https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/997 2026-04-27T16:14:26Z 2026-04-27T16:14:26Z García Rincón, Marco Antonio https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/12244 2026-02-27T01:58:49Z 2026-01-21T00:00:00Z

Title: Viabilidad termo-económica del uso de nanofluidos en sistemas de calentamiento de agua con colectores de placa plana Authors: García Rincón, Marco Antonio Description: En este trabajo se presenta un estudio de la viabilidad del uso de nanofluidos en sistemas de calentamiento de agua con colectores de placa plana, considerando la eficiencia térmica en función de la estabilidad del nanofluido. El estudio compara un sistema convencional con agua y otro con nanofluidos a base de nanopartículas de óxidos metálicos, considerando los costos asociados a la obtención de agua caliente sanitaria y la evolución de la eficiencia térmica en función de la estabilidad del nanofluido durante la operación. El caso de estudio se desarrolla en Cuernavaca, Morelos, México, utilizando un colector solar de placa plana. La eficiencia térmica se evalúa con calorimetría de flujo, mientras que la estabilidad del nanofluido se analizó a partir de la deriva del potencial-Z. El modelado térmico anual permitió estimar la energía específica de cada sistema, los costos nivelados y el periodo de retorno, con el fin de determinar la viabilidad económica del uso de nanofluidos. En el estado del arte se determinó que los nanofluidos en calentadores solares mejoran la eficiencia térmica entre 5 % y 35 %, pero su estabilidad aún es limitada. Los estudios actuales cubren solo el 2.5 % de la vida útil esperada (0.5 años de 20). La hibridación de nanopartículas logra mejoras de hasta 30 % y eficiencia de 0.85, mientras que los nanofluidos poliméricos ofrecen hasta 86 % de estabilidad y 35 % de eficiencia. Las mejores condiciones se dan con partículas de 24 nm, 0.1 % de concentración y caudales de 0.04 kg/s. Tasas de flujo entre 0.02–0.04 kg/s y concentraciones de 0.2–0.3 % mejoran la estabilidad (hasta 6 meses) y el rendimiento (>30 %). De forma teórica-experimental el uso de nanopartículas de Al2O3 aumentan la eficiencia del FPSWH hasta un 63 % acercándose al 80 %, y reducen las pérdidas globales de calor hasta 84 %. Sin embargo, el análisis no contemplo el efecto de estabilidad por lo que se muestra ideal en este primer resultado. El análisis mediante potencial-Z evidenció que una alta estabilidad inicial (44.4 mV) mejora el desempeño térmico; sin embargo, bajo condiciones reales esta se degrada rápidamente, alcanzando valores de 18 mV en menos de cuatro meses, lo que implica sedimentación y riesgo de obstrucción en las tuberías. El sistema de colector solar con nanofluido presentó una eficiencia óptica inicial (a₀) de 0.87, lo que representa una mejora del 58.47 % respecto al uso de agua (a₀ = 0.55). Las pérdidas térmicas globales con nanofluido fueron de −6.14, frente a −7.36 con agua, demostrando que el colector solar no sufre mayores pérdidas térmicas con el uso del nanofluido. Los nanofluidos muestran una mejora en la eficiencia térmica de hasta 58 % respecto al agua en condiciones al exterior basados en la norma UNE-EN ISO 9806:2017 y con flujo de prueba de 1 lpm, lo que los posiciona como una alternativa viable en aplicaciones solares térmicas; sin embargo, su estabilidad se reduce hasta un 50 % en menos de 4 meses bajo condiciones reales, comprometiendo su vida útil y aumentando el riesgo de sedimentación y obstrucción. Aunque el método de preparación ultrasónico mejora el potencial-Z en un 30 % y reduce el tamaño de partícula en un 55 %, estos beneficios no compensan la pérdida de estabilidad a largo plazo. En términos económicos, la necesidad de reemplazar periódicamente el nanofluido incrementa los costos nivelados de la energía, elevando el kWht a $20.74, frente a $14.84 utilizando combustibles fósiles, lo que vuelve inviable su aplicación actual. En conclusión, aunque los nanofluidos muestran un alto potencial para mejorar la eficiencia térmica en sistemas solares, su limitada estabilidad sigue siendo el principal desafío, por lo que se requiere continuar la investigación para desarrollar coloides con una vida útil comparable a la de los sistemas solares térmicos.

2026-01-21T00:00:00Z Mazón Valadez, Cuauhtémoc https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/12242 2026-02-27T01:45:14Z 2025-12-12T00:00:00Z

Title: Control pasivo de vibraciones en aerogeneradores utilizando tecnología de rigidez negativa Authors: Mazón Valadez, Cuauhtémoc Description: En esta investigación se aborda el estudio, modelado y control pasivo de vibraciones en aerogeneradores mediante absorbedores de alto rendimiento basados en la inercia rotacional y la tecnología de rigidez negativa para mejorar la estabilidad y alargar la vida útil de estas estructuras. Los aerogeneradores, al estar sometidos a condiciones ambientales variables como cargas aerodinámicas complejas, experimentan vibraciones que pueden comprometer su desempeño, eficiencia y durabilidad. De acuerdo con esta problemática, en este trabajo se plantea una metodología que combina modelos matemáticos, técnicas de optimización y comprobaciones numéricas mediante simulaciones coherentes y fundamentadas. Se realizó el estudio de la dinámica de los dispositivos NS-NIDVA (absorbedores dinámicos de vibración basados en la inercia rotacional y la tecnología de rigidez negativa), donde se propone un análisis novedoso que simplifica el modelado de los absorbedores dinámicos de vibración. Esta metodología propuesta permitió la reducción de las ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento dinámico de este tipo de sistemas, sin alterar la respuesta dinámica de la estructura primaria y produciendo un modelo general de la dinámica de los absorbedores. Posteriormente, se presenta una metodología del proceso de optimización para los dispositivos NS-NIDVA, mediante la utilización de criterios de estabilidad y metodologías de optimización existentes en la literatura, como la metodología extendida del punto fijo y los criterios de rendimiento 𝐻∞, y 𝐻2. Esto se logró mediante la aplicación de restricciones severas, técnicas numéricas y el método metaheurístico de enjambre de partículas, para encontrar de manera eficaz los parámetros ideales para el correcto funcionamiento de los dispositivos NS-NIDVA. Asimismo, se determinó un modelo simplificado de la dinámica de aerogeneradores basado en los parámetros físicos del aerogenerador NREL 5MW. En este modelo se agregan las interacciones entre los álabes, la góndola y la torre, permitiendo evaluar la respuesta de este tipo de estructuras bajo diferentes condiciones de carga. Los resultados preliminares mostraron que el modelado propuesto representa de manera eficiente el comportamiento del aerogenerador en el plano de referencia (𝑧𝑥), donde se logra reproducir el comportamiento realista de esta estructura bajo condiciones de cargas aerodinámicas. Por otro lado, el comportamiento en el plano (𝑧𝑦) presentó algunas limitaciones, derivadas por una representación ineficiente del efecto rotacional de los álabes. Sin embargo, a pesar de esta ineficiencia, las simulaciones realizadas con el software de OpenFast demuestran que el análisis en el plano (𝑧𝑥), es una alternativa realista y robusta para representar la dinámica del sistema sin recurrir a modelos complejos. Finalmente, la investigación se centró en el acoplamiento de los dispositivos NS-NIDVA a lo largo de la torre del aerogenerador. Las simulaciones finales demostraron la efectividad de estos dispositivos en el control pasivo de vibraciones en aerogeneradores, especialmente cuando el aerogenerador es sometido a cargas armónicas, ruido blanco gaussiano y las cargas aerodinámicas cuando el aerogenerador opera en su primera velocidad nominal (6.9 RPM). Sin embargo, se identificó que bajo ciertas condiciones de operación del aerogenerador (segunda velocidad nominal 12.1 RPM y a la frecuencia natural de la torre 19.51 RPM), el comportamiento no es favorable. En este caso, la interacción de las cargas aerodinámicas supera la eficiencia de este sistema de control pasivo de vibraciones. A pesar de esto, los resultados obtenidos en esta investigación sientan las bases para futuras investigaciones en el área de ingeniería de control estructural y energías renovables. Por lo tanto, esta tesis tiene un aporte significativo en los campos relacionados al control de vibraciones estructurales y de aerogeneradores, al integrar tres aspectos fundamentales: la simplicidad del modelado matemático de los absorbedores dinámicos de vibración y de los aerogeneradores; la metodología propuesta mediante simulaciones numéricas y el algoritmo de enjambre de partículas para determinar parámetros óptimos de los absorbedores de vibración; y la comprobación mediante las simulaciones numéricas del modelo de aerogenerador propuesto. Esto sienta las bases de futuras estrategias de control mediante una metodología sólida, flexible y replicable que puede servir para investigaciones futuras relacionadas con el control de vibraciones y energías renovables.

2025-12-12T00:00:00Z Francisco Hernandez, Ariel https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/10849 2025-09-11T00:21:11Z 2025-09-05T00:00:00Z

Title: Diseño y estudio de un sistema de acondicionamiento térmico para una edificación en México usando energía geotérmica (District Cooling) Authors: Francisco Hernandez, Ariel Description: Este trabajo presenta el diseño, análisis y evaluación integral de un sistema de Distrito de Enfriamiento Geotérmico (GDCS, por sus siglas en inglés), alimentado por calor residual de la planta geotermoeléctrica Cerro Prieto I. La investigación, resultado de cuatro años de trabajo, tiene carácter conceptual-numérico y busca sentar bases para proyectos piloto en zonas con disponibilidad de calor residual geotérmico, industrial o solar. La metodología se estructuró en seis etapas: (1) determinación de las cargas térmicas de una edificación de 754 m² ubicada en Cerro Prieto, (2) selección del intercambiador de calor para el acoplamiento fuente–chiller, (3) integración de un sistema de refrigeración por absorción NH₃–H₂O y tanque de almacenamiento térmico, (4) diseño de la red fría subterránea, modelada mediante dinámica de fluidos computacional (CFD), (5) simulaciones paramétricas en EES del sistema integral en estado permanente, (6) simulación dinámica del sistema completo en TRNSYS, y (7) un análisis 4E (energético, exergético, económico y ambiental) con criterios de factibilidad frente a sistemas de compresión convencionales. os resultados evidencian que el GDCS mantiene operación estable con suministro de 18–22 °C y capacidad de 111.6 kW. El COP promedio se situó en 0.12–0.15, en el límite inferior de la literatura, debido a pérdidas en el manifold, aunque suficiente para climatización de oficinas. A nivel de chiller, la eficiencia exergética fue del 13%, pero a nivel global ascendió a 97.9%, confirmando un aprovechamiento casi total del calor residual. Económicamente, la inversión inicial (155,288 USD) se recupera en 4.5–7.5 años, con una TIR de 15.3–24.5% y ahorros de 26,940–40,100 USD/año. Ambientalmente, se evita la emisión de ≈389.5 tCO₂-eq/año y la huella acumulada a 20 años es de 170 tCO₂-eq. El índice de sostenibilidad (0.76) se mantiene competitivo frente a valores internacionales, reforzando la pertinencia del sistema. Se concluye que el GDCS propuesto es técnicamente viable, ambientalmente benéfico y económicamente rentable como proyecto piloto, destacando por optimizar el uso de calor residual de baja calidad y reducir la dependencia eléctrica en zonas áridas. El principal aporte de esta investigación es constituir la primera propuesta integral de un GDCS en México, estableciendo bases técnicas, numéricas y económicas para su replicabilidad y posible integración futura con colectores solares térmicos.

2025-09-05T00:00:00Z Barrera Sánchez, Agustín https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/10844 2025-09-11T00:13:14Z 2025-08-29T00:00:00Z

Title: Diseño de un sistema robótico de una órtesis activa para rodilla Authors: Barrera Sánchez, Agustín Description: En este trabajo de investigación, titulado “Diseño de un sistema robótico de una órtesis activa para rodilla”, se propone el diseño de un prototipo de una órtesis de rodilla orientado a mejorar la estabilidad de la extremidad inferior, facilitar el soporte de cargas y adaptarse a los requerimientos individuales de cada usuario. Este dispositivo se concibe tanto para procesos de rehabilitación como para un uso cotidiano. La investigación se enfoca en dos aspectos principales: el diseño mecánico de la órtesis y las técnicas de procesamiento de señales destinadas a sincronizar sus movimientos con los de la rodilla. Asimismo, se incorporan métodos de control orientados al seguimiento de trayectorias. Se realizó una revisión del estado del arte en la que se describen los movimientos de la rodilla, las principales causas de lesiones en esta articulación, los diferentes diseños de órtesis desarrollados en los últimos años y los sistemas de control empleados en dispositivos biomecatrónicos. Del mismo modo, se presentan los mecanismos utilizados en órtesis pasivas y activas, junto con una explicación de los parámetros biomecánicos y antropométricos considerados en su diseño. Además, se identifican los retos y desafíos que aún deben superarse en el desarrollo de este tipo de dispositivos ortopédicos. En lo referente a la propuesta de diseño, la órtesis incluye estructuras ajustables que se colocan en paralelo al muslo y la pantorrilla. Para su funcionamiento, se diseñaron bases y poleas de doble canal que permiten integrar el sistema de actuación mediante cables Bowden. Como parte del proceso de validación, se efectuaron análisis estáticos y dinámicos del dispositivo, además de una co-simulación en MSC Adams y Simulink de Matlab, con el fin de comprobar que el diseño replicara correctamente los movimientos de flexión y extensión de la rodilla. La construcción del prototipo se llevó a cabo mediante impresión 3D utilizando material PLA. Se implementó un sistema de control difuso-PID y se realizaron pruebas en distintos intervalos de tiempo para validar la funcionalidad del dispositivo. Se realizaron pruebas de flexión y extensión en lazo abierto, con un sistema de control basado en una placa Arduino y un puente H L298N. Se presentan los resultados obtenidos tanto en la simulación realizada en Adams como en la co-simulación entre Simulink y Adams, cuyo objetivo fue reproducir el movimiento de flexión-extensión y evaluar el seguimiento de una trayectoria definida mediante un polinomio de Bézier. En la simulación en Adams del movimiento de flexión/extensión, se alcanzó un desplazamiento máximo de 119.2°, con una velocidad de 0 °/s en un tiempo aproximado de 3 segundos. Al llegar a la mitad del recorrido (aproximadamente 59.6°), se obtuvo la velocidad máxima de 54.36 °/s en un tiempo de 1.456 segundos. Se presentan los resultados del seguimiento de trayectoria durante el ciclo de la marcha, a partir de la simulación de la estrategia de control implementada mediante un controlador PID difuso. El seguimiento de la trayectoria se evaluó en intervalos de 10 y 42 segundos, mostrando una concordancia cercana con la deseada a través del polinomio, con un desfase de 2° y 1°, respectivamente.

2025-08-29T00:00:00Z