueden fijarse en los cultivos y crear problemas a largo plazo en los consumidores.

3. Etapas del tratamiento a. Etapa 1 Tratamiento primario que consiste en la eliminación de material grueso, flotantes. b. Etapa 2 Tratamiento biológico para la remoción de la contaminación orgánica disuelta y de partículas muy finas. c. Etapa 3 Tratamiento biológico para estabilización y manejo adecuado de lodo.

Figura 1:planta de tratamiento de aguas residuales. Fuente: AGUASISTEC. http:// www.aguasistec.com/planta-de-tratamiento-de-aguas-residuales.php. Consulta mayo 11

d. Etapa 4 Desinfección por bomba de dosificación de solución de cloro Es importante que el diseño se haga exclusivamente para el agua de proceso, por tal razón no se considera que lleve aguas pluviales.

4. Especificaciones generales de la planta de tratamiento A continuación se describe el proceso común y especificaciones técnicas que compondrán cada una de las unidades que integran las plantas de tratamiento. a. Tratamiento primario El tratamiento primario consiste en la filtración y separación de sólidos, el cual consta de lo siguiente • Rejillas Para el sistema de tratamiento se deberá incorporar rejillas que tendrán como objetivo la remoción de objetos de tamaño superior a 25 mm2.

• Tanque amortiguador Esta unidad tiene como finalidad, la retención de la variación de caudales pico, evitando que altos caudales ingresen a la planta alterando su tiempo de retención hidráulico.

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b. Tratamiento secundario El tratamiento secundario tiene como objetivo la estabilización y remoción de la materia orgánica presente en el agua así como los sólidos suspendidos. La etapa de tratamiento secundaria estará integrada por tanque de aireación, decantador o clarificador secundario y cámara de desinfección.

• Tanque de aireación

5. Equipos que conforman un PTAR • Bombas • Cribao enrejillado • Acumulador • Regulador de PH • Sistema de levantamiento biológico

• Sistema de tratamiento biológico Depósito en el cual se suministra el oxígeno, por medio de la introducción de aire, • Sopladores el cual es necesario para tratamiento bio- • Equipos para sedimentación lógico aerobio.

• Recirculador de lodos • Clarificador secundario • Clorinador Unidad en el cual se separan por sedimentación los sólidos (lodos) del agua tratada.

Los sólidos captados son recirculados al tanque de aireación y el exceso se envía al tanque de lodos.

• Tanque de desinfección El agua tratada se conduce a este tanque donde se le dosifica cloro para la eliminación de microorganismos patógenos. El Figura 1: diagrama de flujo con proceso detallado de tratamiento de aguas agua tratada es depositada en cámara de bombeo o bien descargara por gravedad donde será impulsada hacia su destino final.

6. Aspectos legales Debe cumplirse obligatoriamente según ley nacional con el acuerdo gubernativo 236-2006 “REGLAMENTO DE LAS DESCARGAS Y REUSO DE AGUAS RESIDUALES Y DE LA DISPOSICIÓN DE LODOS”

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ANTONIO MADRID.

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