https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/997 2026-11-06T22:35:09Z https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/13950 Title: Estudio Númerico y experimental para la prevención y protección de la erosión en el borde de ataque de palas de turbinas de viento de eje horizontal Authors: Xosocotla Espejel, Oscar Eduardo%801782 Description: La erosión en el borde de ataque es uno de los mecanismos de degradación más críticos que afectan los álabes de aerogeneradores, particularmente en ambientes offshore y onshore severos. La exposición continua a lluvia, arena y partículas suspendidas provoca pérdida de material, incremento de la rugosidad superficial y reducción del desempeño aerodinámico, lo que conlleva una disminución en la producción anual de energía. Dado que los álabes se fabrican comúnmente a partir de materiales compuestos de matriz polimérica reforzada con fibra de vidrio, el desarrollo de recubrimientos protectores avanzados es esencial para mejorar su durabilidad y confiabilidad operativa. En este trabajo se investiga el diseño, modificación y evaluación del desempeño de recubrimientos compuestos a base de poliuretano (PU) reforzados con óxido de grafeno (GO) y nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) para aplicaciones resistentes a la erosión. El óxido de grafeno (GO) fue funcionalizado mediante tratamiento con plasma de barrera dieléctrica (DBD) a presión atmosférica, con el objetivo de modificar su química superficial mediante la incorporación de grupos funcionales oxigenados. Este proceso incrementa la energía superficial y la reactividad del GO, favoreciendo una mejor dispersión dentro de la matriz de poliuretano (PU) y una mayor adhesión interfacial con sustratos de fibra de vidrio. La espectroscopía Raman reveló un incremento en la relación ID/IG, indicando la generación de defectos en el GO después del tratamiento con plasma, mientras que las mediciones de ángulo de contacto y el análisis de energía libre superficial evidenciaron una mejor compatibilidad entre GO y PU. Los recubrimientos PU/GO tratados con plasma mostraron un incremento del 27.6 % en la resistencia de adhesión, demostrando el papel de las interacciones inducidas por defectos en el refuerzo interfacial. De manera similar, los recubrimientos compuestos PU/TiO2 fueron fabricados mediante deposición por aspersión. Los análisis FTIR y DRX confirmaron una dispersión homogénea de TiO2 a bajas concentraciones (1–3 % en peso), atribuida a enlaces de hidrógeno entre grupos TiO2–OH y PU–NH. El recubrimiento PU/TiO2 (3 % en peso) presentó una reducción del 61 % en la densidad de corriente de corrosión (Icorr) en comparación con el PU puro, lo que indica una mayor estabilidad electroquímica. 2026-08-11T00:00:00Z https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/13943 Title: Análisis Numérico y Experimental del Problema de Contacto en Uniones Mecánicas con Elementos Rugosos Authors: Salgado Cruz, Manuel%514375 Description: Las uniones eje/cubo utilizan la diferencia de diámetros para realizar el ensamble, ya sea por presión o por temperatura. En este trabajo se presenta el estudio de la resistencia o capacidad de carga de la unión mecánica eje-cubo en función del acabado superficial del proceso de maquinado (torneado) a diferentes regímenes de carga, con la finalidad de representar de forma simplificada el efecto de la rugosidad En el modelo de rigidez normal de contacto se analiza el efecto del tamaño de las rugosidades en la resistencia al deslizamiento axial entre piezas de uniones eje/cubo con interferencia. La rugosidad superficial se obtuvo de un proceso de torneado con diferentes acabados (fino, medio y rugoso). Se desarrolló un modelado por elementos finitos que utiliza una rigidez normal de contacto 𝑘n (tomada de la literatura) equivalente al tamaño de la rugosidad superficial entre las piezas de la unión para representar al contacto real. En el modelo posterior se estudió el efecto de la rugosidad en un ensamblaje, representado por el anillo interior de un rodamiento cuyo diámetro interno se toma como referencia fija, con distintos ejes. Los ejes se maquinaron en un torno CNC a distintas velocidades de avance cada uno. Estas variaciones modificaron el tamaño de la rugosidad superficial, y se realizaron para conocer el efecto de la rugosidad en las tolerancias. Con el rodamiento y las flechas se realizaron pruebas de ensamblado-desensamblado a compresión en las uniones eje/anillo para determinar la fuerza máxima. Se desarrolló un modelo por el método de elementos finitos MEF del ensamble-desensamble eje/anillo. Las superficies en contacto se representaron lisas, para determinar el valor de interferencia que representa la rugosidad obtenida del torneado. Para validar el modelo, se compararon resultados de presión de contacto y fuerza de extracción con la teoría de cilindros de pared gruesa. Los resultados obtenidos demuestran que una mayor rugosidad superficial, obtenida al variar la velocidad de avance durante el mecanizado de la flecha en el torno, contribuye al aumento de la capacidad de carga de este tipo de uniones. A partir de las pruebas realizadas, se propuso una modificación de forma empírica en la ecuación de presión de contacto de ajuste para que considere esta tendencia. Por último, debido a las incertidumbres de la parte experimental se desarrolló un modelo matemático de la unión eje-cubo, donde la interferencia del ajuste está relacionada con la rugosidad generada del proceso de maquinado. Al relacionar la amplitud de la rugosidad con la profundidad de corte y la longitud de onda, con la velocidad de avance de una función senoidal, se logró una representación precisa de las condiciones de contacto. El objetivo principal fue establecer una relación cuantitativa entre los parámetros del proceso de fabricación por torneado y el rendimiento mecánico de la unión. Se consideraron tres casos de interferencia: picos, eje medio y valles, los cuales cambian la capacidad de carga de la unión. Se observó que en el Caso 1 (picos), la capacidad de carga disminuye, con el Caso 2 (eje medio) se mantiene y con el Caso 3 (valles) incrementa. Finalmente, el modelo matemático en MATLAB, se adaptó, para que a partir de parámetros de entrada se determine el número de rugosidades, la presión media de contacto, el área efectiva y la fuerza de extracción. 2026-06-25T00:00:00Z https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/13148 Title: Desarrollo de un código numérico para el modelado termohidráulico considerando la deformación del tubo receptor de un captador cilindroparabólico para generación directa de vapor Authors: Farfán Caballero, José Guillermo%773124 Description: La generación directa de vapor (GDV) en captadores solares cilindroparabólicos (CCP) constituye una alternativa tecnológica viable para plantas termosolares de concentración. Esto se debe a que permite la simplificación del sistema, la reducción de costos y la operación a temperaturas que los sistemas de generación indirecta de vapor los cuales operan con aceite térmico como fluido de trabajo en el campo solar. Sin embargo, su implementación introduce fenómenos complejos asociados al flujo bifásico agua-vapor, la distribución no uniforme del flujo de calor (DNUFC) y los efectos inducidos en el tubo absorbedor. Durante la operación en modo de un solo paso, el fluido experimenta precalentamiento, evaporación y sobrecalentamiento a lo largo del campo solar, generando distintos patrones de flujo bifásico que influyen directamente en la transferencia de calor pared-fluido y en la distribución de temperatura en la pared del tubo absorbedor. De manera simultánea, la concentración solar en los CCP produce gradientes térmicos circunferenciales significativos, capaces de inducir esfuerzos térmicos, deformaciones y deflexiones. En condiciones severas, estos fenómenos pueden provocar desalineación óptica, incremento de pérdidas energéticas y riesgos estructurales. La presente tesis comprende el desarrollo de un modelo numérico integral para el análisis en cascada del modelo óptico, termohidráulico, térmico y termoelástico del tubo absorbedor del lazo DISS de la Plataforma Solar de Almería (PSA), España con el objeto de cuantificar el riesgo termoelástico de una planta en operación con flujo en dos fases. El modelo óptico se fundamentó en el Método de Monte Carlo Ray Tracing (MCRT) aplicado a un CCP tipo LS-3, lo que permitió determinar la distribución circunferencial del flujo de calor absorbido. El modelo numérico termohidráulico, desarrollado en Diferencias Finitas, se basa en el modelo a dos fluidos que involucra tres ecuaciones de conservación para cada fase, además de modelos en la interfase líquido-vapor y condiciones de cerradura. El modelo térmico resolvió la conducción de calor bidimensional en el tubo, considerando la no uniformidad del flujo solar y las pérdidas térmicas, aplicando el método de Diferencias Finitas. Finalmente, el modelo termoelástico se basó en el modelo de elasticidad lineal con acoplamiento térmico, evaluando los efectos de la presión interna del tubo y de los gradientes de temperatura circunferenciales sobre los esfuerzos, deformaciones y deflexiones del tubo. La comparación con datos experimentales del lazo DISS mostró buena concordancia en perfiles axiales de temperatura y comportamiento termohidráulico, confirmando la capacidad del simulador desarrollado para reproducir adecuadamente la física del sistema. En conjunto, esta tesis aporta una herramienta integral que permite comprender la interacción entre fenómenos ópticos, termohidráulicos y estructurales en sistemas de GDV con CCP, y establece bases sólidas para estudios futuros de optimización orientados a mejorar su eficiencia y confiabilidad. En síntesis, los resultados muestran que la consideración de 2 coeficientes de transferencia de calor (CTC) para el flujo bifásico permite representar con mayor precisión la interacción térmica entre el fluido y la pared del tubo absorbedor, generando diferencias de temperatura de hasta 15.6 K respecto al modelo con un solo CTC. Asimismo, el incremento de la irradiancia directa normal de 800 a 1000 W/m2 puede aumentar la diferencia de temperatura circunferencial hasta en 57.6%, alcanzando valores cercanos a 31.6 K y provocando incrementos en los esfuerzos equivalente de Von Mises y en la deflexión del tubo absorbedor, con valores máximos del orden de -1.88 cm. Estos resultados evidencian que, aunque el material opera dentro del régimen elástico, los gradientes térmicos inducidos por la concentración solar pueden generar deformaciones significativas, lo que confirma la importancia de utilizar un modelo acoplado óptico-termohidráulico-térmico-termoelástico para evaluar la integridad estructural y mejorar el diseño y la operación de sistemas de GDV en CCP. 2026-05-13T00:00:00Z https://rinacional.tecnm.mx/jspui/handle/TecNM/12244 Title: Viabilidad termo-económica del uso de nanofluidos en sistemas de calentamiento de agua con colectores de placa plana Authors: García Rincón, Marco Antonio%738350 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