Revista I+i 2016 by Tecsup

PROPUESTA 1

Volumen 10, 2016 Lima, Perú • ISSN 1996-7551

Ingrid Ccoyllo / Godofredo Díaz / David Rodríguez

Diseño de un sistema de

alerta temprana ante huaycos

en Chosica - Lima - Perú Pág. 4

Carlos Gamarra / Alejandro Alarcón / Thalia Canchanya / Maryori García / Giuliana Pareja / Carlos Segura / Juan Carlos F. Rodríguez

Ultrasound-assisted leaching as a greener method in mineral processing: improved silver

extraction from a sulfide-based mineral concentrate without increasing cyanide consumption Pág. 14

Tecsup Norte Campus Trujillo Vía de Evitamiento s/n Víctor Larco Herrera Trujillo, Perú T: (44) 485420 F: (44) 60-7821 E-MAIL: informestrujillo@tecsup.edu.pe Tecsup Centro Campus Lima Av. Cascanueces 2221 Santa Anita Lima 43, Perú. T: (51) 317-3900 F: (51-1) 317-3901 E-MAIL: informeslima@tecsup.edu.pe Tecsup Sur Campus Arequipa Urb. Monterrey Lote D-8 José Luis Bustamante y Rivero Arequipa, Perú. T: (54) 426610 F: (54) 426654 E-MAIL: informesarequipa@tecsup.edu.pe www.tecsup.edu.pe

CUBIERTA_COMPENDIO TECSUP 2015_1 copy.indd 2

11/24/15 10:05 PM

Diseño de un sistema de alerta temprana ante huaycos en Chosica - Lima - Perú ............... Ingrid Ccoyllo / Godofredo Díaz ....................................David Rodríguez 4 Ultrasound-Assisted Leaching as a Greener Method in Mineral Processing: Improved Silver Extraction from a Sulfide-Based Mineral Concentrate without Increasing Cyanide Consumption .......... Carlos Gamarra / Alejandro Alarcón ........... Thalia Canchanya / Maryori García ................Giuliana Pareja / Carlos Segura ....................................Juan Rodríguez 14 Control de un filtro activo de potencia trifásico en derivación por control de corriente ............ María Mendoza / Néstor Enríquez 20

Editor en jefe: Narciso Arméstar, Tecsup Comité Editorial: Aurelio Arbildo, Inducontrol; Elena Flores, Cementos Pacasmayo; Carlos Hernández, Alicorp; Augusta Morales, Tecsup; Jack Vainstein, Vainstein Ingenieros Coordinadora: Kelly Yale Colaboradores: Alejandro Alarcón, José Álvarez, Enrique Barrantes, Sara Boes, Thalia Canchanya, Ingrid Ccoyllo, Godofredo Díaz, Néstor Enríquez, Silvia Espinoza, Jaime Fernández, Carlos Gamarra, Maryori García, César Lecaros, María Mendoza, Elisa Montoya, César Nunura, Giuliana Pareja, Juan Restrepo, Jorge Risco, David Rodríguez, Juan Rodríguez, Ana Rossi, Carlos Segura, Fabio Silva, Julia Torres, César Vera, Ernesto Zeña Corrector de estilo: Ana María Velando Diagramación: Tarea Asociación Gráfica Educativa

Diseño de un colector parabólico solar para la generación de vapor ........................................... César Vera 28 Refrigeración por adsorción para el transporte y conservación de alimentos ............. José Álvarez / Enrique Barrantes 34 Aprendizaje cooperativo y Cisco WebExSpark: una propuesta e-learning ..................... Ernesto Zeña / Julia Torres ...................................Jaime Fernández 42

Utilización de la técnica QFD en una arquitectura de procesos de software ....................Juan Restrepo/ Jorge Risco ...........................Ana Rossi / Fabio Silva 50 Caracterización entre uniones soldadas de acero AISI 430 y AISI 420 por el proceso GTAW .................César Nunura / César Lecaros 60 Estudio del proceso de obtención de granos columnares en zinc .....................Sara Boes / Silvia Espinoza ........................................César Nunura 68

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Impresión: Tarea Asociación Gráfica Educativa, Pasaje María Auxiliadora 156, Lima 5 – Perú Hecho el depósito legal en la Biblioteca Nacional del Perú: 2007-04706 Tiraje: 2,000 ejemplares Tecsup: Campus Trujillo: Vía de Evitamiento s/n Víctor Larco Herrera. Trujillo, Perú Campus Lima: Av. Cascanueces 2221 Santa Anita. Lima, Perú Campus Arequipa: Urb. Monterrey Lote D-8 José Luis Bustamante y Rivero. Arequipa, Perú Publicación Anual: Tecsup se reserva todos los derechos legales de reproducción del contenido; sin embargo, autoriza la reproducción total o parcial para fines didácticos, siempre y cuando se cite la fuente. Publicación Indexada en Latindex Nota: Las ideas y opiniones contenidas en los artículos son de responsabilidad de sus autores y no refleja necesariamente el pensamiento de nuestra institución.

Estimados lectores: En esta oportunidad les ofrecemos nuestra décima edición en un ambiente de gran optimismo ciudadano por la nueva gestión administrativa del país que asume el mando rumbo bicentenario de la Independencia. La presente edición ofrece nueve artículos, de los cuales cinco pertenecen a investigadores invitados, tanto del ámbito nacional como internacional. El esfuerzo de I+i por difundir el trabajo académico en el área de investigación aplicada se ve recompensado cuando vemos el entusiasmo y la dedicación de los autores en entregar un artículo bien acabado, más aún si tenemos en cuenta que para la mayoría es la primera experiencia de publicación científica. Nuestra gratitud y reconocimiento a todos ellos por su participación en esta revista. Asimismo, agradecemos especialmente al equipo que hace posible esta edición, por su tiempo y esfuerzo en cada una de las etapas del proceso de producción de I+i. Esperamos que los trabajos publicados en esta oportunidad lleguen a ser de su interés y que esta sea una plataforma no solo de difusión de temas de investigación aplicada sino que lleve a que otros profesionales e investigadores puedan contactarse para una futura colaboración en las diversas áreas presentadas por nuestros autores. Disfruten nuestra edición 2016.

Comité Editorial

Se presenta un sistema de

alerta temprana ante huaycos (Satah-UNO),

con el empleo de tecnologĂa de punta a bajo costo, respuestas en tiempo real, e integraciĂłn del concepto de Internet de las cosas y de metodologĂas activas de desarrollo de software.

Ingrid Ccoyllo, Tecsup / Godofredo Díaz, Tecsup / David Rodríguez, Tecsup

Diseño de un sistema de alerta temprana ante huaycos en Chosica - Lima - Perú Design of a Landslide Early Warning System in Chosica - Lima - Perú

RESUMEN

En el distrito de Santa Eulalia, provincia de Huarochirí, Lima, todos los años ocurre el fenómeno geológico conocido como huayco. La intensidad de la lluvia genera un deslizamiento de tierra que alcanza zonas urbanas, y ocasiona pérdidas materiales y humanas, sin posibilidad de alertar oportunamente a la población. Para mitigar estos daños se ha desarrollado un proyecto piloto para el diseño e implementación de un sistema de alerta temprana ante huaycos (Satah-UNO), el cual integra un dispositivo electrónico Arduino-UNO de procesamiento de datos; el sensor MaxSonar, para determinar el nivel máximo del agua y lanzar una alerta y el módulo GSM que envía un mensaje de texto a un teléfono móvil de la red GSM o 3G. Ese teléfono, con sistema operativo Android, dispone de una aplicación que envía la información en tiempo real a la nube. Luego, la aplicación en la nube procesa los datos y notifica mediante mensajes push a clientes en plataforma Web y móvil conectados a Internet, que se difunde mediante Internet de las cosas (IoT), como información de análisis disponible vía Web. El sistema ha sido probado en el laboratorio con módulo de control de planta. Este sistema debe ser incorporado a otros sistemas de prevención de desastres y en el futuro contribuir en la creación de un modelo predictivo. La metodología para el desarrollo del software fue basada en el RUP (Rational Unified Process) y en el ámbito pedagógico de lo multidisciplinario.

ABSTRACT

In the district of Santa Eulalia, province of Huarochirí, Lima, each year a geological phenomenon known as landslide occurs. The intensity of the rain generates sliding that can reach urban areas, causing human and material losses, without possibility to provide early warning to the population. To mitigate these damages we have developed a pilot project for the design and implementation of a Landslide Early Warning System (Satah-A), which integrates an electronic device Arduino-UNO for processing data; the MaxSonar sensor to determine the maximum water level and generate an alert and the GSM module sending a text message to a mobile phone through GSM or 3G network. This Android-based phone has an application that sends information to the cloud in real time. Then the cloud application processes the data and reports through push messages to Web and mobile clients connected to the Internet, which spread them by Internet of Things (IoT), as data analysis available via Web. The system has been tested in a laboratory environment using a control module plant. This system should be incorporated into other systems of disaster prevention to create a predictive model in the future. The methodology for software development was based on RUP (Rational Unified Process) and multidisciplinary pedagogical level.

Palabras Clave Huaycos Chosica, Arduino, sistema de alerta temprana, Internet de las cosas, aprendizaje basado en servicios.

Key words Landslide Chosica, Arduino, early warning system, Internet of Things, service learning.

Volumen 10, 2016

nipulación de circuitos y de la informática, con el desarrollo de aplicaciones y su integración con el hardware.

INTRODUCCIÓN

El fenómeno de El Niño, conocido también como ENSO (El Niño Southern Oscillation), consiste en el aumento de la temperatura en el océano Pacífico Ecuatorial, por lo general entre los meses de diciembre y marzo, y origina sequías en algunas regiones y lluvias intensas en otras, especialmente en la costa norte y central del Perú. En los distritos de Santa Eulalia y Chosica, ubicados al este de la ciudad de Lima, se presenta de manera recurrente el desembalse de las cuencas principales a consecuencia de dichas lluvias, lo que provoca torrentes de lodo y barro. Al llegar a la zona urbana, este deslave conocido como huayco, ocasiona daños a la propiedad pública y privada, y en muchos casos pérdida de vidas humanas, de animales menores y destrucción de terrenos de cultivos. Estos estragos se deben, en buena parte, a que no se cuenta con un sistema de alerta eficiente para prevenir a la población de manera oportuna sobre el incremento peligroso del caudal del río.

FUNDAMENTOS

Se ha diseñado Satah-UNO con integración de la plataforma Open Hardware Arduino, que interacciona con objetos, un sensor ultrasónico, un módulo GSM para transferencia de información a través de la red telefónica móvil y la actualización en la nube con datos en tiempo real y la difusión bajo el concepto de Internet de las cosas. Las pruebas realizadas en un laboratorio con un módulo de nivel de control de la planta han definido la elevación del nivel de agua, detectada por el sensor y su programación para el envío de SMS. Se prevé que este diseño requerirá de una ampliación de dispositivos como batería, panel solar y una caja que proteja los circuitos electrónicos de su exposición al medio ambiente.

El objetivo de este trabajo es desarrollar un proyecto piloto de diseño e implementación de un sistema de alerta temprana ante huaycos Satah-UNO, que envía una señal de alerta mediante un mensaje de texto a un teléfono móvil cuando el sensor MaxSonar detecta, en tiempo real, la subida máxima del nivel del caudal del río. La información es centralizada en la nube, y difundida a través de una aplicación móvil al público objetivo, mediante interconexiones IoT, personas que se comunican con personas (P2P), máquinas que se comunican con personas (M2P) y máquinas que se comunican con máquinas (M2M). Satah-UNO contiene además de una placa Arduino UNO y un módulo GSM SHIELD V1, el cual envía una alerta SMS al dispositivo celular remoto. Asimismo, comprende el acceso vía Web al análisis de datos estadísticos.

www.satah-uno.org

Servidor de procesamiento

Sensor

Estación celular

Figura 1: Diagrama de aplicación del sistema. Fuente: Elaboración propia.

El enfoque pedagógico multidisciplinario permite que los estudiantes trabajen en un entorno de la realidad social, que involucra a la comunidad para su implementación correspondiendo a un aprendizaje-servicio. Además, dicho enfoque pone en práctica la colaboración y el pensamiento crítico factores claves para un aprendizaje basado en proyectos. Por último, promueve la exploración del campo de la ciencia electrónica, a través de la ma6

Figura 2: Planta de nivel de control. Fuente: Elaboración propia.

El empleo de enfoques pedagógicos como ABP (aprendizaje basado en proyectos) y A-S (aprendizaje-servicio) ha sido fundamental para que los estudiantes del sexto ciclo de la carrera de Redes y Comunicaciones de Datos en Tecsup, puedan incorporar en su formación académica aspectos de la vida real. De ese modo, se ha logrado afianzar y ampliar sus competencias y capacidades orientadas a resolver problemas que involucran a la comunidad, así como otras áreas de las ciencias.

Galeana (2006) señala que en el Aprendizaje Basado en Proyectos, el alumno pone en práctica el conocimiento adquirido, y lo orienta para dar respuesta y satisfacer una necesidad real de la comunidad, en la cual realiza un planeamiento, la recolección de datos, el análisis y la implementación del proyecto. Con ello, refuerza sus valores y compromiso con el entorno mediante el uso de recursos tecnológicos modernos. También, fortalece la capacidad autónoma, creatividad para las soluciones, la actitud de confianza, exploración de nuevos conocimientos y la aptitud de saber-hacer, al hacerla evidente en un resultado concreto y útil a la sociedad. Con este método se pone de manifiesto el trabajo en equipo, la eficiencia, la toma de decisiones, además de desarrollar la comunicación al tener que expresar sus opiniones personales. Según Martínez (2013), el aprendizaje-servicio permite solucionar problemas de la realidad y está relacionado con el currículum del estudiante, al integrar su proceso de aprendizaje con el servicio a la comunidad, y lograr un aprendizaje significativo, que promueve su autoestima, las habilidades personales y la responsabilidad social. Evans (2011), por su parte, indica que el Internet de las cosas (IoT o IdC) adquiere particular importancia debido a que sería la primera evolución real, que conduciría a cambios más revolucionarios en la sociedad, la forma como se aprende, se trabaja. Asimismo, IoT es sensorial, es decir, que es capaz de detectar la temperatura, presión, vibración, luz, humedad entre otros estímulos, lo cual hará que seamos más proactivos que reactivos. Arduino es una plataforma de desarrollo ideal para la enseñanza de la electrónica. En lo que concierne al hardware, está compuesto por una tarjeta electrónica programable cuyo núcleo es el microcontrolador ATmega328, un resonador cerámico de 16MHz, conexión USB, botón de reseteado, conexión de energía externa, y lo más interesante, pines para procesar la información de entrada y salida. A su vez, el software consta de un IDE (Integrated Development Environment) para diferentes sistemas operativos.

d=1/2Vt

Los sensores ultrasónicos basan su funcionamiento en la emisión de un pulso de ultrasonido, formando un campo de actuación de forma cónica, que al medir la percepción del eco y el tiempo transcurrido entre la emisión del pulso y la detección del eco correspondiente, se puede calcular la distancia a la que encuentra un objeto.

Fórmula:

d =

1 Vt 2

Donde V es la velocidad del sonido en el aire, t es el tiempo transcurrido desde la emisión hasta la recepción del pulso de ultrasonido y d es la distancia. Para obtener la velocidad (V), existen factores externos (ambientales) que influyen en esta medición. Al respecto, al utilizar el aire como medio de transporte de las ondas de ultrasonido es necesario tomar en cuenta su densidad, que es influenciada por la temperatura. Para ello, se considera que la velocidad del sonido en el aire es de 331,5 m/s en un ambiente ideal donde: La temperatura es igual a 0 °C Una constante de 0,6 m/s por cada grado de temperatura. V= V0+0,6T m/s V= 331,5+0,6(20) m/s V= 343,5 m/s Si se desea obtener una medición exacta, se tiene que considerar variables como el % de humedad, presión atmosférica, frecuencia y temperatura, variables que son distintas dependiendo del lugar geográfico. MaxSonar EZ0: Es un sensor compuesto por un cristal de titanato zirconato de plomo (PZT), que funciona como emisor y receptor de ultrasonido en un solo dispositivo. Utiliza el efecto piezoeléctrico descubierto por Jacques y Pierre Curie en 1880. Características: • • • • • • •

Bajo costo Detección de objetos en un rango de 2,5V a 5,5V con un consumo de 2mA. El sensor funciona a 42 KHz Distancia de detección de 0 – 6,45 metros Bajo consumo de energía Lecturas cada 50 ms y a una frecuencia de 20 hercios. Acepta diferentes tipos de fuentes de energía.

Figura 3: Campo de actuación del sensor. Fuente: Elaboración propia.

Figura 4. Sensor Maxsonar EZ0. Fuente: LV-MaxSonar – EZ Series Datasheet.

Volumen 10, 2016

Por otro lado, los Sistemas en Tiempo Real (STP), son creados para cumplir un determinado objetivo. En el presente caso se usa dicho sistema para monitorear el nivel de agua en el río.

METODOLOGÍA

El STP se puede definirse como ”cualquier actividad o sistema de proceso de información que tiene que responder a un estímulo de entrada generado externamente con un retardo finito y especificado” (Burns, Wellings, 2003).

La metodología para el análisis, diseño, implementación y pruebas del software fue basada en el RUP (Rational Unified Process). El RUP guía el proceso de desarrollo del software al proporcionar una pauta y un orden en las actividades del equipo. Asimismo, especifica los artefactos que deberían ser adaptados y en el momento de hacerlo.

Según su tiempo de respuesta, estos sistemas pueden clasificarse como sistemas de tiempo real estrictos (respetan el tiempo límite especificado) y sistemas de tiempo real no estrictos (no es necesario que cumplan los plazos establecidos).

La primera actividad que se realizó fue la determinación de los requerimientos funcionales y no funcionales del sistema: Requerimientos funcionales

Tienen como características básicas: • • • • • • • •

Tamaño y complejidad de la implementación Manipulación de números reales Fiabilidad y seguridad externa Control concurrentes de componentes separados del sistema Control en tiempo real Interacción con interfaces hardware Implementación eficiente

• • •

RF01. El sistema debe detectar el incremento de caudal de agua en tiempo real. RF02. El sistema tiene que enviar los datos del incremento de caudal de agua a un sistema centralizado en la nube. RF03. El sistema es capaz de centralizar la información en una base de datos en tiempo real. RF04. El sistema permite mostrar un análisis de los datos a través de una aplicación en entorno Web y móvil.

Requerimientos no funcionales Para el intercambio de información se utiliza un servidor web REST, el término REST (Representational State Transfer) proviene de la tesis doctoral de Roy Fielding, publicada en el 2000. El autor participó en el desarrollo del protocolo HTTP. Un servicio Web REST es una arquitectura basado en: • • • •

HTTP URL Representación de los recursos XML/HTML/GIF/JPG/… Tipos MIME: text/xml, text/html

•

Principios de la solución

•

• •

•

• •

Escalabilidad de la interacción con los componentes. Generalidad de interfaces al poder interactuar con cualquier servidor HTTP. Puesta en funcionamiento independiente. Compatibilidad con componentes intermedios.

• •

Restricciones de la solución • • •

Identificación de recursos y manipulación a través de representaciones. Mensajes autodescriptivos. Hipermedia como mecanismo de estado de la aplicación.

GSM/GPRS son sistemas estándares de telefonía móvil. En la década de 1980, durante la conferencia europea de administraciones de correos y telecomunicaciones (CEPT), se forma GSM (Global System for Mobile) con la finalidad de desarrollar un sistema de comunicación de radio digital único para Europa en la frecuencia de 900 MHz. Después de adaptar este sistema y dada la necesidad de un mejor servicio para los usuarios móviles, se implementa el GPRS (Gerenal Packet Radio Service). Este sistema es capaz de transferir datos a velocidades típicas de 54 kbit/s, es utilizado en este trabajo para transmitir la información obtenida por el prototipo y enviarla a una base de datos en la nube. 8

[Usabilidad] RNF01. El sistema debe presentar las variaciones de los datos de nivel de agua en tiempo real sin necesidad de actualizar la interfaz gráfica. [Usabilidad] RN02. El aspecto de la interfaz gráfica del sistema facilitará su empleo a usuarios sin conocimientos en el uso de aplicaciones en entorno Web. [Confiabilidad] RNF03. El sistema debe estar disponible a un 99%, al aceptar caídas de conectividad con los servicios Web a causa de fallas en el operador de telefonía. [Confiabilidad] RNF04. El tiempo medio en el que el sistema enviará mensajes de operatividad será de 3 minutos. [Rendimiento] RNF05. El tiempo de respuesta de los servicios en la nube debe ser menor de 3 segundos. [Rendimiento] RNF06. El sistema debe permitir un promedio de 70 mensajes por minuto, enviados desde el dispositivo hacia el servicio Web. [Restricciones] RNF07. El sistema requiere el empleo de tecnologías de software libre. [Restricciones] RNF08. El sistema debe ser implementado mediante el uso de tecnologías de open hardware.

Especificación de los actores del sistema Actor

AS01: Dispositivo físico

Descripción Es el actor encargado de medir el nivel de agua en tiempo real. Es representado por el dispositivo físico.

Es el actor que ingresa al sistema en entorno Web para revisar los datos recopilados por el AS01. AS02: Visor de sucesos Tabla 1: Actores del sistema. Fuente: Elaboración propia.

A partir de los requerimientos funcionales se determinaron los casos de uso de sistema.

Diagrama del modelo conceptual Nivel

Caso de uso:

CUS01: Medir el nivel de agua.

Actor:

AS01: Dispositivo físico.

Propósito:

El caso de uso empieza cuando el AS01 realiza las mediciones y envía los datos a un servicio Web en la nube.

- id: int - nivel: double - fecha hora: Date

Entidad - nombre: String - teléfono 1: String - teléfono 2: String - dirección: String 1 tiene

Usuario - usuario: String - clave: String

0..* Contacto

Descripción:

Para lograr la confiabilidad del sistema, el dispositivo enviará los datos a través de la red de telefonía móvil mediante un mensaje de texto. Una aplicación móvil para Android lo recibirá el mensaje de texto y registrará en un servicio Web.

1 realiza

- nombre: String - paterno: String - materno: String - cargo: String

0..* Acceso

RF:

Caso de uso:

CUS02: Mostrar análisis de datos.

Actor:

AS02: Visor de sucesos.

Propósito:

El caso de uso se inicia cuando el AS02 ingresa al sistema para visualizar los datos registrados por el dispositivo físico.

Descripción:

En AS02 podrá filtrar los datos por días, semanas y meses.

RF:

- fecha hora: Date - dirección IP: String

RF01, RF02, RF03

Figura 6: Modelo conceptual. Fuente: Elaboración propia.

Arquitectura de software

RF04

Prototipo:

A continuación se describen los componentes del sistema y se definen las metas y restricciones que pueden impactar en el diseño de la arquitectura. Luego, se muestran los diagramas de la vista lógica, de implementación y de despliegue, que darán una visión general de los componentes de hardware y software con los que contará el sistema. Nro.

RF o RNF

RF01

El sistema debe detectar el incremento de caudal de agua en tiempo real.

RF04

El sistema permite mostrar un análisis de los datos a través de una aplicación en entorno Web y móvil.

RNF03

El sistema debe estar disponible a un 99%, al aceptar caídas de conectividad con los servicios Web a causa de fallas en el operador de telefonía.

Tabla 3: Metas de la arquitectura de software. Fuente: Elaboración propia.

Figura 5. Prototipo de sistema de alerta vía Web. Fuente: Elaboración propia.

Tabla 2: Especificación de los casos de uso de sistema. Fuente: Elaboración propia.

Volumen 10, 2016

Nro.

RF o RNF

RNF07

El sistema requiere el empleo de tecnologías de software libre.

RNF08

El sistema debe ser implementado mediante el uso de tecnologías de open hardware.

Tabla 4: Restricciones de la arquitectura de software. Fuente: Elaboración propia.

Vista lógica de la arquitectura de software La vista lógica muestra el soporte de la arquitectura a los requerimientos funcionales orientados al usuario final.

El componente Arduino se encargará de medir la distancia entre el Arduino y el nivel del agua a través del sensor ultrasónico MaxSonar. El Arduino enviará un mensaje de texto a un dispositivo móvil Android que, a su vez, transmitirá los datos a un servicio Web en la nube. Los demás componentes corresponden al sistema en entorno Web.

Sistema en tiempo real

Vista de despliegue de la arquitectura de software Servicio Web

Muestra los requerimientos no funcionales como confiabilidad, rendimiento y restricciones.

RESful

Capa de presentación

Capa de negocio

Capa de acceso de datos

<<component>> Arduino

Red de telefonía movil

Figura 7: Vista lógica. Fuente: Elaboración propia.

El paquete del Sistema en tiempo real representa al componente de software a desarrollar para que el dispositivo físico pueda enviar los datos en tiempo real al Servicio Web que se encontrará en la nube.

<<computador>> Navegador Web

TCP/IP

El paquete Capa de presentación se refiere al componente de software que contiene la interfaz gráfica para el sistema en plataforma Web. El paquete Capa de negocio describe al componente donde se almacenan las reglas de negocio del sistema. El paquete Capa de acceso a datos representa al componente de software que interactúa con la base de datos. Vista de implementación de la arquitectura de software Está orientada a la organización de componentes desde una perspectiva de programación de sistemas. <<component>> Arduino

<<component>> Servicio Web

<<component>> Lógica de negocio

<<component>> Controlador

<<component>> Vista

Figura 8: Vista de implementación. Fuente: Elaboración propia.

<<component>> Acceso de datos

<<component>> Modelo

<<servidor>> Servidor de aplicaciones

TCP/IP

<<servidor>> Servidor de base de datos

Servicio web Capa de presentación

El paquete Servicio Web implica el componente que recibirá los datos enviados por el de Sistema en tiempo real.

<<component>> Android

<<dispositivo>> Android

Capa de negocio Capa de acceso a datos

Figura 9: Vista de despliegue. Fuente: Elaboración propia.

Requerimientos: • Dispositivo Arduino [Hardware] Modelo Arduino Uno Sensor MaxSonar EZ0 • Dispositivo Android [Software] Android 4.1.x o superior. [Hardware] Conexión a una red de telefonía móvil de cualquier operador nacional. • Servidor de aplicaciones [Hardware] Procesador Intel i7 Memoria RAM de 12 GB Disco duro de 500GB Conexión a Internet [Software] Contenedor de Servlets Tomcat 8 • Servidor de base de datos [Hardware] Procesador Intel i7 Memoria RAM de 12 GB Disco duro de 1TB [Software] Servidor MySQL Community Server 5.6

• Navegador Web [Hardware] Procesador Intel i7 Memoria RAM de 4 GB Disco Duro de 500 TB [Software] Navegador Google Chrome versión 49 o superior

A través de una aplicación en entorno Web se visualiza la información de un día (24 horas): Distancia del agua al sensor: 2016-03-25 350 300 250

RESULTADOS

200 150 100

24:00

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

9:00

8:00

7:00

6:00

5:00

4:00

3:00

2:00

10:00

1:00

El sensor MaxSonar detecta los objetos en un rango de 0 a 645 centímetros. El sistema envía un mensaje de texto cuando la distancia del agua al sensor es menor a 350 centímetros.

Figura 13: Estadística en entorno Web. Fuente: Elaboración propia.

CONCLUSIONES

•

Se desarrolló un sistema de alerta temprana ante huaycos (Satah-UNO), con el empleo de tecnología de punta a bajo costo, respuestas en tiempo real, e integración del concepto de Internet de las cosas y de metodologías activas de desarrollo de software. Las pruebas del sistema se realizaron en el laboratorio con un módulo de la planta de nivel de control.

•

Satah-UNO está diseñado para incorporarse a los planes de mitigación de desastres tanto de Indeci, Municipalidad de Santa Eulalia y Defensa Civil.

•

La experiencia multidisciplinaria con el aprendizaje-servicio y aprendizaje basado en proyecto, permite a los estudiantes elegir un problema de la realidad y buscar una solución a través de la exploración de otras áreas de las ciencias, lográndolo que lleva a la adquisición de competencias personales y profesionales.

•

Las pruebas realizadas en el módulo de control de planta demuestran que una elevación del nivel de agua detectada por el sensor, genera una alerta, la cual es transmitida a un teléfono móvil mediante la red GSM con el envío de un SMS. Posteriormente, dicha alerta es actualizada a una página Web, lo que permite tener información oportuna.

•

Con la implementación de este sistema se proyecta analizar los datos en el tiempo y encontrar patrones repetitivos para la creación de un modelo predictivo.

•

La reunión con el alcalde de Santa Eulalia ha sido fundamental para llevar adelante el proyecto, por habernos facilitado información relevante. Finalmente, concluimos que la participación de la comunidad y autoridades debe ser activa, incluyendo al alcalde de Chosica.

Figura 10: Conexión de MaxSonar con el Arudino. Fuente: Instructables.

El módulo GSM SHIELD V1 provee una forma de usar la red de telefonía móvil para enviar los datos a un dispositivo Android. Este módulo se monta sobre el Arduino:

Figura 11: Módulo GSM SHIELD V1. Fuente: Seeed Studio.

Los datos de la medición son transmitidos a la base de datos. A continuación, se muestran los resultados registrados en dicha base de datos:

Figura 12: Resultados en la base de datos. Fuente: Elaboración propia.

Volumen 10, 2016

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ACERCA DE LOS AUTORES Ingrid Ccoyllo Sulca Ingeniera en Computación y Sistemas por la Universidad San Martin de Porres, Magíster en Docencia Universitaria por la Universidad Enrique Guzmán y Valle. Es Cisco Certified Systems Instructor CCSI CCNA1, CCSI CCNA2 y CCSI CCNA3. Expositora de temas técnicos como Protocolo IPv6 en universidades del extranjero. Es responsable de la oficina de Calidad Educativa en el área Informática de Tecsup. Actualmente investiga herramientas TIC asociadas a metodologías de enseñanza-aprendizaje en el área tecnológica de las redes y comunicaciones de datos. iccoyllo@tecsup.edu.pe Godofredo Díaz Espinoza Profesional Técnico en Redes y Comunicaciones de Datos por Tecsup. Candidato al título de Ingeniero Industrial por la Universidad Antonio Ruiz de Montoya. Ha desarrollado proyectos de administración de servidores remotos para la industria. Actualmente se desempeña en la administración de laboratorios del área informática en Tecsup. gdiaz@tecsup.edu.pe David Rodríguez Condezo Ingeniero de Sistemas por la Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas UPC. Magíster en Dirección de TI por la Escuela de Negocios de ESAN y por La Salle International Business School. Ha liderado proyectos de desarrollo de software en los últimos años. Realiza investigaciones en arquitecturas de software, sistemas distribuidos, sistemas interactivos, sistemas en tiempo real y fábricas de software. drodriguez@tecsup.edu.pe

The efficiency in silver leaching from a sulfide mineral can be improved if this process is done under sonication.

Carlos Gamarra, Utec / Alejandro Alarcón, Utec / Thalia Canchanya, Utec / Maryori García, Utec / Giuliana Pareja, Utec / Carlos Segura, Utec / Juan Carlos F. Rodríguez, Utec

Ultrasound-Assisted Leaching as a Greener Method in Mineral Processing: Improved Silver Extraction from a Sulfide-Based Mineral Concentrate Without Increasing Cyanide Consumption Lixiviación asistida con ultrasonido como método de mayor ecoeficiencia en el procesamiento de minerales: extracción mejorada de plata de un concentrado basado en sulfuros sin consumir más cianuro RESUMEN

Uno de los objetivos en el desarrollo de nuevos métodos hidrometalúrgicos es mejorar la eficiencia en la extracción de metales nobles sin intensificar el uso del agente lixiviante. Esto es particularmente importante cuando compuestos peligrosos (como el cianuro) participan en el procesamiento de minerales. El presente artículo muestra que la lixiviación de plata bajo ultrasonido permite un aumento de hasta 300% en la cantidad de plata lixiviada, sin incrementar el consumo de cianuro, lo cual sugiere que la sonicación remueve subproductos sólidos que interfieren con el proceso de lixiviación. Apoyando esta hipótesis, se observa que en ausencia de ultrasonido el consumo de cianuro se incrementa a lo largo del experimento, aún cuando ya la extracción máxima de plata fue alcanzada. La mayor eficiencia en la extracción de plata con disminución del consumo de cianuro indica que la lixiviación asistida por ultrasonido puede constituirse como un método más ecoeficiente en el procesamiento de minerales.

ABSTRACT

Improving the efficiency of noble metal extraction without increasing the consumption of the leaching agent is one of the goals in the development of novel hydrometallurgical routes. This is particularly important when dangerous compounds (such as cyanide) are involved in mineral processing. Ultrasound-assisted leaching is presented here as an advantageous process able to increase the amount of silver leached from a polymetallic sulfide-based mineral by ~300%, without increasing cyanide consumption. Our results suggest that sonication removes solid by-products that hinder the leaching process. While in the absence of sonication cyanide consumption rises steadily even though silver leaching has reached a maximum, under sonication both cyanide consumption and silver extraction follow similar trends, indicating that side reactions are decreased. The enhanced efficiency in both silver extraction and cyanide consumption indicate that ultrasound-assisted leaching can be introduced as a greener method in mineral processing.

Palabras Clave Lixiviación, ultrasonido, sonicación, plata, cianuro.

Key words Leaching, ultrasound, sonication, silver, cyanide.

Volumen 10, 2016

INTRODUCTION

One of the challenges the mining industry faces in this century is the development of more efficient strategies for mineral processing. From an economic point of view, these strategies are needed because ores around the world are increasing their complexity and reducing their levels of metals of interest. [1], [2] However, from the point of view of sustainability, more environmentally-friendly methods are also needed in order to comply with tighter government regulations and social demands. [3] Thus, an efficient strategy needs to be focused not only on increasing productivity, but also respecting the ecosystems and reducing the impact on environment and society. Cyanides are one of the most dangerous chemicals used during mineral processing. Even though there is a robust set of procedures for handling, storing and decomposing cyanide, this ion rises concerns as it is lethal for living organisms (it interferes with key biological processes due to its affinity for metals of biological relevance, such as iron and cobalt).[4] The affinity of cyanide for other type of metals, such as gold and silver (coinage metals), turns this ion into one of the most efficient for leaching coinage metals from ores and mineral concentrates.[2], [5]–[7] While several strategies are focused on replacing cyanide with less toxic compounds, such as thiosulfates and thiourea,[1], [8]–[11] sometimes these agents do not perform as efficiently as cyanide. In these cases, strategies are focused on reducing the amount of cyanide consumed during leaching. This latter set of strategies is particularly important in the processing of complex minerals, where cyanide is predominantly consumed in side reactions (e.g. decomposition or complexation with other metals). [12] Side reactions can also lead to the formation of solid byproducts, which interfere with the efficiency of the processing. There is a variety of manners in which cyanide leaching can be enhanced. The most straightforward is the increase in cyanide concentration, since according to the principles of chemical equilibrium the reaction is pushed forward as higher amounts of reactants are used. It is also possible to increase temperature and pressure to force the reaction to take place,[13]–[15] but these methods are often energy-intensive and/or require expensive designs of reactors. There is another family of methods in which leaching is favored by applying energy from different sources, such as microwaves and ultrasound.[16]– [19] The incorporation of these methods in a leaching process (assisted leaching) allows for the transfer of energy in relatively simpler, less demanding setups. Ultrasound waves are mechanical (not electromagnetic) waves which, when propagated in a liquid medium, generate cavities (“bubbles”) as the result of cycles of expansion and compression. [20] These cavities collapse implosively, completing the process known as cavitation. The scale of the parameters involved in cavitation are extreme: the generation-implosion cycle of a cavity lasting usually 400 µs (microseconds), forms a cavity in the submicroscopic range, while the implosion generates local pressures of 1000 atm and temperatures of thousands of degrees Celsius. [21] Due to the small size of cavities, these changes cannot be seen at a macroscopic level, but strongly affects the medium and its content. In particular, in the presence of solids, cavitation generates a powerful jet of solution which impacts the solid at very high speeds, temperatures and pressures, damaging the 16

surface and exposing new zones of the solid.[20], [21] Thus, in the case of mineral leaching, ultrasound can be an effective way to facilitate the exposure of zones which can be impermeable to the leaching agent, as demonstrated in previous publications.[17], [18], [22] In the present research article, we study the effect of ultrasound in a leaching process. We find that the ultrasound-assisted leaching increases the recovery of silver by 300% and at the same time it maintains the same consumption of cyanide. Since the efficiency in cyanide usage is enhanced, ultrasound-assisted leaching constitutes a greener method in hydrometallurgy.

FUNDAMENTALS

Cyanide leaching for silver (or gold) follows equations (1) or (2), for pure metal and sulfide, respectively: 4M(s) + 8CN−(ac) + O2(g) + 2H2O(l) = 4M(CN)2−(ac) + 4OH-(ac)

(1)

M2S(s) + 4CN−(ac) + H2O(l) = 2M(CN)2−(ac) + OH-(ac) + HS-(ac) (2).[6], [9], [23] Of course, these are only two of the large number of possible reactions which can take place on the surface. Senanayake has reviewed both desired and undesired reactions occuring during cyanidation.[6] Sonication (the application of ultrasound to chemical reactions) begins with application of an alternating electrical field producing a mechanical vibration in a transducer, which then generates a vibration in a container (sonication bath) or in a rod (sonication probe).[21] This vibration leads to molecular vibration and generates an acoustic pressure (Pa), following the displacement of molecules originated from ultrasound waves. It can be defined (as a function of time) as: Pa = PA.Sin(2Π.f.t)

(3)

Where PA is the amplitude of pressure wave, f is the frequency of the sound wave and t is the time. The pressure amplitude is related to the intensity I of the sound wave, the density of the medium ρ and the speed of the acoustic wave c by: PA = (2.I.ρ.c)½

(4)

For a frequency of 20 kHz, an intensity of 1 W.cm-2 in water, the pressure amplitude is 1.7 x 105 N.m-2.[20]

METHODS CAUTION: Cyanides are very dangerous and should be used with extreme care in the laboratory. This reagent should be handled using appropriate PPE (personal protection equipment) such as apron, gloves and protection glasses. All experiments should be done in a hood and the pH of solutions needs to be above 10 at all stages to avoid the formation of cyanide fumes. All materials in contact with cyanide need to be sunk in a solution containing an oxidizing agent such as sodium hypochlorite (bleach) or hydrogen peroxide to decompose cyanide before disposing of residues.

Ultrasound-assisted leaching: The setup described in the previous section was also employed here, only differing in that the beaker containing the solid/liquid mixture was placed inside a Branson sonicator bath (Bransonics 220). The temperature of the leaching system increases to a maximum of 60 °C. Losses of volume due to evaporation were calculated to be below 5%, which does not affect the results shown below. Pretreatment of mineral samples with ultrasound: In order to understand the manner in which ultrasound operates, mineral samples were exposed to sonication under distilled water (100 g of mineral in 500 mL of water) for four hours. After rinsing with distilled water the mineral concentrate was dried and leached.

RESULTS

Figure 1 compares the amount of silver leached with and without the use of ultrasound, showing an increase in almost 300% when ultrasound is used. Since sonication produced a rise in the temperature of the solution, it is possible that the enhanced leaching of silver is partially due to a thermal effect. However, previous reports on high-temperature leaching do not show more than a 40% increase in efficiency in silver leaching, which indicates that the effect observed here is due to sonication. Regular leaching Ultrasound-assisted leaching

1200

As mentioned in the introduction, sonication operates by facilitating the removal of passivated surfaces in the mineral concentrate. These passivated surfaces may be present even before the leaching process (as result of previous treatment of the mineral) or may be formed as the reaction proceeds. The trends in silver leaching (Figure 1) are very similar in the first stages of the reaction (time frame = 0-100 minutes) and they start to be markedly different at times above 400 minutes, suggesting that sonication enhances silver leaching by removing passivating layers produced during the reaction, not before. To confirm this, a pre-treatment was done by sonicating the mineral concentrate in distilled water prior to leaching. Figure 2 shows that ultrasound pre-treatment does not result in a significant increase in silver leaching, further supporting the fact that sonication removes surface by-products of the leaching reaction. Table I summarizes the efficiency in silver extraction for each treatment. Table I. Amount of Ag leached (g/ton) using diverse sonication treatments. In all cases the amount leached at time = 400 minutes was considered. The same conditions of leaching are used in all cases. Source: Own data.

Traditional leaching of as-received mineral

251

Traditional leaching sonicated mineral

pre-

314

Ultrasound-assisted leaching of as-received mineral

780

Ultrasound-assisted leaching of pre-sonicated mineral

1020

200

100 No pretreatment Ultrasound pretreatment

0 Ag Recovery (g/ton)

300

1000 800

Ag leached (g/ton)

Method

Ag Recovery (g/ton)

Traditional leaching using cyanide: 50 grams of a mineral concentrate containing mostly pyrite and silver (silver content: 1300 g/ton, as determined by atomic absorption spectroscopy) were mixed with 200 mL of a solution NaCN 8 g/L in a 500 mL beaker. Cyanide concentration in the range 1 – 15 g/L were tested but the optimal concentration was found to be 8 g/L. A pH of 11 and a temperature of 20 °C were maintained throughout the experiments. Agitation was done through a mechanical overhead stirrer, which was set to 100 rpm in all cases. The amount of cyanide was kept constant during the leaching process by replenishing the quantity of sodium cyanide consumed, which was measured by titrating the solution with silver nitrate, using rhodamine B as indicator. The amount of silver leached was determined by atomic absorption spectroscopy, using a Perkin Elmer AAnalyst 1000 instrument.

100

200

300

400

500

Time (min)

600

Figure 2: Comparison of silver extraction during traditional leaching with and without sonication as pre-treatment. Both pl both with traditional leaching. All points have a deviation of ±10%. Source: Own data.

400 200 0 0

400

800 1200 Time (min)

1600

Figure 1: Silver leaching over time with and without ultrasound assistance. A deviation of ± 10% applies in all cases. Source: Own data.

Volumen 10, 2016

The results in Table I indicate that ultrasound-assisted leaching is able to enhance significantly the efficiency in silver extraction. It is interesting to note that the ultrasound-assisted leaching of the pre-treated sample with sonication increases even further the extraction of silver, rising up to around 400% with respect to the traditional leaching. Even though the sonication pretreatment does not seem to increase the efficiency of traditional leaching, it is clear that the pretreated sample is sufficiently activated to 17

respond better to ultrasound-assisted leaching, reaching an extraction of 1020 g/ton in the first 400 minutes (Table I). This demonstrates that ultrasound assistance also improves the kinetics of a leaching process. From an environmental point, it is also important to determine if this increase in silver extraction is accompanied by an increase in cyanide consumption. Figure 3 shows that cyanide consumption after 1600 minutes of leaching is similar for traditional and ultrasound-assisted leaching. Since the results in Table I show that ultrasound-assisted leaching increases by 300% the amount of silver leached with respect to the traditional leaching, and knowing that cyanide consumption is the same in both cases, it is clear that the efficiency in cyanide consumption also triplicates under sonication. Worth noticing is the fact that even though silver extraction in traditional leaching reaches a maximum at ~500 minutes (Figure 1), the consumption of cyanide continues growing steadily, clearly indicating that this is the result of side reactions. Cyanide consumption during ultrasound-assisted leaching follows the trend observed in Figure 1 for silver extraction, implying that in this case the occurrence of side reactions consuming cyanide is decreased. More importantly, it indicates that the mechanism of reaction between the mineral and the cyanide solution is similar throughout the reaction. This fact confirms that ultrasound-assisted leaching also promotes a more efficient use of cyanide during mineral processing.

1.5 NaCN consumption (g)

This research was supported by the Phosagro/Unesco/Iupac Partnership in Green Chemistry for Life (Contract 4500245048) and by Peru´s National Council for Science, Technology and Technological Innovation (Concytec, contract 154-2015). Instituto Superior Tecnológico, Tecsup, is acknowledged for facilitating the use of wet chemistry and instrumental analysis laboratories. In particular, Prof. Marixa Zegarra and Prof. Jorge Castillo (Tecsup) are thanked for their support during the research. C. G. acknowledges the support from Universidad de Ingeniería y Tecnología, Utec. A. A., T. C., M. G., G. P. and C. S. participated in this research under the undergraduate program Vivir la Ingeniería at Utec.

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Traditional leaching Ultrasound-assistedleaching

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1.0

0.5

[5] Wadsworth, M. E. (2000) Surface processes in silver and gold cyanidation. International Journal of Mineral Processing, 58 (1–4), 351–368.

0 0

400

800

1200

1600

Time (min) Figure 3: Cyanide consumption during leaching with and without sonication. The amount of cyanide was determined by titrating the free cyanide at indicated times. Source: Own data.

CONCLUSIONS

The efficiency in silver leaching from a sulfide mineral can be improved if this process is done under sonication. The results suggest that ultrasound removes the surface layers of byproducts formed during the first stages of the reaction; surface characterization studies are needed to understand the nature of such by-products. Despite of the increase in silver extraction, sonication does not increase cyanide consumption, indicating that the removal of surface layers facilitates the continuous exposure of silver on the surface. Further research is needed to assess the effect of ultrasound-mediated heating and the impact of cavitation in cyanide stability.

ACKNOWLEDGEMENTS

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ABOUT THE AUTHORS Carlos Gamarra Is a researcher at Utec, working on developing novel processes for leaching and heavy metals adsorption. Alejandro Alarcón and Carlos Segura Are undergraduate students in the Department of Industrial Chemical Engineering, Utec. Thalia Canchanya, Giuliana Pareja

Maryori

García

and

Are undergraduate students in the Department of Industrial Engineering, Utec. Juan Carlos Rodríguez Reyes Is a Research Professor at the Department of Chemical Engineering at Utec. His background in surface and materials science is currently applied to three research areas: hydrometallurgy, nanoparticle-based technology and materials for water treatment. jcrodriguez@utec.edu.pe

Se propone una novedosa topologĂa

del convertidor del filtro activo de potencia

para incrementar la eficiencia y simplificar el sistema de control.

María Mendoza, Tecsup / Néstor Enríquez, Tecsup

Control de un filtro activo de potencia trifásico en derivación por control de corriente Control of the Shunt Active Power Filter for Current Control

RESUMEN

Este trabajo presenta una nueva topología simplificada de controlador del filtro activo de corriente en derivación, que no requiere medir la potencia activa o reactiva de la carga. Para el control propuesto se utiliza un lazo de seguimiento de fase (PLL) como filtro de tensión y un filtro autosintonizado de corriente. El método de control expuesto en este estudio brinda una adecuada compensación de corriente para tensiones no ideales. Los resultados de la simulación verifican la efectividad de la técnica descrita.

ABSTRACT

This paper presents a new simplified topology of current shunt active filter controller, that not require to measure active or reactive power of the load. For the proposed control Phase Locked Loop (PLL) is used a as filter voltage and an autotuning filter of current. The control method presented in this paper provides adequate compensation for non-ideal tension. The simulation results will be presented to verify the effectiveness of the proposed control technique.

INTRODUCCIÓN

Las tensiones en la cabecera de los sistemas de potencia (salida de los generadores), pueden ser consideradas como senoidales perfectas y equilibradas. Las tensiones existentes en la mayoría de los sistemas de transmisión presentan una distorsión inferior al 1% [6]. Sin embargo, la distorsión de estas formas de tensión y corriente se incrementa a medida que nos aproximamos a las cargas finales del sistema. Los armónicos de corriente tienen su origen en la existencia de cargas no lineales conectadas al sistema de potencia. Estas cargas se han convertido en dispositivos comunes, utilizados en el área industrial, comercial y residencial. Los rectificadores monofásicos (fuente no lineal en el área doméstica), los rectificadores polifásicos (fuente de distorsión armónica en el área industrial), así como convertidores alterna-alterna y los hornos de arco son ejemplos de cargas no lineales. Los armónicos de corriente causan algunos problemas sobre el sistema de potencia y los equipos conectados al mismo, como sobrecalentamiento en conductores y equipos, resonancia serie y paralelo entre las impedancias del sistema y los elementos capacitivos conectados a este, fallas en banco de condensado-

Palabras Clave Filtro activo de corriente, transformada Park, lazo de seguimiento de fase (PLL), modulación de ancho de pulso (PWM), Controlador PI, cargas balanceadas y desbalanceadas.

Key words Active power filter, Park transformation, phase-locked loop (PLL), Pulse width modulation (PWM), PI Controller, unbalanced and balanced load.

Volumen 10, 2016

res por sobrecalentamiento, excesiva corriente por el neutro, bajo factor de potencia, etc. Para solucionar estos problemas originados por armónicos, se aplican filtros activos de potencia desde 1970. Mediante ellos, no solo se consigue reducir las perturbaciones armónicas en la red, sino que también es factible actuar sobre las componentes de tensión y corriente de frecuencia fundamental, y alcanzar el equilibrado de fases y la compensación precisa de potencia reactiva. Estos sistemas permiten el control en tiempo real de las tensiones en las barras y del flujo de potencia en las líneas. Para determinar los componentes armónicos y reactivos de la corriente de la carga, varias técnicas han sido introducidas [10]. Dichas estrategias, aplicadas a los filtros activos de potencia [10], juegan un rol importante en la mejora del rendimiento y la estabilidad. En un filtro activo de potencia en derivación, el con-

vertidor estático es el elemento responsable de la inyección de las corrientes de compensación en el sistema. Este convertidor irá acompañado de un sistema de control que garantice que la corriente inyectada en la red elimine o mitigue los armónicos presentes en la misma. Este trabajo propone una nueva topología del convertidor del filtro activo de potencia para incrementar la eficiencia y simplificar el sistema de control, mediante el uso de un controlador de corriente y un PLL como controlador de tensión. FILTRO ACTIVO DE POTENCIA Se consideró un sistema trifásico con cargas variables no lineales. El diagrama de bloques del filtro activo de potencia en derivación se muestra en la figura 1.

Figura 1: Diagrama de bloques del filtro activo de potencia (FAP) en derivación. Fuente: Elaboración propia.

Como se observa en la Figura 1, el convertidor estático del FAP en derivación enlaza con la red de potencia mediante elementos reactivos (inductancia). Además, el convertidor acumula energía en el lado de continua por medio de un elemento reactivo (capacitor), cuyo valor será superior al de la tensión de la fuente de entrada. El principal objetivo de un FAP en derivación es compensar los armónicos de corriente y energía reactiva generados por la carga. El filtro activo está constituido por el convertidor de potencia, el enlace de corriente entre el convertidor y el punto de conexión a la red, el elemento almacenador de energía del filtro, los dispositivos de acondicionamiento de las señales de medición (tensión y corriente) y el controlador.

Filtro activo paralelo

Almacenamiento de energía Acond. de señal Dispositivos electrónicos de potencia

Carga

Controlador

Red

Enlace de corriente

Figura 2: Estructura básica de un filtro activo de potencia paralelo. Fuente: Método de control de filtros activos de potencia paralelo tolerante a perturbaciones de la tensión de red. Tesis de Doctorado, Universidad de Cantabria, Santander, España, 2004.

La corriente extraída de la carga reactiva con presencia de armónicos está dada por [10]: iL(t)= i1(t) + in(t) + iq(t)

(1)

Donde iL(t) es la corriente de la carga, i1(t) es la corriente fundamental, ih(t) es la corriente armónica y iq(t) es la corriente reactiva. El FAP en derivación opera como una fuente de corriente en paralelo con la carga. Por lo tanto, el convertidor de potencia correspondiente es controlado para generar una compensación de corriente, ic(t) equivalente y opuesta a la armónica y a la corriente reactiva. ic(t)= – (in(t) + iq(t))

(2)

TOPOLOGÍA DEL CONTROLADOR DEL CONVERTIDOR ESTÁTICO DEL FAP

armónicas y la compensación de la energía reactiva. Para la extracción de las corrientes con las magnitudes y fases precisas, se utilizó un sistema de sincronización de frecuencia y fase, a partir de un PLL, como un filtro sincronizado de tensiones. Es importante señalar que este método no requiere del cálculo de las potencias instantáneas del sistema trifásico. Los PLL son sistemas realimentados, que captan la frecuencia fundamental de la señal de entrada y generan una salida con amplitud fija y frecuencia igual a la de la entrada [6]. Generalmente se componen de tres bloques: un comparador de fase, un filtro pasa bajas y un oscilador controlado por tensión. El convertidor, a su vez, está constituido por dispositivos electrónicos de potencia, que mediante su conmutación controlan el flujo de energía (corriente) entre el elemento almacenador y la red. Este dispositivo se comporta como interruptor bidireccional, que permite el flujo de potencia en los dos sentidos (ver Figura 3).

Para generar la corriente de compensación trifásica, es necesario tener en cuenta la compensación de las corrientes

Figura 3: Convertidor estático de potencia del FAP. Fuente: Elaboración Propia.

La Figura 4 muestra el diagrama de control de tensión diferencial del bus de continua. Según el esquema, las funciones de transferencia características del sistema de regulación de la tensión del bus se expresan como [9]:

IF 0 s (s)= ∑IF i s + k(s) C ∆VC 1 1 (s)= C k(s) ∑IF i s+ C ∑ ΔIFi(s)

(3)

(4)

a,b,c,d

∑ I*Fi(s)

a,b,c,d

ΔI*Fd(s)

IF0(s)

- 1 Cs

k (s)

ΔVC(s)

Figura 4: Control de tensión diferencial del bus de continua [9]. Fuente: Aportaciones a los acondicionadores activos de corriente en derivación para redes trifásicas de cuatro hilos. Tesis de Doctorado, Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona, España, 2005.

Volumen 10, 2016

En el diseño se ha considerado también un filtro pasivo, ubicado en la salida del convertidor, cuyo propósito será “cortocircuitar” las corrientes de alta frecuencia, con el fin de evitar que dichas corrientes sean inyectadas en la red. El convertidor estático se enlazará con la red de potencia mediante elementos reactivos y el acumulador de energía también será otro elemento reactivo. Se deben tener en cuenta los valores y parámetros de tales elementos que condicionarán la respuesta estática y dinámica del sistema. El controlador de corriente del FAP en derivación tiene por objetivo determinar en tiempo real las corrientes de referencia que el filtro debe inyectar en la red [9]. Las referencias de las corrientes de compensación se obtienen mediante la correspondiente transformación de potencia a corriente. La aplicación de un sistema de referencia síncrono radica en el uso de un sistema de ejes rotativos (d-q). En este trabajo se presenta un controlador que establece las referencias de corriente basado en el estado energético de su bus de continua. En condiciones generales, las corrientes absorbidas por una carga pueden representarse mediante la siguiente ecuación: 23

o almacenar energía de manera permanente. Además, se debe tener en cuenta que las pérdidas de potencia interna del filtro representan un determinado consumo de potencia activa. Por lo tanto, el valor medio de la potencia activa instantánea a suministrar por la fuente es: (5) (8) Donde p S3 es la potencia activa entregada por la fuente,p L3 es ø ø la potencia activa instantánea consumida por la carga, p int es la potencia activa instantánea consumida por el filtro. La potencia instantánea de la fuente está relacionada con la corriente directa de frecuencia fundamental que debe solicitar el filtro activo de potencia en derivación para mantener constante el valor medio de la energía almacenada en el bus de continua.

Donde los coeficientes I+n , I-n e I0n describen los valores de pico de los armónicos de corriente de secuencia positiva, negativa y homopolar. En la expresión (6) se muestran las corrientes solicitadas por la carga sobre un sistema de referencia síncrono [7]:

(6)

Cuando se conoce la potencia activa instantánea en el lado de la fuente y de carga, la diferencia permite determinar la potencia activa instantánea desarrollada por el FAP en derivación:

En este nuevo sistema de referencia las corrientes de frecuencia fundamental y secuencia positiva, aparecen como valores constantes en los ejes d+1–q+1, Lo que puede observarse en la ecuación (7):

(9)

Corriente de la carga-antes del filtro RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN

(7)

0.5

En la Figura 5 se muestran los resultados de la corriente de la carga 0 al considerar una carga no lineal monofásica (rectificador), la corriente de salida del controlador, y la corriente de la fuente corregida por el filtro activo en derivación.

Esta igualdad es utilizada, considerando las corrientes en el eje d y q, para lograr controlar la tensión Vdc y la corriente de salida. La potencia activa será suministrada por la fuente del sistema de potencia, ya que el FAP en derivación no es capaz de entregar

-0.5 0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Corriente del controlador

Corriente de la carga-antes del filtro 0.4

0.5

0.2 0

0 -0.2

-0.5 0.2

0.25

0.3

0.35

-0.4 0.2

0.4

0.25

0.3

0.35

0.4

Corriente del controlador Corriente de la fuente-después del filtro 0.4 1 0.2 00 -1 -0.2 -0.4 0.20.2

0.22 0.25

0.240.3

0.260.35

0.28 0.4

0.3

0.32

0.34

Figura 5: Seguimiento de la forma de onda de: a) corriente de la carga, b) corriente del controlador, c) corriente de la fuente. Fuente: elaboración propia

0.36

0.38

0.4

Como se deduce de la figura, las corrientes fueron compensadas parcialmente para una carga monofásica, carga desbalanceada.

La Figura 6 presenta los resultados del seguimiento de las corrientes para una carga trifásica (rectificador trifásico).

Corriente de la carga-antes del filtro

Corriente del controlador

Corriente de lade carga-antes del filtro Corriente la carga-antes del filtro

0.5

Corriente del controlador Corriente del controlador 0.2 0.10.2 0.2 0.100.1 -0.1 0 0 -0.2 -0.1 -0.1

0.5 0.5 0 0

-0.5 0.1 -0.5 -0.5 0.1 0.1

0.15 0.150.15

0.2 0.2 0.2

0.25

0.3

0.250.25

-0.2 -0.2 0.1

0.3 0.3

0.1 0.1

0.15 0.150.15

0.2 0.2 0.2

0.25 0.250.25

0.3 0.3 0.3

Corriente de la fuente-después del filtro Corriente de lade fuente-después del filtro Corriente la fuente-después del filtro

4 4 2

2 0

4 2

0 0 -2 -2 -2 -4 0.1 -4 -4 0.1 0.1

0.12 0.120.12

0.14 0.140.14

0.16 0.160.16

0.18 0.180.18

0.2 0.2 0.2

0.22 0.220.22

0.24 0.240.24

Figura 6: Seguimiento de forma de onda de: a) corriente de la carga, b) corriente del controlador, c) corriente de la fuente Fuente: elaboración propia

0.26 0.260.26

0.28 0.280.28

Como se puede observar, la respuesta del filtro es bastante rápida al igual que con el uso considerando una topología más simplificada.

[3] Apte, N., Bapat, V., & Jog, A. (2007). A Shunt Active Filter for Reactive Power Compensation and Harmonic Mitigation. 7th International Conference on Power Electronics, Daegu, Corea del Sur.

CONCLUSIONES

[4] Azevedo, H., Ferreira, J., Martins, A., & Carvalho, A. (2003). Direct Current Control of an Active Power Filter for Harmonic Elimination, Power Factor Correction and Load Unbalancing Compensation. Porto: Faculty of Engineering of The University of Porto. Recuperado de https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/202/2/24507.pdf

En este modelo sólo se utiliza el sintonizador PLL como filtro de tensión para obtener las tensiones de referencia rotatoria, por lo que no es necesario un filtro adicional. En los resultados de la simulación se demuestra la adecuada sincronización de la corriente además de la rápida respuesta. La simulación en Matlab/Simulink facilita a la implementación de la programación de un DSP de punto flotante y su posterior sintonización en línea con las herramientas de dicho software.

REFERENCIAS

[5] Singh, B., Al-Haddad, K., & Chandra, A. (1999). A Review of Active Filters for Power Quality Improvement, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 46 (5), 960–971. [6] López, O. (2010). Filtro activo paralelo para compensación de factor de potencia y distorsión armónica en aplicaciones industriales (Tesis de maestría). Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. Recuperado de https://core.ac.uk/ download/pdf/11052869.pdf?repositoryId=334

Abaali, H., Lamchich, M., & Raou, M. (2008). Shunt Power Active Filter Control under Non Ideal Voltages Conditions. International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering, 2 (10), 2427-2432.

[7] Pigazo, A. (2004). Método de control de filtros activos de potencia paralelo tolerante a perturbaciones de la tensión de red (Tesis doctoral). Universidad de Cantabria, Santander. Recuperado de http://www.tdx.cat/bitstream/ handle/10803/10632/0de8.APLprevio.pdf?sequence=1

[2] Akagi, H., Hirokazu, E., & Aredes, M. (2007). Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. EE.UU: Wiley-IEEE Press.

[8] Rashid, M. (Ed.). (2001). Power Electronics Handbook. Canadá: Academic Press.

[1]

Volumen 10, 2016

[9] Rodríguez, P. (2005). Aportaciones a los acondicionadores activos de corriente en derivación para redes trifásicas de cuatro hilos (Tesis doctoral). Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona. [10] Samet, B., Soydan, R., Ozgur, O., & Malabika, B. (2013). Control of the shunt Active Power Filter under non-ideal grid voltage and unbalanced load conditions. Power Engineering Conference (UPEC), (pp.15). Dublin, Irlanda. [11] Núñez Zúñiga, T., Soto Lock, A., & Moreno Martínez, R. (2014). Filtro Activo de Potencia Bajo Diferentes Tipos de Carga. Electrónica - UNMSM, 15, 17-27. Recuperado de http://revistasinvestigacion.unmsm. edu.pe/index.php/electron/article/view/3987

ACERCA DE LOS AUTORES

Baldomero Néstor Enríquez Ychocan Recibió el grado de Ingeniero Electricista en la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Nacional de San Agustín (UNSA), Perú, en el 2012.

Se desempeña actualmente como jefe de Oficina Técnica - Área Eléctrica e Instrumentación, en el proyecto de Expansión de la Mina Cerro Verde del Grupo Graña y Montero en Arequipa. nbenriquez@gmail.com

María Teresa Mendoza Llerena Obtuvo el grado de Ingeniero Electricista en la Escuela de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Nacional de San Agustín (UNSA), Perú, en el 2003; el grado de Msc. en el departamento de máquinas eléctricas, accionamientos y energía por la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), Brasil, en el 2006; y el grado de doctor en el Departamento de Sistemas de Control y Energía en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Computación (FEEC) por la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), Brasil, en el 2011. En la actualidad ejerce como docente en el área de medidas eléctricas, instrumentación y máquinas eléctricas en Tecsup - Arequipa. mmendoza@tecsup.edu.pe

Los problemas climĂĄticos originados

altos niveles de contaminaciĂłn producidos por la industria, han llevado a la por los

bĂşsqueda de soluciones eficientes, que reemplacen a los actuales procesos contaminantes.

César Vera, Tecsup

Diseño de un colector parabólico solar para la generación de vapor Design of a Parabolic Collector Solar for Generating Steam

RESUMEN

El uso de la energía solar es una realidad. Las investigaciones al respecto abarcan una serie de tecnologías para el mejor aprovechamiento de este vital recurso. Pero en el Perú su empleo es poco frecuente en proporción a lo que se utiliza en otros países. En la región Arequipa, la radiación equivalente alcanza de 1.100 a 1.200 watts por metro cuadrado que en comparación con otras ciudades es alta. El objetivo de esta investigación fue la generación de vapor con energía solar, para ser utilizado en el proceso de planchado de prendas en alpaca. Para ello, se empleó un sistema de generación de temperatura media entre 90 °C y 130 °C, mediante un tubo de vidrio al vacío como principal concentrador, se aumentó el área con un colector parabólico y un sistema de seguimiento solar para mejorar su eficiencia. Previo a su construcción, el sistema fue diseñado de tal modo que cumpliera con los requerimientos deseados. Luego se procedió a crear un prototipo cuya estructura fue modificada, hasta obtener el flujo de vapor deseado (0,7kg/min) a 110 °C, también se obtuvo una constante adimensional promedio de 38,25 para el área solar proyectada. Finalmente, se procedió a hacer el cálculo estructural del colector, teniendo en cuenta la carga por viento.

ABSTRACT

The use of solar energy is a reality. The research on the subject covers a great variety of technologies to make better use of this vital resource. But even in Peru the application of these technologies is not so important as in other countries. In Arequipa, the equivalent radiation reaches 1.100 to 1.200 watts per square meter that is higher than in other cities of the region. The goal of this study was the use of solar energy to generate steam for ironing garments in alpaca. A system generating a mean temperature between 90 °C and 130 °C was used, using a vacuum glass tube as focus, and increasing the area with a parabolic collector and a solar tracking system to improve efficiency. First, a system, which meets the desired requirements, was designed. Then, a prototype was built whose structure was modified to reach the target steam flow (0,7kg/min) at 110 °C, an average dimensionless constant of 38.25 to the sun projected area was also obtained. Finally, we proceeded to make the structural calculation of the collector, taking into account the wind load.

Palabras Clave Energía solar, concentrador cilindro parabólico, tubo de vidrio evacuado tipo U, generación de vapor, concentración solar.

Key words Solar energy, parabolic trough concentrators, glass evacuated tube U pipe, steam generation, solar concentration.

Volumen 10, 2016

Para la mejor comprensión de los modelos matemáticos mostrados se presenta el esquema de una parábola.

INTRODUCCIÓN

Los problemas climáticos originados por los altos niveles de contaminación producidos por la industria, han llevado a la búsqueda de soluciones eficientes, que reemplacen a los actuales procesos contaminantes. Estas se ven reflejadas en la implementación de centrales de generación eléctrica que funcionan con energías renovables como la solar, eólica, geotérmica, etc. En el Perú, la utilización de la radiación solar ofrece una alternativa limpia, eficiente y fácil de adaptar en diversos procesos productivos de la industria. En ese contexto, es parte de un largo proceso, concientizar a las personas, que el uso de las energías renovables no solo tiene un impacto ambiental positivo, sino que al utilizar eficientemente dichos recursos, se pueden generar ganancias en el sector energético e industrial. En nuestra región, la generación de vapor para usos industriales está basada en calderas diesel o a carbón, las cuales producen contaminación. Así, en la industria textil se emplea vapor para el planchado y vaporizado de prendas. Este proyecto plantea una alternativa para la generación de vapor sin contaminación ni utilización de combustibles fósiles. El proyecto se basó en diseñar un concentrador solar que fuera estructuralmente estable, cuando era sometido a cargas de viento (wind load); y que en su diseño final encaje perfectamente con las planchas comerciales de aluminio anodizado y acero inoxidable (1,2 m x 2,4 m); estas planchas comerciales, son de costo bajo y generan alta reflectividad de rayos solares (casi como un espejo), y que al reflejarse en el foco de la parábola, produzca el vapor necesario para el funcionamiento de una plancha a vapor comercial (0,7 kg/min).

h ϕ ϕ Φ 2 F

P’ Figura 2: Esquema de una parábola. Fuente: Análisis de colector parabólico. Pinedo, A. (2012) p. 3.

La siguiente ecuación, con origen en el sistema de coordenadas, describe una parábola en función de su foco (F). (X) = X2 4F LADO RECTO

FUNDAMENTOS

El colector utiliza la forma geométrica de una parábola, de tal modo que todos los rayos inciden en el foco de la misma. Así, se aprovecha un área mucho más grande donde se reflejarían los rayos solares, para que la tubería ubicada en el foco reciba la mayor cantidad de radiación, para alcanzar una temperatura máxima de hasta 400 °C.

LADO CURVO

Figura 3: Forma de una parábola. Fuente: Elaboración propia.

En donde S es la longitud de media parábola, a es 0, b es la longitud máxima en el eje x (Xmax), y f’(x) es la derivada de la función parábola. b

1 + ( f´ (x) ) dx 2

Re fle cto

Tu bo re ce pt or

a Figura 1: Esquema del colector. Fuente: Análisis de colector parabólico. Pinedo, A. (2012) p. 2.

Figura 4: Forma de la mitad de una parábola. Fuente: Elaboración propia.

Cálculo del ángulo de abertura ∝ y de la distancia ρ en función del foco (F), Xmax e Ymax.

∝ = 2

/( −

Receptor

)

Imagen solar reflejada teórica L B

F b

+( −

)

P α/2

FOCO

32’

ρ α

W=X máx

Concentrador S

Y máx

Figura 7: Proyección del disco solar reflejado sobre el tubo absorbedor. Fuente: Diseño de colector. Paredes, C. (2012) p. 43. Figura 5: Forma de una parábola en la que se indica la posición del foco. Fuente: Elaboración propia.

Para obtener el diámetro del tubo receptor, hay que considerar que el Sol no es una fuente luminosa puntual. Visto desde la superficie de la Tierra, el disco solar corresponde al área proyectada para un ángulo de apertura de 32°, como lo indica la Figura 6. Por tanto, la radiación solar directa sobre la superficie terrestre no está formada por rayos perfectamente paralelos entre sí, sino que se distribuyen sobre un cono, de direcciones de ángulo sólido igual a 16° alrededor de la línea, que une el punto de observación con el centro del disco solar. Así, no todos los rayos de este cono alcanzarán un receptor de mayor diámetro.

fε

El valor del diámetro real se obtuvo por la ecuación:

real =

Xmax.Sen(0.267+ 1.15 ) 2

Sen( ) 2 Xmax.Sen(0.267+ 1.15 ) 2 real = Y el cálculo de la cantidad de soles acumulados en el tubo abL.2.Xmax Cmax Sen( ) sorbedor se da a través de la=expresión: 2 L min. Cmax =

L.2.Xmax min. L

Donde L es la longitud del tubo.

METODOLOGÍA

A F B

X P PLANO DE SIMETRÍA

DETERMINACIÓN NUMÉRICA Y DISEÑO DEL COLECTOR PARABÓLICO En la determinación de los valores numéricos para el posterior diseño, se utilizó el software Engineering Equation Solver (EES) en su versión académica comercial bajo licencia Tecsup, área de Mecánica.

Figura 6: Proyección del disco solar sobre el tubo absorbedor. Fuente: Diseño de colector parabólico. Paredes, C. (2012) p. 43.

El cálculo generó 12 ecuaciones, 13 variables y 1 variable de integración.

El valor de diámetro mínimo que debe tener el tubo receptor depende principalmente de p, y se calcula a través de la siguiente ecuación:

Primero se obtuvo el valor de X máx (Figura 5), para el valor de la superficie curva (S) (Figura 4).

min =

Volumen 10, 2016

2 . tg (16 )

Entonces colocamos el modelo matemático deducido, para poder obtener los resultados de diseño.

cos ( 2 )

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -1

-0.5

0.5

Figura 10: Perfil de parábola a desarrollar. Fuente: Elaboración propia.

Cabe resaltar que la longitud del tubo al vacío es estándar (1,8 m), y de tipo U con tubería de cobre interior para evitar rupturas por el aumento de presión y el cambio de fase (líquido a vapor), pues por un extremo de la tubería ingresa agua líquida y por el otro sale vapor. El diámetro comercial del absorvedor (tubo al vacío) es de 5,6 cm, que es mayor al diámetro real calculado de 2,256 cm, por lo cual no existe pérdida de proyección de rayos solares en el tubo al vacío (Figura 6). Figura 8: Cálculo de parámetros de integración con el software EES. Fuente: Elaboración propia.

El dato de entrada para la solución del problema fue el foco de la parábola (F), planeado para medir 0,55 m. En función de ese valor se calculó la longitud de media parábola (S) que fue igual a 1,221 m de longitud, que es igual a la longitud de una plancha comercial de acero inox, que es el objetivo principal del calculo, para poder acoplar fácilmente la plancha comercial a la estructura, también se obtuvo el valor Xmax igual a 1,071 m, que es el límite máximo de integración (B).

Figura 11: Esquema de un tubo al vacío con tubería de cobre en forma de U. Fuente: Diseño en instalación de un sistema de calentamiento. Martínez, I. (2011) p. 21.

DISEÑO DEL CONCENTRADOR CILINDRO PARABÓLICO

SOLAR

Con los datos obtenidos del cálculo parabólico y diámetro de tubería se procedió a diseñar el colector parabólico. Para el diseño del concentrador solar cilindro parabólico se realizaron varios bosquejos, los cuales fueron pasados a 3D en el programa SolidWork 2012 (versión educativa bajo la licencia de Tecsup).

Figura 9: Resultados geométricos del colector. Fuente: Elaboración propia.

Para un foco de 0,55 metros, los resultados del modelo matemático fueron : B= 1,071 m (Xmax de la parábola) A= 88,47° (ángulo alfa) L= 1,8 m (longitud del tubo) DMIN= 0,72 cm (diámetro mínimo del tubo) D= 2,256 cm (diámetro real del tubo) CMAX= 38,25 (constante adimensional de área solar proyectada) Figura 12: Estructura y montaje de colector parabólico. Fuente: Elaboración propia.

RESULTADOS

Se logró determinar las características dimensionales a través de un software de cálculo simple, el cual facilitó la resolución de algunas complejidades de cálculo.

El empleo de tubos al vacío aumenta la absorción de radiación y la concentración de energía solar, debido a que aumentan la trasferencia de calor por radiación y evitan la pérdida de calor por conducción.

REFERENCIAS

Se estableció que el diámetro real de recepción es menor que el diámetro nominal del tubo al vacío utilizado, por lo que no existen pérdidas de rayos de sol reflejados.

[1]

Se consiguió construir un prototipo que cumpliera con las exigencias necesarias, para poder operar en las condiciones de trabajo pre-establecidas.

[2] Echevarría, C (2011). Diseño de un colector cilindro parabólico compuesto con aplicación para el calentamiento de agua (Tesis de grado). Universidad de Piura, Piura, Perú.

Se determinó, a partir del diámetro del receptor y del foco, las dimensiones de la parábola, teniendo en cuenta que estas deben de coincidir con las dimensiones comerciales, de la plancha de acero inox y del tubo al vacío.

[3] Gómez, V, Santos, I., Ortega, N., & García, O. (2012). Optimización experimental de un concentrador parabólico compuesto para aplicaciones de mediana temperatura. XIX Simposio Peruano de Energía Solar (pp. 1-8). Puno, Perú. Recuperado de http://www.perusolar.org/wp-content/uploads/2013/01/13.pdf

Se construyó un prototipo de aluminio para disminuir el peso de la estructura, pero las partes que soportaban grandes cargas eran soldadas y la soldadura de aluminio no cumplía con las exigencias deseadas, pues en las pruebas presentó pequeñas grietas. Ello obligó a rediseñar el prototipo para aligerar su peso y mejorar su estabilidad.

CONCLUSIONES

El uso de energías renovables tiene gran variedad de aplicaciones. Por ello es necesaria la investigación en este campo para obtener nuevos conocimientos, con el fin de desarrollar una industria sustentable y más amigable con el ambiente. Es posible aumentar la cantidad de radiación incidente en un tubo colector, con el uso de superficies parabólicas que tengan una alta calidad de superficie, lisas y con rugosidad cero, mediante el empleo de materiales como acero inox y aluminio. Se pueden utilizar mejores materiales, sistemas geométricos, nuevas tecnologías para mejorar los sistemas de absorción de radiación solar y generar vapor de manera eficiente y gratuita. La cantidad de vapor obtenida es proporcional al área reflejada de rayos solares y a la radiación de la localidad.

Duffie, J. (2006). Solar Engineering of Thermal Processes. New Yersey: Johon Wyley and Sons.

[4] Martínez, I. (2011). Diseño e instalación de un sistema de calentamiento solar de agua, para el sector rural (Tesis de grado). Escuela Superior Politécnica De Chimborazo, Riobamba, Ecuador. [5] Paredes, C. García, A., & Domaniczky, J. (2012). Diseño de captador solar cilíndrico parabólico para aplicaciones rurales en Paraguay (Proyecto de titulación) Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas, Asunción, Paraguay. [6] Pinedo.A., & Asmat, D. (2012). Análisis teórico experimental de un colector parabólico automatizado con espejos reflectantes (Tesis de grado). Universidad Privada del Norte, Trujillo, Perú.

ACERCA DEL AUTOR César Vera Vásquez MSc. en Termociencias por la Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro-Brasil. Actualmente se desempeña como docente investigador en el área de energías renovables. cesar.vera.eng@gmail.com

Volumen 10, 2016

El aspecto medioambiental aunado a la

innovaciรณn tecnolรณgica ha llevado al desarrollo de la denominada ecoinnovaciรณn.

José Álvarez, Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas - UPC / Enrique Barrantes, Pontificia Universidad Católica del Perú - PUCP

Refrigeración por adsorción para el transporte y conservación de alimentos Adsorption Refrigeration for Food Transportation and Preservation

RESUMEN

Un inadecuado sistema de distribución de alimentos origina pérdidas y mermas. Al respecto, se ha observado en el Perú, flotas de transporte inadecuadas y obsoletas en las que la mayoría de camiones no cuenta con sistemas de refrigeración incorporados. En este contexto, se ha desarrollado una propuesta de un sistema ecoinnovador de refrigeración híbrido con energía solar y gases de escape para el camión transportador. La metodología consistió en una revisión bibliográfica y de patentes sobre los sistemas de refrigeración por adsorción con energía solar, así como establecer la carga de refrigeración de los camiones, precisar el sistema de refrigeración por adsorción así como sus requerimientos de calor, y determinar el suministro energético mediante la hibridación de energía solar y los gases de escape del motor. Durante la fase de diseño conceptual se realizó la integración de los modelos, de energía solar y de los gases de escape propuestos por Wu et al (2011) y Luo et al (2007). Los resultados han permitido contar con un diseño termodinámico conceptual, que deberá ser contrastado con el prototipo a ser construido, para obtener la superposición de los efectos de dos fuentes de energía complementarias para su aplicación en refrigeración.

ABSTRACT

Inadequate food distribution system originates losses and wastes. So, in Perú, the fleet trucks transporting food usually do not have incorporated cooling systems. In this context a proposal for an ecoinnovative hybrid system with solar energy cooling and exhaust gas refrigeration for transporter food trucks has been developed. The methodology consisted of a review of literature and patents on cooling systems by adsorption, the estimation of the cooling load for truck, the selection of a cooling system by adsorption and its heat requirements, and the definition of energy supply, hybridizing solar energy with exhaust gases as energy sources. The integration of these two energy source modules, according to Wu et al (2011) and Luo et al (2007) was completed during the conceptual design phase. The main results of this study was a conceptual thermodynamic design integrating two complementary and synergistic sources of energy, the same that should be contrasted with a cooling prototype to be built.

Palabras Clave Camiones refrigerados, conservación de alimentos, energía solar, refrigeración por adsorción, transporte de alimentos.

Key words Refrigerated trucks, food conservation, solar energy, adsorption refrigeration, food transportation.

Volumen 10, 2016

• I. INTRODUCCIÓN

Uno de los problemas que enfrenta el Perú, como otros países en desarrollo, es el manejo inadecuado de los alimentos específicamente en lo que se refiere a la cadena de frío. Las pérdidas por este concepto son ingentes y no solo se confinan al espacio económico sino también al social. Ejemplo de ello fue la intoxicación masiva de niños beneficiarios de los programas sociales del gobierno, que habría sido causado por deficiencias en la cadena de frío. También el crecimiento de la economía peruana ha implicado la sobreutilización de las carreteras, diseñadas para condiciones de menor tránsito. Ello ha originado que muchos de los productos se deterioren por el mayor tiempo de transporte. A esto se suma una flota obsoleta y con pobre uso de sistemas de refrigeración. Por último la inseguridad en las carreteras que conlleva a un riesgo de pérdida de los kits de refrigeración. Nada de esto acontecería con los sistemas de refrigeración por adsorción.

Adsorción - Después de un periodo de enfriamiento, en el condensador, la evaporación del líquido condensado comienza. En el evaporador el agua se evapora generando frío, el cual puede ser usado para refrigeración a temperaturas no muy exigentes (por ejemplo 10 oC). La válvula desde el evaporador se abre y el adsorbente seco adsorbe vapor de agua. Durante el proceso de adsorción el calor reyectado tiene que ser disipado”.

desorption at high temperature

Condenser adsorbent

Qin

adsorbent

Qout

Expansion Thermal valve Compressor

Evaporator adsorption at low temperature

La forma más usual es la de “refrigerar los camiones utilizando un sistema de refrigeración integrado en el propio camión, con independencia de la fuente de refrigeración que se utilice, siempre ha de tener un suministro de energía. Esta energía puede proceder del propio suministro de energía del camión, de un compresor accionado por un motor de gasolina o diesel, de una alimentación terrestre (como la energía eléctrica de un edificio) o de un compresor eléctrico que funcione con un generador de motor. Los camiones de reparto tipo furgoneta suelen utilizar un compresor de refrigeración instalado debajo del capó, el mismo que es accionado por el motor del camión. La refrigeración se puede regular encendiendo y apagando el compresor mediante un embrague eléctrico controlado con un termostato” (ForoFrio, 2016). El aspecto medioambiental aunado a la innovación tecnológica ha llevado al desarrollo de la denominada ecoinnovación, esto es tecnologías amigables con el ecosistema que, como en el caso de la propuesta, no recurren al uso de fluidos de costo elevado, cuya aplicación aún es transitoria pues se les emplea como sustitutos de fluidos que afectan al ambiente (capa de ozono). Es en este contexto que se realiza la propuesta alternativa de un diseño conceptual de un sistema termodinámico ecoinnovador, basado en refrigeración por adsorción para camiones que transportan frutas y verduras.

II. FUNDAMENTOS Y ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS

El ciclo termodinámico ideal de refrigeración por adsorción (fig. 1) puede, según White (2011), ser representado por las siguientes etapas: •

“Desorción - El adsorbente (zeolita o silica gel) es secado por calor proveniente de los gases de escape, p.e. Entonces, el vapor de agua (desorbido) fluye hacia el condensador donde es condensado desprendiendo calor. Cuando el adsorbente es secado, la entrada de calor se detiene y la válvula de entrada al condensador se cierra.

Q£ Figura 1: Ciclo termodinámico de refrigeración por adsorción. Fuente: http://absorptionchiller4u.blogspot.pe/2013/08/adsorption-and-desorption-system.html

Según Wu et al (2011) el coeficiente de performance (COP) del ciclo de refrigeración por adsorción puede ser calculado como la relación del calor de refrigeración (captado de la carga en el evaporador), al calor recibido por el adsorbedor durante el proceso de calentamiento/desorción. 2.1 Refrigeración por adsorción aprovechando energías perdidas en camiones El calor requerido para el proceso de desorción puede ser suministrado por el agua de enfriamiento del radiador del motor y/o por los gases de escape de la combustión. Para Verde et al (2010) “la mayor fuente de pérdida de calor del motor es el agua de enfriamiento en el radiador del motor. La temperatura del agua a la salida del motor generalmente está entre 80 °C - 90 °C”. Y por ello estos autores sugieren que “el flujo de agua disponible para activar el sistema de refrigeración es el mismo que fluye dentro del radiador que enfría el motor… y posteriormente el agua caliente es enviada para activar el sistema de adsorción. Esto significa que durante el calentamiento del motor no ocurre la adsorción hasta que el motor alcance su condición normal de operación… Para enfriar la cabina se necesita disponer de uno o dos reactores que hayan sido guardados secos, para que puedan adsorber vapor desde el evaporador y producir un efecto de enfriamiento desde el comienzo”. Menciona Verde et al (2010) que “el agua caliente desde la salida del motor es, entonces, direccionada hacia uno de los reactores (adsorbedor 1 en la Figura 2) y circula a través del mismo produciendo la desorción del agua dentro del reactor. La presión en el lecho se incrementa debido a la desorción del vapor y la válvula (entre el lecho y el condensador) se abre (la válvula que comunica con el evaporador se mantiene cerrada). El vapor se condensa en el condensador. El agua líquida pasa desde el condensador hacia el evaporador a través del dispositivo de expansión. Al

mismo tiempo, el otro reactor (adsorbedor 2) está siendo enfriado gracias a un circuito hidráulico auxiliar el cual disipa el calor hacia el ambiente. El reactor comienza a adsorber el vapor, y entonces la presión disminuye porque las válvulas del reactor están cerradas. Cuando la presión en el lecho se torna menor que la del evaporador, la válvula de comunicación se abre y el reactor empieza a adsorber el vapor proveniente del evaporador, produciendo la evaporación del agua en él y el efecto de enfriamiento del aire de la cabina que fluye exteriormente al evaporador. Entonces, el agua del enfriador auxiliar es conducida al adsorbedor 1, el cual está caliente y seco, enfriándolo, disminuyendo su presión y activando la adsorción desde el evaporador. Al mismo tiempo, el adsorbedor 2, frio y lleno de agua, es calentado hasta incrementar su presión y activar el proceso de desorción”. El frío obtenido a partir del calor en el radiador puede ser utilizado en la cámara de transporte de alimentos, cuyo efecto se sumará al proceso de refrigeración por adsorción con energía solar.

A partir de ensayos, Wu et al (2011), determinaron que con el incremento de la temperatura de la fuente de calor el coeficiente de performance (COP) aumenta para luego decrecer, para alcanzar un máximo valor de 0,95 a 275 oC. 2.2 Refrigeración por adsorción energía solar en camiones

con

En la patente CN 201665180 U (2016) se ha reivindicado que “… un colector plano de energía solar y un lecho de absorción que ensamblados juntos se pueden montar en la parte externa de un vehículo a ser refrigerado. El evaporador es instalado dentro del vehículo a ser enfriado y el refrigerante que sale del evaporador ingresa al lecho de absorción por una válvula de una sola vía; así el refrigerante que sale del lecho de absorción luego ingresará al condensador por una segunda válvula de una vía; y finalmente el refrigerante líquido que sale del condensador ingresará al evaporador. El colector solar combinado con el lecho de adsorción produce la refrigeración generada por la energía solar, así como evitar el uso de fluidos fluorocarbonos que atentan contra la capa de ozono atmosférica, además de eliminar el ruido por carecer de partes móviles y con un bajo costo debido a la estructura compacta” En realidad, se ha reivindicado un sistema de refrigeración por absorción que utiliza un absorbente líquido para captar el gas refrigerante, a diferencia del sistema de refrigeración por adsorción que emplea un sólido para estos fines.

Figura 2. Refrigeración por adsorción mediante calor de un radiador de motor. Fuente: Verde et al (2010)

El empleo de gases de escape, por ende a mayor temperatura, para enfriamiento en camiones ya era preconizado por Wu et al (2011), quienes proponen un módulo de 2 kW, donde “…los gases de escape a alta temperatura desde el motor Diesel primero ingresan a la sección adsorción/desorción de un primer enfriador por medio de una válvula de 3 vías, cuando los adsorbentes deben ser calentados y desorbidos, y al mismo tiempo la sección de condensación/evaporación es enfriada por aire ambiental forzado por un ventilador y el vapor refrigerante se condensa. Mientras tanto, el rol de refrigeración es realizado por el segundo enfriador. La sección de adsorción/desorción del segundo enfriador es enfriada por aire ambiental por medio de otro ventilador, cuando los adsorbentes - en el segundo enfriador - adsorben el vapor refrigerante desde las secciones condensador/ evaporador, donde el efecto refrigerante es producido debido a la evaporación del líquido refrigerante, y por el aire frío que en la sección condensación/evaporación es circulado por un segundo ventilador. Así el aire frío puede ser alternadamente producido por los dos enfriadores de aire y se suministra continuamente…”.

Volumen 10, 2016

Por otro lado, Vera et al (2011), quienes han diseñado y construido un prototipo de refrigeración solar por adsorción, optaron por la “utilización del par adsorbente - refrigerante: carbón activado – metanol. La heladera solar propuesta consiste en un colector solar donde se aloja una masa de carbón activado que eleva su temperatura durante las horas de insolación. Al calentarse, el carbón resorbe cierta cantidad de metanol que se encuentra adsorbido en él, que pasa al estado líquido, liberando el calor latente de condensación hacia el medio ambiente. A su vez, el metanol líquido pasa por gravedad a un recipiente (evaporador) hasta que se completa el ciclo de deserción. Cuando el carbón activado baja su temperatura (durante las horas sin luz solar) comienza a adsorber los vapores del metanol presentes en el sistema, disminuyendo la presión de estos y provocando la evaporación del metanol líquido que se encuentra en el evaporador. El calor latente de evaporación del metanol es el responsable de la extracción de calor de la cámara fría”. “Estos equipos, que cuentan con un área de captación solar de 2 m2, contienen 20 kg de carbón activado y pueden producir alrededor de 5 kg de hielo por día. Para la generación de hielo proyectada se determinó que la cantidad de metanol necesaria es de 3,2 kg. Para conseguir una adecuada deserción del mismo, es preciso conocer la energía necesaria para este proceso, que resulta ser de 4,8 kJ para diseñar el sistema de captación”.

III. MATERIALES Y MÉTODOS

El objeto de estudio es crear un diseño energético de un sistema de refrigeración por adsorción para una cámara de refrigeración móvil que iría instalada en un camión frigorífico. Se considera una cámara del camión con una longitud de cubierta de carga 37

(adentro) de 4 m, ancho de cubierta de carga (adentro) de 1,9 m y altura de 1,9 m. La carga térmica para la cámara del camión se calcula para una temperatura variable regulable de 10 oC, adecuada para transportar frutas y verduras, que lleguen a su destino en buen estado y sin perder sus características. Según algunos autores como Domínguez et al (2009) este valor de temperatura representa un valor promedio recomendado para el transporte de productos hortofrutícolas típicos como limas (7 °C a 8 oC, 85% HR a 90% HR), limones (13 °C a 15 oC, 85% HR a 90% HR), y plátanos (13 °C a 15,5 oC, 85% HR a 90% HR), lo cual facilita la viabilidad para emplear un sistema de refrigeración por adsorción, debido a la menor exigencia de este nivel de temperatura frente a los niveles exigidos para la congelación de alimentos. Seguidamente, se determina la carga térmica del sistema para definir los componentes del sistema de refrigeración y seleccionar el par adsorbente y establecer el coeficiente de performance (COP). La identificación de los componentes del sistema de refrigeración por adsorción se consigue mediante la integración de los resultados de dos investigaciones previas, Wu et al (2011) y Luo et al (2007), que se combinan en el diseño conceptual.

IV. RESULTADOS 4.1 Determinación de la carga térmica El sistema de refrigeración que se propone es adaptable al transporte de productos hortofrutícolas, los cuales por lo general requieren de un almacenamiento en ambientes de alta humedad relativa (90% HR en promedio), y de acuerdo a la temperatura de conservación según ASHRAE (2014). Para ello, se tiene en cuenta una baja velocidad de circulación (≈0.5 m/s) de aire para evitar la deshidratación excesiva y daño por frío. El tiempo de enfriamiento debe estar de acuerdo a la duración del transporte, desde los centros de producción a los de acopio o comercialización. En este caso se han estimado de 8 a 10 horas. Para efectos de establecer el valor de carga térmica, se ha considerado una cámara cuyas dimensiones ya se han descrito en (III), aislada con 75mm de espuma de poliuretano, y que contiene una masa equivalente de 1.120 kg (1,12 toneladas) de frutas (cítricos, piñas, melones, paltas y mangos) dispuestas en un promedio de 56 cajas de dimensiones estándar (CF1 0,6 m x 0,4 m x 0,3 m) de cartón con capacidad para 20 kg/caja, lo que permite la adecuada circulación de aire dentro de todo el espacio refrigerado. Esta carga puede ser acomodada sin dificultad por una o dos personas en 80 minutos, aproximadamente. Un valor adecuado para un almacenamiento corto (durante el transporte) de frutas puede estar alrededor de los 10 °C, si se considera una temperatura ambiental media de 25 °C. Con la aplicación de la metodología descrita en ASHRAE (2014), se obtuvo una carga térmica del orden de 4 kW, que debe ser trasferida por el sistema de refrigeración planteado y cuya distribución por componente se muestra en la Tabla 1.

Componentes:

Porcentaje %

Transmisión por paredes, techo y puerta

10%

Producto transportado

65%

Embalajes

Otros: infiltraciones, ingreso de personas, ventiladores, factor de seguridad

20%

Tabla 1: Componentes de la carga térmica. Fuente: Elaboración propia.

4.2 Aprovechamiento de la energía de los gases de escape para fines de refrigeración En nuestra propuesta se toman en cuenta también dos conjuntos de adsorción a fin de superponer efectos y lograr la continuidad en el funcionamiento. Por un lado, con la adopción de los resultados de Wu et al (2011), a partir de los gases de escape se generarán 2 000 W. 4.3 Aprovechamiento de la energía solar para fines de refrigeración Por otro lado, los 2 kW restantes con los que se completarían los 4 kW necesarios por la carga térmica son suministrados por el sistema de refrigeración por adsorción con energía solar. Es evidente que hay una superposición de efectos entre este sistema y el anterior, que acciona el sistema de refrigeración por medio de los gases de escape de los motores.

V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Ha sido adoptado el módulo múltiple presentado por Wu et al (2011), que para una temperatura de los gases de escape de 275 oC obtiene un COP = 0,95, y funciona de la siguiente manera (Figura 3): - Los gases de escape a 275 °C ingresan a la sección de adsorción/desorción del enfriador A vía válvula 1. - El adsorbente es calentado y desorbido - Al mismo tiempo la sección/condensación es enfriada por el aire ambiente que entra por la válvula 5 y forzado por el ventilador F1. - Los adsorbentes en el enfriador B son enfriados y el vapor refrigerante que proviene de la sección de condensador / evaporador es adsorbido. - El efecto de refrigeración es producido debido a la evaporación del líquido refrigerante. - El ventilador F2 hace circular el aire enfriado en la sección de condensación /evaporación. - Como resultado final, el aire frío puede ser producido de manera alternada por los dos módulos de enfriamiento y suministrado continuamente a la cámara de conservación.

Open valve Close valve

VI. CONCLUSIONES

V2 1

F3 V10 6

F2 V6

1 2 3 4 5 6 A, B F1, F2, F3 O1, O2, O3

V1 a V10

Motor diesel Espacio a ser enfriado Sección de adsorción/desorción Módulo de enfriamiento por adsorción. Sección adiabática. Sección de condensación/evaporación. Enfriadores por adsorción. Ventiladores Salidas de gases de desecho para calentamiento del adsorbedor, de aire para enfriamiento del adsorbedor, y de aire para enfriamiento del condensador, respectivamente Válvulas

Figura 3: Sistema adoptado de refrigeración por adsorción que utiliza gases de escape. Fuente: Wu et al (2011)

Con este primer componente, es decir con el aporte de energía de los gases de escape del motor del camión, se contribuye con el 50% de la carga de refrigeración necesaria, pues produce 2.000 W. Luo et al (2007) han descrito un enfriador por adsorción con energía solar, el cual presenta una capacidad de enfriamiento de 90 W/m2 de superficie de colectores con un COP entre 0,096 y 0,13. Al adoptarlo tendríamos un aporte de 720 W a partir de la refrigeración por adsorción con energía solar. Ello conllevaría una variación de la carga inicialmente prevista para una potencia de 2,00 kW a otra de 2,72 kW. La propuesta anterior (Luo et al, 2007) es adaptable e integrable con el primer módulo y “consiste en un sistema de calentamiento de agua con energía solar, un enfriador por adsorción... El adsorbedor es un intercambiador de calor tipo tubo compacto con canales de transferencia de masa refrigerante, llenado con 50 kg de gel de sílice microporoso, y encapsulado en una cámara metálica”. El redimensionamiento de la carga implica que, de aplicar los cambios correspondientes en la masa del producto a transportar esta sería de 761 kg.

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En el presente artículo se ha desarrollado el diseño conceptual y termodinámico de un sistema híbrido de refrigeración por adsorción que aprovecha la superposición de efectos de dos módulos: el primero, a partir de gases de escape de un motor, y el segundo, con energía solar como fuente de energía. Para el módulo accionado por los gases de escape de los motores de los vehículos de transporte, según los trabajos experimentales de Wu et al (2011), convendría usar el par zeolita/agua, como adsorbente/adsorbato (refrigerante). Para el segundo módulo, accionado por energía solar, la operación efectiva del evaporador debe considerar su inicio desde las horas vespertinas, durante la noche y hasta la mañana siguiente. La propuesta ha consistido en la determinación de la carga de refrigeración, según ASHRAE (2004) cuyo valor fue de 4 kW. Se propuso cubrir esta demanda mediante la adopción y adaptación, según el caso, de la propuesta de Wu et al (2011) para el componente con gases de escape y la propuesta de Luo et al (2007) para el componente con energía solar, sin embargo, se ha debido reducir la expectativa únicamente a 2,72 kW, debido a las limitaciones en las dimensiones previstas para los camiones de transporte de alimentos.

REFERENCIAS

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[2] Domínguez, M., García, C., & Arias, J.M. (2009). Recomendaciones para la conservación y transporte de alimentos perecederos. (S.l.).: Instituto del Frío. Recuperado de http://digital.csic.es/bitstream/10261/15514/1/ R E C O M E N D A C I O N E S % 2 0 PA R A % 2 0 L A % 2 0 CONSERVACI%C3%93N%20Y%20TRANSPORTE%20 DE%20ALIMENTOS%20PERECEDEROS.pdf [3] Foro Frio. (2016). Sistemas de Refrigeración en Camiones. Recuperado de http://www.forofrio.com/index.php?option=com_conte nt&view=article&id=293:sistemas-de-refrigeracion-encamiones&catid=9:actualidad&Itemid=54 [4] Luo, H.L., Wang, R.Z., Dai, Y.J., Wu, J.Y., Shen, J.M., & Zhang, B.B. (2007). An efficient solar - powered adsorption chiller and its application in low-temperature grain storage. Solar Energy, 81, 607 -613. Recuperado de http://waterandfire.ir/Down_En/12_WaterandFire. ir_.pdf

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. (2016). Patente CN201665180 U. China. Recuperado de https://www.google.com.pe/ patents/

ACERCA DE LOS AUTORES José C. Álvarez M. Ingeniero mecánico, Magister en Ingeniería de Producción y doctor en Ingeniería de Producción: Gestión e Innovación por la Universidade Federal do Rio de Janeiro - Brasil. Profesor de Posgrado de la UNI, de la UNMSM y de la UNPRG, y profesor del curso de Termodinámica Aplicada en la UPC. Especialista del Programa Nacional de Ciencia Tecnología e Innovación en Materiales del Concytec. Integrante del grupo de trabajo en Energía del Concytec (RdP No 16). Miembro de la Asociación Latino-Americana de Tecnología - ALTEC. Miembro de la Sociedad Peruana de Materiales. alvarezjcar@hotmail.com Enrique J. Barrantes P. Ingeniero mecánico por la Pontificia Universidad Católica del Perú, Magister en Ingeniería Mecánica por la Pontificia Universidad Católica del Perú. Con Pos-Grado en Técnicas de Energías Renovables (UIA La Rabida, España 1997). Estudios de Doctorado concluidos en UPM-ETSII (Madrid, España 2006) en Ingeniería Mecánica y Fabricación. Miembro de ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). Miembro de IIAR (International Institute of Ammonia Refrigeration). Miembro de APVARC (Asociación Peruana de Ventilación, Aire Acondicionado, Refrigeración y Calefacción). Miembro del Sub-Comité Técnico de Normalización de Aire Acondicionado CTN UREEE INACAL Perú. Profesor del Área de Energía, Dpto. Ingeniería PUCP. Jefe del Laboratorio de Energía PUCP. ebarran@pucp.edu.pe

La educación en la actualidad adopta diversas metodologías que se adecúan a los nuevos estilos

Por ello, es importante explorar el uso de software de videoconferencia Cisco de vida.

WebEx y Cisco Spark en el curso de Estadística Aplicada.

Ernesto Zeña, Tecsup / Julia Torres, Tecsup / Jaime Fernández, Tecsup

Aprendizaje cooperativo y Cisco WebEx-Spark: una propuesta e-learning Cooperative Learning and Cisco WebEx-Spark: a Proposal e-learning

RESUMEN

El objetivo de este estudio es establecer la relación entre participación, satisfacción y uso de grabaciones con el nivel de aprendizaje a partir de estrategias del aprendizaje cooperativo en un entorno online, mediante la adaptación y empleo del software de videoconferencia Cisco WebEx y Cisco Spark en el curso de Estadística Aplicada a Laboratorios en el Instituto Tecnológico Superior. Tecsup – Lima. Los datos fueron analizados mediante mapas de calor y diagramas de árbol. Los resultados mostraron que la satisfacción se asocia con mayor intensidad con la participación del estudiante y, a su vez, que la participación está más asociada con el nivel de aprendizaje, de modo que se logró una mayor eficiencia en la enseñanza al incorporar las TIC y las estrategias del aprendizaje cooperativo. Es preciso destacar el desarrollo de una cultura digital de aprendizaje en la institución por parte de los docentes al buscar en la tecnología una forma innovadora de aplicación en procesos de enseñanza e involucrar a los estudiantes en el uso de la tecnología para emplearla como medio de su aprendizaje.

ABSTRACT

This article aims to relate the level of participation, satisfaction and use of recordings with the level of learning based on the strategies of cooperative learning in an online environment, by adapting and using the video conference software Cisco WebEx and Cisco Spark in the course of Applied Statistics Laboratory in the Higher Technological Institute Tecsup - Lima. Data was analyzed using heat maps and tree diagrams. The results show that the degree of satisfaction is more strongly associated with the degree of student participation; at the same time, this level of participation had a strong relationship with the level of learning. In this way, a greater efficiency in education was achieved by incorporating ICT and cooperative learning strategies. It should be noted the development of a digital culture of learning in the institution by teachers using the technology in innovative ways for education processes, and include students in the use of these technologies as a means of their learning.

Palabras Clave e-Learning, WebEx, Spark, aprendizaje cooperativo, cultura digital.

Key words e-Learning, WebEx, Spark, Cooperative Learning, Digital Culture.

Volumen 10, 2016

INTRODUCCIÓN

La educación en la actualidad adopta diversas metodologías que se adecúan a los nuevos estilos de vida; no obstante, no todas las formas de impartir enseñanzas tienen buenos resultados. Por ello, es importante fijar mediante estrategias de aprendizaje los procesos educativos que se dan virtualmente, es decir, las clases en entornos online deben organizarse a partir de estrategias de aprendizaje. En nuestro caso, la inserción de herramientas tecnológicas dentro del proceso de enseñanza tuvo la finalidad de hacerlo más amigable e interactivo, en el que el estudiante fue el eje de este caso de estudio. Asimismo, se aplicó una metodología constructivista y se usaron las estrategias del aprendizaje cooperativo. Las actividades se trabajaron en equipos y resultó valiosa la incidencia de aprender con otros, porque se generó un mayor aprendizaje en cada estudiante. Esta nueva forma de enseñar trajo consigo otros criterios de evaluación; pues, la evaluación no era la nota final que decidía si se aprueba un curso, sino que fue parte de la sesión. Como objetivo nos planteamos relacionar la participación, la satisfacción y el uso de grabaciones con el nivel de aprendizaje a partir de la inserción de estrategias del aprendizaje cooperativo en un entorno online, mediante la adaptación y empleo del software de videoconferencia Cisco WebEx y Cisco Spark en el curso de Estadística Aplicada a Laboratorios del cuarto ciclo del Instituto Tecnológico Superior Tecsup.

FUNDAMENTOS

La educación tradicional ha sufrido grandes transformaciones con el aporte de la tecnología como parte del proceso de enseñanza – aprendizaje, que ha contribuido a que el estudiante mejore considerablemente su forma de aprender, pues el uso de otros recursos lo motiva a ser parte de su aprendizaje marcando sus pautas y estilos. Los primeros intentos de esta innovación fueron la educación a distancia, la teleenseñanza, la universidad abierta (en colaboración o cooperativa), la educación asistida por computadora, la universidad virtual y el campus virtual. Sin lugar a dudas, muchas son las ventajas y beneficios que ofrecen las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) entre las cuales podemos destacar la videoconferencia (Gonzales, 2006, p. 1). Cabe resaltar que esta experiencia de innovación educativa se presentó en el II Congreso Internacional de Innovación Educativa, en la Ciudad de México, con la finalidad de aportar con nuevas formas de generar aprendizaje. Basados en los resultados obtenidos se presenta esta investigación. Para el desarrollo de este proyecto se relacionaron tres aspectos estratégicos para obtener un resultado más integral. Se abarcaron tres aspectos importantes para generar un aprendizaje autónomo y perdurable.

CASO DE INNOVACIÓN

Psicológico

Metacognición

Pedagógico

Aprendizaje cooperativo

Tecnológico

TIC Webex-Spark

Figura 1. Aspectos primordiales para el aprendizaje virtual. Fuente: Elaboración propia.

En lo psicológico se tomaron en cuenta los procesos que ocurren en nuestra mente al enfrentarnos a un problema de comprensión (metacomprensión), es decir el estudiante es consciente de lo que sucede en su mente para tratar de comprender; asimismo organiza y controla todos los procesos mentales para tener éxito en su aprendizaje. En lo pedagógico se seleccionaron algunas de las estrategias del aprendizaje cooperativo en equipo por medio de la herramienta virtual WebEx–Spark. Una de ellas fue el rompecabezas, una técnica exacta para el trabajo en equipo en forma virtual, ya que orienta a los estudiantes a aprender en forma independiente con responsabilidad y en equipo con armonía. En lo tecnológico se escogió la enseñanza mediante el software de videoconferencia Cisco WebEx–Cisco Spark, porque se adapta a la idea de trabajar en línea a la vez que se mantiene el dictado presencial, pues el perfil de los estudiantes de esta institución tiende a exigir un seguimiento más profundo sin perder detalles. El e-learning constituye la propuesta que marca una nueva dinámica en el desarrollo de la enseñanza – aprendizaje y por tanto en el estilo de aprendizaje en particular a través del concepto de aprendizaje colaborativo. Sin embargo, tanto dicha propuesta como las variantes B-Learning (Vera, 2005), M-learning, T-learning y R-learning (Proyecto Gobierno de Corea del Sur 2010) carecen de una interacción directa docenteestudiante en el curso de la sesión. Además, si bien usamos la tecnología, el problema es que no se hace buen uso de la misma (situación del estudiante) ni se desarrollan innovaciones en su empleo, de modo que se capitalice al máximo un producto tecnológico (situación del docente). Frente a los problemas mencionados, en este estudio, la videoconferencia es la herramienta tecnológica que se eligió y adaptó al proceso de enseñanza-aprendizaje para el curso de Estadística Aplicada a Laboratorios. Cisco Spark fue diseñado para trabajar en el ámbito de los negocios con pequeños equipos de proyectos que necesitan capacidades de colaboración continuas en salas virtuales permanentes y que no necesariamente requieran las características de conferencia web que ofrece WebEx. En una entrevista, Rob Arnold, gerente del programa de colaboración y comunicaciones unificadas de Frost & Sullivan, indicó: “Spark y WebEx son tan similares que una organización podría optar por implementar una u otra. Pero el valor real está en utilizar ambas plataformas y posicionarlas para servir mejor según los casos de uso”. Para comprender mejor esta situación diremos que la metodología learning, independientemente de la plataforma (gratuita, libre o propietaria), puede ser síncrona o asíncrona. De estas rescatamos la segunda, que puede darse a través de foros, chat, entre otros, y que permiten intercambiar ideas, enviar archivos y compartirlos, pero a la que le falta esa esencia que la educación tradicional sí ofrece: la interacción directa que considera al estudiante como un ente activo en el proceso. En ese sentido, la aplicación Spark como complemento de WebEx, ofrece una mayor interacción a la sesión virtual al posibilitar la socialización que se descuida por la virtualización de los cursos y gracias a la cual el grupo adquiere importancia como espacio de consulta, concertación y colaboración.

Asimismo, la enseñanza debe ser individualizada en el sentido de permitir a cada alumno trabajar de manera personal, con independencia para la participación y a su propio ritmo. Pero, al mismo tiempo es fundamental promover la colaboración y el trabajo grupal. Se ha comprobado que los estudiantes aprenden más, les agrada más la escuela, establecen mejores relaciones con los demás, aumentan su autoestima y aprenden habilidades sociales más efectivas cuando trabajan en grupos cooperativos que de manera individual y competitiva, además de mostrar mayor seguridad en los entornos virtuales. Por ello, se decidió seguir en la línea del aprendizaje cooperativo.

mejora de aprendizaje de los estudiantes. Ello, nos dio la oportunidad, por un lado, de realizar sesiones interactivas entre el docente y los estudiantes. Por otro lado, permitió la interacción permanente entre los alumnos, a partir de actividades grupales aisladas, tal como se muestra en la Figura 2, que facilitaron el intercambio de ideas sin la interrupción de los otros equipos, mientras que el docente puede ingresar a cada grupo de trabajo para que dé orientación, además de verificar el procedimiento de la actividad. Fase WebEx

E1 E2

Aprendizaje cooperativo “Los métodos de aprendizaje cooperativo son estrategias sistemáticas de instrucción que pueden utilizarse en cualquier curso o nivel académico y aplicarse en la mayoría de las asignaturas de los currículos escolares. Todos ellos presentan dos características comunes. Por un lado, permiten dividir la clase en pequeños grupos heterogéneos, representativos de la población total del aula. Por otro, intentan llevar a los miembros de estos grupos a mantener una interdependencia positiva mediante la aplicación de principios de recompensa grupal y una determinada estructuración de la tarea que resulta imprescindible realizar para alcanzar los objetivos propuestos, los cuales se suelen formular desde dos vertientes: individual y grupal” (Serrano y González-Herrero, 1996, [s. p.], citado de Serrano, Moreno, Pons y Lara, 2008). Por todo lo anterior y dadas las características del aprendizaje cooperativo, en Tecsup se adaptó la herramienta de videoconferencia Cisco WebEx-Spark con las estrategias del aprendizaje cooperativo.

METODOLOGÍA

La metodología de la investigación tuvo como muestra noventa y ocho estudiantes del cuarto ciclo reclutados desde el semestre 2014-1 hasta el 2015-1. Los datos fueron recolectados mediante encuesta a través de un cuestionario de preguntas cerradas relacionadas a la satisfacción, utilización de videos y participación. El nivel de aprendizaje fue valorado por el docente del curso. Todas las variables fueron analizadas en una escala ordinal del 1 al 3, donde 1 representa la valoración más baja y 3 la valoración más alta. Para el análisis de los datos se utilizó el software estadístico IBM SPSS Statistics 23.0 y para el análisis descriptivo de los datos se emplearon los mapas de calor categórico para identificar el aprendizaje promedio, según el nivel de participación, uso de videos y satisfacción. Además, los gráficos nos ayudaron a registrar algún tipo de relación; sin embargo, para el reconocer cuantitativamente cómo se relacionaron estas variables, medidas en escala ordinal, se usó el coeficiente de correlación de Kendall. Finalmente, para determinar el mejor predictor y la forma en que relacionan las variables se manejó la técnica de análisis de árboles de clasificación. La metodología didáctica de esta investigación consistió en la inserción de la estrategia de aprendizaje cooperativo, potenciada a través del uso de herramientas de videoconferencia para la

Volumen 10, 2016

Fase Spark E1 Docente

E3 E4 Docente

Docente

E n-2 E n-1 En

E n-1

E n-2

Fase WebEx

E3 E4

Docente

E n-2 E n-1 En

En: Estudiante n- ésimo

Figura 2. Esquema del proceso de enseñanza – aprendizaje mediante el uso de Cisco WebEx-Spark. Fuente: Elaboración propia.

Proceso de implementación de la innovación En el desarrollo de estas actividades se tomaron en cuenta diversas modalidades de innovación educativa: SEGÚN LOS COMPONENTES, se innovó en los procedimientos que conciernen a las operaciones que sirven al logro de los objetivos del curso: ordenación de actividades, tiempos y personas para la realización de las actividades. Asimismo, se trabajó con los procedimientos didácticos de carácter general como la creación de un modelo de enseñanza individualizada, el aprendizaje en pequeños grupos, la didáctica especial de cada competencia. También se introdujeron cambios en el procedimiento de utilización de materiales curriculares e instrumentos didácticos como soportes para el desarrollo de los contenidos: documentos, textos, libros, diapositivas, elementos científicos y técnicos, programas estadísticos, etc. Por último, se incluyeron los procedimientos de estructuración de las clases, según distintas formas de agrupamiento de los estudiantes como grupos heterogéneos para el fomento del aprendizaje cooperativo y la enseñanza del curso de Estadística, que fueron adaptados de acuerdo a la diversidad de los alumnos. SEGÚN EL MODO DE REALIZACIÓN, con el reforzamiento de las clases en el laboratorio se consolidó el trabajo que se pretende lograr, ya que continuamos en la misma línea vigente en el plan temático del área de Estadística. Asimismo, se mejoraron determinados aspectos de los docentes y estudiantes con la intensificación del dominio de estrategias, técnicas, y el refuerzo de comportamientos cooperativos entre alumnos. Además, dentro de un programa de actualización del profesorado, se capacitó en el uso del software Cisco Webex y Cisco Spark.

RESULTADOS

Los mapas de calor de la Figura 3 grafican la relación existente entre el nivel de aprendizaje, la participación y la satisfacción de los estudiantes. Las intensidades de colores representan el nivel de aprendizaje alcanzado por los alumnos: donde el número 3, de color rojo intenso, indica un nivel alto de aprendizaje. A medida que disminuye la intensidad del color, revela que también disminuye el aprendizaje hasta llegar al nivel más bajo representado Media por el número 1. El color blanco indica que no se presentaron (Nivel de casos para los cruces de los factores que se analizaron. aprendizaje)

Participación Participación

Alto

3,00 2,50

2,00 Media 1,50 (Nivel de 1,00 aprendizaje)

Alto Regular

3,00 2,50 2,00 1,50 1,00

Regular Bajo

Bajo

Regular Uso de videos

Alto

Bajo

Regular Uso de videos

Alto

(a) Media (Nivel de aprendizaje)

SatisfacciónSatisfacción

Alto

3,00 2,50

2,00 Media 1,50 (Nivel de 1,00 aprendizaje)

Alto Regular

3,00 2,50 2,00 1,50 1,00

Regular Bajo

Bajo

Regular Uso de videos

Bajo

Regular Uso de videos

Bajo

Alto

(b) 46

3,00 2,50 2,00 1,50 1,00

Regular

Bajo

La experiencia se realizó en tres diferentes ciclos en las sesiones online programadas en las últimas sesiones. Luego, se recolectaron datos de cada ciclo mediante la aplicación de un cuestionario sobre cuatro temas a cada uno de los estudiantes participantes del curso de Estadística Aplicada a Laboratorios. Las preguntas estuvieron relacionadas con el nivel de satisfacción de la plataforma, el grado de participación durante la sesión, el nivel de aprendizaje alcanzado en el curso y la utilidad de las grabaciones.

Bajo

Media (Nivel de aprendizaje)

Alto

Participación

SEGÚN LA INTENSIDAD DEL CAMBIO, se dio de tipo adicional, es decir, a la clase presencial se le añadió sesiones online que reforzaron los temas tratados, porque no se modificó el rol del docente sino los procedimientos y las estrategias, en este caso, las del aprendizaje cooperativo para la enseñanza de algunos temas del curso de Estadística Aplicada a Laboratorios. Igualmente, se desarrollaron capacidades tecnológicas en estudiantes y docentes.

Alto

Bajo

Regular Uso de videos

Alto

(c) Figura 3. Mapas de calor de la relación entre nivel de aprendizaje, participación, uso de videos y satisfacción de los estudiantes en sesiones online. Fuente: Elaboración propia.

La Figura 3a muestra que un promedio alto en el nivel de aprendizaje se obtiene con una alta participación y satisfacción y, viceversa, la baja satisfacción y participación se relacionan con un bajo promedio en el nivel de aprendizaje. Otra observación importante en este gráfico es que con solo conseguir un grado de satisfacción regular en los estudiantes, siempre que el nivel de participación fuese también alto, se alcanza en promedio un nivel alto de aprendizaje. Con respecto al uso de las grabaciones o los videos realizados online, mostrados en la Figura 3b, encontramos que su alto grado de uso junto con un alto grado de satisfacción tuvo como resultado un promedio alto en el nivel de aprendizaje. Sin embargo, en estudiantes en los que el uso de los videos o grabaciones no generó un alto nivel de satisfacción, no se alcanzó un aprendizaje adecuado. Asimismo, se puede observar en la Figura 3c que la alta participación en las sesiones online junto con un alto grado de uso de las grabaciones permitió a los estudiantes alcanzar un nivel de alto aprendizaje, incluso en aquellos que solo utilizaron los videos en forma regular. El anterior análisis con los mapas de calor nos ofrece las tendencias de cómo el promedio del aprendizaje de los estudiantes podrían estar relacionados con los demás factores, pero no se tiene un valor numérico que cuantifique el nivel de asociación. En la Tabla 1, se muestra cuantitativamente el nivel de relación del aprendizaje con los demás factores en estudio, en ella se pudo encontrar una correlación de Kendall muy alta (r=0.907) y estadísticamente significativa (p_value < 0.01) entre el aprendizaje y la participación, además de ser la más alta correlación en comparación de los otros factores, mientras que la relación más baja se dio con el uso de los videos con un valor de 0.583 de correlación, lo cual no implica que no estén relacionados sino que su relación no es muy alta. También se encontró correlaciones entre los factores. En el caso de la satisfacción y participación esta fue de moderada a buena, mientras que la correlación con el uso de los videos obtuvo una moderada de 0.500, y todas ellas estadísticamente significativas (p_value < 0.01).

Tabla 1 Matriz de correlaciones entre el aprendizaje y los factores en estudio Aprendizaje

Coeficiente de correlación Sig. (bilateral) N Coeficiente de correlación Sig. (bilateral) N Coeficiente de correlación Sig. (bilateral) N Coeficiente de correlación Sig. (bilateral) N

Aprendizaje

Participación Tau_b de kendall Satisfacción

Uso de videos

Participación

Satisfacción

Uso de videos

1,000

,907**

,735**

,583**

. 98 ,907**

,000 98 1,000

,000 98 ,757**

,000 98 ,685**

,000 98 ,735**

. 98 ,757**

,000 98 1,000

,000 98 ,500**

,000 98 ,583**

,000 98 ,685**

. 98 ,500**

,000 98 1,000

,000 98

. 98

** La correlación es significativa en el nivel 0.01 (bilateral)

Fuente: Elaboración propia.

Los árboles de decisión son una técnica de minería de datos que nos ayuda a encontrar (en este caso) un modelo que clasifique el buen aprendizaje a partir de los niveles alcanzados en los factores tales como: satisfacción, participación y uso de vídeos. En el diagrama de árbol de la figura 4 solo logra identificar la participación de los estudiantes como el único predictor explicativo en este modelo, y es justamente, porque tiene la mayor correlación, tal como se muestra en la tabla 1. La no inclusión de los otros factores, satisfacción y uso de vídeos, no es porque no exista relación con el aprendizaje, sino, porque uno de los requisitos que deben de cumplirse con estos modelos, es que entre los factores o variables independientes no deben estar correlacionados, tal como se muestra en la tabla 2. Aprendizaje Nodo 0 Categoría Bajo Regular Alto

Bajo Regular Alto

Total

100,0 98 -

Participación Valor P corregido= 0,000, chicuadrado= 71,954, df=1

DISCUSIÓN

> Regular

Nodo 1 Categoría

Nodo 2 %

Categoría

Bajo Regular Alto

38,9 7 55,6 10 5,6 1

Bajo Regular Alto

0,0 0 2,5 2 97,5 78

Total

18,4 18

Total

81,6 80

Figura 4. Diagrama de árbol que relaciona el nivel de aprendizaje y el grado de participación de los estudiantes en sesiones online. Fuente: Elaboración propia.

La Figura 4 nos muestra el diagrama de árbol de clasificación que relaciona entre nivel de aprendizaje y nivel de participación de los estudiantes en las sesiones online. Se distingue que el 80,6% de

Volumen 10, 2016

Otra forma de expresarlos es mediante el uso de probabilidades condicionales. Así, el nivel de aprendizaje corresponderá el evento de interés a calcular y el grado de participación a un evento condicional. Si se sabe de antemano que el estudiante tuvo alta participación (> Regular) en las sesiones online, la probabilidad de que un alumno alcance un nivel alto aprendizaje es del 97,5%. Para el otro caso, solo de aquellos estudiantes que obtuvieron una baja o regular participación, la probabilidad de alcanzar un buen aprendizaje es del 5,6%. Estos resultados pueden también ser analizados, si consideramos que los eventos ocurren de forma simultánea. Así, la probabilidad de tener a la vez un alto nivel de aprendizaje y participación equivale a 0,806*0,975 = 0,786, es decir, elevada participación y alto grado de aprendizaje a la vez ocurren con una probabilidad del 78,6%. En el caso contrario, la probabilidad de tener a la vez un grado de participación bajo o regular y un alto nivel de aprendizaje, es de 4,5% (0,806*0,056 = 0,045).

7,1 7 12,2 12 80,6 79

<= Regular

los estudiantes afirmaron haber logrado un alto nivel de aprendizaje. Asimismo, se observa que de aquellos estudiantes que tuvieron alta participación (> Regular), el 97,5% alcanzaron un alto grado de aprendizaje, en tanto que la cifra para los que tuvieron una participación regular (< Regular) o baja, el 55,6% declaró un nivel de aprendizaje regular.

La experiencia de incluir la tecnología de forma innovadora en el curso de Estadística Aplicada a Laboratorios en las últimas sesiones de cada ciclo nos ha permitido iniciar las mejoras de nuestros procesos de enseñanza. Asimismo, los resultados avalan que la mayoría de los estudiantes lograron un mejor aprendizaje y una alta participación en un entorno que le es familiar, por lo que se sintieron satisfechos. Además, los estudiantes fueron entrevistados de forma abierta y manifestaron que se sintieron más confiados para participar durante la sesión de la clase. Sobre este punto, reproducimos la respuesta literal de un alumno: “Mi experiencia con esta herramienta es que no siento timidez a la hora de preguntar, no creo que mi pregunta sea tonta, solo la realizo y ya”. 47

El clima que se origina en un ambiente de trabajo armonioso, ya sea virtual o presencial, es determinante para que se genere el aprendizaje, porque hay una interacción sin barreras entre los integrantes. “Según, Benítez (2015): Con respecto al nivel de satisfacción del alumnado con el taller realizado en Entornos Personales de Aprendizaje con el uso de las TIC, se hizo mucho hincapié en la gran variedad de alternativas de comunicación: alumnadoalumnado, alumnado-profesorado y viceversa. Asimismo, se tuvo opiniones concretas y muy positivas de que en el aula se había generado una buena comunicación y un sentimiento de equipo” (p. 294). En cuanto a la participación, los mismos autores afirman: “A través del desarrollo de prácticas inclusivas se intenta que las actividades en el aula y las que se producen fuera del horario lectivo de clase, fomenten la participación de todo el alumnado, teniendo en cuenta sus conocimientos y experiencias. Dentro de esta dimensión se pueden determinar dos grandes bloques que la definen: por un lado, coordinar el proceso de aprendizaje y, por otro lado, movilizar recursos dentro de los cuales encuadraríamos las formas de trabajo alternativas que se han planteado anteriormente, como es el aprendizaje cooperativo y DUA (diseño universal de aprendizaje)” (pp. 75-76). Asimismo, los estudiantes manifestaron que se sintieron entre muy satisfechos y satisfechos por la comodidad de la sesión desde su hogar, ya que las clases eran por videoconferencia. Al respecto, citamos la opinión de uno de los participantes: “Me siento más concentrado con la clase ya que no hay nada que me interrumpa”. La satisfacción también estuvo asociada a la mayor disponibilidad de tiempo. Los estudiantes manifestaron, además, que aprendieron mucho con las grabaciones de estas clases y con el software de videoconferencia. Según Gonzales (2006): “Sin lugar a dudas, muchas son las ventajas y beneficios que ofrecen las tecnologías de información y comunicación (TIC) entre las que podemos destacar la videoconferencia” (p. 121). Los datos obtenidos indican que el desarrollo de una cultura digital de aprendizaje ejerce influencia en los niveles de aprendizaje y la capacidad de socialización de los estudiantes, lo que fomenta la disposición de alumnos y docentes por profundizar más en el uso de herramientas tecnológicas y propiciar su aplicación innovadora en el proceso de enseñanza–aprendizaje. El factor innovador es la nueva comunicación que podemos desarrollar entre docente-docente, estudiante-estudiante y docente-estudiante y dejar de lado la forma física (síncrona) por una mixta física-virtual (síncrona y asíncrona), aunque esta última puede generar una disminución en el nivel de socialización al perder el contacto humano. Otro factor que podemos discutir es el papel que asumen las organizaciones educativas y no educativas, que deben considerar el desarrollo de una cultura digital de aprendizaje asociada a su cultura organizacional en los procesos de agilización, colaboración y capacitación, a partir del cual fomentarán la innovación y la creatividad. En nuestro caso, los estudiantes poseen un perfil que está íntimamente ligado con dichos factores.

CONCLUSIONES • En primer lugar, se relacionó el grado de participación, satisfacción y de uso de las grabaciones con el nivel de aprendizaje a partir de la inserción de las estrategias del aprendizaje cooperativo en un entorno online, mediante la adaptación y el empleo del software de videoconferencia Cisco WebEx y Cisco Spark en el curso de Estadística Aplicada a Laboratorios. • Se alcanzó un alto nivel de aprendizaje de los estudiantes en las sesiones online programadas, el cual estuvo asociado al grado de participación, satisfacción y de uso de los videos. • Con respecto al nivel de aprendizaje, se observó una fuerte relación positiva con el nivel de participación, es decir, a mayor participación mayor nivel de aprendizaje y viceversa. • El nivel de la satisfacción se encontró muy asociado al nivel de participación, pese a haber tenido a lo más una participación regular, se identificaron casos de sentirse satisfechos. • Las grabaciones de clases online fueron muy utilizadas y probablemente para consolidar el aprendizaje. Sin embargo, en este estudio esta relación no fue la más alta y no fue considerada en el diagrama de árbol. • También, se logró una mayor eficiencia del docente en la enseñanza-aprendizaje del curso de Estadística Aplicada a Laboratorios al integrar el software de videoconferencia Cisco WebEx y Cisco Spark y las estrategias del aprendizaje cooperativo. • Finalmente, este trabajo aportó al buen desenvolvimiento del estudiante frente a una clase virtual, al fomentar una cultura digital en la comunidad estudiantil.

REFERENCIAS

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Benítez, R. (2015). Los entornos personales de aprendizaje como herramientas para la eliminación de barreras al aprendizaje y la participación del alumnado diverso en la universidad (Tesis doctoral). Universidad de Sevilla, España.

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[5] Fuentes, J. (2006). Incidencia de la satisfacción laboral docente y el ambiente de aula en el rendimiento académico de los estudiantes universitarios (Tesis doctoral). Universidad de Sevilla, España

ACERCA DE LOS AUTORES Ernesto Zeña Raya

[6] Gonzales, J. (2006). B-Learning utilizando software libre, una alternativa viable en Educación Superior. Revista Complutense de Educación, 17 (1), 121-133. Recuperado de: http://revistas.ucm.es/index.php/RCED/article/view/ RCED0606120121A/15890 [7] Hernández, J., Ramírez, M., & Ferri, C. (2004). Introducción a la minería de datos. Pearson. [8] Serrano, J., Moreno, T., Pons, R., & Lara, R. (2008). Evaluación de programas de formación de profesores en métodos de aprendizaje cooperativo, basada en análisis de ecuaciones estructurales. Revista Mexicana de Investigación Educativa, 10 (2), 681-712. Recuperado de http:// redie.uabc.mx/redie/article/view/207 [9] Suárez, C. (2010). Aprendizaje cooperativo e interacción asíncrona textual en contextos educativos virtuales. PixelBit Revista de Medios y Educación, 36, 53-67. Recuperado de http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=36815128004 [10] Vera, F. (2008). La modalidad Blended–Learning en la Educación Superior. Recuperado de http://sistemas2. dti.uaem.mx /evadocente/programa2/Farm007_14/ documentos/b-learning_en_educacion_superior2008.pdf [11] Zeña, E., Torres, J., & Fernández, J. (2015). Modelo de aprendizaje cooperativo Cisco WebEx y Spark como base para una nueva propuesta de formación e-learning: Una experiencia en el curso de Estadística Aplicada a Laboratorios. II Congreso Internacional de Innovación Educativa, (pp. 334-337). Monterrey, México. Recuperado de https://drive.google.com/a/tecsup. edu.pe/file/d/0Bxu5PCww2WDQSnAtbmRmN0FXejg/ view?ts=566cbf03

Volumen 10, 2016

Licenciado en Estadística, Universidad Nacional Mayor de San Marcos (UNMSM). Estudios de maestría en Estadística, Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP). Actualmente es consultor estadístico en asuntos sociales y de la industria. Se desempeña como docente e investigador en Tecsup. ezena@tecsup.edu.pe Jaime Alfonso Fernández Caycho Licenciado en Educación, bachiller en Ingeniería de Sistemas y egresado de la maestría en Informática por la Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Docente e investigador a tiempo parcial en Tecsup y otras instituciones de educación básica y superior. jfernandeza@tecsup.edu.pe Julia Lizet Torres Rivera Estudios de doctorado con mención en Ciencias de la Educación, Universidad Nacional de Educación Enrique Guzmán y Valle (UNE). Diplomado en TIC en la Educación Superior, Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP). Becada por el Tecnológico de Monterrey. Actualmente se desempeña como docente, capacitador e investigador en educación y tecnología en Tecsup. jtorres@tecsup.edu.pe

La industria del software tiene el desafío de

construir una nueva generación de sistemas

capaces de proveer servicios en la nube, movilidad y servicios físico-cibernéticos en dispositivos inteligentes (Smart).

Juan Restrepo, Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (USP) / Jorge Risco, Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (USP) / Ana Rossi, Universidad Presbiteriana Mackenzie / Fabio Silva, Universidad Presbiteriana Mackenzie

Utilización de la técnica QFD en una arquitectura de procesos de software Using the QFD technique in a software process architecture

RESUMEN

Varios modelos del Despliegue de la Función de Calidad (QFD) han sido propuestos para la industria del software como técnica de gestión de requerimientos. Sin embargo, dichos modelos describen las actividades y productos de trabajo de la técnica sin explicar cómo utilizarla en procesos ya definidos para un ambiente de producción de software específico. El objetivo de este trabajo es presentar un método para la inserción de la técnica QFD en una arquitectura de procesos de software basada en el Modelo Integrado de Madurez de Capacidades para Desarrollo (CMMI-DEV). El resultado de la aplicación del método fue la actualización del objeto proceso de gestión de requerimientos según los elementos procedimentales de la técnica QFD.

ABSTRACT

Different Quality Function Deployment (QFD) models have been proposed as a requirements management technique for software industry. Although these models describe the activities and work products of the technique, they don’t detail how to apply QFD in a defined process for a given software production environment. The aim of this paper is to present a method for integrating QFD in a software process architecture based on the Capability Maturity Model Integration for Development (CMMIDEV). Applying this method, the requirements management of process objects was updated according to the procedural elements of QFD.

INTRODUCCIÓN

La industria del software tiene el desafío de construir una nueva generación de sistemas capaces de proveer servicios en la nube, movilidad y servicios físico-cibernéticos en dispositivos inteligentes (Smart). Estos sistemas operan en ambientes complejos de negocio en los cuales la información y la infraestructura de diferentes organizaciones están interconectadas a gran escala. En este contexto, requerimientos de calidad como la resiliencia, usabilidad, privacidad y seguridad son mandatorios. Por ello, no basta con que la gestión de la calidad del software se ocupe solo de atender los requerimientos funcionales y disminuir la cantidad de errores, fallas y defectos en operación. La misión del gestor de la calidad del software es garantizar que los sistemas entreguen el valor esperado al negocio [1], por lo que es necesario integrar la gestión de la calidad con la gestión de producto y la gestión de la tecnología de información (TI) [2]. La agilidad y calidad requeridas en el desarrollo de esos sistemas modernos de software hacen que las empresas de la industria del rubro sean entendidas como sistemas vivos y adaptativos, que deben ser capaces de responder a cambios como la adaptación de la estructura y operación de los procesos para integrar ambientes de producción, a la adopción de buenas prácticas de los modelos de calidad o la automatización de los procesos [3]. Para mejorar los procesos del software como estrategia de gestión de la calidad, son utilizados modelos de procesos tales como ISO 15504 [4], ISO 29110 [5], el Modelo de Procesos para la Industria del Software (MoProSoft) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) [6], el Modelo de Mejoría de Pro-

Palabras Clave Arquitectura de procesos de software, QFD, SQFD, mejora de procesos de software.

Key words Software Process Architecture, QFD, SQFD, Software Process Improvement.

Volumen 10, 2016

En la sección Fundamentos se explican los conceptos de arquitectura de procesos, objeto proceso y QFD en la industria del software. La sección Metodología expone el método de inserción de técnicas en APS, y la sección Aplicación del Método muestra los resultados de dicha aplicación en el contexto ya introducido. Finalmente, la última sección presenta las conclusiones. 52

Niveles de jerarquía Estratégico

Unidades de negocio ... TI y operaciones Financiero Recursos Humanos Ambiente de producción de software

Gerencial

es a pr

ión ac ión

Operacional

pu t

Este trabajo utiliza el Design Science Research (DSR) [20] como método de investigación. Para eso, se entendió el conocimiento más moderno en APS por medio de una investigación científica inspirada en su aplicación práctica. El contexto para el DSR (escenario de aplicación) es un ambiente de producción de software operado por los estudiantes del quinto año del curso de Ingeniería de Computación de la Escuela Politécnica da Universidad de São Paulo (POLI-USP), Brasil. Este ambiente posee una APS basada en el segundo nivel de madurez del modelo CMMIDEV. Para aumentar la calidad de los procesos se propuso insertar el QFD en la APS. El artefacto para el DSR fue el método de inserción de técnicas en la APS y el tratamiento para el DSR fue la aplicación del método para insertar el QFD en la APS del ambiente de producción de la POLI-USP.

La APS es un modelo conceptual para la definición y mantenimiento de los procesos asociados al ciclo de vida del software, de la relación entre esos procesos y de la relación con procesos de otras unidades de negocio de la organización. La APS debe estar alineada con los objetivos de negocio, con la estrategia y con la arquitectura corporativa de la empresa [11].

Inf

Dado que la APS es un área de investigación en evolución y experimentación, y para facilitar el uso de técnicas en ambientes de producción de software, este artículo presenta un método para insertar la técnica QFD en una APS con el objetivo de mejorar la calidad de los procesos de software.

La especificación obtenida a partir del punto de vista empresa del RM-ODP describe el propósito, las responsabilidades y actividades de la empresa. En el contexto de la arquitectura corporativa, dicha especificación debe proveer un modelo de la arquitectura del negocio [23], de la cual es parte la arquitectura de procesos (AP). Una AP debe contener los objetivos globales, principios generales, modelos y directrices de los procesos [12]. El alcance de este trabajo, destacado en el gris más oscuro en la Figura 1, son los elementos de la AP corporativa que representan conceptualmente los procesos del ambiente de producción del software, o sea, la APS.

Co m

Concretamente, el QFD (Quality Function Deployment) ha sido aplicado en la industria del software como técnica para la gestión de requerimientos [16] [17], garantía de la calidad del producto, análisis de costo [18] e incluso como herramienta para la adaptación del modelo de calidad CMMI dentro del mejoramiento de procesos de un ambiente de producción del software [9] [19]. En estas aplicaciones se presentaron las actividades y productos generados por el QFD, pero no se detalla cómo el QFD puede ser usado por los procesos de la organización.

La Figura 1 muestra el modelo de FIS. El conjunto de todas las vistas, niveles de jerarquía y unidades de negocio conforman la arquitectura corporativa de la empresa de software.

no log ía en ier ía

Precisar la participación de cada equipo de un mismo proyecto de software, además de la interacción entre ellos, es un factor crítico de éxito en la mejora de procesos de software [13]. Por ello, la APS debe describir tanto la estructura como la operación de los procesos. Especificar dicha operación comprende la selección e inserción de los métodos, técnicas y herramientas de ingeniería de software que van a componer una APS. También algunas prácticas originarias de la manufactura, por ejemplo, Kanban [14], Kaizen [15] y QFD [16], han sido adaptadas y utilizadas para mejorar los procesos de software.

El modelo de Fábrica Integrada del Software (FIS) [21] presenta un enfoque de arquitectura corporativa para empresas de esta industria. El modelo FIS es representado por los niveles de jerarquía estratégica, gerencial y operacional; las unidades de negocio de la empresa, entre ellas el ambiente de producción de software; y, las vistas arquitecturales de la empresa definidas según los cinco puntos de vista del Modelo de Referencia para Procesamiento Abierto Distribuido (RM-ODP, del inglés Reference Model of Open Distributed Processing) [22]. Cada punto de vista tiene un dominio arquitectural determinado por una especificación que describe una proyección de la empresa de software (entendida como un sistema).

Ing

Los modelos de procesos de software son conjuntos de buenas prácticas que indican “qué” hacer y dejan a las empresas definir “cómo” hacer [9]. En la práctica, esos modelos son adaptados a ambientes de producción de software específicos según los requerimientos del negocio de cada empresa [9]. Como resultado de la adaptación de uno [10] o varios de dichos modelos simultáneamente [11], se definen los procesos del ambiente de producción de software, conceptualmente representados por una Arquitectura de Procesos de Software (APS). Es a través de la APS que los procesos, sus interfaces y relaciones son proyectados, visualizados y mantenidos [12].

FUNDAMENTOS

Te c

ceso del Software Brasileiro (MPS.br) de la Softex [7] y el CMMI (Capability Maturity Model Integraton) del Instituto de Ingeniería de Software (SEI, Software Engineering Institute) [8].

Puntos de vista del RM-ODP

Figura 1: Visión corporativa de una empresa de software a través del modelo de Fábrica de Software Integrada. Fuente: Adaptado de Borsoi, B., & Becerra, J. “A Method to Define an Object Oriented Software Process Architecture”. 19th ASWEC, Perth, WA: IEEE. 2008.

Para definir una APS deben construirse sus abstracciones. Para ello, el ambiente de producción de la POLI-USP, que es el escenario de aplicación en este estudio, se procedió de la siguiente forma [10] [12] [24]:

En la abstracción conceptual, la estructura de un elemento proceso se define como un conjunto de actividades (variantes e invariantes), precondiciones (artefactos e información para ejecución del proceso), poscondiciones (resultados obtenidos), e interfaces de entrada y salida.

La abstracción de referencia está compuesta por las buenas prácticas establecidas en el modelo CMMI para el nivel 2 de madurez.

organizacional) y los artefactos (entradas y productos de trabajo de las actividades). El comportamiento del OP es definido en la especificación de las actividades y por la relación entre los OP. El OP opera a través de la acción de las actividades y el resultado de su comportamiento puede ser observado en la actualización de los artefactos.

Proceso: Gestión de requerimientos

La abstracción operacional resulta de la instanciación de la abstracción de referencia considerando los requerimientos del negocio de la POLI-USP.

- Product Backlog: Artefacto - Estimaciones de los requerimientos: Artefacto - Cambios de los requerimientos: Artefacto - Evidencia de validación: Artefacto

La abstracción de proyecto se deriva de la instanciación de la abstracción operacional teniendo en cuenta las características específicas del proyecto definido para cada curso.

+ Listar los requerimientos ( ): Artefacto + Analizar relación entre los requerimientos ( ): Artefacto + Analizar estimaciones de los requerimientos ( ): Artefacto + Validar Product Backlog con el inversionista ( ): Artefacto + Registrar cambios en los requerimientos ( ): Artefacto + Actualizar Product Backlog ( ): Artefacto

La abstracción de la base de conocimiento es producto de la colección del histórico de uso de la APS en cada instancia del curso.

La Figura 2 es un modelo conceptual que representa la APS como el componente de la AP corporativa que define y gestiona los procesos del ambiente de producción de software. Es decir, los procesos asociados al ciclo de vida del producto software; la APS como parte de la vista arquitectural empresa del RM-ODP; los procesos categorizados en los niveles de jerarquía corporativos, conforme el modelo de FIS; los procesos definidos por la adaptación de normas y modelos de procesos de software según los requerimientos de negocio de cada empresa; y, la operación de los procesos especificada al nivel de proyecto por el uso de conceptos, metodologías, técnicas y herramientas de la ingeniería del software.

Arquitectura de procesos de software

Operacional

Bases de conocimiento

Gerencial

La Figura 3 muestra el objeto proceso gestión de requerimientos, que es de interés en este trabajo, pues es el elemento arquitectural en que el QFD fue insertado. b) Despliegue de la Función de Calidad (QFD) en el desarrollo de software El QFD fue concebido en la manufactura con el objetivo de traducir los requerimientos de los clientes en requerimientos técnicos apropiados para cada fase del desarrollo de un producto [26]. Actualmente, es también usado en todo el mundo en la mejora y desarrollo de servicios [9].

Niveles de jerarquía Estratégico

Figura 3 – Diagrama del objeto proceso gestión de requerimientos mediante el UML. Fuente: Elaboración propia.

Abstracción conceptual

Entre los beneficios registrados por el uso del QFD se destacan la reducción en el número de alteraciones en un proyecto; el aumento de la calidad apreciada por los clientes [27] [28]; y una mejor comunicación entre equipos multidisciplinarios [29].

Abstracción de referencia Abstracción operacional Abstracción de proyecto

Punto de vista del RM-ODP

Ambiente de producción de software

Figura 2 - Abstracciones de una Arquitectura de Procesos de Software. Fuente: Adaptado de Pesantes, M. H., Lemus, C., Mitre, H., & Mejia, J. “Software Process Architecture: Roadmap”. Ninth Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference (págs. 111 - 116). Cuernavaca: IEEE. 2012.

El enfoque tradicional del QFD en la manufactura es un proceso de cuatro fases: Planeación del producto, diseño del producto, planeación del proceso y control del proceso [30]. Para cada fase se crea una matriz. La que corresponde a la primera de estas fases, llamada casa de la calidad (CDLC) QFD, es la principal. La Figura 4 presenta los elementos de dicha matriz: •

a) Objeto proceso • El elemento arquitectural de la APS es el objeto proceso (OP), o sea los procesos de la APS son representados como OP en término de su composición, comportamiento y relación de acuerdo con un dominio y un contexto específicos [24] [25].

• • •

Un OP, esquematizado en la Figura 3, es una entidad discreta que encapsula los atributos y actividades de un proceso y los ofrece a través de interfaces [21]. Los atributos del proceso son los papeles (asociados a las funciones de negocio del modelo

Volumen 10, 2016

•

El “qué” lista de forma estructurada los requerimientos del cliente. El “peso” cuantifica la prioridad de los requerimientos del cliente. El “cómo” enumera los requerimientos técnicos del producto. Los “objetivos” definen la forma de medir y priorizar los requerimientos técnicos. La “correlación” sirve para identificar si los requerimientos técnicos se soportan o impiden entre ellos. La “interrelación” define la relación entre los requerimientos del cliente y los requerimientos técnicos.

¿Qué?

CDLC Fase 1

CDLC Fase 2

Correlación

¿Cómo?

Interrelación

Peso

¿Qué?

Interrelación

Requerimientos del negocio del cliente

CDLC clásica

Correlación Requerimientos no funcionales

Objetivos Requerimientos funcionales

Tabla de la voz del cliente Requerimientos funcionales Requerimientos del negocio del cliente

CDLC del software

Puntos del análisis del diseño

Peso

En el software es necesario distinguir entre requerimientos del negocio del cliente (quién usa y para qué), requerimientos funcionales (funciones del producto) y requerimientos no funcionales (características de calidad). Ello implica que cuando se aplica al desarrollo de productos de software, el QFD tradicional de la manufactura necesita ser adaptado [32] [33].

Fase de diseño del producto

Requerimientos no funcionales

Peso

La diferencia de un producto manufacturado con relación a un producto de software es que este último no es identificado por sus características físicas sino por su comportamiento, es decir, no es valorado por lo que es sino por lo que hace y cómo lo hace.

Fase de planeación del producto

Objetivos

Peso

Como muestra la Figura 4, el “cómo” y los “objetivos” de la primera matriz se tornan respectivamente el “qué” y el “peso” de la segunda matriz, y así sucesivamente [31].

Objetivos Figura 5 - Modelo PriFo QFD para software adaptado al contexto de este trabajo. Fuente: Adaptado de Herzwurm, G., Schockert, S., & Pietsch, W. “QFD for Customer-Focused Requirements Engineering”. International Requirements Engineering Conference (págs. 330 - 338). IEEE. 2003. Peso

METODOLOGÍA Objetivos

Objetivos

Figura 4 - Casa de la calidad del QFD y desdoblamiento entre las fases. Fuente: Adaptado de Herzwurm, G., Schockert, S., & Pietsch, W. “QFD for Customer-Focused Requirements Engineering”. International Requirements Engineering Conference (págs. 330 - 338). IEEE. 2003.

Con base en los modelos de Zultner [34], Shindo [35] y Ohmris [36], Herzwurm propuso el modelo PriFo QFD para software [16], también conocido como Ingeniería de Requerimientos Conjunta por sugerir reuniones interdisciplinares para construir las matrices del QFD. En el modelo PriFo, representado en la Figura 5, la matriz clásica del QFD de la fase de planeación del producto es dividida en dos: 1) CDLC clásica: en la que el “cómo” clásico de la manufactura es substituido por los requerimientos no funcionales e; 2) CDLC del software: en la cual el “cómo” clásico de la manufactura es reemplazado por los requerimientos funcionales. En este modelo, la matriz de la fase de diseño del producto es construida colocando los requerimientos funcionales en el “qué” y los requerimientos no funcionales en el “cómo”. En la “interrelación” entre requerimientos funcionales y no funcionales se registran puntos que justifican las decisiones arquitecturales. El modelo PriFo no considera las dos últimas fases del QFD: planeación del proceso y control del proceso.

En la construcción de una APS, modelos de procesos abstractos son transformados en modelos de procesos ejecutables. Esta transformación es conocida como instanciación o “tailoring” de procesos. La instanciación sucede cuando es preciso especializar los procesos para tener en cuenta requerimientos específicos de un nuevo contexto que necesita ser descrito [10]. Dias propuso un método de instanciación de APS, el cual está compuesto de tres fases: especificación de los procesos, modelado de los procesos y proyecto de los procesos. El autor utilizó en su método el objeto proceso [21] como elemento arquitectural. Es importante resaltar que, cuando se utiliza el método Dias en la instanciación de una APS del nivel de abstracción de referencia para el nivel de abstracción operacional, se considera una empresa específica como contexto y los requerimientos de los procesos son los requerimientos de negocio de la empresa. En otro contexto, el empleo de la instanciación en una APS del nivel de abstracción operacional para el nivel de abstracción de proyecto supone un proyecto específico como contexto y los requerimientos de los procesos son los requerimientos de aquel proyecto. MÉTODO DE INSERCIÓN DE TÉCNICAS EN ARQUITECTURAS DE PROCESOS DEL SOFTWARE La inserción de una técnica en una APS es entendida como una forma de instanciación de la misma para una nueva versión de la APS. El método para insertar la técnica QFD en una APS usa una adaptación del método del Dias1 (Figura 6).

1 El método adaptado de Dias, utilizado para la inserción de la técnica QFD en el contexto de la APS, genera una nueva versión de la APS.

QFD, o sea las tareas y productos de trabajo que deben ser insertados en el contexto de la APS.

Dicha adaptación se hizo del siguiente modo: •

•

Considera la propia APS como contexto de la instanciación y la utilización de la técnica QFD como requisito del proceso. La APS es instanciada sin una transformación entre niveles de abstracción. No es necesaria la actividad “organizar modelos en niveles de abstracción” en la fase de proyecto de los procesos del método Dias.

•

La APS a adaptar se relaciona con los requerimientos de los procesos sino con los elementos procedimentales de la técnica.

•

No son consideradas las actividades de validación del método de Dias pues el único requisito del proceso es la utilización de la técnica QFD.

En vez de identificar los requerimientos de los procesos, son identificados los elementos procedimentales de la técnica

Figura 6. Método de instanciación de APS adaptado para inserción del QFD Fuente: Adaptado por Dias, L. D. “Método de Instanciação de uma Arquitetura de Processos Aplicado em Fábrica de Software”. Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção de título de Mestre em Engenharia. São Paulo. 2010.

APLICACIÓN DEL MÉTODO a) Escenario de aplicación El escenario de aplicación del método es el ambiente de producción de software del Laboratorio de Tecnología de Software (LTS) de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (POLIUSP). Este ambiente es operado por los estudiantes del quinto año del curso de Ingeniería de Computación para el desarrollo del prototipo de un producto innovador. La Figura 7 muestra la APS del LTS en el nivel de abstracción operacional.

Volumen 10, 2016

En dicha figura se utilizó el diagrama de objetos UML para representar gráficamente los OP y la relación entre ellos. A pesar de haber quedado ocultos, cada OP posee sus atributos y actividades de la misma forma presentada en la Figura 3. Como la APS del LTS fue definida sobre la base del CMMI DEV nivel 2 de madurez, en la instanciación de los procesos se decidió que los nombres de los OP correspondieran a las áreas de proceso del CMMI DEV, con excepción del área de procesos de garantía de la calidad que fue integrada en el OP de monitoreo y control del proyecto.

b) Resultados de la aplicación del método Los cuadros 1 y 2 describen parte del resultado de la fase Especificación de los procesos del método de instanciación de APS adaptada para la inserción del QFD considerando solo el OP gestión de requerimientos. El resultado total incluye la repetición de ambos cuadros para todos los OP de la APS del LTS relacionados con el QFD. Cada columna corresponde al resultado de una actividad de la primera fase del método, del siguiente modo: •

Las columnas Artefactos del QFD del Cuadro 1 y Tareas del QFD del Cuadro 2 fueron rellenadas en la actividad 1.1 Identificar los elementos procedimentales del QFD del método de la Figura 6.

•

Las columnas Artefactos del OP gestión de requerimientos del Cuadro 1 y Actividades del OP gestión de requerimientos del Cuadro 2 fueron rellenadas en la actividad 1.2 Relacionar los elementos procedimentales del QFD con la APS a adaptar del método de la Figura 6.

•

La columna Acción a ser tomada del Cuadros 1 y la columna Acción a ser tomada del Cuadro 2 fueron rellenadas en la actividad 1.3 Especificar los procesos de la APS actualizados por el QFD del método de la Figura 6. Las posibles acciones a ser tomadas (en ambos cuadros) son: Expandir significa que el artefacto (Cuadro 1) o la actividad (Cuadro 2) del OP gestión de requerimientos precisa ser expandido para incluir los elementos procedimentales del QFD que están relacionados; Mantener significa que el artefacto (Cuadro 1) o la actividad (Cuadro 2) del OP gestión de requerimientos ya incluye un elemento procedimental equivalente al del QFD y entonces el OP no será alterado; Adicionar indica que no hay artefactos (Cuadro 1) o actividades (Cuadro 2) en el OP gestión de requerimientos que se relacionen con ningún elemento procedimental del QFD y entonces será adicionado al OP.

Artefactos del QFD

Artefactos del OP gestión de requerimientos

Lista de requerimientos de negocio en el lenguaje del cliente

Lista de requerimientos de negocio

Adicionar

Peso de los requerimientos de negocio según el cliente

Product Backlog

Mantener

Lista de requerimientos funcionales

Product Backlog

Mantener

Casa de la calidad del software (matriz de relación de los requerimientos de negocio en el lenguaje del cliente con requerimientos funcionales)

Casa de la calidad del software

Adicionar

Casa de la calidad del QFD

Casa de la calidad QFD

Adicionar

Cuadro 1. Matriz de relación de los artefactos del QFD con el objeto proceso gestión de requerimientos Fuente: Elaboración propia.

Tareas del QFD :Monitoreo y control del proyecto

:Planeación del proyecto

:Medidas y análisis

:Gestión de requerimientos

:Ingeniería del producto

:Gestión de la configuración

:Arquitectura

:Desarrollo de software

Figura 7. Arquitectura de objetos proceso de software del laboratorio de tecnología de software LTS Fuente: Elaboración propia.

Acción a ser tomada

Actividades del OP Gestión de requerimientos

Acción a ser tomada

Listar los requerimientos de negocio en el lenguaje del cliente

Listar los requerimientos

Expandir

Asociar para cada requerimiento del cliente un peso que indique su prioridad

Listar los requerimientos

Expandir

Priorizar los requerimientos del cliente

Listar los requerimientos

Expandir

Listar los requerimientos funcionales

Listar los requerimientos

Expandir

Definir una métrica para evaluar cada requerimiento funcional y establecer un valor como objetivo la ser alcanzado

Analizar las estimaciones de los requerimientos

Expandir

Agrupar los requerimientos funcionales según los componentes del sistema que los implementan

Analizar la interrelación de los requerimientos

Expandir

Relacionar los requerimientos del producto en el lenguaje del cliente y los requerimientos funcionales. Para cada relación es definido un valor que indica el nivel del relación

Analizar la relación de los requerimientos

Expandir

Priorizar los requerimientos funcionales según el peso de los requerimientos del cliente y el objetivo de los requerimientos funcionales

Analizar la relación de los requerimientos

Listar los requerimientos no funcionales

Listar los requerimientos

Expandir

Definir una métrica para evaluar cada requisito no funcional y fijar un valor como objetivo a ser alcanzado

Analizar las estimaciones de los requerimientos

Expandir

Correlacionar los requerimientos no funcionales y determinar si entre ellos se soportan o anulan

Analizar la relación de los requerimientos

Relacionar los requerimientos del producto en el lenguaje del cliente con los requerimientos funcionales

Analizar la relación de los requerimientos

CONCLUSIONES

Expandir

De forma general, la adaptación del método de instanciación de APS como estrategia para la inserción del QFD es aplicable a cualquier otra técnica. Sin embargo, es indispensable tener definida una APS. De la misma forma que un arquitecto de software utiliza los modelos arquitecturales para decidir en cuál modulo, componente y objeto debe implementar cada método o regla de negocio, el arquitecto de los procesos emplea la APS para identificar en cuál proceso, actividad y artefacto se precisan tomar acciones para insertar alguna técnica. Una técnica puede ser insertada en una APS en el nivel de abstracción operacional o de proyecto. En el primer caso, el uso de la técnica es formalizado para todos los proyectos y en el segundo, solo para uno.

REFERENCIAS Expandir

Cuadro 2. Matriz de relación de las tareas del QFD con el objeto proceso gestión de requerimientos Fuente: Elaboración propia.

La Figura 8 presenta el resultado de la fase Modelado de los procesos del método de instanciación de APS adaptado para la inserción del QFD. En el OP de gestión de requerimientos actualizado se destacan dos artefactos del QFD que fueron adicionados como nuevos atributos del OP. Gestión de requerimientos - Product Backlog: Artefacto - Estimaciones de los requerimientos: Artefacto - Cambios de los requerimientos: Artefacto - Evidencia de validación: Artefacto - Casa de la calidad del software: Artefacto - Casa de la calidad del QFD: Artefacto + Listar los requerimientos ( ): Artefacto + Analizar relación entre los requerimientos ( ): Artefacto + Analizar estimaciones de los requerimientos ( ): Artefacto + Validar Product Backlog con el inversionista ( ): Artefacto + Registrar cambios en los requerimientos ( ): Artefacto + Actualizar Product Backlog ( ): Artefacto Figura 8. Objeto proceso gestión de requerimientos utilizando el QFD como técnica Fuente: Elaboración propia.

Finalmente, en la fase de Proyecto de los procesos del método de instanciación de APS adaptado para la inserción del QFD, fueron elaboradas las instrucciones de operación de los OP

Volumen 10, 2016

impactados por la inserción del QFD. Esas instrucciones sirven como guía para la operación de OP, es decir, para gestionar los requerimientos del proyecto.

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Jorge Luis Risco Becerra Es profesor doctor del Departamento de Ingeniería de Computación y Sistemas Digitales de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo, Brasil. En la actualidad realiza investigaciones en producción de software centrada en arquitectura, arquitectura corporativa y ambientes inteligentes. jorge.becerra@usp.br Ana Claudia Rossi

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ACERCA DE LOS AUTORES Juan Felipe Restrepo Naranjo Es ingeniero electrónico de la Universidad de Antioquia, Colombia. Actualmente, cursa la maestría en Ingeniería de Computación adjunto al Grupo de Arquitectura y Fábrica de Software de la USP, Brasil. Tiene experiencia en desarrollo de software, definición de ambientes de producción de software, BPM y arquitectura corporativa. felipe.restrepo@usp.br

Volumen 10, 2016

Es científica de la computación y tiene maestría en Ingeniería de Computación por la USP, Brasil. Es profesora en la Universidad Presbiteriana Mackenzie e investigadora en el Grupo de Arquitectura y Fábrica de Software. Tiene experiencia en arquitectura de software, desarrollo de software y en definición de ambientes de producción de software. ana.rossi@mackenzie.br Fabio Silva Lopes Es graduado en Tecnología de Procesamiento de Datos y tiene maestría en Salud Pública y doctorado en Ciencias por la USP, Brasil. Es profesor asociado en la Universidad Presbiteriana Mackenzie. Posee experiencia en arquitecturas de datos para inteligencia de negocios. flopes@mackenzie.br

La importancia de caracterizar las

soldaduras del cuchillo a nivel microestructural, como parte del proceso de control de calidad.

César Nunura, Tecsup / César Lecaros, Tecsup

Caracterización entre uniones soldadas de acero AISI 430 y AISI 420 por el proceso GTAW Characterization of Welded Joints between Stainless Steel AISI 430 and AISI 420 by GTAW Welding Process RESUMEN

Es una investigación sobre la microestructura de juntas soldadas en acero inoxidable AISI 430 con el AISI 420 posterior al proceso de soldadura GTAW. Mediante técnicas de caracterización como microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido (SEM) se estudia la presencia de carburos o precipitados que puedan afectar la tenacidad de la junta soldada debido a la elevada cantidad de cromo en solución sólida, lo que se evalúa y analiza con ensayos mecánicos.

ABSTRACT

A study on the microstructure of welded stainless steel AISI 430 with AISI 420 after GTAW welding process is discussed. Characterization techniques as optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) were used to observe the presence of carbides or precipitates that may affect the toughness of the joint due to the high amount of alloying elements in solid solution. These properties were evaluated and analyzed with mechanical tests.

INTRODUCCIÓN

El proceso de soldadura GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) o de arco bajo gas protector con electrodo de tungsteno, es considerado uno de los más versátiles para aceros inoxidables. Se puede utilizar para soldar cualquier metal y en una amplia variedad de espesores. La soldadura obtenida es limpia, libre de escoria [1] y apropiada para estructuras de acero inoxidable, lo que constituye el propósito del estudio. La industria que fabrica cuchillos utiliza este proceso de soldadura para unir el mango de la herramienta con la lámina de corte. Debido a que los materiales empleados en las láminas son del tipo inoxidable martensítico y en los mangos, del tipo inoxidable ferrítico, para su unión por soldadura ese aplica el GTAW por las ventajas anteriormente citadas. Para efectos de investigación, el cuchillo es dividido en tres partes (Figura 1): • •

•

Parte 1: Una lámina de acero inoxidable martensítico de alta dureza (AISI 420). Parte 2: Una pieza que denominaremos unión entre la lámina con el mango de agarre. Fabricado en acero inoxidable ferrítico (AISI 430). Parte 3. Un mango de acero inoxidable ferrítico (AISI 430).

Palabras Clave Microestructura, carburos, inoxidables, soldadura.

Key words Microstructure, Carbides, Stainless, Welding.

Volumen 10, 2016

Se analizarán las uniones por soldadura entre la lámina, la unión y el mango, elementos de diferentes aceros inoxidables. El objetivo de este trabajo es caracterizar las soldaduras del cuchillo a nivel microestructural, como parte del control de calidad, pues la posibilidad de formación de precipitados en los contornos de grano de la microestructura puede afectar las propiedades mecánicas del cuchillo al momento de su uso. Se considerará un lote de fabricación de 30 mil unidades por día.

Los aceros inoxidables ferríticos, al igual que los martensíticos, incluyen al cromo como el principal elemento de aleación, cuyo contenido puede alcanzar valores elevados, superiores al 25%. Tienen, además, una cantidad muy baja de carbono (máximo de 0,2%) por lo que no son endurecidos por temple [2]. La Figura 3 presenta la microestructura de un acero inoxidable AISI 430. Los aceros inoxidables ferríticos no endurecen por temple debido al efecto del elevado contenido de cromo, que reduce el campo de la austenitización. Visto que la transformación austenítica es suprimida, no habrá cambio de fase en el calentamiento y posterior enfriamiento. La Figura 4 exhibe el efecto del cromo sobre la reducción del campo austenítico. Este tipo de acero inoxidable contiene adiciones de ciertos elementos de aleación como manganeso, molibdeno, titanio, niobio y fósforo. Poseen una mayor resistencia a la corrosión que los aceros inoxidables martensíticos [3].

Figura 1. Cuchillos en despiece. Se dividieron en 3 partes: láminas, uniones y mangos Fuente: Elaboración propia.

FUNDAMENTOS

1500 0 1400

5 12

1300

1200

Cr om

1000

Cr om

1100

900

19% Cr

12 %

Aquellos de tipo AISI 420, por su alta dureza y tenacidad adquiridas luego de un adecuado tratamiento térmico (temple y revenido), son empleados en cuchillos, instrumentos quirúrgicos, ejes de bombas, válvulas, bocinas, etc. [2]. La Figura 2 muestra la microestructura del AISI 420 después del temple y revenido. La dureza obtenida luego del tratamiento térmico es de 50 HRC (valor característico de martensita revenida a temperatura media).

Figura 3. Microestructura típica del acero inoxidable ferrítico AISI 430. Se observan granos de ferrita con algunos carbonatos. Aumento: 1000x. Ataque: Kalling II. Fuente: Elaboración propia.

Temperatura °C

Los aceros inoxidables martensíticos contienen cromo como principal elemento de aleación (11,5% a 18,0%). Pueden ser templados, lo que mejora la resistencia a la corrosión y elimina la precipitación de carburos.

800

o Cr

700 0.2

Figura 2. Microestructura del acero inoxidable martensítico AISI 420 luego del tratamiento térmico de temple y revenido. Aumento: 1000x. Ataque: Kalling I. Fuente: Elaboración propia.

0.4

0.6

0.8 1.0 1.2 % Carbono

1.4

1.6

Figura 4. Efecto del cromo sobre la reducción del campo austenítico [2]. Fuente: Adaptado de [2].

1.8

Cabe señalar que los aceros inoxidables ferríticos sometidos a temple solo desarrollarían mínima dureza y su resistencia a la corrosión estaría perjudicada. De un modo genérico, con este procedimiento los mecanismos de aumento de resistencia no dan los efectos esperados al resultar en fragilidad y pérdida de ductilidad y resistencia mecánica a la temperatura ambiente. Consecuentemente, el único tratamiento térmico aplicable es el recocido, el cual alivia las tensiones generadas durante los procesos de soldadura y trabajo a frío [4].

La soldadura con técnicas de láser es otra alternativa para la unión de inoxidables. Sin embargo, es posible un incremento de la dureza debido a la precipitación de carburos M23C6 en los contornos de grano, lo que puede comprometer la tenacidad del material [9].

En la Figura 5 se observa el diagrama de equilibrio Fe-Cr-C (hierro – cromo – carbono) con 18% de Cr. Se constata que la línea vertical que pare de aproximadamente del valor 0,1% de carbono no alcanza al campo austenítico. En otras palabras, un tratamiento térmico a una temperatura de 1.000 °C, por ejemplo, no producirá un cambio de fase de ferrita a austenita y consecuentemente durante el enfriamiento no habrá transformación martensítica.

Para los análisis fueron utilizados materiales procedentes de los mangos soldados a las uniones, conforme a la Figura 1. Básicamente, el mango y el elemento de unión son fabricados en acero inoxidable ferrítico, en tanto que las láminas son de acero inoxidable martensítico. Las composiciones químicas de ambos tipos de acero fueron verificadas por medio de espectrometría de emisión óptica (OES) y se determinaron sus elementos y cantidades que se presentan en las tablas I y II.

METODOLOGÍA

%Si

%Mn

%Cr

%Mo

%Fe

0,04

0,32

0,135

15,85

0,0156

<83,44

Tabla I. Composición química del AISI 430 (vía espectrometría de emisión óptica) Fuente: Elaboración propia.

%Si

%Mn

%Cr

%Ni

%Fe

0,24

1,09

15,01

88,66

Tabla II. Composición química del AISI 420 (vía espectrometría de emisión óptica) Fuente: Elaboración propia.

Figura 5. Diagrama de equilibrio Fe-Cr-C con 18% de Cr. La línea vertical que se origina aproximadamente en 0,1% de carbono no alcanza el campo austenítico Fuente: Adaptado de [2].

Metal Base

Zona sin alteración estructural

Zona de recristalización incompleta

Zona de normalización

Zona de fusión Zona de sobrecalentamiento

Zona fundida

La Figura 6 muestra de forma esquemática la alteración de la microestructura del metal base luego de la soldadura. La microestructura más próxima a la zona fundida es la que resulta más afectada, la que se conoce como ZAC (zona afectada por el calor) [5]. Esta puede presentar fragilidad y comprometer las propiedades mecánicas de todo el componente.

Figura 6. Representación esquemática de las zonas afectadas durante la soldadura de un metal. Fuente: Adaptado de [5].

Volumen 10, 2016

Las muestras fueron obtenidas de las uniones soldadas de estos dos componentes (mango y unión) y sometidas a métodos metalográficos convencionales: corte, lijado, seguido de pulido y ataque químico recomendado para microscopía óptica y electrónica. Se seleccionaron las secciones transversales y longitudinales de las piezas según procedimientos de la norma ASTM E3-01 y atacadas químicamente con el reactivo Kalling I y Kalling II [6]. También se registraron los datos de dureza según la ASTM E10-07a [7] [8]. Finalmente, se realizaron análisis por microscopía electrónica de barrido (SEM) en un microscopio Modelo XL30 (marca Philips) para determinar si hubo precipitación de carburos que pudiesen comprometer la resistencia a la corrosión o la tenacidad del material.

RESULTADOS a) Análisis metalográficos Luego de retirar las muestras de los mangos, láminas y uniones, las secciones transversales fueron analizadas por microscopia óptica. En la Figura 7(a) se presenta la microestructura de una lámina. Se observa una estructura martensítica revenida, donde son notorios los contornos de grano austeníticos previos al temple. No se advierten carburos junto a la morfología de las agujas de martensita. En la Figura 7(b) se observa una región próxima al cordón de soldadura entre la lámina y la unión. Se distingue una estructura irregular con ferrita acicular, conocida como ferrita de Widmastatten, proveniente de altas tasas de enfriamiento duran63

te la solidificación, que distorsiona la formación de los granos y da el aspecto de agujas sobrepuestas, característico del proceso de soldadura.

(a)

Figura 9. Microfotografía de la sección longitudinal de la región soldada. (1) Metal base. (2) Zona afectada por el calor. (3) Zona fundida. Aumento: 50x. Ataque: Kalling II. Fuente: Elaboración propia.

La Figura 10 presenta el límite entre el metal fundido y la zona afectada por el calor. Se observan regiones oscuras que fueron analizadas mediante SEM para obtener su composición química elemental. El propósito del examen fue constatar la existencia de altas cantidades de cromo, lo que supondría precipitación de fase sigma (fase rica de cromo que afecta la resistencia a la corrosión).

(b) Figura 7. (a): Microestructura de la sección transversal de la lámina de acero AISI 420. Aumento: 1000x. (b): Región próxima al cordón de soldadura. Aumento: 1000x. Ataque: Kalling I. Fuente: Elaboración propia.

Las figuras 8 y 9 revelan las zonas de soldadura entre el elemento de unión y el mango. Se aprecian diferentes morfologías de granos como resultado del proceso de soldadura. Asimismo, se muestran el metal base de acero AISI 430 con inclusiones (1), la zona afectada por el calor (2) y el metal fundido (3).

Figura 10. Microfotografía de la sección longitudinal de la región soldada donde se observa la zona afectada por el calor y la zona fundida. Aumento: 500x. Ataque: Kalling II. Fuente: Elaboración propia.

b) Análisis por SEM

Figura 8. Microfotografía de la sección longitudinal del metal fundido. Aumento: 50x. Ataque: Kalling II. Fuente: Elaboración propia.

La Figura 11 presenta el resultado del análisis por SEM de la zona afectada por el calor (Figura 10), en la que se observan carburos. La Tabla III detalla la composición química elemental de la región indicada (marca cuadrada). El resultado del análisis químico revela que tales carburos son ricos en Mo (molibdeno). Este elemento es adicionado en el acero AISI 430 para formar carburos durante el rápido enfriamiento, lo que evita alterar el contenido de cromo de la aleación, que ocasionaría pérdida en la resistencia a la corrosión. La Figura 12 muestra los mismos precipitados en diferentes regiones del material luego del proceso de soldadura. La Figura 13(a) y la Figura 13 (b) presentan el resultado del análisis por SEM de la región oscura que fue señalada con flecha roja en la Figura 10, en un aumento de 10050x. No se constata la

formación de algún tipo de carburo. La Tabla IV muestra el resultado de la composición química elemental de la región señalada (marca cuadrada) de la Figura 13. El resultado del análisis químico puede ser comparado con los mostrados en la Tabla I.

%Cr

%Mo

%Fe

5,26

91,35

3,39

Tabla III. Composición química de carburos formados (SEM) Fuente: Elaboración propia.

Figura 11. Carburos de molibdeno presentes en la zona afectada por el calor. Aumento: 4000x. Ataque: Kalling II. Fuente: Elaboración propia.

(a)

(a) (b)

Figura 13. Análisis de las región oscuras señaladas en la Figura 10. (a) aumento: 2500x. (b) aumento: 10050x. Ataque: Kalling II. Fuente: Elaboración propia.

%Cr

%Fe

16,72

83,28

TABLA IV. Composición química local (SEM) Fuente: Elaboración propia.

(b) Figura 12. Carburos de molibdeno presentes en otras regiones del material. (a) aumento: 2500x. (b) aumento: 4000x. Ataque: Kalling II. Fuente: Elaboración propia.

Volumen 10, 2016

La región oscura de la Figura 10 contiene cromo en cantidades normales. Luego, se descarta la precipitación de alguna fase rica en cromo como la fase sigma, que suele afectar la tenacidad de las aleaciones inoxidables ferríticas, cuando el material atraviesa altas temperaturas de trabajo (por ejemplo, en el proceso de soldadura). 65

c) Ensayos de dureza

em Meio Marinho Sintético (Tesis de maestría). Universidade São Francisco, São Paulo.

La Tabla V indica los valores de dureza Rockwell B (HRB) y Vickers (HV20) con carga de 20 kgf de la junta soldada (promedio de 6 ensayos). Región

HRB

Metal base

169

Zona afectada por el calor

162

Zona fundida

140

Tabla V. Durezas de las regiones soldadas (media de 6 análisis) Fuente: Elaboración propia.

La zona fundida exhibió una dureza menor que la zona afectada por el calor y el metal base. Sin embargo, esta diferencia no es significativa. Por ende, el material de las regiones analizadas fue homogéneo en lo que respecta a dureza.

CONCLUSIONES

El acero inoxidable AISI 430 sometido a altas temperaturas no experimenta precipitación de fase sigma. En el material y el metal fundido no se observa ese fenómeno luego del proceso de soldadura probablemente debido a la poca cantidad de cromo encontrado en la aleación (15,85%). Para precipitar fracciones de esta fase se necesita aproximadamente 25% de cromo en solución sólida en el acero inoxidable ferrítico. Todas las muestras de acero inoxidable ferrítico AISI 430 presentaron precipitados de molibdeno conforme al análisis químico elemental por SEM. Este elemento es adicionado para impedir que el cromo precipite en forma de carburos, disminuyendo la cantidad de cromo en la solución sólida y, consecuentemente, la resistencia a la corrosión del acero resulte afectada. La estructura ferrítica de Widmansttaten se manifiesta en la zona afectada por el calor de la soldadura entre el acero inoxidable martensítico AISI 420 y el acero inoxidable ferrítico AISI 430. Tal estructura afecta la tenacidad del material, debido a su morfología acicular, lo cual podría ser solucionado con tratamientos térmicos que recristalicen los granos del acero en cuestión.

REFERENCIAS [1]

Jeffus, L. (2010). Manual de la Soldadura GTAW (TIG). Madrid: Paraninfo.

[2] Chiaverini, V. (2005). Aços e Ferros Fundidos (6ª ed.). São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais. [3] Strobel, E. (2005). Efeito do tratamento térmico na resistência à corrosão do aço inoxidável martensítico CA6NM

[4] Chandler, H. (Ed.). (1995). Heat Treater’s Guide: Practices and Procedures for Irons and Steels. USA: ASM International. [5] Chiaverini, V. (1986). Tecnologia Mecânica: Processos de Fabricação e Tratamento (2ª ed., II Vol.). São Paulo: McGraw-Hill. [6] ASTM E3-01. (2001) Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens. West Conshohocken: ASTM International. [7] ASTM E10-07. (2007) Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials. West Conshohocken: ASTM International. [8] ASTM E384-99. (2000). Standard Test Methodfor Microindentation Hardness of Materials. West Conshohocken: ASTM International. [9] Baghjari, S., & Akbarimousabi, S. (2014). Experimental investigation on dissimilar pulsed Nd: YAG laser welding of AISI 420 stainless steel to kovar alloy. Materials & Design, 57, 128–134.

ACERCA DE LOS AUTORES César R. Nunura Es graduado en Ingeniería Mecánica titulado por la Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS - BRASIL). Maestría en Ingeniería de Procesos de Fabricación por la Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS – Brasil). Es Doctor en Ingeniería y Tecnología de Materiales por la Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS - Brasil). Experiencia en Análisis Numérico en Transferencia de Calor, Ciencia de los Materiales y Metalurgia Física. Actualmente es profesor a tiempo completo en Tecsup Lima y responsable del Laboratorio de Ensayos de Materiales. cnunura@tecsup.edu.pe César Lecaros Tiene estudios de maestría en Ingeniería y Ciencias de los Materiales por la Pontificia Universidad Católica del Perú. Es ingeniero mecánico de la Universidad Nacional de Ingeniería, con una especialización en Materiales de Ingeniería. Especialización en Automatización de la Producción en Senai - Brasil. Es especialista en Metrología, con capacitación en México y Brasil. Es miembro de la American Society of Mechanical Engineers (ASME). clecaros@tecsup.edu.pe

Los resultados con la muestra de zinc

indican que el sistema de enfriamiento puede ser utilizado para producir una

macroestructura columnar.

Sarah Boes, Purdue University - USA / Silvia Espinoza, Tecsup / César Nunura, Tecsup

Estudio del proceso de obtención de granos columnares en zinc Study of the Process for Obtaining Columnar Grains in Zinc

RESUMEN

En este estudio se presenta el proceso seguido para obtener granos columnares en lingotes de zinc y granos equiaxiales en aluminio. El metal utilizado se fundió en un crisol y fue colocado en un molde mediante un sistema de enfriamiento creado y adaptado en Tecsup. La muestra de zinc formó granos columnares, mientras que las muestras de aluminio generaron granos equiaxiales.

ABSTRACT

This study presents the process followed to obtain columnar grains in zinc and equiaxed grains in aluminum. The metal used was melted in a crucible and put into a mold with a cooling system created and adapted in Tecsup. The sample of zinc formed columnar grains, while aluminum samples formed equiaxed grains.

INTRODUCCIÓN

La investigación se llevó a cabo en Tecsup-Centro en el Departamento de Mecánica y Aviación, del 4 de junio al 11 de agosto del 2016. El propósito del presente trabajo fue obtener un proceso y sistema de enfriamiento para formar granos columnares en lingotes de metal. Para optimizar los resultados, el molde en el cual se fundió el metal fue mejorado durante el desarrollo de este estudio; el mismo que es parte de una investigación más amplia de superconductores compuestos de plomo, estaño y aluminio por un procedimiento mecánico y térmico. El nuevo proceso obtenido será aplicado para generar granos columnares en lingotes de zinc y aluminio, con el fin de analizar el efecto del enfriamiento en las propiedades de los superconductores.

Palabras Clave Sistema de enfriamiento, granos columnares, aluminio, zinc.

Key words Cooling system, Columnar grains, Aluminum, Zinc.

Volumen 10, 2016

La macroestructura columnar es deseable para superconductores porque reduce el área de los límites de granos, los cuales tienen resistencia eléctrica [1] [2]. Para conseguir dicha estructura, en el trabajo se usó un tipo de solidificación unidireccional llamado solidificación ascendente. Mediante este método, el metal es enfriado por el fondo del molde y las paredes son envueltas con una manta aislante. (b)

Los granos originados en el fondo, donde el metal se solidifica primero, crecen hacia la parte superior. El método de enfriamiento empleado se basa en el desarrollado por Arthur Beskow, presentado en el documento Estudo da solidificação unidirecional ascendente para obtenção de estruturas colunares grosseiras [3]

PROCESO

En varias pruebas, aluminio y zinc fueron colocados en un crisol cerámico (Figura 1). El crisol contiene alúmina y sílice para soportar altas temperaturas, sus dimensiones son 170 mm de altura x una base de 50 mm de diámetro y una entrada de 75 mm de diámetro. El aluminio se comportó de manera diferente en la primera y tercera de las pruebas. (c)

Figura 1. Crisol en el cual fue fundido el metal. Fuente: Elaboración propia.

El crisol con el metal fue puesto en el horno con el molde vacío hasta que el metal se fundió completamente. El horno fue calentado a 500 °C para fundir el zinc, cuya temperatura de fusión es 420 °C y a 800 °C para fundir el aluminio, cuya temperatura de fusión es 660 °C [4].

(d)

(a)

Figura 2. Primer molde: (a) Foto del interior. (b) Foto del exterior. (c) Modelo CAD. (d) Dibujo del diseño y las dimensiones. Fuente: Elaboración propia.

El primer molde fue utilizado para los dos primeros ensayos con aluminio y zinc; y otro, para el tercero, con aluminio. El primer molde, de acero inoxidable, era cilíndrico y constaba de dos partes que se atornillaban (Figura 2) Primero fue pintado con masilla resistente al fuego y luego se colocó un aislante a su alrededor (Figura 3). El aislante es una manta de fibra cerámica de Nutec Ibar, con una resistencia térmica máxima de 1.482 °C y conductividad térmica de 0,14W/mK a 650 °C. Este se mantuvo fijo con alambres de acero.

(b)

1 Cilindro superior 2 Cilindro inferior

(a)

3 Elemento de sujeción: tornillos 4 Elemento de sujeción: tuercas Figura 4. Segundo molde: (a) Foto. (b) Modelo CAD. Fuente: Elaboración propia.

Se colocó carbón en el horno para producir CO2 y evitar la oxidación del metal. El crisol fue sacado del horno y las impurezas que ascendieron a la superficie se removieron con una cuchara de acero y tenazas (Figura 5).

(b) Figura 3. Primer molde: (a) Después de pintado. (b) Luego de ser envuelto por el aislante y los alambres. Fuente: Elaboración propia.

El segundo molde de prueba tenía una parte superior y una parte inferior que se atornillaban (Figura 4). Había un cilindro en la parte superior para enfriar el metal, y otro en la parte inferior donde fluyó el agua. Este segundo molde fue diseñado para prevenir el ingreso del agua. Este también fue pintado y envuelto con aislante.

Figura 5. Remoción de impurezas del aluminio líquido. Fuente: Elaboración propia.

El crisol fue ubicado en el horno durante 5 minutos más para asegurar que el metal no se solidificara en el aire. Después, el metal y el molde vacío fueron retirados del horno y puestos en un carrito de metal. (a)

Volumen 10, 2016

El metal líquido fue vertido al molde, que fue puesto en el sistema de enfriamiento. 71

A continuación, se abrió la llave de agua y comenzó a pasar por la manguera y tubería central al fondo del molde. El sistema de enfriamiento está en un carrito móvil (Figura 6). En la parte superior, hay una bandeja para captar el agua que fluye a través de la manguera y tubería hasta el fondo del molde. Encima de esa bandeja, se ubica una plataforma con un agujero en el centro sobre el que se sitúa un aro de acero donde se coloca el molde. Debajo de la bandeja se encuentra un tanque para recoger el agua. Cuando el sistema de enfriamiento está en uso, un cangilón es utilizado para captar el agua que rebasa del tanque.

Figura 7. Primera muestra de aluminio. Fuente: Elaboración propia.

En el segundo ensayo, con zinc, se evidenciaron granos columnares (Figura 8). El agua entró al molde durante este ensayo. Ello originó cierta cantidad de granos en las paredes y se situaron en un ángulo. En la foto, se puede observar oxidación en la parte superior del lingote.

Algunos granos se originan de las paredes

Más granos se originan del fondo Figura 6. Sistema de enfriamiento. Fuente: Elaboración propia.

Cuando el metal estuvo a la temperatura ambiente, el molde fue extraído del sistema. Luego, se removió el metal del molde. A continuación, el metal fue cortado longitudinalmente y lijado con lijas de 80, 220, 320, 400 y 600. Se atacó el aluminio con agua regia con 2,8% HF. Se hizo lo propio con el zinc con una solución de HCl 50%. Los metales fueron atacados por inmersión. Después de ello, se analizó la macroestructura de los metales.

RESULTADOS

Figura 8. Fotos de las dos mitades del lingote de zinc con granos columnares después del ataque con HCl 50%. Fuente: Elaboración propia.

El primer ensayo con aluminio arrojó granos equiaxiales (Figura 7). Es posible que el agua entrara al molde, debido al espacio entre las partes del molde.

El tercer ensayo, con aluminio, dio como resultado nuevamente granos equiaxiales, aunque se encontraron unos pequeños granos columnares (Figura 9).

El agua en este caso no se introdujo en el molde.

Una posibilidad es que el aluminio no fuese puro. Una aleación podría tener una macroestructura diferente. No obstante, en los dos ensayos se utilizaron aluminios de orígenes diferentes, vale decir, ello parece improbable. La explicación más probable es que el tiempo de enfriamiento del aluminio no fue suficiente. El aluminio, para que se enfríe, requiere más tiempo que el zinc porque su temperatura de fusión es más alta y, por ende, el gradiente de temperatura es mayor.

(a)

También es posible que la parte superior del lingote estuviera aún caliente cuando el metal fue removido del molde. En ese caso, probablemente si había granos columnares al más bajo del lingote, estos se habrían recristalizado debido al calor.

CONCLUSIONES

La muestra de aluminio desarrolló una macroestructura equiaxial y la de zinc, una macroestructura columnar. Los resultados con la muestra de zinc indican que el sistema de enfriamiento puede ser utilizado para producir una macroestructura columnar, al menos en este material. (b)

Figura 9. Lingote del tercer ensayo. La mitad (a) tiene solo granos equiaxiales. (b) tiene granos equiaxiales, pero también escasos granos columnares pequeños (indicado en rojo). Fuente: Elaboración propia.

DISCUSIÓN

El zinc generó una estructura columnar, aunque algunos granos se originaron en las paredes y no son completamente unidireccional. Durante el enfriamiento, el aislante se mojó. Por eso, es probable que las paredes estuvieran más frías que el centro del metal líquido. De ahí que algunos granos se nuclearon en las paredes. Los resultados con zinc muestran que nuestro método de enfriamiento puede producir una estructura columnar con ciertos materiales. Inicialmente, se supuso que el aluminio habría adoptado una macroestructura columnar debido a que fue enfriado unidireccionalmente. Sin embargo, dado que cierta cantidad de agua entró en el molde, es posible que el metal líquido fuera enfriado desde varias direcciones. En el tercer ensayo, el agua no se introdujo en el molde y se formaron granos equiaxiales. En consecuencia, aparentemente esa macroestructura no se conformó a causa del agua.

Volumen 10, 2016

Es necesario repetir el experimento con zinc para confirmar dicha observación. Además, es preciso reproducir la prueba con aluminio y someterlo a mayor tiempo de enfriamiento. De esta manera, se podrá investigar la causa de la diferencia entre los resultados de zinc y aluminio.

REFERENCIAS [1]

Andrews, P., West, M., & Robinson, C. (1969). The effect of grain boundaries on the electrical resistivity of polycrystalline copper and aluminium. Philosophical Magazine,19(161), 887-898. doi:10.1080/14786436908225855

[2] Versnyder, F., & Shank, M.E. (1970). The development of columnar grain and single crystal high temperature materials through directional solidification. Materials Science and Engineering, 6 (4), 213-247. doi:10.1016/00255416(70)90050-9 [3] Beskow, A. B. (2008). Estudo da solidificação unidirecional ascendente para obtenção de estruturas colunares grosseiras (Tesis doctoral inédita). Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Brasil. Recuperado de http:// www.uricer.edu.br [4] Bergman, T., Lavine, A., Incropera, F, & Dewitt, D. (2011). Introduction to Heat Transfer (6nd ed.). Jefferson City.: John Wiley & Sons.

ACERCA DE LOS AUTORES

Cayetano Heredia con mención en Investigación y Docencia en Educación Superior. sespinoza@tecsup.edu.pe

Sarah Boes Estudiante de tercer año en Ciencias en Ingeniería de Universidad de Purdue, con experiencia laboral en GE Aviación, en Materiales y Procesos del Departamento de Ingeniería en Evendale, en Dayton y como asistente de Investigación en Purdue. sboes@purdue.edu Silvia Espinoza Suárez Investigadora y Docente de TECSUP. Licenciada en Física de Estado Sólido y Maestrante de la Universidad Nacional Mayor de San Mayor de San Marcos con la especialidad de Estados Sólido. Maestrante de la Universidad Peruana

César Nunura Es graduado en Ingeniería Mecánica titulado por la Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS BRASIL). Maestría en Ingeniería de Procesos de Fabricación por la Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS – Brasil). Es doctor en Ingeniería y Tecnología de Materiales por la Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS - Brasil). Experiencia en Análisis Numérico en Transferencia de Calor, Ciencia de los Materiales y Metalurgia Física. Actualmente es profesor a tiempo completo en Tecsup Lima y responsable del Laboratorio de Ensayos de Materiales. cnunura@tecsup.edu.pe

INSTRUCCIONES A LOS AUTORES PARA LA PRESENTACIÓN DE ARTÍCULOS

La revista Investigación Aplicada e Innovación, I+i es publicada anualmente con el objetivo de difundir trabajos de investigación en ingeniería y tecnología, apoyando al sector productivo en la mejora de sus procesos, eficiencia de sus procedimientos e incorporando nuevas técnicas para fortalecer su competitividad. Las áreas principales de su cobertura temática son: Automatización Industrial, Aviónica, Electrotecnia, Electrónica, Energía, Química y Metalúrgica, Educación, Gestión, Gestión Industrial, Mantenimiento Industrial, Operaciones Mineras, Tecnología Agrícola, Tecnología de la Producción, Tecnología Mecánica Eléctrica, Seguridad e Higiene Ocupacional y Tecnologías de la Información y Comunicaciones (TIC). Va dirigida a los profesionales de los sectores productivos y académicos en las áreas de la cobertura temática. Requisitos para la publicación de artículos: 1. CRITERIOS DE ACEPTACIÓN

• El trabajo debe ser original, inédito y con buen uso del idioma: cumplir con las condiciones necesarias de coherencia, cohesión, claridad, concreción, pertinencia y centralidad que las hagan comprensible el estudio. • Se aceptarán artículo escritos en idioma español, portugués o inglés. • El artículo debe tener una extensión entre 7 y 14 páginas escritos a una sola columna. • El interlineado será sencillo, fuente Tahoma, tamaño 11 puntos. Todos los márgenes son de 2,5 cm en tamaño de página A4. • El artículo debe enviarse en formato Word, además de la versión en pdf. • Las tablas, figuras y gráficas deberán incluirse con buena resolución y presentarse según los lineamientos de las Normas Apa, sexta edición. Las ecuaciones deben estar bien definidas, digitadas y no presentadas como imágenes. 2. ESTRUCTURA DEL ARTÍCULO

TÍTULO DEL ARTÍCULO: Se colocará el título de la investigación en el idioma original y en inglés. El título no debe exceder de 12 palabras y debe dar cuenta del objeto de investigación. AUTORES Y AFILIACIÓN: Es necesario nombres y apellidos completos de los autores y su afiliación académica e institucional. Se recomienda no exceder a 04 el número de autores. RESUMEN: Breve contenido del artículo en el idioma original e inglés, no debe exceder las 300 palabras. Se debe evitar el uso de siglas, ecuaciones, tablas, fórmulas. La estructura a presentar incluye: introducción, objetivos, metodología, resultados y conclusiones. Palabras claves: identifica los temas principales del artículo redactados en el idioma original e inglés y presentados en orden de prioridad, no exceder de 08 palabras claves. El artículo debe dividirse en: - INTRODUCCIÓN: Explicar el problema general, definir el problema investigado, definir los objetivos del estudio e interesar al lector en conocer el resto del artículo. - FUNDAMENTOS: Presentar los antecedentes que fundamentan el estudio haciendo uso de citaciones según Norma APA. Describir el estudio de la investigación incluyendo premisas y limitaciones. - METODOLOGÍA: Explicar cómo se llevó a la práctica el trabajo, justificando la elección de procedimientos y técnicas. - RESULTADOS: Resumir la contribución del autor; presentar la información pertinente a los objetivos del estudio en forma comprensible y coherente; mencionar todos los hallazgos relevantes, incluso aquellos contrarios a la hipótesis. - CONCLUSIONES: Inferir o deducir una verdad de otras que se admiten, demuestran o presupone. Las conclusiones deben estar acorde a los objetivos del trabajo, responden a la(s) pregunta(s) de investigación planteadas en la introducción y a las interrogantes que condujeron a la realización de la investigación. - REFERENCIAS: Incluir todas las fuentes mencionadas en el artículo. Es necesario el uso de referencias de autoridad y de carácter académico. Se debe incluir documentos de actualidad incluidos en bases de datos especializadas. Su presentación es bajo el formato del American Psychological Association (Normas APA); de no hacerse correctamente, el artículo será rechazado en la primera revisión. - ACERCA DEL AUTOR(ES): Incluir Información profesional breve de cada autor (institución y labor que desempeña). 3. SELECCIÓN DE ARTÍCULOS

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