Tesis doctorales DING - INGS Doktoretza tesiak

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Modelización y desarrollo experimental de un sistema de generación termoeléctrica basado en efecto Seebeck. Aplicación a gases de escape en calderas de combustión
(2018) Araiz Vega, Miguel; Astrain Ulibarrena, David; Martínez Echeverri, Álvaro; Ingeniería; Ingeniaritza
La situación energética actual y todos los problemas medioambientales, políticos y económicos asociados a ella, hacen cada vez más necesaria una optimización de los sistemas de generación eléctrica y una incorporación de medidas de ahorro energético a los procesos, que contribuyen en gran parte a una reducción de la demanda de energía y a un mayor aprovechamiento de los recursos. En este sentido, son muchos los investigadores que han puesto el foco en la recuperación del llamado calor residual, una energía de desecho obtenida como subproducto no aprovechado de distintos procesos. Esta tesis doctoral estudia el aprovechamiento de energía residual a través de generadores termoeléctricos basados en el efecto Seebeck. Estos sistemas son capaces de producir energía eléctrica a partir de una fuente de calor y una de las formas de optimización es mediante el diseño adecuado de los intercambiadores de calor incluidos. Los intercambiadores tratan de acercar la temperatura de las caras de los módulos a la de los respectivos focos y tienen un efecto directo en la producción eléctrica. Se propone la utilización de un intercambiador de calor pasivo con sistema termosifón y cambio de fase como disipador de la parte fría de los sistemas termoeléctricos. Para llevar a cabo su optimización, se ha desarrollado un modelo computacional de simulación que predice el comportamiento de estos sistemas y permite evaluar la influencia de las características geométricas que lo definen. Este modelo es capaz de simular estos sistemas con desviaciones menores del ± 9%. Tras este desarrollo, se ha utilizado la herramienta computacional para el diseño de un termosifón bifásico que pueda ser acoplado en la parte fría de un prototipo de generador termoeléctrico instalado en el conducto de los gases de salida de una caldera de combustión. Los resultados experimentales han revelado que se puede llegar a generar 240W=m2 utilizando este sistema pasivo, lo que supone una mejora de casi un 83% frente a la utilización de un disipador de aletas convencional con un ventilador en las mismas condiciones de funcionamiento. Se ha realizado, también, un estudio de la implantación de generadores termoeléctricos en un proceso industrial real. Para ello, se ha desarrollado, previamente, un modelo computacional que tenga en cuenta, no solo el funcionamiento de los módulos termoeléctricos, sino que también considere el enfriamiento que sufre la corriente de gases al circular por el conducto del generador e integre los termosifones bifásicos como sistema de disipación del lado frío. Una vez realizada la optimización de estos sistemas, se ha demostrado la posibilidad de generar un total de 363MWh en un año de funcionamiento. También se ha elaborado un análisis que pretende probar la viabilidad económica de esta inversión alcanzándose un coste de instalación de 10€/W. Los resultados derivados de esta tesis demuestran que la termoelectricidad puede jugar un papel importante en el objetivo global de generación de electricidad de forma sostenible, que permita combatir con los efectos del cambio climático, debido a su capacidad de aprovechamiento energía residual.
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Modelos causales para la implementación de herramientas de manufactura esbelta y cadena de suministro
(2019) García Alcaraz, Jorge Luis; Latorre Biel, Juan Ignacio; Jiménez Macías, Emilio; Ingeniería; Ingeniaritza
La globalización ha obligado a las empresas a modificar sus cadenas de suministro y técnicas aplicadas para asegurar la calidad de sus productos, ya que se actualmente se tienen sistemas de producción distribuidos geográficamente. En esta tesis se reportan dos artículos que investigan los factores críticos de éxito de la metodología seis sigma en la industria maquiladora de Ciudad Juárez (México) y los beneficios que se obtienen de esta. Un tercer artículo reporta el efecto que tiene la flexibilidad y agilidad de la cadena de suministro en los índices de desempeño de ésta y se valida con información del sector vitivinícola de La Rioja (España). Se generan modelos de ecuaciones estructurales que relacionan factores críticos de éxito de seis sigma con sus beneficios, así como la flexibilidad y agilidad con el desempeño de la misma y esas relaciones constituyen una serie de hipótesis de investigación. Para validar las hipótesis, se ha obtenido información del sector maquiladora (México) y de la industria vitivinícola de La Rioja y se usan técnicas de mínimos cuadrados parciales. Los resultados indican que los gerentes de las industrias maquiladoras deben focalizarse sus esfuerzos en la formación de recursos humanos, proporcionar capacitación y entrenamiento a los grupos de mejora continua y realizar una adecuada administración del conocimiento generado en los proyectos, asimismo, los gerentes de las empresas vitivinícolas deben hacer un esfuerzo por generar flexibilidad a sus canales de distribución para generar agilidad en los productos que ofrecen a sus clientes.
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Aumento de potencia en un motor comercial de encendido provocado alimentado con hidrógeno: mezclas hidrógeno-metano y combustiones anómalas
(2020) Urroz Unzueta, José Carlos; Diéguez Elizondo, Pedro; Gandía Pascual, Luis; Ingeniería; Ingeniaritza
Este trabajo se ha centrado en el aumento de potencia de un motor comercial de encendido provocado alimentado con hidrógeno. La extremadamente baja densidad del hidrógeno conlleva una menor potencia, frente a otros combustibles como la gasolina, por unidad de cilindrada del motor. Con el objetivo de paliar esta deficiencia, el presente trabajo se centra en dos líneas de investigación. En primer lugar, se estudian las mezclas de hidrógeno con metano, compuesto éste de alto contenido energético por unidad de volumen. En segundo lugar, se analizan las combustiones anómalas, problemática inherente a los combustibles, pero muy determinante para el hidrógeno debido a su elevada reactividad química.
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Assessment and modeling of the generation and transport of water and solutes in representative watersheds of Navarre (Spain): toward an optimal and sustainable agrarian activity
(2021) Hernández García, Iker; Casalí Sarasíbar, Javier; Campo-Bescós, Miguel; Merchán Elena, Daniel; Ingeniería; Ingeniaritza; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
El objetivo general de esta tesis es ampliar la base de conocimiento sobre la dinámica de los sólidos disueltos totales, con especial atención a los nutrientes más extendidos en los sistemas agrícolas (N, y en menor medida P). Para ello, (1) se han cuantificado las exportaciones de los sólidos disueltos totales y su dinámica en la red de cuencas experimentales de Navarra, considerando diferentes agrosistemas de la región de Navarra (España). Reconociendo la influencia de estos compuestos en diferentes masas de agua, y con el objetivo de arrojar más luz sobre el enfoque de la caja negra de las cuencas en la calidad del agua, (2) se ha evaluado el concepto relativamente novedoso de conectividad de flujo superficial a través de un índice de conectividad del flujo superficial. Este índice se basa en índices de conectividad de flujos superficiales ampliamente contrastados, aplicándose en dos cuencas de secano con cultivo de cereal de invierno (Latxaga y La Tejería). En cuanto a los nutrientes, y centrándonos en la dinámica de los nitratos y fosfatos, (3) se ha caracterizado la concentración y la exportación de nitratos y fosfatos en diferentes escalas temporales en estas dos cuencas. En ellas se han identificado los factores controladores de estas dinámicas para estas dos cuencas. Por último, (4) se han cuantificado los factores controladores de nutrientes previamente identificados considerando diferentes escenarios posibles, y se ha evaluado la capacidad del modelo AnnAGNPS para las exportaciones de nitrógeno disuelto en las dos cuencas de secano con cultivo de cereal de invierno.
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Avances en el conocimiento de la erosión por flujos concentrados y su óptima evaluación en campo: un enfoque experimental
(2021) Zubieta Laseca, Elena; Giménez Díaz, Rafael; Casalí Sarasíbar, Javier; Ingeniería; Ingeniaritza; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
La presente tesis tiene como propósito (i) ampliar el conocimiento sobre la interrelación entre la hidráulica y la morfología de canales de erosión a través de una detallada caracterización y análisis de la macro-rugosidad en surcos de erosión desarrollados en campo; con el fin último de contribuir a un mejor entendimiento de la erosión por flujos concentrados y consecuentemente a su correcta modelización. (ii) Se busca, además, mejorar las técnicas de monitoreo de canales de erosión en campo, surcos y cárcavas (efímeras), mediante el análisis y estimación del error que inadvertidamente (y de forma sistemática) estarían cometiendo los investigadores al caracterizar la geometría de canales de erosión a partir de datos de campo. (iii) Y desarrollar y evaluar una innovadora metodología experimental para la detección de sedimentos generados por erosión por flujo concentrado, a partir de trazadores magnéticos, para su posterior uso en experimentos en campo. Esto incluye el análisis de los principales factores que afectan la señal magnética como así también técnicas de aplicación y distribución del trazador en la zona de estudio.
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Daylight modeling in complex environments considering the angular distribution of sky luminance
(2021) García Ruiz, Ignacio; Torres Escribano, José Luis; Ingeniería; Ingeniaritza
The general objective of this thesis is the modeling of daylight in complex environments, such as cities. This requires precise knowledge, both geometric and photometric, of the environment and of the sources of radiation or illumination. For this reason, four partial objectives have been set: 1. Modeling of irradiance and illuminance sources considering the effects of the complex environment. 2. Modeling of luminous efficacy. 3. Modeling of typical daylighting conditions. 4. Development of an imaging system for fast and high spatial resolution measurement of luminance distribution in complex environments.The research carried out in order to achieve the aforementioned partial objectives have resulted in seven articles. These papers describe in detail the theoretical basis of the issues addressed, the experimental data acquisition systems used, the quality control procedures applied, the obtained results and the conclusions, which will be summarized as a whole as the relevant contributions of this thesis.
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Metodologías de evaluación de recurso eólico: incorporación de la estabilidad atmosférica como variable
(2022) Cantero Nouqueret, Elena; García Gorostiaga, M. Almudena; Ingeniería; Ingeniaritza
La estabilidad atmosférica tiene un efecto determinante en el perfil vertical de viento y la intensidad de turbulencia, y estas variables, a su vez, tienen un impacto directo en la producción eólica y en las cargas que soportan los aerogeneradores. Es por tanto importante saber cómo caracterizar la estabilidad atmosférica para poder realizar una mejor estimación energética en un parque eólico. Basado en las medidas registradas en tres mástiles meteorológicos, FINO1 (mástil meteorológico de investigación en el Mar del Norte, emplazamiento offshore), CC1 (mástil en un parque eólico en Cuesta Colorada, parque eólico propiedad de Iberdrola en Cuenca) y MP5 (mástil meteorológico de investigación en Alaiz, parque experimental de CENER en Navarra), esta tesis doctoral compara y evalúa diferentes configuraciones de sensores y metodologías para la caracterización de la estabilidad atmosférica. Por un lado el parámetro de Obukhov, medido con anemometría sónica; y por otro el número de Richardson bulk estimado a partir de la medida de dos temperaturas a diferentes alturas y una velocidad de viento. Los métodos son examinados considerando su justificación teórica, complejidad en su implementación, requerimientos de los sensores utilizados y su uso práctico en conexión con las necesidades de la industria eólica.
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Analysis of sediment export and ephemeral gully erosion in small agricultural watersheds of Iowa and Navarre
(2022) Luquin Oroz, Eduardo Adrián; Campo-Bescós, Miguel; Ingeniería; Ingeniaritza; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
Agricultural activity can significantly affect the environment. The rising global demand for agricultural products, largely as a result of population growth, only increases the pressure on soil resources. In fact, soil erosion and water pollution with sediment are considered among the most critical environmental threats worldwide. This thesis aims to obtain new insights into the phenomenon of soil erosion and sediment export in cultivated areas, of its processes, and to the factors that control them, and evaluate our capacity to predict and simulate some of these processes. The spatial and temporal scale of the study consists of multiple levels, starting from the analysis of at the "watershed scale" using the Experimental Agricultural Watershed Network of the Government of Navarre, both at the multiannual and event-level, and going further into the analysis at the micro-watershed level by studying ephemeral gully erosion and its modeling using information from very detailed observations in Iowa. The following specific objectives addressed this general objective: (i) analyze the hydrological and sediment export behavior of small agricultural watersheds in Navarre; (ii) explore the use of high-resolution measurements of hydrological variables (turbidity, discharge and precipitation) to characterize sediment concentration in agricultural watersheds during storm events; (iii) obtain new insights about internal watershed processes by investigating the factors that condition the occurrence and growth of ephemeral gullies in agricultural micro-watersheds in Iowa; and (iv) to evaluate the capability of the AnnAGNPS-TIEGEM (Tillage lnduced Ephemeral Gully Erosion Model) model to simulate ephemeral gully erosion in Iowa, and propose improvements to the model in light of the results obtained.
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Generadores termoeléctricos sin partes móviles para yacimientos geotérmicos superficiales de roca caliente seca: diseño, desarrollo experimental, instalación en campo y evaluación del potencial en la isla de Lanzarote
(2022) Alegría Cía, Patricia; Astrain Ulibarrena, David; Catalán Ros, Leyre; Ingeniería; Ingeniaritza
En el actual contexto climático y energético, es importante desarrollar tecnologías que permitan utilizar las fuentes de energía renovables que actualmente no se pueden aprovechar. La contribución de las renovables a la producción eléctrica mundial ha aumentado un 8% en la última década, pero la energía geotérmica, la única fuente renovable que no depende de la climatología y que además es totalmente estable y continua, contribuyo en el año 2021 con menos de un 3 %. Existen territorios en los que impulsar la utilización de esta fuente renovable cobra especial importancia, por su disponibilidad y por la enorme dependencia de los combustibles fósiles, como ocurre en las Islas Canarias, especialmente en Lanzarote, donde existe un gran campo de Roca Caliente Seca. En esta tesis se plantea la utilización de generadores termoeléctricos para transformar el calor de las anomalías geotérmicas superficiales de la isla de Lanzarote directamente en electricidad, ya que el empleo de centrales geotérmicas convencionales no sería posible debido a que requerirían de perforaciones en la roca y grandes instalaciones que perjudicarían al medio ambiente. Pero todos los generadores termoeléctricos existentes en la literatura emplean partes móviles para hacer circular fluidos calorportadores, lo que conlleva consumos auxiliares y necesidad de mantenimiento, perdiendo la ventaja intrínseca de la termoelectricidad. Además, apenas existen estudios experimentales y todavía menos en campo. Para llevar esta propuesta a la realidad, en esta tesis se ha conseguido desarrollar e instalar en campo dos generadores termoeléctricos para geotermia que funcionan sin partes móviles gracias al cambio de fase en sus intercambiadores de calor. Son generadores robustos, que no necesitan mantenimiento ni consumos auxiliares, además de ocasionar un mínimo impacto ambiental ya que se reduce el impacto visual, no producen ruidos, y el uso de agua como fluido de trabajo los hace totalmente inocuos. El primero de ellos, para zonas con anomalías de media temperatura, cuenta con dos prototipos compuestos cada uno por un termosifón de cobre en el lado caliente, y 10 y 6 módulos termoeléctricos respectivamente, con sus correspondientes intercambiadores en el lado frio formados por un disipador de aletas con cuatro heat pipes con aletas en su zona de condensación. En primer lugar se diseñó y se caracterizó en el laboratorio para posteriormente instalarlo en un sondeo del que salen gases a unos 170 °C del Parque Nacional de Timanfaya, constituyendo el primer generador termoeléctrico para geotermia sin partes móviles instalado y testado en campo, donde lleva en funcionamiento ininterrumpido desde agosto de 2020, y ha conseguido una potencia pico de salida de 39,99 W (2,49 W por modulo), y una energía generada anual por unidad de superficie ocupada de 180,16 kWh/m2. Tras demostrar la viabilidad de esta tecnología para transformar el calor geotérmico superficial de Lanzarote en electricidad, se planteó un reto mayor, el de desarrollar un generador adaptado para zonas de alta temperatura. Dicho dispositivo termoeléctrico cuenta con un único termosifón de acero y ocho módulos termoeléctricos con unos intercambiadores de calor similares a los del caso de media temperatura. Se realizaron ensayos en el laboratorio a varias temperaturas del foco de calor con entre 4 y 8 módulos termoeléctricos, determinando experimentalmente que al instalar más módulos disminuye la eficiencia por modulo, pero para el numero de módulos instalado la potencia total aumenta, por lo que la instalación en campo se realizó con 8 módulos. Tras los buenos resultados en el laboratorio, se pudo transportar hasta dicho parque e instalarlo de manera satisfactoria en un sondeo con gases saliendo a 465 °C. Dicho generador presenta una potencia pico de 4,5 W por modulo, un 80% mayor que el de media temperatura, y una potencia de salida media por módulo de 4,12 W, lo que supone una energía generada al ano de 382,59 kWh/m2, demostrando el gran potencial que tienen en Lanzarote los generadores termoeléctricos desarrollados. Con los dos generadores instalados en campo, se desarrolló un modelo computacional basado en el método de las diferencias finitas y en la analogía térmica-eléctrica, que se consiguió ajustar mediante los datos experimentales en campo y que presenta una elevada fiabilidad. Este modelo es capaz de simular las potencias de salida de los generadores termoeléctricos con errores relativos inferiores al +- 10%, y de reproducir las temperaturas en las caras de los módulos termoeléctricos, así como la energía generada a lo largo del ano con un error menor del 1,6% en el prototipo de media temperatura y del 0,5% en el de alta. Finalmente, empleando este modelo computacional, se realizó un calculo estimado del potencial de generación eléctrica con los datos disponibles de superficie de anomalías geotérmicas en el Parque Nacional de Timanfaya, donde se podrían llegar a generar entre 3,61 GWh y 11,35 GWh al ano, con un LCOE medio de 4,8 cente/kWh. Además, esto se puede extrapolar al resto de la isla, ya que se han detectado más anomalías fuera de dicha zona y que, de ser calculadas con exactitud, se podrían aprovechar mediante una instalación a mayor escala de generadores termoeléctricos como los desarrollados en esta tesis doctoral.
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Thermoelectric heating and air conditioning with double flux ventilation in passive houses
(2022) Díaz de Garayo, Sergio; Astrain Ulibarrena, David; Martínez Echeverri, Álvaro; Ingeniería; Ingeniaritza; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa; Gobierno de Navarra / Nafarroako Gobernua
Esta tesis propone el uso de bombas de calor basadas en termoelectricidad, cuyas ventajas competitivas se basan fundamentalmente en la ausencia de partes móviles y de refrigerantes. Concretamente, esta tesis se centra en el diseño y construcción de un dispositivo de bomba de calor air-aire integrado con la ventilación de doble flujo en viviendas con una superficie inferior a 100 m2 y una envolvente de alta eficiencia energética tipo ‘Passive House’, donde la reducida carga de calefacción (<10 W/m2) permite climatizar el espacio con el caudal de aire de ventilación, aprovechando el calor residual del aire renovado. Los resultados demuestran que la termolectricidad puede resultar una alternativa real a la construcción de bombas de calor para la climatización de viviendas ‘Passive House’, dada la gran cantidad de ventajas (sistema silencioso, robusto, diseño ligero y fácilmente instalable en techos falsos, fácil regulación, integrabilidad con instalaciones fotovoltaicas y potencial de ahorro en los costes de fabricación), comparado con su menor eficiencia, fácilmente compensable con el incremento de la producción fotovoltaica integrada en el edificio.
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Improvements on the effiency of an autonomous commercial refrigeration system that uses low GWP fluids by the development of a thermoelectric subcooling system
(2022) Casi Satrústegui, Álvaro; Astrain Ulibarrena, David; Araiz Vega, Miguel; Ingeniería; Ingeniaritza
La producción de frío de manera artificial es considerada una de las contribuciones más relevantes de la historia, jugando un papel clave en el desarrollo de la sociedad humana, gracias a su contribución en la conservación de productos perecederos y como herramienta para conseguir confort térmico tanto en edificios como vehículos. Debido a su importancia, el sector de la refrigeración cuenta con un gran volumen y se encuentra ampliamente extendido tanto en el ámbito industrial como doméstico. Como consecuencia de su gran volumen, el sector viene ligado de un considerable impacto sobre el medioambiente debido al consumo eléctrico de las instalaciones y a los refrigerantes utilizados. Además, la demanda de refrigeración se espera que siga creciendo durante las próximas décadas y las estimaciones más recientes predicen que llegará a duplicarse para el año 2050. Estos hechos, junto con la actual problemática medioambiental, ponen de manifiesto la importancia de disminuir el impacto medioambiental del sector de la refrigeración. El impacto medioambiental de los equipos frigoríficos se debe a la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera los cuales contribuyen al calentamiento global del planeta. Estas emisiones se deben por un lado al consumo eléctrico del sistema de refrigeración y por otro lado a la fuga de refrigerantes con alto potencial de calentamiento atmosférico de las instalaciones. Con el objetivo de reducir las emisiones de los equipos frigoríficos existen dos principales vías de acción: el uso de refrigerantes naturales con bajo poder de calentamiento atmosférico, como el dióxido de carbono, y el desarrollo de equipos más eficientes para disminuir el consumo eléctrico de los sistemas de refrigeración. Esta tesis doctoral combina ambas líneas de acción centrándose en el desarrollo de un sistema de subenfriamiento termoeléctrico para la mejora de la eficiencia de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor que utiliza dióxido de carbono en estado transcrítico como refrigerante. Esta combinación de tecnologías se presenta como una solución novedosa y prometedora para la reducción de las emisiones de los equipos frigoríficos y es posible gracias a la robustez, escalabilidad,controlabilidad y versatilidad que ofrecen los sistemas termoeléctricos. Para ello, en primer lugar se ha desarrollado un modelo computacional capaz de simular el comportamiento de un ciclo de compresión de vapor de dióxido de carbono en estado transcrítico junto con un sistema de subenfriamiento termoeléctrico. El modelo computacional desarrollado ha sido validado de manera experimental y los resultados muestran que es capaz de predecir el comportamiento real del sistema con desviaciones dentro del +/-7% de error. Una vez desarrollado y validado el modelo computacional, este ha sido utilizado para el estudio y diseño del sistema de subenfriamiento termoeléctrico con el objetivo de optimizar el funcionamiento del sistema global de refrigeración. En el estudio se ha realizado una caracterización térmica de los intercambiadores de calor utilizados en el subenfriador termoeléctrico y mediante la utilización del modelo computacional se ha cuantificado el impacto de los interacambiadores de calor en el sistema global de refrigeración. Los resultados obtenidos muestran que mediante la utilización de intercambiadores optimizados, el aumento en potencia frigorífica con el sistema de subenfriamiento termoeléctrico se incrementa desde un 21.4% a un 26.3%. Asimismo, la mejora obtenida en el coeciente de operación pasa de un 11.96% a un 14.75%. Los resultados obtenidos demuestran el gran impacto que los intercambiadores de calor del subenfriador termoeléctrico tienen en el funcionamiento global del sistema de refrigeración. Gracias a la información obtenida mediante el modelo computacional, se ha sido diseñado, construido e incorporado un sistema de subenfriamiento termoeléctrico en una instalación experimental de compresión de vapor que utiliza dióxido de carbono en estado transcrítico como refrigerante. La planta experimental ha sido ensayada bajo diferentes condiciones climáticas y de operación para comprobar de manera experimental el efecto del subenfriador termoeléctrico en el funcionamiento global del sistema. Además, los resultados obtenidos mediante la incorporación del subenfriador termoeléctrico han sido comparados con la utilización de un intercambiador recalentador subenfriador, una tecnología comúnmente utilizada para mejorar la eficiencia de ciclos de refrigeración por compresión de vapor. Los resultados obtenidos muestran como las mejoras obtenidas mediante el subenfriador termoeléctrico superan las obtenidas mediante el intercambiador recalentador subenfriador tanto en coeficiente de operación como en potencia frigorífica. La inclusión del sistema de subenfriamiento termoeléctrico resulta en un aumento de potencia frigorífica de hasta un 20.8% y una mejora del coeficiente de operación del sistema de hasta el 16.2%. Por último, debido a la versatilidad y controlabilidad del subenfriador termoeléctrico, esta tecnología se ha combinado junto con el intercambiador recalentador subenfriador, con el objetivo de comprobar el funcionamiento del ciclo de compresión de vapor trabajando con ambas tecnologías simultáneamente. La incorporación de un subenfriador termoeléctrico junto con el intercambiador recalentador subenfriador resulta en un aumento de la potencia frigorífica de un 22.5% y en un incremento del coeficiente de operación del 22.4%. Estos resultados muestran que mediante la combinación de estas dos tecnologías se obtienen mejoras superiores a las obtenidas a través de cada una de ellas de manera independiente. Los resultados de esta tesis demuestran que la utilización de un sistema de subenfriamiento termoeléctrico es una solución tecnológicamente viable para la mejora de la eficiencia de sistemas de refrigeración por compresión de vapor con dióxido de carbono en estado transcrítico, disminuyendo así, las emisión de gases de efecto invernadero de los sistemas de refrigeración y contribuyendo a la producción de frio de manera sostenible y respetuosa con el medio ambiente.
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Estudio comparativo de diferentes tipologías de tapones de corcho para utilización como cierre para vino tranquilo
(2023) Flor Montalvo, Francisco Javier; Latorre Biel, Juan Ignacio; Jiménez Macías, Emilio; Ingeniería; Ingeniaritza
Desde que a finales del siglo XVII Dom Pierre Perignon utilizó tapones de corcho para su champán, la utilización de este material se extendió como cierre tanto para vinos espumosos como para vinos tranquilos. El corcho posee cualidades únicas e inigualables que, hasta el momento, aún no han se han logrado imitar o mejorar entre las que podemos destacar la combinación de ligereza, elasticidad, alto coeficiente de rozamiento , impermeabilidad, alto poder calorífico, bajo contenido en agua, buen aislante térmico pero ante todo, es un material 100% natural, reciclable y renovable, atributos hoy en día imprescindibles para una sociedad comprometida por la reducción de la contaminación y sostenible con el medio ambiente. Es por ello que, a pesar de que en los últimos años han surgido nuevos cierres (tapón corona, screwcap,…) así como nuevos materiales (sintéticos), el corcho sigue ocupando un lugar privilegiado dentro del sector. También los propios tapones de corcho han evolucionado existiendo en la actualidad diferentes granulometrías (tapón natural de una, y dos piezas, tapones aglomerados, microgranulados, tapón 1+1,…) y calidades, influyendo de forma considerable tanto en el coste como en el resultado final del producto. Cada uno de estos productos tiene procesos de fabricación diferentes y distintas fuentes y niveles de aprovechamiento de materias primas, a pesar de estar todos fabricados con corcho. El conocimiento de las características y recursos invertidos en la fabricación de estos tapones se torna necesaria para realizar una adecuada caracterización y selección acorde con las características y tipologías de los vinos para los que serán utilizados.
Embargo
Robust multivariable control of wind turbines based on wind measurements provided by LiDAR sensors
(2023) Miquélez Madariaga, Irene; Elso Torralba, Jorge; Díaz de Corcuera Martínez, Asier; Ingeniería; Ingeniaritza
La energía eólica es, junto a la solar fotovoltaica, la única opción realista para la descarbonización del sector eléctrico. Su competitividad en el mercado se mide a través del Coste de la Energía (LCOE por sus siglas en inglés), que está determinado por la producción de energía a lo largo de su vida útil y por los costes de fabricación y operación. Aunque existen numerosos avances técnicos que optimizan el funcionamiento de los aerogeneradores, pocos son tan ventajosos como el desarrollo de estrategias de control avanzadas. El correcto diseño de los algoritmos de control permite, de manera simultánea, aumentar la producción de energía y reducir el daño sobre los elementos de la máquina, mejorando el caso de negocio. En los últimos años han aparecido sensores y actuadores novedosos, que permiten desarrollar e incluir nuevas estrategias en los lazos de control de los aerogeneradores. En concreto, los sensores LiDAR permiten obtener una medida remota del campo de viento turbulento que se aproxima a un aerogenerador. Esta información se puede emplear para generar una acción de control por prealimentación con la que mejorar el funcionamiento del aerogenerador. Esta tesis trata del diseño de controladores feedforward lineales que emplean la medida de viento proporcionada por un sensor LiDAR para reducir las cargas algunos componentes estructurales del aerogenerador. Las principales líneas de trabajo de la tesis son: el desarrollo de una metodología de diseño de controladores feedforward sencilla y orientada a la reducción de cargas en la base de la torre. El desarrollo de un modelo incierto del sensor, que recoja la incertidumbre de medida y permita diseñar controladores robustos. El desarrollo de metodologías de diseño de controladores feedforward robustos, que permitan el diseño simultáneo de los controladores de pitch y par del aerogenerador y satisfagan simultáneamente las especificaciones impuestas sobre varios objetivos.
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Disposición óptima de sensores para la estimación de cargas mecánicas mediante medidas de deformación. Aplicación a aerogeneradores
(2023) Bacaicoa Díaz, Julen; Iriarte Goñi, Xabier; Ingeniería; Ingeniaritza
La monitorización de la salud estructural (SHM) en aerogeneradores representa un desafío crítico en la eficiencia operacional y mantenimiento de estas complejas estructuras. La investigación desarrollada en esta tesis doctoral aborda la disposición óptima de sensores y la aplicación de técnicas de medición de deformación mediante galgas extensiométricas para la estimación precisa de las cargas mecánicas en secciones circulares. A través de métodos innovadores y un enfoque práctico, se plantean unas técnicas para la estimación robusta y precisa de fuerzas y momentos que se aplican en los diferentes componentes de los aerogeneradores. En primer lugar, se calcula la deformación de una galga situada arbitrariamente, considerando que está colocada en el perímetro de una sección transversal circular. A continuación, se expone cómo puede estimarse el torsor externo completo a partir de las medidas de deformación de un conjunto de galgas, y se presenta una colección de configuraciones óptimas de galgas obtenida a partir de diferentes criterios de optimización y restricciones impuestas. Después, se presenta una metodología para obtener nuevas configuraciones óptimas de galgas extensiométricas que permitan estimar determinadas componentes del torsor externo sin la influencia de otras componentes no deseadas. Se desarrolla un algoritmo de optimización y se obtienen configuraciones óptimas para la estimación de diferentes cargas y compensación de la deformación térmica, además de presentar una colección de novedosas configuraciones óptimas para la estimación de determinadas componentes del torsor simultáneamente. A continuación, se realiza un análisis de sensibilidad, para estudiar la propagación de incertidumbre desde las medidas de deformación de las galgas hasta la estimación de las cargas. Se definen las posiciones y orientaciones nominales de las galgas extensiométricas en los puentes típicos de Wheatstone y determinadas configuraciones novedosas, así como las matrices de relación inversa para la estimación de las cargas a partir de las medidas de deformación. Posteriormente, se presenta el procedimiento llevado a cabo para el análisis de sensibilidad, y se presentan los resultados obtenidos desde cuatro perspectivas diferentes tras el análisis de sensibilidad aplicado a un aerogenerador. Seguidamente, se realiza la calibración estática de una nueva configuración óptima de galgas obtenida para la estimación de todas las componentes del torsor externo simultáneamente. Se fabrica un eje hueco a escala para la instalación de la configuración de galgas y se llevan a cabo un total de 6 experimentos de calibración aplicando diferentes cargas en cada uno de ellos. Una vez establecida la relación lineal entre las deformaciones de las galgas y las diferentes componentes del torsor, se obtiene la matriz de observación experimental. Además, se realiza la validación del procedimiento de calibración por medio de un experimento adicional, concluyendo que la configuración de galgas es capaz de estimar el torsor completo con una fiabilidad y precisión razonable. Finalmente, se exponen las conclusiones alcanzadas en esta tesis doctoral, así como una serie de propuestas para futuras investigaciones y líneas de trabajo. Esta sección brinda un cierre a la investigación realizada, resumiendo los hallazgos clave y destacando las implicaciones y perspectivas que surgen a partir de los resultados obtenidos. Además, se plantean posibles direcciones para ampliar el conocimiento y profundizar en áreas relacionadas con el tema abordado en esta tesis doctoral.
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Análisis de la siniestralidad laboral: España - Navarra - Empresa multinacional de componente de automoción
(2023) Ríos Eraso, Alonso; Jarén Ceballos, Carmen; Ingeniería; Ingeniaritza
El 8 de noviembre de 1995 se publicó en el BOE la Ley 31/1995 de Prevención de Riesgos Laborales en España, como transposición de una Directiva europea. Después de 25 años de su puesta en vigor se plantea la hipótesis de si realmente se han obtenido unos resultados de mejora en el espacio europeo, español, autonómico y en una empresa multinacional de componente de automoción. El objetivo general de esta tesis doctoral fue analizar la siniestralidad a través de los accidentes laborales en jornada de trabajo en series temporales superiores a 20 años, para poder evidenciar el impacto de dicha ley. Para alcanzar este objetivo, se realizó un análisis estadístico de los diferentes tipos de accidentes registrados y notificados al Ministerio de Trabajo y Economía Social y en la Oficina Estadística de la Unión Europea. Como resultado, se observó que España ha mejorado sus valores absolutos y su índice de incidencia de accidentes mortales desde el inicio del estudio, sin embargo, estuvo por encima de la media de los países europeos comparados. A nivel nacional, todas las comunidades autónomas mejoraron sus índices de incidencia y frecuencia de los accidentes mortales en jornada de trabajo. La radiografía de la siniestralidad es que 98,78% de los accidentes fueron leves, el 1,10% graves y el 0,1% mortales. El prototipo de accidente mortal en jornada de trabajo fue de un varón, representando el 95% del total, con una antigüedad inferior a 10 años, representando el 79,33%, y perteneciente mayoritariamente al sector económico de la construcción y agrario. En la empresa analizada, también mejoraron los valores e índices de accidentabilidad.
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Tecnología de imágenes hiperespectrales en el infrarrojo cercano para la detección de enfermedades fúngicas en vid
(2023) Pérez Roncal, Claudia; Arazuri Garín, Silvia; López Maestresalas, Ainara; Ingeniería; Ingeniaritza
La vid (Vitis vinifera L.) es una de las especies vegetales de mayor interés agrícola en el mundo y España es el país con mayor superficie dedicada a este cultivo. En este contexto, debido al cambio climático se están observando alteraciones en el desarrollo de las viñas y en los ciclos de vida de los principales agentes bióticos que se desarrollan en estas. El número de patógenos que afecta a la vid es muy amplio y es de suma importancia tomar las medidas sanitarias lo antes posible. Las nuevas tecnologías basadas en sensores ópticos abren la posibilidad de realizar monitoreos que permitan, de forma previsual, determinar los síntomas de estos patógenos. La tecnología de imágenes hiperespectrales (HSI) en el infrarrojo cercano (NIR) se presenta como una de las técnicas más prometedoras para la detección de enfermedades en plantas, ya que es capaz de detectar y cuantificar las enfermedades y permite conocer las interacciones planta -patógeno. Por ello, el objetivo de esta tesis es evaluar la utilidad de la tecnología HSI-NIR para la detección de dos enfermedades fúngicas en vid: el Oídio (Erysiphe necator) y el complejo de la Yes ca. Los ensayos se realizaron en viñedos en producción situados en Navarra, en los que de forma natural se observaban síntomas de las enfermedades evaluadas. En el caso del Oídio, se analizaron racimos de la variedad Mazuelo, con síntomas y sin síntomas visibles de la enfermedad. En el caso del complejo de la Yesca, los ensayos se llevaron a cabo en un viñedo experimental de la variedad Tempranillo, en el que se había realizado un monitoreo sistemático del impacto de la enfermedad en los últimos años. Se an alizaron hojas de cepas que históricamente no habían presentado síntomas de infección, y hojas asintomáticas y sintomáticas de cepas afectadas por Yesca. Todas las imágenes hiperespectrales se adquirieron con un sistema HSI de escaneado lineal en el rango 900–1700 nm con una resolución espectral de 3 nm (256 bandas). El procesado y análisis de los datos se realizó con el software MATLAB R2018b. Los resultados obtenidos a partir de los modelos discriminantes por mínimos cuadrados parciales (PLS-DA) desarrollados permitieron clasificar correctamente más del 80% de las muestras en el ensayo de Oídio, y entre el 88% y el 97% en el ensayo de la Yesca. La aplicación de estos modelos permitió mapear las zonas afectadas por ambas enfermedades identificando así el comportamiento y grado de afección de la enfermedad en los racimos y en las hojas analizadas. Además, la aplicación de técnicas de selección de variables facilitó la identificación de las zonas del espectro de reflectancia de interés para la detección de Yesca en hojas asintomáticas. A modo de conclusión, se pudo observar que estos sistemas HSI combinados con técnicas eficaces de procesamiento de imagen y quimiométricas, permitieron detectar tanto Oídio como Yesca, lo que es una gran ventaja a la hora de moni torizar las viñas, identificar de forma temprana la presencia de enfermedades fúngicas y , por lo tanto, mejorar la toma de decisiones y el manejo del viñedo.
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Valorización de residuos orgánicos como nuevos combustibles sólidos de biomasa
(2023) Espuelas Zuazu, Sandra; Seco Meneses, Andrés; Marcelino Sádaba, Sara; Ingeniería; Ingeniaritza
Esta tesis se ha centrado en la valorización de dos residuos industriales, que en la actualidad no tienen vías de valorización efectivas, como combustibles sólidos de biomasa para la generación de energía limpia. Con el objetivo de valorizar estos residuos, se ha desarrollado una metodología estructurada en seis fases que permite estudiar el residuo y sus diferentes vías de valorización, además de detectar los posibles residuos que se generen tras el propio proceso de valorización. En primer lugar, se ha valorizado el residuo de marro de café (SCG), mediante la fabricación de briquetas mediante condiciones de baja energía y baja temperatura, formadas con SCG y como ligantes, goma xantana y goma guar. Las briquetas se fabricaron a temperatura ambiente, a 10%, 15%, 20%, 25% y 30% de humedad, con 8, 10 y 12 MPa de presión de compactación y con 5 y 10% de dosis de cada ligante. Se realizaron diversos ensayos para caracterizar las briquetas, en primer lugar, para determinar la capacidad de fabricar briquetas funcionales, se realizaron ensayos de densidad seca, durabilidad y absorción de agua. Por último, se realizaron ensayos químicos para determinar su potencial como combustibles sólidos: análisis elemental, análisis inmediato y ensayo de combustión. La combinación de 10% de xantana, 15% de humedad y a 12 MPa, alcanzó la mayor densidad seca, 0,819 g/cm3 . La combinación de 5% de xantana, 30% de humedad, compactada a 12 MPa fue la más duradera con una pérdida de masa del 3,9%. No se establecieron relaciones entre la absorción de agua y el tipo de ligante, la dosis de ligante, la humedad de fabricación o la presión de compactación. El valor más bajo de absorción de agua, 0,25%, correspondió a la combinación con 5% de xantana, 30% de humedad y compactada a 10 MPa. El poder calorífico inferior alcanzado por el SCG fue de 25,399 MJ/kg. El uso de ligantes disminuyó el poder calorífico, redujo los volátiles, aumentó el contenido de carbono fijado y disminuyó el contenido de nitrógeno. La goma guar disminuyó el contenido de nitrógeno del SCG en un 15,92% para la dosis del 5% y en un 16,92% para las combinaciones con 10%, respectivamente. La reducción de nitrógeno con la goma xantana alcanzó el 13,43% para el 5% y un 14,43% para el 10% de dosificación. La producción de cenizas de SCG fue del 0,66%. Este valor aumentó a 0,81% y 0,97% con el 5% y el 10% de goma xantana, mientras que la goma guar lo redujo al 0,57% y al 0,52%, con el 5% y el 10% de dosificación. El segundo residuo estudiado es el polvo de aislante de celulosa (CFP). Este residuo carece de método de valorización efectivo debido a su contenido en sales de boro. En este caso, se valorizó mediante la fabricación de pellets con lignosulfonato y residuo de la producción de azúcar. Se realizaron diversos ensayos para caracterizar los pellets, en primer lugar, para determinar la capacidad de fabricar pellets funcionales, se realizaron ensayos de densidad seca, durabilidad y absorción de agua. Estos ensayos permiten estimar su comportamiento ante el manejo, transporte y alimentación de las calderas. Además, se realizaron ensayos químicos para determinar su potencial como combustibles sólidos: análisis elemental, análisis inmediato y ensayo de combustión. Por último, se caracterizaron las cenizas obtenidas tras la combustión de los diferentes pellets fabricados. El CFP mostró una buena capacidad de peletización y durabilidad en el rango de 15-30% de contenido de agua. La densidad del pellet disminuyó al aumentar el contenido de agua. Los ligantes aumentaron la longitud del pellet antes y después de la prueba de durabilidad y aumentaron la absorción de agua del pellet, lo que demuestra una posible disminución de la durabilidad frente a los factores ambientales. Los ligantes también disminuyeron el valor calorífico inferior. El análisis elemental mostró un ligero aumento de nitrógeno en las combinaciones con ligantes que podría aumentar las emisiones contaminantes de NOx en la combustión. Todas las combinaciones mostraron unas características de combustión adecuadas, pero los ligantes aumentaron la producción de cenizas. Los ligantes disminuyeron el contenido de volátiles y aumentaron el carbono fijado, lo que podría facilitar una combustión más estable. Las curvas DTA mostraron una disminución de la tasa de pérdida de masa en la fase volátil en el caso de las combinaciones con ligantes, lo que también podría considerarse como un indicador de una combustión más estable. Las composiciones químicas de las cenizas al ser analizadas por XPS mostraron contenidos de boro que oscilaban entre el 10,03% y el 16,42%, demostrando la posibilidad de recuperarlos de las cenizas de combustión.
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Sentinel-1 time series applications over agricultural fields: proposal, evaluation and comparison of different methodologies
(2023) Arias Cuenca, María; Álvarez-Mozos, Jesús; Campo-Bescós, Miguel; Ingeniería; Ingeniaritza
La monitorización de los cultivos es esencial para diferentes aplicaciones, como el aseguramiento de la seguridad alimentaria, la gestión de los cultivos y la implementación de políticas agrarias. La teledetección proporciona información acerca de las propiedades biofísicas de las plantas y los suelos, así como de la variabilidad espacial en amplias áreas del territorio de forma periódica. El lanzamiento de los satélites radar de apertura sintética (SAR) Sentinel-1 en 2014 y 2016 permitió la adquisición de series temporales densas de imágenes con buena resolución espacial y temporal incluso en zonas cubiertas de nubes. El principal objetivo de esta tesis es la evaluación de diferentes metodologías para aplicaciones agrícolas a escala de parcela usando series temporales Sentinel-1. En primer lugar, se propuso una metodología de clasificación de cultivos supervisada basada en las firmas temporales de Sentinel-1. Se implementó en un caso de estudio con 14 clases de cultivos y un dataset grande de parcelas agrícolas. En segundo lugar, se evaluó la influencia de la geometría de adquisición de las imágenes Sentinel-1 sobre parcelas de trigo. Se evaluó la influencia del ángulo de incidencia en la retrodispersión y los coeficientes de terrain-flattening, y se aplicó una normalización del ángulo de incidencia seguida de una corrección de la anisotropía azimutal en las series temporales de polarización VV. En tercer lugar, se evaluó la atenuación de la retrodispersión producida por las cubiertas de trigo en polarización VV, y un nuevo método de corrección del efecto de la atenuación llamado WATCOR fue propuesto. Finalmente, cuatro técnicas para estimar la humedad del suelo basadas en series temporales de Sentinel-1 en cultivo de trigo fueron evaluadas, proponiendo diferentes alternativas metodológicas para su aplicación a escala de parcela. A pesar de la complejidad de la estimación de la humedad del suelo a escala de parcela únicamente con datos SAR, se obtuvieron estimaciones aceptables. Los resultados de esta tesis demostraron que el análisis y la extracción de información contenida en series temporales SAR es útil para diferentes aplicaciones, augurando interesantes desarrollos futuros en este campo.
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Desarrollo de materiales de construcción sostenibles basados en cementantes de óxido de magnesio de bajo impacto ambiental. Aplicación a la estabilización de suelos con sulfatos
(2024) Del Castillo García, Jesús María; Seco Meneses, Andrés; Marcelino Sádaba, Sara; Ingeniería; Ingeniaritza
La presente tesis por compendio de publicaciones recoge la investigación realizada para la estabilización de suelos con sulfatos, dentro del contexto de la ingeniería civil, mediante el empleo de cementantes hidráulicos basados en el óxido de magnesio (MgO). Para ello se han desarrollado y ampliado investigaciones previas relacionadas con el uso de un cemento basado en la activación de escoria granulada de alto horno (GGBS: Ground Granulated Blast-furnace Slag) mediante la adición de un MgO de bajo grado de pureza. El MgO empleado en esta investigación procede de residuos o subproductos generados en los procesos de fabricación y uso de material refractario manufacturado a partir de la calcinación del mineral magnesita. La investigación llevada a cabo parte de otras investigaciones previas que derivaron en el desarrollo del citado cementante patentado de forma conjunta por la empresa Magnesitas Navarra S.A. (MAGNA) y la Universidad Pública de Navarra (patente conjunta UPNA/MAGNA 'Ligante hidráulico para materiales de construcción'). Este producto presentó una potencialidad muy alta para su empleo en la estabilización de suelos, así como una baja reactividad con los sulfatos, pudiendo limitar los efectos adversos que se producen en la interacción entre los sulfatos y los aditivos estabilizantes basados en el óxido de calcio (CaO) como son los cementos comunes y la cal (únicos estabilizantes indicados en la normativa nacional para la construcción de carreteras), lo que deriva en la generación de sulfatoaluminatos hidratados del grupo de la etringita, de muy alta capacidad expansiva.
Embargo
Optimización de estrategias para el diseño orientado a la fabricación aditiva (DfAM) de piezas metálicas aligeradas por deposición de energía focalizada (DED)
(2024) Uralde Jiménez, Virginia; Veiga Suárez, Fernando; Ballesteros Egüés, Tomás; Ingeniería; Ingeniaritza
Esta Tesis examina diversas etapas del flujo de fabricación aditiva metálica, con un enfoque especial en la tecnología Directed Energy Deposition-Arc (DED-Arc) y su conocimiento para orientar el diseño a la fabricación óptima. Cada estudio aborda un objetivo específico, motivado por las limitaciones actuales de esta tecnología. En la fase preliminar, se desarrolla una herramienta para la selección óptima de la tecnología de fabricación aditiva mediante la metodología AHP (Proceso Analítico Jerárquico), conocida por su efectividad en la toma de decisiones multicriterio. Los resultados indican que la Fiabilidad de la Técnica es el criterio más importante a la hora de seleccionar una tecnología de fabricación. Esta herramienta permite identificar la tecnología más adecuada para aplicaciones específicas, optimizando recursos y mejorando la calidad del producto final. La fase experimental se centra en el estudio de diferentes estrategias de deposición. Primero, se investiga la simetría en la fabricación mediante técnicas de solapamiento y oscilación, evaluando cómo la configuración geométrica y la técnica de deposición afectan la calidad y las propiedades mecánicas del material depositado. Los resultados principales muestran que la estrategia de oscilación produce mejores resultados en términos de simetría en comparación con la estrategia de solapamiento. Posteriormente, se comparan cuatro trayectorias distintas para abordar una intersección en cruz, con el fin de identificar la trayectoria óptima. Se comparan la intersección basada en el cruce de trayectorias solapadas (Cross-Overlapping), cruce de trayectorias oscilantes (Cross-Waving), una trayectoria oscilante de amplitud variable (Waving) y el solape de trayectoria en curva (Overlapping). Este análisis es crucial, ya que las intersecciones en las trayectorias pueden ser puntos críticos donde se concentran tensiones y se originan defectos. Su adecuada selección no solo mejora la integridad estructural de las piezas fabricadas, sino que también optimiza el tiempo y los costos de producción. El estudio reflejó que las estrategias Cross-Overlapping y Cross-Waving producen las geometrías óptimas, mientras que la estrategia de Waving requirió menos paradas por capa. Por último, se explora la fabricación de una pared combinando dos materiales mediante superposición y solapamiento (hibridación de materiales). Los resultados han demostrado que se pueden fabricar paredes con dos metales sin ningún defecto en la zona intermetálica. No se observaron defectos visuales, ni poros, ni grietas en la microestructura. Las paredes bimetálicas conservan la microestructura correspondiente a cada material por separado. Este estudio permite explorar nuevas propiedades híbridas y mejorar el rendimiento de las piezas finales. Para finalizar el trabajo, se presenta el diseño de un caso real: una pieza de utillaje aeronáutico orientada a la fabricación aditiva metálica (DfAM). Este caso práctico sintetiza los conocimientos adquiridos en las fases anteriores. La implementación de DfAM en el diseño de esta pieza ha permitido reducir un 63% el peso de la pieza inicial, optimizando su rendimiento y eficiencia. Esto demuestra cómo una comprensión profunda de las técnicas de fabricación aditiva puede transformar el proceso de diseño, reduciendo costos y mitigando el impacto ecológico de la producción. Esta Tesis contribuye al conocimiento teórico y tiene aplicaciones prácticas significativas de la tecnología, demostrando que un diseño bien fundamentado puede mejorar todos los aspectos de la fabricación aditiva.

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